材料現(xiàn)代測(cè)試方法實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)

1、實(shí)驗(yàn)一. X射線衍射分析學(xué)時(shí)：2 要求：必做 類型：演示 類別：專業(yè)基礎(chǔ)一、目的要求1. 了解X射線的發(fā)現(xiàn)史，X射線衍射技術(shù)的發(fā)展史； 2. 了解多晶（粉末）X射線衍射分析儀器的構(gòu)造及其功能以及X射線衍射的基本原理；3. 熟悉和掌握標(biāo)準(zhǔn)粉末衍射（PDF）卡片、索引及使用方法；能夠完成物相定性分析。二、實(shí)驗(yàn)原理多晶體（粉末）X射線衍射分析儀是用單色X射線照射多晶體（粉末）樣品，在滿足布拉格公式（2dsin=n）條件時(shí)產(chǎn)生衍射，把衍射圖譜記錄下來(lái)用以分析晶體結(jié)構(gòu)的儀器，主要用于以下幾個(gè)方面：1 X射線物相分析，就是根據(jù)樣品的衍射線的位置、數(shù)目及相對(duì)強(qiáng)度等確定樣品中包含有那些結(jié)晶物質(zhì)。2 進(jìn)行X射線

2、定量物相分析以及根據(jù)晶格常數(shù)隨固溶度的變化來(lái)測(cè)定相圖或固溶度等3 根據(jù)X射線衍射線的線形及寬化程度等來(lái)測(cè)定多晶試樣中晶粒大小、應(yīng)力和應(yīng)變情況等。4 根據(jù)樣品的衍射峰位和衍射強(qiáng)度，可以完成未知樣品的晶體結(jié)構(gòu)解析。三、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備該儀器為日本理學(xué)公司生產(chǎn)的SmartLab3kW，SmartLab 9kW和賽默飛世爾公司的ARL XTRA型多晶體（粉末）X射線衍射分析儀，由X射線發(fā)生器、測(cè)角儀、探測(cè)器和控制運(yùn)算部分構(gòu)成。多晶體（粉末）X射線衍射分析儀示意圖X射線衍射分析儀光路圖封閉式X射線管結(jié)構(gòu)圖四、操作步驟5 按儀器說(shuō)明書(shū)規(guī)定順序打開(kāi)電源、冷卻水和衍射儀。6 按儀器說(shuō)明書(shū)中規(guī)定步驟和時(shí)間逐步將X射

3、線管的電壓、電流升到所需數(shù)值。7 將粉末樣品壓入樣品板里，去掉多余樣品，將樣品板插入樣品臺(tái)。8 根據(jù)樣品和測(cè)試要求設(shè)定掃描條件。9 按“開(kāi)始”鍵開(kāi)始樣品測(cè)試。10 在樣品測(cè)試結(jié)束后，按儀器說(shuō)明書(shū)中規(guī)定步驟和時(shí)間逐步降低電壓、電流，關(guān)閉儀器，關(guān)閉冷卻水，關(guān)閉電源。五、數(shù)據(jù)處理1. 用得到的樣品衍射圖譜進(jìn)行平滑、去背底、檢峰等處理和計(jì)算，得到各個(gè)衍射峰的角度、d值、半高寬、絕對(duì)強(qiáng)度、相對(duì)強(qiáng)度的數(shù)據(jù)。2. 根據(jù)得到的衍射峰數(shù)據(jù)和其他樣品的信息用,利用Search Match軟件進(jìn)行樣品的物相定性分析，同時(shí)找到樣品里所含各種結(jié)晶物質(zhì)的PDF卡片3. 根據(jù)測(cè)試目的，用得到的衍射峰數(shù)據(jù)和PDF卡片數(shù)據(jù)進(jìn)行

4、計(jì)算，得到所需要的結(jié)果。六、問(wèn)題分析： 1 列舉三名在X射線衍射領(lǐng)域做出巨大貢獻(xiàn)的科學(xué)家，并簡(jiǎn)述其貢獻(xiàn)。2 布拉格公式（2dsin=n）中的d、各代表什么意思？3 索引分為幾種？怎樣使用？4 卡片分成幾個(gè)區(qū)域？和衍射圖譜檢索有關(guān)的主要有那些區(qū)域的數(shù)據(jù)？X射線衍射圖譜和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)粉末衍射（PDF）卡片（執(zhí)筆人：潘志剛）實(shí)驗(yàn)二 電子顯微分析學(xué)時(shí)：6學(xué)時(shí) 實(shí)驗(yàn)性質(zhì)：必做 實(shí)驗(yàn)類型：綜合、設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)類別：專業(yè)基礎(chǔ)Part I透射電子顯微分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解透射電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)和工作原理2. 掌握透射電子顯微鏡樣品制備的方法。3. 掌握透射電鏡衍襯像和高分辨像的成像方法、辨別及圖像分析等。二、實(shí)驗(yàn)原

