材料測試分析方法(究極版)

1、緒論3分析測試技術的發(fā)展的三個階段？階段一：分析化學學科的建立；主要以化學分析為主的階段。階段二：分析儀器開始快速發(fā)展的階段階段三：分析測試技術在快速、高靈敏、實時、連續(xù)、智能、信息化等方面迅速發(fā)展的階段4現代材料分析的內容及四大類材料分析方法？表面和內部組織形貌。包括材料的外觀形貌（如納米線、斷口、裂紋等）、晶粒大小與形態(tài)、各種相的尺寸與形態(tài)、含量與分布、界面（表面、相界、晶界）、位向關系（新相與母相、孿生相）、晶體缺陷（點缺陷、位錯、層錯）、夾雜物、內應力。晶體的相結構。各種相的結構，即晶體結構類型和晶體常數，和相組成?；瘜W成分和價鍵（電子）結構。包括宏觀和微區(qū)化學成份（不同相的成份、基體

2、與析出相的成份）、同種元素的不同價鍵類型和化學環(huán)境。有機物的分子結構和官能團。形貌分析、物相分析、成分與價鍵分析與分子結構分析四大類方法四大分析：1圖像分析：光學顯微分析（透射光反射光），電子（掃描，透射），隧道掃描，原子力2物象：x射線衍射，電子衍射，中子衍射3化學4分子結構：紅外，拉曼，熒光，核磁 獲取物質的組成含量結構形態(tài)形貌及變化過程的技術材料結構與性能的表征包括材料性能，微觀性能，成分的測試與表征6.現代材料測試技術的共同之處在哪里？除了個別的測試手段（掃描探針顯微鏡）外，各種測試技術都是利用入射的電磁波或物質波（如X射線、高能電子束、可見光、紅外線）與材料試樣相互作用后產生的各種各

3、樣的物理信號（射線、高能電子束、可見光、紅外線），探測這些出射的信號并進行分析處理，就課獲得材料的顯微結構、外觀形貌、相組成、成分等信息。9.試總結衍射花樣的背底來源，并提出一些防止和減少背底的措施衍射花樣要素：衍射線的峰位、線形、強度答:(I)花材的選用影晌背底; (2)濾波片的作用影響到背底;(3)樣品的制備對背底的影響措施：（1）選靶靶材產生的特征x射線（常用K射線）盡可能小的激發(fā)樣品的熒光輻射，以降低衍射花樣背底，使圖像清晰。（2）濾波，k系特征輻射包括Ka和k射線，因兩者波長不同，將使樣品的產生兩套方位不同得衍射花樣;選擇浪滋片材料，使k靶<k濾<k，Ka射線因因激發(fā)濾波

4、片的熒光輻射而被吸收。(3)樣品，樣品晶粒為50m左右，長時間研究，制樣時盡量輕壓，可減少背底。11.X射線的性質; x射線是一種電磁波，波長范圍:0.011000À X射線的波長與晶體中的原子問距同數量級，所以晶體可以用作衍射光柵。用來研究晶體結構，常用波長為0.52.5À 不同波長的x射線具有不同的用途。硬x射線:波長較短的硬x封線能量較高，穿透性較強，適用于金屬部件的無損探傷及金屬物相分析。軟x射線:波長較長的軟x射線的能量較低，穿透性弱，可用干分析非金屬的分析。用于金屬探傷的x射線波長為0.050.1À 當x射線與物質(原子、電子作用時，顯示其粒子性，具有

5、能量Ehn。產生光電效應和康普頓效應等 當x射線與x射線相互作用時，主要表現出波動性。x射線的探測:熒光屏（ZnS），照相底片，探測器12標識X射線的產生相理?標識x射線譜的產生相理與陽極物質的原子內部結構緊密相關的。原子系統(tǒng)內的電子，按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各個能級，在電子轟擊陽極的過程中，當某個具有足夠能量的電子將陽極靶原子的內層電子擊出時，于是在低能級上出現空位，系統(tǒng)能量升高，處于不穩(wěn)定激發(fā)態(tài)。較高能級上的電子向低能機上的空位躍，并以光子的形式射出標識x射線譜。13.莫塞菜(Moseley，N.G一J定律 待征x射線譜的頻率只取決于陽極靶物質的原子能級結構，它是物質的固有特性

