材料现代分析方法试题

1、2015年材料现代分析方法试题一一小百合1. 请简述XRD谱图分析的基本原理、一般方法及注意 事 项。基本原理红外线和可见光一样都是电磁波，而红外线是波长介于可见光和微波之间的 一 段屯磁波。红外光又可依据波长范围分成近红外、中红外和远红外三个波区 , 其中中 红外区( 2.5? 25 u m ； 4000? 400cm ' )能很好地反映分子内部所进行的各 种物理 过程以及分子结构方面的特征，对解决分子结构和化学组成中的各种问题 最为有效， 因而中红外区是红外光谱中应用最广的区域， 一般所说的红外光谱大 都是指这 - 范围。红外光谱属于吸收光谱，是由于化合物分子振动时吸收特定波长的红

2、外光而 产 生的，化学键振动所吸收的红外光的波长取决于化学键动力常数和连接在两端 的原 子折合质量，也就是取决于的结构特征。这就是红外光谱测定化合物结构的 理论依 据。红外光谱作为“分子的指纹”广泛的用于分子结构和物质化学组成的研究。 根 据分子对红外光吸收后得到谱带频率的位置、强度、形状以及吸收谱带和温度、 聚 集状态等的关系便可以确定分子的空间构型，求出化学建的力常数、键长和键 角。 从光谱分析的角度看主要是利用特征吸收谱带的频率推断分子中存在某一基 团或键， 由特征吸收谱带频率的变化推测临近的基团或键，进而确定分子的化学 结构，当然 也可由特征吸收谱带强度的改变对混合物及化合物进行定量分

3、析。而 鉴于红外光谱 的应用广泛性，绘出红外光谱的红外光谱仪也成了科学家们的重点研究对彖 .傅立叶变换红外(FT-1R)光谱仪是根据光的相干性原理设计的，因此是一种干 涉型 光谱仪，它主要由光源(硅碳棒，高压汞灯)，干涉仪，检测器，计算机和记录系统组成，大多数傅立叶变换红外光谱仪使用了迈克尔逊( Michelson )干 涉仪，因此 实验测量的原始光谱图是光源的干涉图，然后通过计算机对干涉图进 行快速傅立叶 变换计算，从而得到以波长或波数为函数的光谱图，因此，谱图称 为傅立叶变换红 外光谱，仪器称为傅立叶变换红外光谱仪。X 射线物相分析的基本原理我们知道每一种结晶物质都有自己独特的晶体结构。因

4、此，当X射线通过晶体吋，每种结晶物质都有自己独特的衍射花 样，它们的特征可以用各个反射晶面的晶面间距值 d 和反射线的强度 来表征。通常用 d 和 I 的数据代表衍射花样。衍射花样的用途：一是可以用来测定晶体的结构二是用来测定物相。分析的一般方法3?用尝试的办法进行物相鉴定：先取三强线尝试，吻合则可定；不吻 合则从谱中换一根（或二根）线再尝试，直至吻合。b?对照卡片去掉已吻合的线条（即标定一相），剩余线条归一化后再尝试鉴定。直至所有线条都标定完毕。注意事项（ 1） d 的数据比 I/I1 数据重要。（ 2） 低角度线的数据比高角度线的数据重要。（ 3） 强线比弱线重要，特别要重视 d 值大的强

5、线。（ 4） 应重视特征线。（ 5） 应尽可能地先利用其他分析、鉴定手段，初步确定出样品可能是什么物相，将它局限于一定的范围内。a. 多相混合物的衍射线条有可能有重叠现象， 但低角线条与高角线条相比， 其重叠机会较少。 若 一种相的某根衍射线条与另一相的某根衍射线重叠，而且重叠的线条又为衍射花样中的三 强线 之一，则分析工作就更为复杂。b. 当混合物中某相的含量很少时，或某相各晶而反射能力很弱时，它的衍射线条可能难于显现，因此， X 射线衍射分析只能肯定某相的存在，而不能确定某相的不存在。2. 简述TEM的基本构造与原理（透射电镜的基本结构 透射电子显微镜是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁

