现代材料分析测试技术 显微分析技术IR

1、显微分析技术显微分析技术电子显微镜电子显微镜原子力显微镜原子力显微镜1. 光学显微镜光学显微镜光学显微镜的极限分辨率：光学显微镜的极限分辨率：0.2 m光学显微镜的最大放大倍数光学显微镜的最大放大倍数人眼极限分辨率人眼极限分辨率1000倍显微显微 镜分辨率镜分辨率=0.2mm0.2m=1.1 光学显微镜的结构与原理光学显微镜的结构与原理相差显微镜相差显微镜(Phase Contrast Microscope)偏光显微镜偏光显微镜(Polarized Light Microscope)1.1.1 偏光显微镜的结构偏光显微镜的结构各向异性各向异性双折射现象双折射现象试样台试样台上：检偏镜上：检偏镜

2、下：起偏镜下：起偏镜1.1.2 相差显微镜相差显微镜观察透明体组成的高分子共混物共混程度观察透明体组成的高分子共混物共混程度光栏：光栏：在光源和聚光镜之间在光源和聚光镜之间相板：相板：物镜后焦平面处物镜后焦平面处由光学玻璃制成的具有一定厚度和折射率的薄片由光学玻璃制成的具有一定厚度和折射率的薄片1.1.3制样技术制样技术(实验课讲实验课讲) n对于显微技术来说对于显微技术来说,制样是非常关键的一步，制样是非常关键的一步，样品制备不好会丢失许多重要的结构信息样品制备不好会丢失许多重要的结构信息,甚至会造成假象甚至会造成假象,误导我们作出错误的解释。误导我们作出错误的解释。制样方法制样方法崩裂崩裂

3、热压制膜热压制膜溶液浇铸制膜溶液浇铸制膜切片切片打磨打磨复型复型1.1.4光学显微镜在高分子研光学显微镜在高分子研 究中的应用究中的应用偏光显微镜主要用于研究球晶和取向态结构（各向异性）相差显微镜主要用于观察透明体组成的相态结构聚合物结晶形态观察聚合物结晶形态观察晶格晶格片晶片晶球晶球晶XRDSEM,TEM偏光偏光1-1010-100nm1-10 mn晶格又称空间格子，用以说明晶体内部结构规律性的一种几何图形，即构成晶体的质点(离子、原子或分子)以一定的规则在空间确定的点上作格子状的周期性重复排列，构成了无数个向三维空间无限伸展的、相互迭置的六面体。 14种类型1.1.4.1 观察聚合物球晶形

4、态观察聚合物球晶形态溶液中析出溶液中析出熔体冷却熔体冷却在没有应力或流动存在的情况下在没有应力或流动存在的情况下球晶球晶马尔他十字消光图象马尔他十字消光图象(Maltese Cross)PE等规等规PP Nylon 对称性对称性双折射性质双折射性质单个单个PE球晶的偏光显微镜照片球晶的偏光显微镜照片（720）多个多个PE球晶的偏光显微镜照片球晶的偏光显微镜照片（55） 具消光环的偏光显微镜照具消光环的偏光显微镜照（720）球晶球晶1.1.4.2观察球晶的成核情况聚合物结晶过程聚合物结晶过程晶核形成晶核形成晶粒生长晶粒生长晶核形成晶核形成n均相成核均相成核异相成核异相成核熔体中的高分子链段依靠热

5、运动熔体中的高分子链段依靠热运动形成有序排列的链束（晶核）形成有序排列的链束（晶核）有时间依赖性有时间依赖性无时间依赖性无时间依赖性以外来杂质、未完全熔融的残余结晶以外来杂质、未完全熔融的残余结晶聚合物、分散的小颗粒固体或容器的聚合物、分散的小颗粒固体或容器的器壁、以及样品的表面为中心，吸附器壁、以及样品的表面为中心，吸附熔体中的高分子链后经有序排列而形熔体中的高分子链后经有序排列而形成晶核。成晶核。以污染物纤维成核的以污染物纤维成核的PP正交偏光照片正交偏光照片（281）1.1.4.3 球晶的生长和结晶动力学球晶的生长和结晶动力学 (1)球晶的生长示意图球晶的生长示意图（2）结晶动力学）结晶