6、。第一章2.連續(xù)X射線譜的特點1)V變化（升高）,i固定。 I連=kiZU2 效率=kZU I標/I連越大，連續(xù)造成的衍射背景越小 各種波長射線的相對強度（I）都相應地增高； 各曲線上都有短波極限 0，且。逐漸變小； 各曲線的最高強度值(m)的波長逐漸變小。2)i變化（升高）,U固定。 各種波長射線的相對強度（I）都相應地增高； 各曲線上都有短波極限0和最高強度值m，且0和m保持不變；4.特征（標識）X射線的特點,結構 I標=ki(U-Uk)n 是在連續(xù)譜的基礎上疊加若干條具有一定波長的譜線，它和可見光中的單色相似，亦稱單色X射線 當電壓達到臨界電壓時，標識譜線的波長不再變，強度隨電壓增加。如

7、鉬靶K系標識X射線有兩個強度高峰為K和K，波長分別為0.71A和0.63A5.光電效應與俄歇效應光電效應：入射的X射線（光子）的能量足夠高時，同樣可以將物質原子的內層電子擊出成為自由電子，并在內層產生空位，使原子處于激發(fā)狀態(tài)，外層電子自發(fā)回遷填補空位，降低原子能量，產生輻射（X射線），這種由X射線（入射光子）激發(fā)原子產生輻射的過程稱為光電效應。俄歇效：應原子中K層的一個電子被打出后，它就處于K激發(fā)狀態(tài)，其能量為EK。的一個空位被L層的兩個空位所代替，這種現如果一個L層電子來填充這個空位，K電離就變成L電離，其能量由EK變成EL，此時將釋放EK-EL的能量。釋放出的能量，可能產生熒光X射線，也可

8、能給予L層的電子，使其脫離原子產生二次電離。即K層象稱俄歇效應.6.x射線衍射分析的應用：1物相分析，定性和定量，已知化學求性質。2晶體結構分析。3單晶取向及多晶結構的測定。4測定晶粒的大小、應力、應變5測試相圖，固溶體第二章4.吸收限?m產生突變的不連續(xù)處稱為吸收限。相應的波長為吸收限波長入。吸收限對應的波長為a，對應的能量就是軌道能量。對于K系：吸收限為 K=hc/Ek原子序數愈低，對應的Ek愈小，則K愈大 衍射實質：大量原子散射波相互干涉5.陽極靶的選擇?x-ray衍射分析中，希望不產生k系熒光輻射，且試樣對x-ray的吸收要小。針對試樣的原子序數，可以調整靶材料。Ak(靶)>k(

9、樣),根據樣品成分選擇靶材的原則是：Z靶Z樣+1Bk(靶)k(樣),則Z靶Z樣C.k(靶)<k(樣)<k(說)，Z靶=Z樣+1D.多元素的樣品，原則上以主組元中Z最小的元素選擇靶材。入射波長的影響:由干:sin1，而滿足衍射時d/2,因此越長產生的衍射條越少。6. 衍射線在空間的方位取決于什么？而衍射線的強度又取決于什么?答:衍射線在空間的方位主要取決于晶體的面網間距，或者晶胞的大小。 衍射線的強度主要取決于晶體中原子的種類和它們在晶胞中的相對位置。7.實驗中選擇X射線管以及濾波片的原則是十么?已知一個以Fe為主要成分的樣品，試選擇合適的X射線管和合適的濾波片 答:實瞼中選擇X射線

