材料化学5课件

1、材料结构的表征现代材料科学在很大程度上依赖对材料化学的组成、微观结构和性能关系的理解。对材料性能测试以及对材料化学组成、材料结构从宏观到微观不同层次表征，构成了现代材料化学的一个重要部分，也是联系材料设计与制备直到获得具有满意使用性能的材料之间的桥梁。现代科学技术提供了一系列描绘材料化学组成和微观结构的方法，即材料结构的表征技术。材料化学组成的表征 化学组成是决定材料性质的最基本因素。除主要化学成分外，次要成分、添加剂以及杂质等的种类、含量及分布情况和结构状态对材料制备工艺和材料性能的影响极大。材料结构表征主要内容和方法材料化学组成的表征2）仪器分析法 仪器分析法是利用待测试样组分的光学、电化

2、学等物理和物理化学性质来进行分析的方法。利用仪器分析法可以测得微量组分或杂质元素的种类、含量、价态和分布特征。仪器分析法大多需要精密而复杂的仪器。材料结构表征主要内容和方法材料结构的表征1、晶体结构的研究和表征 化学成分相同，但晶体结构不同，或相组成不同时，材料性能往往不同。而晶体结构相同的材料，由于局部点阵常数的改变，有些场合也是材料特性变化的重要因素。晶体中的缺陷、各种类型的固溶体、烧结体及合金晶界附近原子排列的无序等都会导致局部晶格畸变。材料结构的表征1、晶体结构的研究和表征 所以测定点阵常数，可以帮助我们了解晶体内部微小的变化以及它们对材料特性产生的影响。晶体结构、点阵常数可用X射线衍

3、射和电子衍射等实验手段进行研究和表征。2、材料显微结构的研究 材料显微结构受材料化学组成、晶体结构和工艺过程等因素影响，它与材料性能有密切关系，从某种意义上说，材料显微结构特征对材料性能起着决定性作用。3、材料宏观性能测试也是判断材料结构所必要而常用的方法。性能测试、形貌观察、结构测定和成分分析及其综合研究是现代材料结构表征的主要内容。材料结构表征基本步骤和方法3、在对固体材料进行组成鉴定和结构测定(晶态、非晶态)之后，进行下列工作：(1)材料是晶态，则确定是单晶还是多晶，如果是后者则要知道晶粒数目、大小、形状和分布情况；(2)晶体结构类型、点阵常数等；(3)晶体缺陷性质、数目和分布及晶格畸变

4、情况；(4)固体中结合键类型和键力大小；(5)杂质含量及分布情况；(6)表面结构，包括任何组成上非均匀性或吸附表面层。X射线衍射(XRD)法 1) 基本原理 X射线是一种波长很短(约为106cm)的电子辐射。衍射实验中应用的多为单色X射线，它们是通过一系列不同的过程产生的。当一束被加速了的高能(30keV以上)电子打在材料靶上，电子被急剧减速而发射电磁波(连续X射线)。此外还有一部分高速电子打中了靶材原子的内层电子(通常是K层电子)并使其电离，其他层电子则填充内层空穴，也能发射X射线(称为次生X射线)，其波长由靶极及涉及的跃迁能级决定。X射线衍射(XRD)法 1) 基本原理例如，以铜为靶，若在

5、其K层上打出一个电子，L层电子填充这一空穴时产生2条能量极相近的X射线， 相应的跃迁为 (8.05keV)和 (8.03keV)，其强度为2:1，加权平均波长为0.15148nm，这种单色X射线称为特征X射线。特征X射线波长确定，强度大，常用于X射线衍射技术中。铬、铁、钼、银等也可作产生特征X射线的靶金属。X射线衍射(XRD)法 1) 基本原理 X射线投射到晶体上，主要与晶体中的电子发生相互作用，除产生光电效应、康普顿效应（非相干散射）外，还可发生相干散射产（散射的X射线与入射X射线有相同的波长和相同的位相）。由于晶体具有点阵结构，由各晶胞散射的X射线在空间给定方向上存在固定的光程差。当等于波

6、长的整数倍时，各次波之间有最大程序的相互加强。X射线衍射(XRD)法 1) 基本原理 结晶学中将最大程度的加强称为衍射，发生最大程度加强的方向称为衍射方向，沿衍射方向前进的波称为衍射波。测定衍射的方向可以决定晶胞的形状和大小。另一方面，在晶胞内电子呈现一定的非周期性的分布，而入射的X射线的波长和电子间的距离在同一级量级。 因此，在晶胞内各原子或电子发出的次波也将产生干涉，这种干涉作用决定衍射的强度。通过测定衍射花样的强度，可以确定晶胞中原子的位置。原理： 利用单晶体对X射线衍射效应进行晶体结构测定的实验方法，除可以测定单胞和空间群之外，还可以测定反射强度，从而完成整个晶体结构测定。依据强度记录

7、方式不同，分为照相法和衍射仪法两类。单晶X射线衍射法1、照相法 照相法是使X射线作用在胶片上，然后通过测量底片上衍射点的黑度来获得衍射线强度数据。根据实验装置和条件差别，照相法又可分为劳厄法、转动法、回摆法、韦森堡法等。单晶X射线衍射法 3、X射线粉末法 用X射线来研究多晶体或粉末成分和结构的一种实验方法，又称多晶X射线衍射法。多晶是指由无数微细晶粒粗成的细粉状样品或块状样品。其中衍射仪法是目前最常用的现代粉末X射线衍射分析法。其基本原理是采用会聚的入射束，然而它在记录纸上给出的是一系列像小组谱图那样的分辨率很高的峰。这种方法准确度高，迅速方便，并能自动将样品的数据与计算机贮存的标准数据对照而