5、理透射電子顯微鏡是以波長(zhǎng)極短的電子束作為照明源，用電磁透鏡聚焦成像的一種高分辨本領(lǐng)、高放大倍數(shù)的電子光學(xué)儀器。透射電鏡的成像原理：阿貝首先提出了相干成像的一個(gè)新原理，即衍射譜(傅里葉變換)和二次衍射成像的概念，并用傅里葉變換來(lái)闡明顯微鏡成像的機(jī)制。透射電鏡的成像原理就是利用阿貝成像原理。根據(jù)光學(xué)中的阿貝成像理論，當(dāng)一束平行光束照射到具有周期結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的物體時(shí)會(huì)產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，如圖1所示。除零級(jí)衍射束(即透射束)外，還有各級(jí)衍射束，通過(guò)透鏡(物鏡)的聚焦作用，在其后焦面上形成衍射振幅的極大值，每個(gè)振幅極大值又看看成次級(jí)相干波源，由它們發(fā)出的次級(jí)波在像平面上相干成像。圖1中像平面上的A、B及C就是周期

6、結(jié)構(gòu)物點(diǎn)A、B和C的像。這樣阿貝的透鏡衍射成像可分為兩個(gè)過(guò)程：一是平行光束收到周期特點(diǎn)物體的散射作用形成各級(jí)衍射譜，及物的信息通過(guò)衍射譜呈現(xiàn)出來(lái)；二是各級(jí)衍射波通過(guò)干涉重新再像平面上形成反映物體特征的像。顯然，這要求從物體同一點(diǎn)出發(fā)的各級(jí)衍射波在經(jīng)過(guò)上述兩個(gè)過(guò)程后必須在像平面上會(huì)聚為一點(diǎn)，圖1中，從A點(diǎn)發(fā)出的各級(jí)衍射波最后在像平面上A點(diǎn)成像；而從物體不同點(diǎn)發(fā)出的同級(jí)平行散射波經(jīng)過(guò)透鏡后都聚焦到后焦面上的同一點(diǎn)，只有這樣才能形成反映物體特點(diǎn)的傳統(tǒng)意義的像。參與成像的次級(jí)波越多，疊加的像越與物接近。在電子顯微鏡中，用電子束代替平行光束，用薄膜樣品代替周期性結(jié)構(gòu)的物體，就可以重復(fù)以上衍射過(guò)程。圖1阿

7、貝成像原理示意圖三、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及流程本實(shí)驗(yàn)用儀器為日本電子公司生產(chǎn)的JEM-2010 UHRTEM高分辨電鏡。儀器性能指標(biāo)：加速電壓200KV，線分辨率1.43Å，點(diǎn)分辨率1.9Å。它由電子光學(xué)系統(tǒng)、電源與控制系統(tǒng)及真空系統(tǒng)三部分組成。1. 電子光學(xué)系統(tǒng)組成電子光學(xué)系統(tǒng)透射電子顯微鏡的核心，它分為三部分，照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)和圖像觀察記錄系統(tǒng)，具體詳見(jiàn)圖2。(1) 照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)由電子槍、聚光鏡和相應(yīng)的平移對(duì)中、傾斜調(diào)節(jié)裝置組成。其作用是提供一束亮度高、照明孔徑角小、平行度好、束流穩(wěn)定的照明源。電子槍是透射電子顯微鏡的電子源，常用的有熱陰極LaB6電子槍(本機(jī)用的是六硼化