10、管的原則是為避免或減少產生熒光輻射，應當避免使用比樣品中主元素的原子序數大2-6(尤其是2)的材料作靶材的X射線管。 選擇濾波片的原則是X射線分析中，在X射線管與樣品之間一個濾波片，以濾掉kp線。濾波片的材料依靶的材料而定，一般采用比靶材的原子序數小1或2的材料，以分析以鐵為主的樣品，應該選用Co或Fe靶的 X射線管，同時選用Fe和Mn為濾波片。8試述x射線衍射物相分析步驟？及其鑒定時應注意問題？(1)計算或查找出衍射圖譜上每根峰的d值與I值；(2)利用I值最大的三根強線的對應d值查找索引，找出基本符合的物相名稱及卡片號；(3)將實側的d,I值與卡片上的數據一一對照，若基本符合，就可定為該物相

11、。 鑒定時應注意的問題: (1) d的數據比I/I0數據重要。 (2)低角度線的數據比高角度線的數據重要。 (3)強線比弱線重要，特別要重視d值大的強線.(4)應重視特征線. (5)應盡可能地先利用其他分析、.鑒定手段，初步確定出樣品可能是什么物相，將他局限于一定的范圍內。9試比較衍射儀法與德拜法的優(yōu)缺點：1簡便快捷2分辨能力強3直接獲得強度數據4）低角度區(qū)的2測量范圍大5）樣品用量大6）設備較復雜，成本高第三章原子核對入射電子為彈性，核外電子對為非彈例題：光子束入射固體樣品表面會激發(fā)哪些信號? 它們有哪些特點和用途?答：主要有六種：1)背散射電子:能量高；來自樣品表面幾百nm深度范圍；其產額

12、隨原子序數增大而增多.用作形貌分析、成分分析以及結構分析。2)二次電子:能量較低；來自表層5-10nm深度范圍；對樣品表面化狀態(tài)十分敏感。不能進行成分分析.主要用于分析樣品表面形貌。3)吸收電子:其襯度恰好和SE或BE信號調制圖像襯度相反;與背散射電子的襯度互補。吸收電子能產生原子序數襯度，即可用來進行定性的微區(qū)成分分析.4)透射電子：透射電子信號由微區(qū)的厚度、成分和晶體結構決定.可進行微區(qū)成分分析。5)特征X射線: 用特征值進行成分分析，來自樣品較深的區(qū)域。 6)俄歇電子:各元素的俄歇電子能量值很低；來自樣品表面1-2nm范圍。它適合做表面分析電子顯微技術透射電子顯微鏡（TEM） 掃描電子顯

13、微鏡（SEM） X-射線能譜（EDS） 原子力顯微鏡（AFM） 掃描隧道顯微鏡（STM）2.薄膜樣品的基本要求是什么?樣品制備的工藝過程如何? 雙噴減薄與離子減薄各適用于制備什么樣品?答：樣品的基本要求：1）薄膜樣品的組織結構必須和大塊樣品相同，在制備過程中，組織結構不變化；2）樣品相對于電子束必須有足夠的透明度；3）薄膜樣品應有一定強度和剛度，在制備、夾持和操作過程中不會引起變形和損壞；4）在樣品制備過程中不允許表面產生氧化和腐蝕。樣品制備的工藝過程： 1) 切薄片樣品；2) 預減薄；3) 終減薄。離子減?。?）不導電的陶瓷樣品；2）要求質量高的金屬樣品；3）不宜雙噴電解的金屬與合金樣品。雙

14、噴電解減?。?）不易于腐蝕的裂紋端試樣；2）非粉末冶金試樣；3）組織中各相電解性能相差不大的材料；4）不易于脆斷、不能清洗的試樣4tem電子顯微分析特點？ 解： 1、不破壞樣品，直接用陶瓷等多晶材料。 2、是一種微區(qū)分析方法，了解成分-結構的微區(qū)變化。 3、靈敏度高，成像分辨率高，為0.2-0.3nm，能進行nm尺度的晶體結構及化學組成分析。 4、各種電子顯微分析儀器日益向多功能、綜合性發(fā)展，可以進行形貌、物相、晶體結構和化學組成等的綜合分析。 7 什么是雙光束衍射？電子衍襯分析時，為什么要求在近似雙光束條件下進行？答案：雙光束衍射:傾轉樣品，使晶體中只有一個晶面滿足Bragg條件，從而產生衍