6、动力学(附有等速升温和恒温物台附有等速升温和恒温物台)试样熔融后立即进行等温结晶试样熔融后立即进行等温结晶球晶组织形态球晶组织形态球晶的径向生长速度球晶的径向生长速度t/minr/ m以单位时间内球晶半径增加的长度以单位时间内球晶半径增加的长度表示（表示（ m/min），即直线斜率），即直线斜率1.1.4. 4观察高分子液晶的织构观察高分子液晶的织构n液晶的光学织构液晶的光学织构一般鉴别向列型和胆淄型液晶较可靠，一般鉴别向列型和胆淄型液晶较可靠，近晶型则可靠性较低。近晶型则可靠性较低。液晶薄膜在液晶薄膜在偏光显微镜偏光显微镜下所观察到的图像下所观察到的图像液晶的每种晶型的织构各不相同，液晶的每

7、种晶型的织构各不相同，因此鉴别液晶不同的晶型。因此鉴别液晶不同的晶型。在偏光显微镜下看到的液晶集合体在偏光显微镜下看到的液晶集合体胆甾相液晶胆甾相液晶胆甾相液晶胆甾相液晶n由螺旋状液晶层的重叠所构成由螺旋状液晶层的重叠所构成n随着温度的变化呈现出鲜艳的干涉色，因而随着温度的变化呈现出鲜艳的干涉色，因而最初被应用于温度计的显示最初被应用于温度计的显示n是最早应用于商业用途的。是最早应用于商业用途的。 在偏光显微镜下看到的液晶集合体在偏光显微镜下看到的液晶集合体向列相液晶向列相液晶向列相液晶向列相液晶n是最接近于液体的液晶相，也是最容易是最接近于液体的液晶相，也是最容易处理的液晶相。处理的液晶相。

8、n现在市场上所出售的液晶显示器几乎都现在市场上所出售的液晶显示器几乎都使用该液晶。使用该液晶。液晶的焦锥织构液晶的焦锥织构一种芳香共聚酯的纹影织构（偏光，一种芳香共聚酯的纹影织构（偏光，730）1.1.4.5 两相聚合物相容性的观察两相聚合物相容性的观察相差显微镜相差显微镜 PVC/PAN体系体系(1)聚合物配比聚合物配比(2) 温度温度对相容性的影响对相容性的影响9：18：27：36：440C15C60C 2. 电子显微镜电子显微镜n透射电子显微镜透射电子显微镜 (Transmission Electron Microscope, TEM )扫描电子显微镜扫描电子显微镜(Scanning E

9、lectron Microscope, SEM )2.1 电镜的构造及成像原理 (自学,教材P185,P187)12345679 电子与物质作用产生的信息1-感应电导 2-荧光 3-特征X射线 4-二次电子 5-背散射电子 6-俄歇电子 7-吸收电子 8-试样 9-透射电子82.2 电子与物质相互作用电子与物质相互作用电子运动方向和能量同时发生变化电子运动方向和能量同时发生变化.透射透射:电子直接穿过样品电子直接穿过样品,电子与物质无相互作用电子与物质无相互作用散射散射:电子与样品相互作用电子与样品相互作用,电子运动方向改变电子运动方向改变弹性散射弹性散射电子只改变运动方向；能量不发生变化电子

