材料结构表征及应用(绪论)

1、材料结构表征及应用材料结构表征及应用吴吴 刚刚 主编主编化学工业出版社化学工业出版社 任课教师：高庆任课教师：高庆 张金枝张金枝 李草李草tel：mail: 主要内容o 第1章 红外光谱及激光拉曼光谱o 第2章 核磁共振波谱o 第3章 紫外光谱o 第4章 质谱o 第5章 电子显微技术o 第6章 X射线衍射分析o 第7章 X射线光电子能谱分析o 第8章 材料热分析重点：学会谱图分析o材料现代分析测试方法材料现代分析测试方法 王富耻王富耻 主编主编 北京理工大学出版社北京理工大学出版社o现代材料分析方法现代材料分析方法 张张 锐锐 主编主编 化学工业出版社化学工业出版社o

2、有机结构波谱分析有机结构波谱分析 李润卿李润卿 主编主编 天津大学出版社天津大学出版社o波谱原理及解析波谱原理及解析 常建华常建华 主编主编 科学出版社科学出版社o聚合物近代仪器分析聚合物近代仪器分析 汪昆华汪昆华 主编主编 清华大学出版社清华大学出版社本课程特点本课程特点：（：（三多一少）三多一少）o 叙述性原理、规律多叙述性原理、规律多o 需要记忆的概念术语多需要记忆的概念术语多 o 课程内容头绪多课程内容头绪多o 理论计算少理论计算少o 相关学科多（物理学、化学、热力学、光学相关学科多（物理学、化学、热力学、光学以及高分子学等）以及高分子学等）作为一门应用学科，基础理论知识要掌握，在理解

3、的作为一门应用学科，基础理论知识要掌握，在理解的基础上加强记忆，注意理论联系实践基础上加强记忆，注意理论联系实践要学以致用，本课程与材料的结构和表征紧密联系，要学以致用，本课程与材料的结构和表征紧密联系，善于归纳总结，用本学科的基本原理分析、解释生产中善于归纳总结，用本学科的基本原理分析、解释生产中的问题和实验结果的问题和实验结果重视课程的实践性环节重视课程的实践性环节学习方法学习方法：什么是材料？什么是材料？ 材料，是指人类能用来制作有用物件的物质；材料有那些呢？o 按照材料的物质组成的不同，主要分为：按照材料的物质组成的不同，主要分为：新材料主要有新材料主要有金属材料，无机非金属材料，有机

4、高分子材料，复合材料，生物材料，光电子材料等。材料与材料科学材料与材料科学o 材料就是用以制造有用物件的（凝聚态）材料就是用以制造有用物件的（凝聚态）物质物质o 材料的发明与使用是人类进步里程的重材料的发明与使用是人类进步里程的重要标志之一要标志之一o 材料、信息与能源为当代文明的三大支材料、信息与能源为当代文明的三大支柱柱o 新材料、信息技术和生物技术是新技术新材料、信息技术和生物技术是新技术革命的主要标志革命的主要标志o 材料科学，一门多学科交叉的新兴学科材料科学，一门多学科交叉的新兴学科材料？材料？材料发展与人类文明的关系：新材料是人类文明进步的标志！1：远古文明：发现与使用自然界材料（

5、石器）2：现代文明：自由地合成和设计材料（自然界不存在的各种新材料）3：未来文明：赋予材料类似生命体功能？青铜器，铁器人类文明进步与材料发展的关系示意图材料研究步骤材料研究步骤o样品分离样品分离结构检测结构检测性能测试性能测试 材料分子设计材料分子设计合成方法确定合成方法确定 合成合成结构确定结构确定性能测试性能测试 配比、工艺确定配比、工艺确定3/15/2022 3:30 PM什么是材料测试方法？获取有关材料的组成，结构和性能等相关信息材料结构与材料性能的关系材料结构与材料性能的关系材料测试材料分析材料表征 现代材料科学的发展在很大程度上依赖对材料性能和其成分结构及微观组织关系的理解3/15

6、/2022 3:30 PM材料测试方法的概念与分类材料测试方法的概念与分类材料测试方法如何分类？从功能上讲，可分为组成测试，结构测试和性能测试三种方法从技术上讲，材料测试方法可以分成两类：主动式和被动式3/15/2022 3:30 PM激发源（电磁波，粒子束，电场，磁场，热，力等）主动式（含激发源式材料测试方法）材料响应的传感与变换数据采集处理与组成，结构，性能等相关的某种响应材料测试方法的概念与分类材料测试方法的概念与分类3/15/2022 3:30 PM 直接获得有关材料物理、化学性能等固有信息，如尺寸大小、状态、重（质）量、颜色、形状、运动情况等等； 亦可根据材料物理、化学性能的差异间接

7、推断材料的组成和结构信息，如色谱分析法、原子力显微分析等。被动式（无激发源式材料测试方法）材料测试方法的概念与分类材料测试方法的概念与分类3/15/2022 3:30 PMo 宏观上的性能测试和微观上的组成与结构宏观上的性能测试和微观上的组成与结构表征，这两个方面构成了材料的检测评价表征，这两个方面构成了材料的检测评价技术技术o 材料设计的重要依据来源于对材料的微观材料设计的重要依据来源于对材料的微观组成和结构分析组成和结构分析o 材料制备的实际效果必须通过材料微观分材料制备的实际效果必须通过材料微观分析的检验析的检验o 材料科学的进展极大地依赖于对材料进行材料科学的进展极大地依赖于对材料进行