15、射，其它晶面均遠離Bragg位置，衍射花樣中幾乎只存在大的透射斑點和一個強衍射斑點。原因：在近似雙光束條件下，產生強衍射，有利于對樣品的分析8 振幅襯度和相位襯度？振幅襯度。質量厚度襯度：是由于材料的質量厚度差異造成的透射束強度的差異而產生的襯度（主要用于非晶材料）。衍射襯度：由于試樣各部分滿足布拉格條件的程度不同以及結構振幅不同而產生的（主要用于晶體材料）。相位襯度。試樣內部各點對入射電子作用不同，導致它們在試樣出口表面上相位不一，經放大讓它們重新組合，使相位差轉換成強度差而形成的。 藍移:當物質的結構或存在的環(huán)境發(fā)生變化時，其吸收帶的最大吸收波長（l最大）向短波方向移動，這種現象稱為紫移或

16、藍移（或向藍）。 紅移:當物質的結構或存在的環(huán)境發(fā)生變化時，其吸收帶的最大吸收峰波長（l最大）向長波長方向移動，這種現象稱為紅移（或稱為“向紅”）。9 TEM的主要發(fā)展方向？（1）高電壓。增加電子穿透試樣的能力，可觀察較厚、較具代表性的試樣，增加分辨率等。(2)高分辨率。最佳解像能力為點與點間0.18 nm、線與線間0.14nm（3) 多功能分析裝置。(4)場發(fā)射電子光源。 11透射電鏡對樣品的要求？試樣最大尺寸，直徑不超過3mm；2樣品厚度足夠薄，使電子束可以通過，一般厚度為20200nm；3樣品不含水、易揮發(fā)性物質及酸堿等腐蝕性物質；4樣品具有足夠的強度和穩(wěn)定性；在電子轟擊下不致?lián)p壞或變化

17、。 5清潔無污染。12 TEM中的支持膜材料必須具備的條件？ 無結構，對電子束的吸收不大； 顆粒度小，以提高樣品分辨率； 有一定的力學強度和剛度，能承受電子束的照射而不變形、破裂。電子衍射與x射線衍射相比，優(yōu)1電子短，小，入射束、衍射束近乎與衍射晶面平行。使電子衍射分析過程更為簡單，其晶體幾何關系的研究比x射線衍射要簡單、直觀。2物質對電子的散射作用很強，電子束穿透物質的能力下降。電子衍射只適于材料表層或薄膜樣品的結構分析。3能夠在同一試樣上把形貌觀察與結構分析結合起來。（可進行選區(qū)衍射）缺：1電子束與原子作用散射強度大于x射線的作用，衍射束與透射束強度相當，兩者產生交互作用，使得電子衍射線束

18、強度分析復雜。2薄膜樣品制備復雜。3分析精度不如x射線衍射第四章1.掃描電鏡SEM對試樣有哪些要求？（1）試樣大小要適合儀器專用樣品座的尺寸，小的樣品座為30-35mm，大的樣品座為30-50mm，高度5-10 mm。（2）含有水分的試樣要先烘干。（3）有磁性的試樣要先消磁。2.如何制備掃描電鏡塊狀和粉末試樣？塊狀和粉末試樣表面鍍導電膜的目的？（1）塊狀試樣：導電材料用導電膠將試樣粘在樣品座上；不導電材料用導電膠將試樣粘在樣品座上，鍍導電膜。（2）粉末試樣：將粉末試樣用導電膠（或火棉膠、或雙面膠）粘結在樣品座上，鍍導電膜；將粉末試樣制成懸浮液，滴在樣品座上，溶液揮發(fā)后，鍍導電膜。試樣表面鍍導電

