高分子材料研究方法作業(yè)及答案1.doc

第一章緒論習題答案1. 材料的定義?答：用以制造有用的構件、器件或其它物品的物質。也可以說是將原料通過物理或化學方法加工制成的金屬、無機非金屬、有機高分子和復合材料的固體物質。它們一方面作為構件、器件或物品的原材料或半成品，如金屬、有機高分子、木材、人造纖維、天然石材和某些玻璃等；另一方面可以在某些工藝中作為最終產品，如陶瓷和玻璃制品。2. 材料與人類的關系?答：關系密切，人類進步的里程碑。（1）當代文明的三大支柱：材料、信息與能源；（2）新技術革命的主要標志：新材料、信息技術和生物技術。（3）人類文明進步的標志：石器、青銅器、鐵器和蒸汽機時代。3. 材料的使用性能、固有性質、結構組成和合成方法之間的關系？答：材料結構與性能的關系：材料的性能是材料內部因素在一定的外部因素下的綜合反映：材料的固有性質大都取決于物質的電子結構、原子結構和化學鍵結構。物質的組成與結構取決于材料的制備和使用條件。4. 高分子材料研究方法的內容有哪些？答：材料結構研究的基本方法：任務有三個：成分分析、結構測定和形貌分析。成分分析：光譜：紅外：分析材料的主要基團；色譜：分析材料的組成特征；熱譜：分析材料的熱性能；質譜：分析化合物的分子量和元素組成。結構測定：X-衍射：晶體結構。舉例：蒙脫土。電子衍射：測定細微晶體的亞微米結構，來分析表面或涂層的結構。中子衍射：測定材料的缺陷、空穴等，還可研究生物大分子在空間的構型。俄歇電子能譜：是用一束匯聚電子束，照射固體后在表面附近產生了二次電子。由于俄歇電子在樣品淺層表面逸出過程中沒有能量的損耗，因此從特征能量可以確定樣品的元素成分。圖像分析：掃描電鏡：分析材料的表面形貌；透射電鏡：分析材料的顆粒大小，晶體材料的缺陷等。第二章紅外光譜習題答案1. 紅外光譜可分為哪幾個區(qū)域，各區(qū)域的分子躍遷類型和適用范圍?答：如下表格所示：近紅外中紅外遠紅外分子躍遷類型泛頻，倍頻分子振動和轉動晶格振動和純轉動適用范圍有機官能團定量分析分子結構分析和樣品成分分析無機礦物和金屬有機物2. 紅外光譜吸收譜的位置和強度與相應化合物的結構有何關系?答：位置與化合物中的官能團的種類有關；強度與該官能團的數量有關。3. 分子運動的形式有哪些?答：分子的運動可分為平動、轉動、振動和分子內電子的運動。4. 什么叫伸縮振動，彎曲振動，變形振動，搖擺振動和卷曲振動？答：伸縮振動：指原子沿價鍵方向來回運動。彎曲振動：是指原子沿垂直于價鍵的方向運動。變形振動：是使分子基團鍵角發(fā)生變化的振動。搖擺振動：在這種彎曲振動中，基團的鍵角不變，只是作為一個整體相對于分子平面搖擺。卷曲振動：分子基團圍繞與基團相連分子的價鍵扭動。 5. 詳述分子振動的類型.答6. 多原子分子振動的形式如何計算？并舉例說明。答：（1）對于非線性分子，其分子振動的形式計算式為：3n-6, 其中n為分子中所含原子數；（2）對于線性分子，其分子振動的形式計算式為：3n-5。例如：非線性分子水分子的分子振動形式有3個，分別為：2個O-H的伸縮振動和1個HOH的鍵角彎曲振動；線性分子二氧化碳分子的分子振動形式有4個，分別為：對稱伸縮振動、反對稱伸縮振動、面內彎曲振動和面外彎曲振動。7. 什么叫偶極矩？答;兩個等量而異號的電荷所組成的系統(tǒng),一個電荷的電量和兩電荷間距離的乘積稱電偶極子的偶極距.它是矢量,方向沿兩電荷的連線,8. 分子振動吸收的條件？答：（1）振動的頻率與紅外光光譜段的某頻率相等，吸收了紅外光譜中這一波長的光，可以把分子的能級從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，這是產生紅外吸收光譜的必要條件。（2）偶極矩的變化：已知分子在振動過程中，原子間的距離（鍵長）或夾角（鍵角）會發(fā)生變化，這時可能引起分子偶極矩的變化，結果產生了一個穩(wěn)定的交變電場，這個穩(wěn)定的交變電場將和運動的具有相同頻率的電磁輻射電場相互作用，從而吸收輻射能量，產生紅外光譜的吸收。