8、鉴定样品的物相。X射线粉末衍射在固体科学和材料科学中有着广泛而重要的应用，主要有以下几方面：1、 对结晶物质进行物相鉴定，对混合物也可鉴定（只要各组分物相都有可供比较的图谱）。2、 定量物相分析。3、 单胞参数及固溶体晶格参数的测定。4、 晶体结构的测定。5、 测量粉末试样的平均晶粒大小。6、 晶体中的缺陷和无序可以用X射线衍射法来测定。7、 非晶态固体（玻璃、凝胶等）中的短程有序的测定和分析，对这类材料的结构分析有着重要的意义。单晶X射线衍射法的应用1光学显微镜（OM） 光学显微镜被用来测量尺寸在0.8150m范围的颗粒。由于受光波波长的限制，分辨率已无法进一步提高（目前空气中光学极限分辨率

9、不超过0.4m），所以观察小于0.4m的颗粒是不可能的。另外，由于颗粒边缘效应的影响，颗粒尺寸小于1m时会产生显著的正偏差，故一般情况下，光学显微镜观察的最小颗粒尺寸应不小于1m。光学显微镜的另一个缺点是景深太短，100倍时景深为10m，1000倍时仅0.5m，这给研究工作特别是样品制备带来了不便。但是，光学显微镜仪器简单、操作方便、价格低廉，很适于大尺寸颗粒的观察分析。显微技术2、透射电子显微镜（TEM） 透射电子显微镜成像原理与光学显微镜相似，只不过透射电镜以电子束代替光束，以电子透镜或电磁透镜代替光学玻璃透镜。透射电镜中一个最重要的组成部分是电子枪，它通常是由产生热电子的钨丝制成，用高压

10、（50110kV，甚至高达1MV）使电子加速，然后用一套静电透镜或电磁透镜将电子束聚焦在试样上，电子束穿过试样（具有很小的面积和厚度），用两个或多个附加的静电透镜或电磁透镜成像，观察或拍摄在荧光屏上的影像。通过改变透镜电流能控制透镜的强度，用这种方法可以简便而迅速地调整放大的倍数。2、透射电子显微镜（TEM） 透射电镜常用作0.0015m尺寸范围颗粒的观察和分析，目前高分辩率透射电镜分辩率可达0.10.2nm水平。透射电镜可用于材料内部微细的形态与结构分析，并可得到晶格和微孔大小分布等信息，但是被测样品必须是由对电子有高透明度的材料所构成，而且不能超过大约20nm的厚度。否则，只能采用扫描电子

11、显微镜的方法，根据对表面或断面的立体形态来判断的细微结构。3、扫描电子显微镜（SEM） 扫描电子显微镜的成像原理与透射电子显微镜或光学显微镜完全不同，而与电视显像过程有相似之处。它不需成像透镜，而是通过扫描的方法，按一定的时间空间顺序将样品表面图象(二次电子或背射电子)在镜外显微荧光屏上逐点呈现出来。由于对样品的扫描与在荧光屏上的扫描完全同步，所以荧光屏上即显示出样品表面图象。3、扫描电子显微镜（SEM） 样品表面图象信号是依靠电子束与样品相互作用而获得的，其中二次电子是因被注入电子激发出来的原子的内层电子，二次电子像反映了试样表面形貌。背散射电子为从距样品表面1m深处弹性散射回来的入射电子，

12、背散射电子像根据对信号处理方式的不同，可分为成分像和形貌像。 3、扫描电子显微镜（SEM） 二次电子像不但分辩率高(710nm，甚至可达3nm)，而且焦点深度大，远大于OM或TEM（TEM景深不大于样品厚度），因而可利用SEM的二次电子像观察表面起伏的样品，如断口。同时也特别适合于粉料样品的观察，可以观察颗粒三维方向的立体形貌。背散射电子像虽然分辩率较低，但其成分像可观察图象中样品表面的原子序数分布，这是因为背散射电子强度随元素平均原子序数增加而增加。3、扫描电子显微镜（SEM） 总之，扫描电镜几乎可以应用于任何试样的表面或断面的研究，通过对表面或断面形态的观察和分析，可以得到多相材料的微细结

13、构、晶区、粗糙的表面、断裂的表面及其机理的探讨、材料的粘合及其失效、材料的填充或增强情况、材料的表面处理、材料的缺陷等。因此，扫描电镜在现代材料研究中，是一种不可缺少的技术手段。对于各类材料化学组分、纯度、结构，过去都是用化学分析方法来测定它的百分组成，或用相同化合物或单质的纯样品进行对照方法来加以鉴定。随着现代科学技术的发展，许多新的测试技术和设备已广泛地应用于材料成分和结构的检测鉴定工作中，并且已发展到非常成熟的的程度和很高的水平。波谱技术就是其中最重要的一种。波谱技术波谱技术能方便准确地显示出材料化学组成、组成元素所处的化学环境，在一定情况下，它们还能一定程度地反映出材料的微观结构。因此，现代材料研究中，波谱技术是一种非常重要的工具和手段。从广义角度来讲，波谱技术应该包括光谱法和色谱法，色谱法又包括气相色谱法和液相色谱法，它们主要是用在提纯化合物和分离混合物方面。波谱技术任何物质的原子、分子总是处于不断运动状态，物质内部运动(电子跃迁、分子振转、电子自旋和核自旋)在外部以辐射或吸收能量形式表现出来，这种形式就是电磁辐射。电磁波覆盖了很大的频率或波长范围，从而出现了不同波谱技术。波谱技术的形式则取决于它所对应的能量变化的过