8、微观分析表征的技术水平微观分析表征的技术水平材料研究与微观分析技术3/15/2022 3:30 PM材料研究的四大要素材料研究的四大要素 现代材料科学的发展在很大程度上依赖对材现代材料科学的发展在很大程度上依赖对材料性能和其成分结构及微观组织关系的理解料性能和其成分结构及微观组织关系的理解合成与加工固有性质使用性能结构和成分3/15/2022 3:30 PM材料的性质材料的性质物理性质力学性质化化学学性性质质化学组成微观结构相结构晶粒尺寸及分布耐腐蚀性杂质含量结晶度分子量及分布立体结构晶体结构空隙度熔点热性质磁性质光学性质电学性质重力性质拉伸性韧性延展性疲劳度硬度蠕变性延伸性抗冲击性压缩性动态

9、力学性质模量3/15/2022 3:30 PM结构与性能的关系结构与性能的关系传统的传统的“炒菜炒菜”法法电子结构，原子结构和化学键决定了材料的固有性质新材料开发方法材料设计发展方向所谓材料设计，就是根据对材料的组成、微结构与性能关系的认识（“炒菜”经验材料微观分析），按指定性能“定做”新材料，按生产要求“设计”最佳的制备和加工方法。3/15/2022 3:30 PM材料结构表征的基本方法材料结构表征的基本方法材料结构的表征任务: 成分分析, 结构测定 和 形貌观察材料组成分析（化学成分分析） 1. 元素组成 2. 化合物组成材料亚微观结构分析（形貌分析） 微米或亚微米尺度，相层次结构材料微观

10、结构分析 0.1nm尺度，原子及原子组合层次结构3/15/2022 3:30 PM材料化学成分分析材料化学成分分析元素组成分析方法o 传统的化学分析技术传统的化学分析技术o 电子探针电子探针X射线能谱显微分析射线能谱显微分析o 原子光谱（吸收、发射、荧光）原子光谱（吸收、发射、荧光）o 质谱质谱与二次离子质谱与二次离子质谱o 核磁共振核磁共振o 电子自旋共振电子自旋共振o 光电子与俄歇电子能谱光电子与俄歇电子能谱3/15/2022 3:30 PM材料化学成分分析材料化学成分分析化合物组成分析方法化合物组成分析方法传统的化学分析技术分子吸收光谱（紫外可见吸收光谱）分子振动光谱（红外、拉曼光谱）分

11、子发射光谱（荧光光谱）气相、液相、凝胶色谱3/15/2022 3:30 PM材料形貌分析材料形貌分析光学显微镜光学干涉仪激光散射谱扫描电子显微镜透射电子显微镜3/15/2022 3:30 PM形貌分析的图例形貌分析的图例昆虫标本（昆虫标本（500倍）倍）螺旋形碳管（9，157倍）化学方法生长的ZnO纳米阵列（100，000倍）担载Pt金属颗粒的纳米碳粒子（400，000倍）3/15/2022 3:30 PM材料结构分析材料结构分析高分辨透射电子显微镜（HTEM）场离子显微镜（FIM） 扫描隧道显微镜（STM） 原子力显微镜（SFM）3/15/2022 3:30 PM材料结构分析材料结构分析结果

12、结果硅纳米线的不同形貌(a)呈直线或弯曲状态，(b)呈螺旋结构，(c)呈辫子结构3/15/2022 3:30 PM材料结构分析材料结构分析- -直接法直接法硅纳米线的显微结构高分辨电子显微像（HTEM）(a)110带轴的硅纳米线的单晶结构，它的生长方向为112(b)存在高阶孪晶的硅纳米线(c)具有堆垛层错和孪晶等缺陷的硅纳米线3/15/2022 3:30 PM材料结构分析材料结构分析- -直接法直接法五次对称性镍钛准晶的高分辨电子显微像3/15/2022 3:30 PM材料结构分析材料结构分析- -直接法直接法扫描隧道显微分析拍摄的硅片上的单个原子图像3/15/2022 3:30 PM材料结构

13、分析材料结构分析- -间接法间接法X射线衍射电子衍射中子衍射射线衍射穆斯堡尔谱扩展X射线吸收谱（EXAFS）热分析（差热、差动、热重）3/15/2022 3:30 PM材料结构分析材料结构分析- -间接法间接法五次对称性镍钛准晶的高分辨电子显微像与电子衍射斑点3/15/2022 3:30 PM材料微观分析技术的选择材料微观分析技术的选择-成分分析3/15/2022 3:30 PM材料微观分析技术的选择材料微观分析技术的选择结构分析结构分析3/15/2022 3:30 PM材料微观分析技术的选择材料微观分析技术的选择形貌分析形貌分析粘土/聚合物纳米复合材料（蒙脱土）o 成分分析：红外（硅氧键、有机分子