9. 什么叫基頻帶、倍頻帶？答：基頻帶：分子吸收光子后，從一個能級躍遷到相鄰高一級能級產生的吸收。倍頻帶：分子吸收比原有能量大一倍的光子后，躍遷兩個以上能級產生的吸收峰。10. 影響吸收帶位置的因素？答：影響吸收帶位置的因素很多，有外在的、人為的因素，也有內在的、本質的因素。（1）外在因素：制備樣品的方法、樣品所處的物態(tài)、結晶條件、儀器系統(tǒng)的調節(jié)等，均能影響吸收帶的位置、強度及形狀。（2）內在因素：l）質量效應：對于同族元素，由于彼此質量差別較大，隨著原子的質量增大，它與同一元素形成的化學鍵的吸收帶波數明顯地減小。2）電負性的影響：同一周期元素因質量差別很小，電負性差別起主導作用，電負性越大，化學鍵強度越大，因而，隨著電負性增大，它們與同一元素形成的化學鍵的吸收波數增大。3）物質狀態(tài)的影響：物質的紅外光譜因物質的狀態(tài)不同而不同。在氣態(tài)時，分子的距離較遠，分子間的相互作用很小。但液態(tài)或固態(tài)時，因分子間的作用增強而使基團的振動頻率降低。在固相晶格中，相互作用最大，因而形成的吸收帶比在非晶態(tài)或液態(tài)中更加尖銳，而且振動頻率降低。11. 色散型紅外光譜儀由哪幾部分組成，各有何作用？答：色散型紅外光譜儀主要由光源，吸收池，單色器，檢測器，電子放大器和記錄系統(tǒng)六部分組成。光源：能夠發(fā)射高強度連續(xù)波長紅外光的物體；吸收池：吸收紅外光；單色器：把通過樣品槽和參比槽進入入射狹縫的復色光分解為單色光射到檢測器上加以測量；檢測器：把紅外光信號變成電信號；電子放大器：由于檢測器產生的信號很微小，因此，必須將信號放大，才能用機械系統(tǒng)記錄成紅外光譜；記錄系統(tǒng)：記錄信號，打印譜圖。12. 紅外光譜測試中的制樣要求？答：（1）不含水。試樣中不應含有游離水。水本身有紅外吸收，會嚴重干擾樣品譜，而且會侵蝕吸收池的鹽窗。（2）純度高。試樣應該是單一組份的純物質，純度應98%或符合商業(yè)規(guī)格，才便于與純物質的標準光譜進行對照。多組份試樣應在測定前盡量預先用分餾、萃取、重結晶或色譜法進行分離提純，否則各組份光譜相互重疊，難于判斷。（3）濃度和厚度適當。試樣的濃度和測試厚度應選擇適當，以使光譜圖中的大多數吸收峰的透射比處于10%80%范圍內。13. 固體和液體制樣各有哪些方法？答：固體試樣：壓片法，懸浮法，薄膜法，歐米采樣器法；液體試樣：液膜法，溶液法，歐米采樣器法。14.簡述：固體樣品的制備鹵化物壓片法.答：也叫堿金屬鹵化物錠劑法。由于堿金屬鹵化物（如KCl、KBr、KI以及CsI等）加壓后變成可塑物，并在中紅外區(qū)完全透明，因而被廣泛用于固體樣品的制備。一般將固體樣品 l2mg放在瑪瑙研缽中，加 100200mg的KBr或KCl，混合研磨均勻，使其粒度達到 2.5m以下。將磨好的混合物小心倒入壓模中，加壓成型，就可得到厚約0.8mm的透明薄片。15. 什么叫基團頻率？答：與有機化合物中的一定結構相聯(lián)系的振動頻率。16. 官能團區(qū)和指紋區(qū)的波數范圍？答：官能團區(qū)：40001300 cm-1區(qū)域,是鑒定基團存在的主要區(qū)域，是由伸縮振動產生的吸收帶，為化學鍵和基團的特征吸收峰，吸收峰較稀疏。指紋區(qū)：1300650 cm-1區(qū)域，能反映分子結構的細微變化，吸收光譜較復雜，除單鍵的伸縮振動外，還有變形振動。17. 紅外光譜波數范圍有哪幾個區(qū)，各區(qū)具有代表性的振動有哪些？答：常見的有四個區(qū)：（1）4000-2500cm-1：X-H伸縮振動區(qū)，X可以是O、H、C和S原子；代表性振動：O-H，N-H，C-H和S-H鍵的伸縮振動。（2）2500-1900 cm-1：叁鍵和累積雙鍵區(qū)，主要包括炔鍵-CC-, 腈基-CN, 丙二烯基-C=C=C-, 烯酮基-C=C=O, 異氰酸酯基-N=C=O等的反對稱伸縮振動。