6、透镜聚焦成像的一种高分 辨本 领、高放大倍数的电子光学仪器。它由电子光学系统（镜筒）、电源和控制系统、真空 系统三 部分组成。(a).(b)分散射，其散射结果使通过物镜光阑孔的电子朿强度产生差別透射电子显微镜 的主 体部分是电子透镜和显像记 录系统，由置于真空中的电 子枪、聚光镜、物样室、物 镜、衍射镜、中间镜、投影 镜、荧光屏和照相机等组成， 与光学显微镜的结构完全类 似。电子枪发射的电子 在阳极加速电压的作用下， 高速地穿过阳极孔，被聚光 镜会聚成 很细的电子束照明 样品。因为电子束穿透能 力 有限，所以要求样品 做得很 薄，观察区域的厚度在200nm 左右。由于样品微区的厚度、 平均原子

7、序数、晶体结构或 位向有差别，使电子朿透过 样品时发生部经过物镜聚焦 放大在其像平面上，形成第 一幅反映样品微观特征的电 子像。然后再经中间镜和投影镜两级放大，投射到荧光屏上对荧光屏感光，即把透射电子的强度转换为人眼直接可见的光强 度分布，或 由照相底片感光记录，从而得到一幅具有一定衬度的高放大倍数的图像。透射电镜的成像原理电子显微镜与光学显微镜的成像原理基本一样，所不同的是前者用电子朿作光源，用电磁场作透镜。另外，由于电子束的穿透力很弱，因此用于电镜的标本须制成厚度约50nm左右的超薄切片。从聚光镜来的电子束打到样品上。与样品发生相互作用。如果样品薄到一定程度，电子就可以透过样品。所有这些电

8、子通过物镜后在物镜的后焦面上会形成一种特殊的图象。我们称之为夫琅禾费衍射花样。如果被电子束照射的区域是非晶，则花样的特点是中央亮斑加从中央到外围越来越暗的光晕。如果被电子束照射的区域是一块单晶，则花样的特点是中中央亮斑加周圉其它离散分布、强弱不等的衍射斑。如果被电子束照射的区域包括许多单晶，则花样的特点是中央亮斑加周围半径不等的一圈圈亮环。对非晶样品，从不同原子上散射出的同一方向上的电子波之间没有固定的相位差，且随着散射角的增大，散射的电子数量少，能量损失大，它们通过物镜后，直进的电子形成屮央亮斑。散射的电子形成 周围的光晕。越往外，光晕越來越弱。对晶体样品，由 于原子排列的规律性，不同原子的

9、 同一方向的散射波Z间存在固定的相位差。某些方向上相位差 为2兀的整数倍。由于电子衍 射花样与晶体的结构Z间存在对应关系，如果我们记录下衍射花样， 就可以对晶体结构进 行分析。这正是透射电子显微镜能够进行晶体结构分析的原区之一。对多晶 样品，每个单 晶形成自己的衍射花样。由于各个单晶的取向不同，每个单晶上相同指数的衍射波 出现在 以入射电子方向为中心线的圆锥上，它们通过物镜后形成衍射圈。通过分析这些衍射圈的 半径和亮度，也可以对多晶样品进行结构分析。把透射电镜的工作方式切换到衍射模式，贝恠物 镜后焦面上形成的花样在荧光屏上可以观察到，也可以用底片或相机记录下来。在衍射衬度模式中，像平面上图象的

10、衬度来源于两个方面。一是质量、厚度因素；一 是衍射 因素。所谓质量因素，是指由于样品的不同部位的密度不同（其它都相同），同样强 度的电子束 打到该样品后，密度高的区域透过去的直进电子束弱于密度低的区域。于是到 达荧光屏上的效果 是密度高的区域暗，密度低的区域亮。这就形成了衬度。所谓厚度因素， 是指由于样品的不同部 位的厚度不同（其它都相同），同样强度的电子束打到该样品后，厚 区域透过去的直进电子束弱 于薄的区域。于是到达荧光屏上的效果是厚区暗，薄区亮。这 也形成了衬度。所谓衍射因素，是 指由于样品上不同的部位产生电子衍射的情况不同（其 它都相同），同样强度的电子束打到该样 品后，产生强衍射的区