10、只改变运动方向；能量不发生变化非弹性散射非弹性散射:2.3 TEM特点n基本构造与光学显微镜相似基本构造与光学显微镜相似,主要由主要由光源、光源、物镜、投影镜物镜、投影镜三部分组成三部分组成,所不同的是用所不同的是用电子束代替了光束电子束代替了光束,用磁透镜代替了玻璃用磁透镜代替了玻璃透镜透镜n利用透射电子成像利用透射电子成像n必须在高真空下进行观察必须在高真空下进行观察2.4 SEM特点特点n利用二次电子和背散射电子成像利用二次电子和背散射电子成像n焦深大，图像富有立体感，特别适合于表面形焦深大，图像富有立体感，特别适合于表面形貌分析貌分析n放大倍数范围广，从十几倍到放大倍数范围广，从十几倍

11、到20000倍，覆倍，覆盖了光学显微镜和透射电镜的范围。盖了光学显微镜和透射电镜的范围。n制样简单，样品电子损伤小。制样简单，样品电子损伤小。2.5制样技术制样技术(自学,参考 张权编聚合物显微学)2.6 电镜在聚合物研究中的应用电镜在聚合物研究中的应用2.6.1 聚合物结晶形态的观察聚合物结晶形态的观察PE单晶单晶（0.05%二甲苯溶液二甲苯溶液5oC结晶结晶) 线型线型PE球晶局部的球晶局部的TEM照片照片（2600）PE串晶的串晶的TEM照片照片2.6.2 液晶织构的观察液晶织构的观察液晶的条带织构a - SEMb - TEM2.6.3 纤维的观察纤维的观察典型织物的典型织物的SEM照片

12、照片(17)无纺布的无纺布的SEM照片照片扫描电子显微镜下的蜘蛛单丝表面扫描电子显微镜下的蜘蛛单丝表面 生物钢生物钢蜘蛛丝蜘蛛丝n只要有一根铅笔般粗细的蜘蛛丝，就能抵御一架波音只要有一根铅笔般粗细的蜘蛛丝，就能抵御一架波音747大型客机起飞时的动力（拖住不让起飞）大型客机起飞时的动力（拖住不让起飞） n蜘蛛丝究竟有多坚韧呢？同样粗细的钢丝和蜘蛛丝一蜘蛛丝究竟有多坚韧呢？同样粗细的钢丝和蜘蛛丝一起接受拉力试验，扯断蜘蛛丝的能耗比扯断钢丝的能起接受拉力试验，扯断蜘蛛丝的能耗比扯断钢丝的能耗足足高出耗足足高出100倍！倍！n蜘蛛丝的重量特别轻，长达数千米也不过蜘蛛丝的重量特别轻，长达数千米也不过1克

13、重。在克重。在各类蜘蛛丝中，尤以用来构建蜘蛛网骨架的拖牵丝的各类蜘蛛丝中，尤以用来构建蜘蛛网骨架的拖牵丝的韧性为最，远超过目前防弹衣材料凯夫拉韧性为最，远超过目前防弹衣材料凯夫拉 (kevlar)纤维，而且，它比后者更富于弹性和伸缩性。纤维，而且，它比后者更富于弹性和伸缩性。扫描电子显微镜观察下的蜘蛛单丝断面扫描电子显微镜观察下的蜘蛛单丝断面蜘蛛丝被拉断时显示出的蜘蛛丝被拉断时显示出的皮皮结构，也结构，也称称鞘鞘 结构（箭头所示部分）结构（箭头所示部分） 蜘蛛丝被拉断时显示出的蜘蛛丝被拉断时显示出的芯芯结构，结构，也称也称剑剑 结构（箭头所示部分）结构（箭头所示部分） 2.6.4 微孔膜的观察