8、鑭電子槍)和場(chǎng)發(fā)射電子槍(冷場(chǎng)發(fā)射和肖特基發(fā)射(熱場(chǎng))。聚光鏡用來(lái)會(huì)聚電子槍射出的電子束，以最小的損失照明樣品，調(diào)節(jié)照明強(qiáng)度、孔徑角、和束斑大小。常規(guī)的透射電鏡中一般采用雙聚光鏡系統(tǒng)。(2) 成像系統(tǒng)成像系統(tǒng)主要是由物鏡、中間鏡和投影鏡組成。物鏡是用來(lái)形成第一幅高分辨率電子顯微圖像或電子衍射花樣的透鏡。透射電子顯微鏡分辨本領(lǐng)的高低主要取決于物鏡。物鏡的分辨本領(lǐng)主要決定于極靴的形狀和加工精度。物鏡的后焦面上安放的是物鏡光闌。中間鏡是一個(gè)弱激磁的長(zhǎng)焦距變倍透鏡。如果把中間鏡的物平面和物鏡的像平面重合，則在熒光屏上得到一幅放大像，這就是電子成像操作；如果把中間鏡的物平面和物鏡的后焦面重合，則在熒光屏

9、上得到一幅電子衍射花樣，這就是電子衍射操作。圖2 JEM-2010透射電鏡電子光學(xué)系統(tǒng)剖面圖投影鏡的作用是把經(jīng)中間鏡放大（或縮?。┑南瘢ɑ螂娮友苌浠樱┻M(jìn)一步放大，并投影到熒光屏上。目前，高性能的透射電子顯微鏡大都采用5級(jí)透鏡放大，即中間鏡和投影鏡有兩級(jí)，分第一中間鏡和第二中間鏡，第一投影鏡和第二投影鏡。(3) 觀察記錄系統(tǒng)觀察和記錄裝置包括熒光屏、照相機(jī)構(gòu)和計(jì)算機(jī)。2透射電鏡的成像襯度透射電鏡的成像襯度分為質(zhì)厚襯度、衍射襯度和相位襯度，分別對(duì)應(yīng)質(zhì)厚襯度像、衍射襯度像和相位襯度像，如圖3所示。質(zhì)厚襯度是由于非晶試樣中各部分厚度和密度差別導(dǎo)致對(duì)入射電子的散射程度不同而形成的襯度.衍射襯度是基于晶

10、體薄膜內(nèi)各部分滿足衍射條件的不同而形成的襯度。根據(jù)衍射襯度原理形成的電子圖像稱為衍襯像.在實(shí)驗(yàn)中，既可以選擇特定的像區(qū)進(jìn)行電子衍射(選區(qū)電子衍(a) 質(zhì)量厚度襯度像(d) 相位襯度像圖3 透射電鏡的襯度像(b) 衍射襯度明場(chǎng)像(c) 衍射襯度暗場(chǎng)像射)，也可以選擇一定的衍射束成像,稱為選擇衍射成像.選擇單光束用于晶體的衍襯像, 選擇多光束用于晶體的晶格像。若物鏡光闌套住其后焦面的中心透射斑，形成的電子圖像稱為明場(chǎng)像(BF)，若物鏡光闌套住其后焦面的某一衍射斑,形成的電子圖像稱為暗場(chǎng)像(DF)。相位襯度：衍射束和透射束或衍射束和衍射束由于物質(zhì)的傳遞引起的波的相位的差別而形成的襯度。入射電子波照射

11、到極薄試樣上后，入射電子受到試樣原子散射，分為透射波和散射波兩部分，它們之間相位差為/2。如果物鏡沒(méi)有像差，且處于正焦?fàn)顟B(tài)，透射波與散射波相干結(jié)果產(chǎn)生的合成波振幅相同或相接近，強(qiáng)度差很小，所以不能形成像襯度。如果引入附加的相位差，使散射波改變/2位相，那么，透射波與合成波的振幅就有較大差別從而產(chǎn)生襯度，這種襯度稱為相位襯度。常用方法是利用物鏡的球差和散焦。在加速電壓、物鏡光闌和球差一定時(shí)，適當(dāng)選擇散焦量使這兩種效應(yīng)引起的附加相位變化是(2n-1)/2，n=0，1，2,就可以使相位差變成強(qiáng)度差，從而使相位襯度得以顯示出來(lái)。高分辨電子顯微像是相位襯度的一種，相位襯度還包括波紋像、費(fèi)涅爾條紋、層錯(cuò)條