11、域透过去的直进电子束弱于 产生弱衍射的区域。于是到达荧光屏上时，产 生强衍射的区域暗，弱衍射的区域亮（明场 像）。利用衍射因素，加上电子衍射花样，可以对材 料中的许多内容进行研究，如晶界、位 错、层错、李晶、相界、反相畴界、析出相、取向关系等。3. 在材料结构研究中，TEM是常用的表征方法。谈谈 与 你的专业方向或研究课题相关的 TEM羊品的制备方 法及 注意事项。（二）液相成膜法将可溶性的聚合物制成 0. ro. 5% 的稀溶液，将此稀溶液直接滴于带有支持膜 的载 网上，待溶剂挥发干燥后成膜；或先将稀溶液滴于水面或甘油表面上成膜（所用溶剂与 水或廿油 不混溶）随后把此膜打捞在载网上，为了提高

12、反差还可把膜染色处理后用电镜观察。 溶液成膜法 选择的良溶剂必须是高纯度的，而且又能容易挥发。为了观察不能溶解或不易溶解的颗粒羊品，可制成其极稀的悬浮液或乳液，一般 配成 万分 z 儿?十万分 z 儿的稀液，可用超声波法进一步分散悬浮液或乳液中的颗粒。然后 将试羊滴 于带支持膜的载网上，干燥后即可进行电镜观察。三）超薄切片法超薄切片法必须用超薄切片机切片，试片厚度要求 50nm 左右。但将切好的薄片从刀 刃上 取下时容易发生变形或弯曲。解决方法：（1） 包埋，即把羊品包埋在一种可以固化的介质中，通过选择不同的配方来调节包埋 剂 的硬度，使之与羊品的硬度相兀配，且所用包埋剂必须对试羊本身的结构不

13、起破坏作用（如 溶解 或溶胀） 。常采用的包埋剂有邻苯二甲酸二丙稀酯、 甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸丁酯 混合单体、 坏氧树脂，包埋剂固化后，进行修块和切片；（ 2） 先把羊品在液氮或液态空气中冷冻，冷冻后进行超薄切片。由于共混改性塑料屮 多 数聚合物是由 C、 H 等低原子序数的元素组成，电子密度差别很小，加上试羊很薄，试羊 的反差 很小。为了增加反差，需采用染色技术。染色就是将含某种重金属的试剂对试羊中的 某一相或某 一组分进行选择性地化学处理，使其接合上或吸附上重金属，而另一部分没有重 金属原子，从而 使它们对电子的散射能力有明显差别，提高超薄切片羊品图像的衬度。对于 弹性体增韧塑料，切

14、片前染色还可使弹性体硬化便于切片。儿种染色剂 四氧化娥 （ 0s04） 四氧化钉 （ Ru04） 磷钩酸（四）复型法先将试样的一个表面打磨抛光，形成平整的表面，选择适当的蚀镂剂将试样表面侵蚀 , 再 用适当的方法将蚀镂过的表面复制下来，复制物作透射电镜观测，从而了解试样的形态结构。（五）投影法由轻元素组成的有机物、高分子聚合物等对电子的散射能力差，在电子图像上 形成 的衬度很小，不易分辨，可采用重金属投影來提高衬度。投影工作在真空镀膜机上进行。 选用某 种重金属材料（如Ag、Cr. Ge、Au或Pt等）作为蒸发源，金属受热成原子状态蒸发， 以一定倾 斜角投到样品表面，市于样品表面凹凸不平，形成

15、了与表面起伏状况有关的重金属 投影层。由于 重金属的散射能力，投影层与未蒸发重金属部分形成明显的衬度，增加了立体 感。（六）刻蚀法这种方法是研究聚合物聚集态结构（特别是结晶结构）和聚合物多相复合体系 织态 状态的一种有效方法。因为一般结晶聚合物都含有晶区和非晶区，或 rh 不同聚合物组成 的多相 复合体系含有不同组分所组成的微区（分散相或连续相）。刻蚀剂对这些试样的晶区 和非晶区， 或不同组分的微区有选择性刻蚀作用。因而，在刻蚀过程中有可能出现选择性地 优先刻蚀掉样品 中某一相（往往是无定形区）或某一组分（视给定的刻蚀剂対一定组分的相 溶性或氧化性而定）。 因此，样品经过刻蚀后对更清晰地显蛊出