（3）1900-1200 cm-1：雙鍵伸縮振動區(qū)，主要包括：C=C, C=O, C=N, -NO2等的伸縮振動，芳環(huán)的骨架振動等。（4）0，DT0，放熱；DT Hb Hc; 化學位移：Ha Hb-CH-CH3。因為：苯環(huán)上的6個p電子產生較強的誘導磁場，質子位于其磁力線上，與外磁場方向一致，去屏蔽，出現在低場高位移處；-CH3中的氫核較多，所以屏蔽作用強，出現在高場低位移處。11. 為什么當乙醇溶解與CCl4溶液后，其中的H核的化學位移降低？答：乙醇溶解于四氯化碳后, 氫鍵消失,其核屏蔽作用增強, 氫核出現在高場低位移。12. CH3-CH=CH-CH3中的H核的種類有幾種？并解釋其化學位移不同的原因。答：有兩種。雙鍵碳上的質子位于鍵電子環(huán)流產生的感生磁場與外加磁場方向一致的區(qū)域（稱為去屏蔽區(qū)），去屏蔽效應的結果，使雙鍵碳上的質子的共振信號移向稍低的磁場區(qū)。13. 什么叫自旋偶合、自旋裂分和偶合常數？答：相鄰的H核相互作用（即干擾）的結果。這種原子核之間的相互作用，叫做自旋偶合。由自旋偶合引起的譜線增多的現象，叫做自旋裂分。14. H譜的裂分數是由什么決定的？積分面積和什么有關？答：(1) 峰分裂數：n+1 規(guī)律； n為相鄰碳原子上的質子數；(2) 峰面積的大小(高度)與質子數目成正比。15. 試畫出下列結構式中H核的譜圖。 答：如下圖所示：16. 試解釋峰的數目、峰的強度(面積）、峰的位移及峰的裂分數和化合物結構的關系。答：（1）峰的數目：標志分子中質子性質不同的種類，多少種；（2）峰的強度(面積)：每類質子的數目(相對)，多少個；（3）峰的位移(d )：每類質子所處的化學環(huán)境，化合物中位置；（4）峰的裂分數：相鄰碳原子上質子數。17. 試解釋C6H5CH2CH2OCOCH3的NMR譜圖.a為什么位移最大，d為什么位移最小，b，c的位移為什么不同？答：苯環(huán)具有去屏蔽效應，低場高位移; d沒有任何去屏蔽效應，而且H核多；與c相連的有電負性高的O，有去屏蔽效應，低場高位移。第五章掃描電鏡習題答案1. 掃描電子顯微鏡的工作原理?答：由電子槍發(fā)射出來的電子束，在加速電壓作用下，經過電子透鏡聚焦后，在樣品表面按順序逐行進行掃描，激發(fā)樣品產生各種物理信號，如二次電子、背散射電子、吸收電子、X射線、俄歇電子等。這些物理信號的強度隨樣品表面特征而變。它們分別被相應的收集器接受，經放大器按順序、成比例地放大后，送到顯像管的柵極上，用來同步地調制顯像管的電子束強度，即顯像管熒光屏上的亮度。這樣，在熒光屏上就形成一幅與樣品表面特征相對應的畫面某種信息圖。2. 掃描電鏡成像的物理信號有哪些? 答：掃描電鏡成像所用的物理信號是電子束轟擊固體樣品而激發(fā)產生的。具有一定能量的電子，當其入射固體樣品時，將與樣品內原子核和核外電子發(fā)生彈性和非彈性散射過程，激發(fā)固體樣品產生多種物理信號，例如：背散射電子，二次電子，俄歇電子，特征X射線，吸收電子，透射電子。3. 什么叫背散射電子? 有幾種?答：背散射電子是被固體樣品中原子反射回來的一部分入射電子。它又分彈性背散射電子和非彈性背散射電子，前者是指只受到原子核單次或很少幾次大角度彈性散射后即被反射回來的入射電子，能量沒有發(fā)生變化；后者主要是指受樣品原子核外電子多次非彈性散射而反射回來的初級電子。4. 二次電子和俄歇電子有何區(qū)別?答：二次電子是被入射電子轟擊出來的樣品核外電子，而俄歇電子則是原子內層電子能級躍遷過程中釋放出來的能量將核外另一電子打出，脫離原子變?yōu)榈亩坞娮印?. 特征X射線和俄歇電子有何區(qū)別?答：特征X射線為原子的內層電子受到激發(fā)之后，在俄歇電子則是原子內層電子能級躍遷過程中釋放出來的能量將核外另一電子打出，脫離原子變?yōu)榈亩坞娮印?. 