12、紋等。高分辨電子顯微像種類包括一維晶格條紋像、一維晶格像、二維晶格像、二維結(jié)構(gòu)像和原子像等。3試樣的制備方法根據(jù)透射電鏡所觀察樣品類型的差異，可分別采用如下方法來(lái)制備獲得滿足觀察需要的薄試樣：(1) 粉碎方法，(2) 電解拋光方法，(3) 超薄切片方法，(4) 離子減薄方法，(5) 聚焦離子束方法等。四、實(shí)驗(yàn)操作步驟自己選定兩種方案的一種：方案一：納米材料表征(一）試樣的準(zhǔn)備：自己選定一種一維納米材料，如碳納米管、納米線或納米帶。(二) 透射電鏡試樣制備。自己選定以下的方法：1. 粉末法。自己設(shè)計(jì)工藝路線。所用設(shè)備：真空鍍膜儀、真空干燥箱等。2. 切片法。自己包埋試樣，然后進(jìn)行切片。所用設(shè)備：

13、超薄切片機(jī)、制刀機(jī)、冰箱、加熱板和真空干燥箱等。(三）電鏡觀察。在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，選擇區(qū)域，獲得高質(zhì)量的高分辨電子顯微像。所用設(shè)備：200kV高分辨透射電鏡。方案二：晶體材料的物相分析(一）試樣準(zhǔn)備：自己選定一種固體結(jié)晶質(zhì)材料，如方解石、石英、螢石、SrTiO3、BaTiO3等。(二) 試樣制備：機(jī)械磨薄和離子減薄。所用設(shè)備：離子減薄儀、3mm沖片器、磨片機(jī)、凹坑研磨機(jī)和加熱板等。(三）用透射電子顯微鏡進(jìn)行電子衍射，獲得二到三張電子衍射圖。所用設(shè)備：200kV透射電鏡。五、數(shù)據(jù)處理1衍射圖譜分析。根據(jù)所得的電子衍射圖，自己設(shè)計(jì)分析方案，編制計(jì)算機(jī)程序，確定物相結(jié)構(gòu)。2高分辨電子顯微像分析：從

14、圖像上測(cè)定晶面間距，根據(jù)JCPDS卡片確定晶面指數(shù)，然后確定圖像的方向；如果圖像能觀察到晶體缺陷，簡(jiǎn)單指出缺陷的類型、晶體中的取向等信息，并對(duì)性能的影響加以討論。六、分析討論題1TEM的圖像襯度有哪些？2在TEM成像過(guò)程中物鏡光闌的作用是什么？3TEM有哪些分析功能？4選區(qū)電子衍射的基本公式是什么？如何進(jìn)行電子衍射圖譜的標(biāo)定？Part II掃描電子顯微分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解掃描電子顯微鏡的基本構(gòu)造和工作原理2掌握電鏡的樣品制備3掌握掃描電鏡的一般操作過(guò)程4掌握掃描電鏡的圖像襯度和圖像分析方法二、實(shí)驗(yàn)原理1. 掃描電鏡工作原理以二次電子的成像為例，由電子槍發(fā)射的電子，以其交叉斑作為電子源，經(jīng)二級(jí)

15、聚光鏡及物鏡的縮小形成具有一定能量、一定束流強(qiáng)度和束斑直徑的微細(xì)電子束，在偏轉(zhuǎn)線圈作用下于試樣表面按一定時(shí)間、空間順序作柵網(wǎng)式掃描。聚焦電子束與試樣相互作用，產(chǎn)生二次電子發(fā)射（以及其它物理信號(hào)），二次電子發(fā)射量隨試樣表面形貌而變化。二次電子信號(hào)被探測(cè)器收集轉(zhuǎn)換成電信號(hào)調(diào)制顯示器的亮度。2. 掃描電鏡的圖像襯度掃描電鏡圖像襯度是信號(hào)襯度，根據(jù)其形成的依據(jù)，可分為形貌襯度、原子序數(shù)襯度和電壓襯度。形貌襯度的形成是由于某些信號(hào)，如二次電子、背散射電子等，其強(qiáng)度是試樣表面傾角的函數(shù)。二次電子像是最典型的形貌襯度。原子序數(shù)襯度是由于試樣表面物質(zhì)原子序數(shù)（或化學(xué)成分）差別而形成的襯度。背散射電子像、吸收電