16、这些结晶聚合物或聚合物多 相复合材料的结构状态。 通常采用的刻蚀方法有：溶剂刻蚀、氧化剂刻蚀、等离子体刻蚀及离子减薄法。 需要指出的是，在刻蚀的同时，由于溶剂诱导作用或应力诱导作用会在试样表面形成新的结 晶或 缺陷，所以选择合适的刻蚀剂及刻蚀条件是得到材料真实结构的关键。等离子刻蚀是利 用离子朿 对试样屮不同区域或不同组分的破坏程度不同，致使试样表面受离子束轰击时，将 优先破坏其中 某一区域（无定性相或被易作用的组分），从而使材料的织构更清晰地显鉛出 来。 一）制样应注意的儿个问题1. 电子损伤电子朿照射下的样品温度会升高 3050° C （有机材料），而镜体又处于高真空， 故 必须

17、使样品在电子束辐照、热和真空条件下保持稳定。流体、潮湿、易升华、低熔点或易 分解的 物质（聚合物中杂质）会污染电镜，并得到假象，因此这样的物质不能观察。2. 电子束透射能力电子束穿透能力较弱，不能观察厚样品，若用加速电压为 10kV的电镜，样品不 能超 过 100 血，要得到高分辨率像，样品必须尽可能薄（一般 50 血左右）；若用高压电镜 可用较厚的 试样，但也不宜太厚。此外，聚合物样品取决于本身结构特性，在电子束辐照下，可能出现化学作用（降解或交联）或物理作用（结晶化或无定形化），因此，必须选择适当 的厚度。3. 载网支持膜在光学显微镜下观察样品时，是把样品放置在玻璃载片上，但是在电镜下，电

18、 子束 的穿透能力很弱，不能采用玻璃片支持样品，而是把试样置于有支持膜的载网上。一般 载网是直 径？ 3mm厚度为25? 50 u m的多孔铜网，其网孔的式样随制作方法和所观察的试 样不同而有差异， 对于超薄切片试样，多用 200 目的载网，以保证 70%以上的电子束通过，对于粉末试样一般以小网孔为宜，这样可增加支持膜的牢固性。支持膜要求：必须很薄且均匀（一般支持膜的厚度应小于 20nm）, 以便透过尽可能多的入射电子。 支持膜本身应具有较高的机械强度，并能在电子束的轰击下不易被破坏，支持膜本身应是不 存在 影响样品观察的任何结构，即保证对电子束透明。4. 对于不导电样品，测试扫描电镜时为什么

19、要喷金？ 对 于鸭灯丝电镜为什么通常用的是黄金，而对于场发 射电 镜为什么用钳金？ 扫描电镜用聚合物试样的制备技术 扫描电镜的试样制备方法比较简单，对于导电性材料，要求尺寸不得超过仪器规定的范围， 用导 电胶将它粘贴在铜或铝制的样品座上，即可放在扫描电镜中直接观察。 有机高聚物试样绝大部分是绝缘体， 在用电镜进行观察时， 在电子束作用下会产生局部电荷 积累， 由此造成画面移动、图像畸变或沿扫描线方向冇不规则的亮点等 , 严重影响观察效果。 所以高聚 物试样在观察前必须于真空屮喷镀金属薄膜。喷镀金属膜后，不但可以防止电荷积 累，还可提高 二次电子的产率，增加图像的立体感，也可以减小试样的热损伤。

20、5. 相同的条件下，为什么聚合物，陶瓷等样品测试的 清 晰度不如金属材料？为什么对于比较平整的膜表面 , 很 难得到对比度较好的图案？（简述材料结构分析数据处理与结果分析的主要步骤与注意事项。7. 红外光谱法的主要原理与应用有哪些？红外光谱法的基本原理1. 分子振动与红外吸收（ 1） 分子振动：分子中键的振动分拉伸振动与变角振动（弯曲与剪切振动），其振动 频 率不仅与这些键有关，还受整个分子的影响。（ 2） 红外吸收光谱的产生：当分子振动引起分子偶极矩变化时，就能形成稳定的交变 电 场，其频率与分子振动频率相同，可以和同频率的红外辐射发生相互作用，使分子吸收 红外光能 量跃迁到高能态，从而产生