掃描電子顯微鏡的主要構造有哪幾個?答：(1)電子光學系統(tǒng)（鏡筒）：由電子槍、聚光鏡、物鏡和樣品室等部件組成。它的作用是將來自電子槍的電子束聚焦成亮度高、直徑小的入射束(直徑一般為10nm或更小)來轟擊樣品，使樣品產生各種物理信號。(2)掃描系統(tǒng)：掃描電鏡的特殊部件，由掃描發(fā)生器和掃描線圈組成。作用：1)使入射電子束在樣品表面掃描,并使電子束在熒光屏上作同步掃描；2)改變入射束在樣品表面的掃描振幅，來改變掃描像的放大倍數。(3)信號收集系統(tǒng)：掃描電鏡應用的物理信號:二次電子、背散射電子、透射電子和吸收電子。吸收電子可直接用電流表測出，其他電子信號用電子收集器收集。(4)圖像顯示和記錄系統(tǒng)：將信號收集器輸出的信號成比例地轉換為陰極射線顯像管電子束強度的變化，這樣就在熒光屏上得到一幅與樣品掃描點產生的某一種物理訊號成正比例的亮度變化的掃描像。7. 如何提高掃描電子顯微鏡的放大倍數?答：當入射電子束作光柵掃描時，若電子束在樣品表面掃描的幅度為AS，在熒光屏上陰極射線同步掃描的幅度為AC，則掃描電子顯微鏡的放大倍數為：M=AC/AS。由于掃描電子顯微鏡的熒光屏尺寸是固定不變的，因此，放大倍率的變化是通過改變電子束在試樣表面的掃描幅度AS來實現的。8. 用于掃描電鏡觀察的樣品為什么要導電?答：在材料表面形成一層導電膜，以避免電荷積累，影響圖象質量，并可防止試樣的熱損傷。9. 掃描電鏡在材料分析中有何作用?答：（1）斷口形貌觀察；（2）橫截面形貌觀察；（3）內部結構；（4）粉末尺寸測定。 第六章透射電鏡習題答案1. 透射電子顯微鏡的工作原理?答：透射電鏡是以波長極短的電子作為照明源，并利用電子束穿透樣品，電磁透鏡聚焦，再經多級電子放大，而成像于熒光屏，具有高分辨率、高放大倍數的電子光學儀器。2. 透射電鏡成像的主要構造有哪些? 答：物鏡、中間鏡和投影鏡。3. 透射電鏡成像的電子光學部分有哪幾個部分組成? 這幾個部分的作用是什么?答：透射電子顯微鏡的電子光學部分分為照明系統(tǒng)、樣品室、成像系統(tǒng)及圖像觀察和記錄系統(tǒng)。照明系統(tǒng)：是為成像系統(tǒng)提供一束亮度高、相干性好的照明光源。樣品室：過試樣臺承載試樣，移動試樣。成像系統(tǒng)：物鏡的分辨本領決定了電鏡的分辨本領，中間鏡和投影鏡的作用是將來自物鏡的圖像進一步放大。圖像觀察和記錄系統(tǒng)：用于觀察和記錄圖像。4. 什么叫透射電鏡的分辨率?答：分辨率是透射電鏡的最主要性能指標，它表征電鏡顯示亞顯微組織、結構細節(jié)的能力。5. 透射電鏡的成像原理是什么?答：透鏡的成像作用可以分為兩個過程：第一個過程是平行電子束遭到物的散射作用而分裂成為各級衍射譜，即由物變換到衍射譜的過程；第二個過程是各級衍射譜經過干涉重新在像平面上會聚成諸像點，即由衍射譜變換到像的過程。6. 什么叫透射電鏡的景深、焦長？答：景深是指透鏡對高低不平的試樣各部位能同時聚焦成像的一個能力范圍，這個范圍用一段距離來表示。焦長是指透鏡像平面所允許的軸向偏差。7. 對透射電鏡復型材料的要求有哪幾個？答：復型材料本身必須是“無結構”或非晶態(tài)的；有足夠的強度和剛度，良好的導電、導熱和耐電子束轟擊性能。復型材料的分子尺寸應盡量小，以利于提高復型的分辨率，更深入地揭示表面形貌的細節(jié)特征。常用的復型材料是非晶碳膜和各種塑料薄膜。8. 透射電鏡在高分子材料分析中的作用有哪些？答：單晶觀察；相結構觀察；顆粒尺寸觀察；填充劑的分散情況分析。 第七章X-衍射習題答案1. X射線的產生及工作原理?答：X射線是高速運動的粒子與某種物質相撞擊后猝然減速，且與該物質中的內層電子相互作用而產生的。X射線的工作原理為：X射線管中電子槍產生電子并將電子束聚焦，鎢絲繞成螺旋式，通以電流鎢絲燒熱放出自由電子；而電子靶則發(fā)射X射線，陽極靶通常由傳熱性好、熔