16、子像都包含原子序數(shù)襯度。電壓襯度是由于試樣表面電位差別而形成的襯度。這種局部電位將使樣品和探測(cè)器之間的靜電場(chǎng)分布發(fā)生變化，從而影響二次電子的軌跡和信號(hào)強(qiáng)度。如可用來(lái)檢測(cè)集成電路芯片的表面電位分布像。3. 掃描電鏡的成像信號(hào)聚焦電子束與樣品作用產(chǎn)生一系列信號(hào)：二次電子、背散射電子，特征X射線、俄歇電子、X熒光等，掃描電鏡所使用的信號(hào)探測(cè)器有二次電子探測(cè)器、背散射電子探測(cè)器和能譜儀探測(cè)器（特征X射線探測(cè)器），所以通過(guò)本儀器可以看到二次電子像、背散射電子像和能量色散譜圖。一般情況下，利用掃描電鏡觀察的是樣品表面的二次電子像（形貌襯度像）。通過(guò)改變Singnal可看到背散射電子像，背散射電子信號(hào)既有形

17、貌的信息又有原子序數(shù)的信息，因此背散射電子像采用背散射電子信號(hào)分離觀察有三種模式：組成像、形貌像和陰影像，如圖1所示。圖1 掃描電鏡背散射電子像（BEI），（a）陰影像，(b) 組成像，（c）形貌像三、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及流程該實(shí)驗(yàn)用儀器為日本電子公司(JEOL)生產(chǎn)的JSM-5900，其主要性能指標(biāo)：分辨率3nm，最大加速電壓30KV。由真空系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)和電子光學(xué)系統(tǒng)組成。電子光學(xué)系統(tǒng)由電子槍、聚光鏡、物鏡、物鏡光闌和樣品室等部件組成，掃描電鏡剖面圖及基本構(gòu)造外型如圖2所示。本實(shí)驗(yàn)選取兩個(gè)樣品觀察二次電子像和背散射電子像。樣品制備：對(duì)于導(dǎo)電樣品，選取適合樣品臺(tái)大小的尺寸，用導(dǎo)電膠粘在樣品臺(tái)上

18、放入即可。對(duì)于塊狀非導(dǎo)電樣品或粉末樣品，則需先用導(dǎo)電膠或雙面膠粘在樣品臺(tái)上用離子濺射儀鍍上導(dǎo)電層如金、鉑或碳。注意樣品中不能含有揮發(fā)性物質(zhì)或腐蝕性物資，如水，乙醇，丙酮等。四、實(shí)驗(yàn)操作步驟將儀器鏡筒放氣，打開(kāi)樣品室門(mén)，插入樣品臺(tái)，關(guān)閉樣品室門(mén)。按下相應(yīng)的抽真空按鍵，儀器自動(dòng)抽真空到10-4，運(yùn)行JSM-5900Main Menu，見(jiàn)圖3所示的JSM-5900的用戶圖形界面。點(diǎn)擊HT，逐級(jí)加高壓至15KV或20KV，屏幕會(huì)出現(xiàn)圖象，若未出現(xiàn)，則由于樣品位置未在中央或電子束焦點(diǎn)未在樣品上，移動(dòng)樣品或按住focus，上下移動(dòng)鼠標(biāo)即可得到清晰的圖像，改變放大倍數(shù)可得到不同放大倍數(shù)的圖像。用Scan3或

19、Scan4都可得到清晰的照片，只是圖像的像素不同而已。保存圖片到文件夾即可。圖2 JSM-5900掃描電鏡的剖面圖(a)及外形構(gòu)造圖(b)圖3 JSM-5900操作界面五、數(shù)據(jù)處理（略）六、分析討論題1. 掃描電鏡有哪些圖像襯度？2. 掃描電鏡有哪些成像信號(hào)？3. 影響掃描電鏡圖像分辨率的因素是什么？Part III X射線能譜顯微成分分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解X射線能譜儀（簡(jiǎn)稱能譜儀，英文為：Energy Dispersive Spectrometer，縮寫(xiě)為EDS）的構(gòu)造、工作原理；2熟悉X射線能譜的元素分析的分析方法和應(yīng)用；3掌握正確選用微區(qū)成分分析方法及分析參數(shù)的選擇。二、實(shí)驗(yàn)原理能譜儀利