14、微孔膜的观察n一般过滤器只能分离出直径为一般过滤器只能分离出直径为10-1000 m的颗粒。的颗粒。n微孔膜则可以分离出微孔膜则可以分离出0.05-1 m或更小的或更小的颗粒。颗粒。微孔膜微孔膜celgard的的SEM像像 (55000)2.6.5 纳米结构观察纳米结构观察氧化锌纳米螺旋结构氧化锌纳米螺旋结构n(A)(A)超晶格结构的氧化锌纳米螺旋结构的扫描超晶格结构的氧化锌纳米螺旋结构的扫描电子显微镜照片。电子显微镜照片。n(B)透射电子显微镜照片展现构成螺旋结构的透射电子显微镜照片展现构成螺旋结构的纳米带是由周期性超晶格结构所构成的。纳米带是由周期性超晶格结构所构成的。 2.6.6 研究多

15、相体系的相态结构研究多相体系的相态结构共聚共聚 增韧增韧共混共混填充填充高抗冲尼龙的显微镜照片（高抗冲尼龙的显微镜照片（1）a 相差显微镜高抗冲尼龙的显微镜照片（高抗冲尼龙的显微镜照片（2）b TEM 5140高抗冲尼龙的显微镜照片（高抗冲尼龙的显微镜照片（3）c TEM 5790 2.6.7 发泡材料的观察发泡材料的观察 发泡PE 的SEM照片 2.6.8 粘合剂的观察2.6.9 聚合物内部结构的观察聚合物内部结构的观察 芳纶刻蚀后的内部形貌芳纶刻蚀后的内部形貌(SEM) 2.6.10 聚合物破坏情况的观聚合物破坏情况的观察察 抗冲抗冲PS的应力发白现象的应力发白现象(OSO4染色染色)2.

16、6.11 DNA的双螺旋结构的双螺旋结构3.扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM） 原子力显微镜（原子力显微镜（AFM）Scanning Tunneling MicroscopeAtomic Force Microscope四年后，四年后，Binning、C.F.Quate和和C.Gerber发发明了原子力显微明了原子力显微（AFM） ，并因此在聚合物的，并因此在聚合物的研究中得到广泛的应用。研究中得到广泛的应用。 1982年，年，GBinning和和H.Rohner在在IBM发明了扫描隧道显微镜（发明了扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope, STM），

17、并因此获），并因此获1986年的诺贝尔年的诺贝尔物理奖。但它只能观察导电的试样。物理奖。但它只能观察导电的试样。AFM的工作原理的工作原理将一个对微弱力极敏感的微臂一端固定，将一个对微弱力极敏感的微臂一端固定，另一端有一个微小的针尖，另一端有一个微小的针尖，针尖的尖端原子与样品表面原子间存在微针尖的尖端原子与样品表面原子间存在微弱的排斥力（弱的排斥力（10-810-6N），），利用光学检测法，通过测量针尖与样品表面原子利用光学检测法，通过测量针尖与样品表面原子间的作用力来获得样品表面形貌的三维信息。间的作用力来获得样品表面形貌的三维信息。二、原子力顯微鏡基本原理二、原子力顯微鏡基本原理探針與物

18、品接探針與物品接觸觸探針產生偏移探針產生偏移雷射光造成反雷射光造成反射射光偵測器接收光偵測器接收電腦電腦繪出圖形繪出圖形氮化係探針針尖放大圖氮化係探針針尖放大圖AFM分辨率分辨率0.10.2nm横向分辩率：横向分辩率：纵向分辩率：纵向分辩率： 0.01nmAFM的优势：的优势：n可用于表面结构动态过程研究可用于表面结构动态过程研究达纳米级分辨率：达纳米级分辨率：纵向分辩率：纵向分辩率：0.01nm横向分辩率：横向分辩率：0.10.2nm可在空气，水等环境中观测，可在空气，水等环境中观测，得到样品在实际空间中的表面的三维图像得到样品在实际空间中的表面的三维图像3.3.2 AFM的应用的应用世界上最小的广告世界上最小的中国地图奈米雕刻法奈米雕刻法( (一般機械法一般機械法) ) AFMAFM之探針將之探針將a a圖中奈米顆粒移到圖中奈米顆粒移到b b圖中右側圖中右側 STM扫描金表面扫描金表面n从样品