21、红外吸收光谱。并非所有的振动都能产生红外吸收， 只有能引起分子 偶极矩变化的振动（称为红外活性振动）才能产生 IR 光谱。2.吸收峰的位置(1)双原子分子的简谐振动频率：1/T-_ M a - M2x 7 7K-力常数，U -折合质量，N-阿佛伽德罗常数，Kt, v个；n f ,(2 )简谐振动能差：征 f吉將(3 )基频、倍频、合频、差频：基态一第一激发态一一基频；基态一第二、三、四激发态一一倍频；吸收的光是两个基频能量之和一一 一合频；若是两个基频能量之差一一 一差频。非红外活性的振动和等效振动不产生IR吸收，故一般红外吸收峰数V 振动个数，3. 红外光谱的特征区，指纹区及 8个重要区段

22、特征吸收峰：能代表某基团存在的较强吸收峰，其对应的频率称特征频率。同一基团在不同化合物中特征频率相近。 特征区:1300? 4000cm-1,主要是含H基团或重键的伸缩振动，为特征频率区。 指纹区：平均v V1300cm-l区。 相关峰：某基团产生的几个相互依存又可相互佐证的吸收峰。确定某基团是否存在，特征峰为主证，相关峰为辅证。 8个主要区段在材料研究领域的应用1. 在材料化学领域的应用：在该方面的应用又可分为表而化学、催化化学和石油化学方面的应用。 在表面化学研究中的应用红外光谱技术在表面化学研究屮的应用具有两个鲜明特征：继续不断开发表面与薄膜的原位 和实时红外分析技术。根据报道己有一种适

23、用于原位和同时红外分析的 FT-TR扩散反射室；以红 外吸附光谱(IRAS) , ATR FT-IR和IR反射光谱为代表的红外光谱技术广泛地 应用于研究自组织膜 和L-B膜。如应用IR反射光谱研究薄膜，测定组织薄膜的厚度、成分 和结构。 在催化化学研究中的应用扩散反射红外光谱傅立叶变换光谱(DR TFTS)的应用报道埒别突出，其次是 TRASo DR IFTS用于监 控催化剂表面吸附化合物的分解动力学。IRAS的典型应用实例包括研允C0在Pd催化剂表而的氧 化反应动力学，以及研究 NO和CO在 Pd和Pd-SiO2表面的共吸附现彖。原位红外光谱技术除了依然应用普通的原位红外光谱技术研究催化反应

24、过程外，还应用于原位反射/吸附红外光谱研究催化剂表面的点位阻塞效应。另外产生了大量新的与原位红外光谱技术相配合的附件装置。 在石油化学研允中的应用傅立叶变换红外光谱仪在石油化学屮的应用是一个十分广泛的领域，如在重油的组成、性质与加工方面，应用IR表面自硅胶色谱得到的胶质和沥青质。红外光谱仪在润滑油及其应 用方面 的进展体现在：用于鉴別未知油品和标定润滑油的经典物理性质 (如粘度、总酸值、 总碱值)；被 纳入以设备状态监测为目的的油液分析计划，用于表征在用油液的降解和污染程度；油润滑表而摩擦化学过程及产物的原位监测与表征2. 在半导体材料和超导材料等方面的应用在此方面的应用主要有：分析铀原子与 CO和C02反应产物的基体红外光谱，研究了铀 -社 - 钦-锡变性猛铝铜强磁性合金的远红外性质。分析 C60 填料笼形包含物的红外和拉曼光谱。 用反射傅立叶变换红外显微光谱法测定有机富油页岩中海藻 化石。8.简述NMF在材料结构分析中的主要应用。核磁共振适合于液体、 固体。如今的高分辨技术， 还将核磁用于了半固体及微量样品的 研究。 核磁谱图已经从过去的一维谱图 （1D）发展到如今的二维（2D）、三维（3D）甚至四 维（4D）谱 图，陈 IH 的实验方法被放弃，新的实验方法迅速发展，它们将分子结构和分子间 的关系表现得 更加清晰。1. 高分子材料结构的鉴别： 许多聚合物， 甚至一些结构类似，