20、用電子束與樣品作用，在一個(gè)有限深度和側(cè)向擴(kuò)展的微區(qū)體積內(nèi)，激發(fā)產(chǎn)生X射線訊號(hào)，它們的波長(zhǎng)（或能量）和強(qiáng)度將是表征該微區(qū)內(nèi)所含元素及濃度的重要信息。能譜儀所能分析的元素可從4Be到92U，但原子序數(shù)低于12的輕元素或超輕元素的測(cè)定，需要某些特殊的條件和技術(shù)。微區(qū)成分的定量分析，即把某元素的特征X射線強(qiáng)度換算成百分濃度。1能譜儀工作的基本原理由試樣出射的具有各種能量的X光子，相繼經(jīng)Be窗射入Si(Li)內(nèi)，在1區(qū)產(chǎn)生電子空穴對(duì).每產(chǎn)生一對(duì)電子空穴對(duì)，要消耗掉X光子3.8eV能量。因此每一個(gè)能量為E的入射光子產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)目N=E/3.8，入射X光子的能量越高，N就越大。利用加在晶體兩端的偏壓

21、收集電子空穴對(duì)，經(jīng)前置放大轉(zhuǎn)換成電流脈沖，電流脈沖的高度取決于N的大小，電流脈沖經(jīng)主放大器轉(zhuǎn)換成電壓脈沖進(jìn)入多道脈沖高度分析器。脈沖高度分析器按高度把脈沖分類并進(jìn)行記數(shù)，這樣就可以描出一張?zhí)卣鱔射線按能量大小分布的圖譜。2X射線能譜顯微成分分析方法(1) 化學(xué)成分分析(元素定性、定量分析)掃描電鏡的能譜分析可以把樣品的成分和形貌、乃至結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起進(jìn)行分析。既可對(duì)在較大范圍區(qū)域內(nèi)進(jìn)行組分分析，也可對(duì)微小區(qū)域進(jìn)行成分分析，最小分析區(qū)取決于X射線的空間分辨率（X射線在樣品中的出射區(qū)域的大?。Ｔ诜治鲭娮语@微鏡的分析中，電子束在試樣中的擴(kuò)展直接影響了空間分辨率，加速電壓的選擇、入射電子束直徑、試樣的

22、密度計(jì)元素組成(原子質(zhì)量和原子序數(shù))等都是決定空間分辨率的因素。定量分析是通過(guò)X射線的強(qiáng)速來(lái)獲取組成樣品材料的各元素的濃度(含量)。根據(jù)實(shí)際情況，前人提出了測(cè)量未知樣品盒標(biāo)樣的強(qiáng)度比方法，再將強(qiáng)度比經(jīng)過(guò)定量修正換算成濃度比。最廣泛使用的一種定量修正技術(shù)是ZAF修正。圖1為試樣元素定性、定量分析結(jié)果。(2) 元素的X射線面分布電子束只作用在試樣上一點(diǎn)，得到的是X射線能譜顯微分析的定點(diǎn)分析方法(包括定點(diǎn)定性和定點(diǎn)定量分析)，對(duì)于不同元素在試樣中的分布以及它們含量的百分濃度，可以通過(guò)掃描電鏡，使電子束在試樣上做二維掃描，測(cè)量特征X射線的強(qiáng)度，使與這個(gè)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的亮度變化與掃描信號(hào)同步在陰極射線管CRT

23、上顯示出來(lái)，就得到特征X射線強(qiáng)度的二維分布的像，如圖2(a)所示，這種分析方法稱之為元素的面分布（X-Ray Mapping）分析方法。(3) 元素的X射線線分布在面分布圖上沿著指定的直線段提取出的X射線信號(hào)的強(qiáng)度分布曲線，稱為X射線線掃描（X-Ray Linescan），可以獲得感興趣元素的X射線強(qiáng)度沿這條線的分布圖，如圖2(b)-(c)所示。Element LineWeight %Atom %FormulaCompnd %O K34.29S62.04(null)-Al K0.900.96Al2O31.70Si K1.591.64SiO23.40S K4.474.03SO311.16Cl K

24、0.340.28Cl0.34Ca K3.742.70CaO5.23Fe K54.6828.35Fe2O378.18Total100.00100.00100.00圖1 X射線能譜顯微成分分析元素定性、定量分析結(jié)果三、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備X射線能譜儀的基本結(jié)構(gòu)：鋰漂移硅Si(Li)探測(cè)器，數(shù)字脈沖信號(hào)處理器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，多道分析器及計(jì)算機(jī)。四、實(shí)驗(yàn)操作步驟1試樣準(zhǔn)備：與SEM相同，為了得到較精確的定性、定量、面分布以及線分布的分析結(jié)果，應(yīng)該對(duì)試樣進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，盡可能使試樣表面平整、光潔。同時(shí)保證試樣中無(wú)揮發(fā)性物質(zhì)，以免真空下對(duì)電鏡鏡筒和X射線探頭造成污染、損壞。然后放入SEM樣品室中，調(diào)整試樣的工作距離

25、，使X射線探測(cè)器以最佳的立體角接受試樣表面激發(fā)出的特征X射線。2分析過(guò)程：打開(kāi)SEM高壓，選擇合適的加速電壓，一般選擇最高譜峰能量的23倍。調(diào)整SEM以觀察樣品的表面形貌，選擇待分析的區(qū)域，增加SEM的電子束束斑到能譜儀具有足夠的X射線的強(qiáng)度（大于500cps），調(diào)整SEM的焦距，觀察到清晰的圖像，然后進(jìn)行選區(qū)或點(diǎn)，用能譜儀采集圖譜，然后進(jìn)行定性和定量分析，還可進(jìn)行元素的線、面的成分分布分析。(a) 鍍Cr層-金屬基體中元素的面分布圖（Mapping）(b) Si3N4陶瓷層活塞環(huán)橫斷面二次電子像(SEI)(c) (b)中橫線上元素的線分布圖圖2. 能譜儀與SEM結(jié)合進(jìn)行元素的線掃描、面掃描分

26、布分析五、數(shù)據(jù)處理能譜儀所能分析的元素(定性分析)可從4Be到92U，但原子序數(shù)低于12的輕元素或超輕元素的測(cè)定需要某些特殊的條件和技術(shù)。利用能譜儀進(jìn)行微區(qū)成分的定量分析(原子序數(shù)大于12 的元素)，即把元素成分經(jīng)過(guò)一系列校正定量計(jì)算出來(lái)。六、分析討論題1能譜儀的構(gòu)造有哪些部分？其基本工作原理是什么？2能譜儀具有哪些分析方法？3能譜儀進(jìn)行定性分析的基本原理是什么？ （執(zhí)筆人：劉云飛、施書(shū)哲）實(shí)驗(yàn)三 綜合熱分析學(xué)時(shí)：2 實(shí)驗(yàn)性質(zhì)：必做 實(shí)驗(yàn)類型：綜合 實(shí)驗(yàn)類別：專業(yè)基礎(chǔ)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解材料熱分析測(cè)試技術(shù)發(fā)展歷史，了解TG、DSC等熱分析儀器的構(gòu)造及基本工作原理；2熟悉熱分析的實(shí)驗(yàn)步驟及簡(jiǎn)單實(shí)例

27、分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)學(xué)會(huì)讀TG和DSC圖，了解熱重和差熱曲線的物理含義，根據(jù)熱重和差熱曲線分析材料在加熱過(guò)程中的物理和化學(xué)變化。引導(dǎo)學(xué)生感知測(cè)試技術(shù)對(duì)材料研究的作用，追求創(chuàng)新的態(tài)度和意識(shí)，為應(yīng)用熱分析方法開(kāi)展研究打下基礎(chǔ)。二、實(shí)驗(yàn)原理國(guó)際熱分析協(xié)會(huì)（ICTAC）定義：熱分析是在一定的氣氛中測(cè)量樣品的性質(zhì)隨溫度的變化的關(guān)系的一組技術(shù)。差示掃描量熱法的基本原理是在程序控溫下，樣品和參比樣之間的溫度差或功率補(bǔ)償值與樣品溫度的關(guān)系曲線，橫坐標(biāo)為時(shí)間或溫度，縱坐標(biāo)為熱電勢(shì)或功率，曲線的形狀與樣品的潛熱和顯熱有關(guān)。潛熱在曲線上顯示出峰效應(yīng)，而顯熱表現(xiàn)為基線。曲線的數(shù)學(xué)描述由日本學(xué)者神戶博太郎給出：a：基線 開(kāi)始

28、升溫后，樣品和參比物之間有溫度差T存在，一定時(shí)間平衡后，樣品和參比物才按程序升溫速度（V）升溫，此時(shí)T成為定值，形成差熱曲線的基線（T）a。當(dāng)t較大時(shí)，（T） （T）a：（T）a=b峰 差熱曲線熱效應(yīng)峰與基線所圍城的面積正比于過(guò)程的熱效應(yīng)。三、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及流程儀器名稱型號(hào)廠家儀器技術(shù)指標(biāo)分析內(nèi)容差熱/熱重分析儀STA 449C/6/F德國(guó)Netzsch公司最高溫度1650，重量靈敏度0.1g，各種氣氛條件熱分解溫度、相轉(zhuǎn)變溫度相變熱焓、溫度穩(wěn)定性和氧化穩(wěn)定性、比熱Cp、反應(yīng)階段和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)差示掃描量熱儀DSC 204/1/F德國(guó)Netzsch公司溫度范圍為-170700，各種氣氛條件熔點(diǎn)、熔

29、融熱和結(jié)晶熱、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、比熱、相轉(zhuǎn)變溫度、結(jié)晶度、純度、氧化誘導(dǎo)期、玻璃化溫度四、實(shí)驗(yàn)操作步驟（1）打開(kāi)電源、電腦，運(yùn)行STA449C測(cè)試軟件，打開(kāi)控制箱及測(cè)試主機(jī)，檢查氣體種類、氣流速度是否正確；（2）打開(kāi)水箱，設(shè)定其恒溫值高出室溫23；（3）設(shè)定正確的熱電偶、坩堝和支架類型；（4）由測(cè)試軟件檢測(cè)支架信號(hào)、重量信號(hào)，使儀器處于正常的工作狀態(tài)；（5）做基線：參比及試樣位置上分別放置干凈的坩堝，在測(cè)試程序中選定“Correction”，輸入相應(yīng)的測(cè)試溫度范圍、升溫速度、氣體種類及流量等測(cè)試條件，啟動(dòng)程序進(jìn)行測(cè)試；（6）保存基線測(cè)試結(jié)果；（7）測(cè)試樣：在試樣坩堝內(nèi)裝入430mg試樣（根據(jù)測(cè)試要求

30、可變動(dòng)），記錄精確質(zhì)量，在程序中輸入與“Correction”相同的測(cè)試條件，啟動(dòng)程序自動(dòng)測(cè)試；（8）保存測(cè)試結(jié)果，打開(kāi)綜合熱分析軟件；（9）利用綜合熱分析軟件對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，給出一定溫度范圍內(nèi)的失重、熱量變化值及特征溫度；（10）打印分析結(jié)果。五、數(shù)據(jù)處理（1）儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1和圖2。請(qǐng)標(biāo)出下列儀器結(jié)構(gòu)圖中各部分的名稱。圖1 STA 449C/6/F同步熱分析儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖圖2 DSC 204/1/F差示掃描量熱儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（2）讀圖。說(shuō)明下列試樣在加熱過(guò)程中的質(zhì)量變化與溫度的關(guān)系。圖3 鐵氧體粉體的熱重曲線六、分析討論題（1）讀圖 聚四氟乙烯的DSC圖如下。指出該材料的Tg及熔融溫度。圖4

31、 聚四氟乙烯DSC圖（2）熱分析有哪些應(yīng)用？舉例說(shuō)明，比較全面地理解測(cè)試技術(shù)對(duì)材料研究的作用。（3）測(cè)試注塑料粒料（該粒料由高分子材料與無(wú)機(jī)95氧化鋁配料構(gòu)成）的TG-DSC曲線，導(dǎo)出測(cè)試數(shù)據(jù)，采用ORIGIN或EXCEL軟件繪圖，描述注塑料粒料種類和吸放熱隨溫度變化規(guī)律，分析在加熱過(guò)程中該有機(jī)和無(wú)機(jī)物含量的變化，有機(jī)物可能是什么體系？查找高分子材料PP、PE、PS、PC、PVC的典型DSC曲線，推測(cè)注塑料中高分子材料的種類。注塑料粒料經(jīng)過(guò)注塑成型燒成后，可獲得95氧化鋁陶瓷制品。通過(guò)TG-DSC曲線簡(jiǎn)單說(shuō)明燒成制度制定時(shí)要注意的問(wèn)題。通過(guò)查閱文獻(xiàn)綜合分析熱分析技術(shù)對(duì)材料研究的作用。（ 執(zhí)筆人：李曉云、羅亞麗）實(shí)驗(yàn)四 傅立葉變換紅外光譜實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：2 要求：必做 類型：演示 類別：專業(yè)基礎(chǔ)一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解紅外光譜儀發(fā)展史，了解色散型紅外光譜及傅里葉變換型紅外光譜儀的區(qū)別及發(fā)展進(jìn)程2初步了解傅立葉變換紅外光譜儀的結(jié)構(gòu)及工作原理3熟悉FT-IR的實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程4閱讀紅外測(cè)試相關(guān)文獻(xiàn)，