19、膜的目的是以避免在電子束照射下產生電荷積累，影響圖象質量。3.掃描電鏡的特點？（1）可以觀察直徑為1030mm 的大塊試樣，制樣方法簡單。（2）場深大，適用于粗糙表面和斷口的分析觀察，圖像富有立體感真實感。（3）放大倍數變化范圍大，15300000 倍。（4）分辨率36nm。透射電鏡的分辨率雖然高，但對樣品厚度的要求十分苛刻，且觀察的區(qū)域小。（5）可以通過電子學方法有效地控制和改善圖像的質量。（6）可進行多種功能的分析。觀察陰極熒光圖像和進行陰極熒光光譜分析。（7）可使用加熱、冷卻和拉伸等樣品臺進行動態(tài)試驗，觀察各種環(huán)境條件下的項變及形態(tài)變化等。4.你認為“電子顯微分析只能觀察顯微形貌”這種說

20、法對嗎？論述電子顯微分析可對無機非金屬材料進行哪些方面的分析？電子顯微分析只能觀察顯微形貌”這種說法是不對的。電子顯微分析還可對無機非金屬材料進行以下方面的分析：（1）.形貌觀察：顆粒（晶粒）形貌、表面形貌。（2）.晶界、位錯及其它缺陷的觀察。（3）.物相分析：選區(qū)、微區(qū)物相分析，與形貌觀察相結合，得到物相大小、形態(tài)和分布信息。（4）.晶體結構和取向分析。5.電子顯微鏡分析在材料研究中的應用?形態(tài)分析。元素的存在狀態(tài)分析。玻璃的非晶態(tài)結構分析。材料斷面的研究。晶界（微觀研究）。微區(qū)結構分析.。高分子材料的研究6.表面分析可以得到哪些信息？（1）.物質表面層的化學成分。（2）.物質表面層元素所處

21、的狀態(tài)。（3）.表面層物質的狀態(tài)。（4）.物質表面層的物理性質。7.影響SEM圖像分辨率的主要因素？分辨本領的決定因素？掃描電子束斑直徑 ；入射電子束在樣品中的擴展效應；操作方式及其所用的調制信號； 信號噪音比；雜散磁場；機械振動將引起束斑漂流等，使分辨率下降。8.分辨本領的決定因素：主要原因掃描電子束斑直徑 ； 入射電子束在樣品中的擴展效應； 操作方式及其所用的調制信號； 信號噪音比；雜散磁場； 機械振動將引起束斑漂流等，使分辨率下降。 入射電子束束斑直徑是分辨本領的極限。 入射束在樣品中的擴展效應 導致相互作用體積產生，以及信號產生的深度和廣度。 操作方式及成像信號體積的形狀和大小決定了各

22、種物理信號的深度和廣度，入射束的有效束斑直徑隨信號不同而變化。不同的信號調制的掃描像有不同的分辨本領。 樣品Z，Z愈大，電子束進入樣品表面的橫向擴展愈大，分辨率愈低。9.影響二次電子產額的主要因素？(1)二次電子能譜特性；(2)入射電子的能量；(3)材料的原子序數；(4)樣品傾斜角q。10.二次電子像襯度的特點？（1）分辨率高（2）景深大，立體感強（3）主要反應形貌襯度。11.波譜儀的特點? 優(yōu)點： 1 波長分辨率很高。譜儀分辨率是指分開、識別相鄰兩個譜峰的能力.如它可將波長十分接近的VKb(0.228434nm)、CrKa1(0.228962nm)和CrKa2(0.229351nm)3根譜線

23、清晰地分開。 5-10eV 。 2峰背比大. 背底扣除容易，數據處理簡單。缺點： 1、采集效率低、分析速度慢。 2、難以在低束流和低激發(fā)強度下使用。由于經過晶體衍射后，強度損失很大，所以，波譜儀難以在低束流和低激發(fā)強度下使用，這是波譜儀的兩個缺點。Si(Li)能譜儀的優(yōu)點？1)分析速度快 能譜儀可以同時接受和檢測所有不同能量的X射線光子信號，故可在幾分鐘內分析和確定樣品中含有的所有元素，帶鈹窗口的探測器可探測的元素范圍為11Na92U，20世紀80年代推向市場的新型窗口材料可使能譜儀能夠分析Be以上的輕元素，探測元素的范圍為4Be92U。 (2)靈敏度高 X射線收集立體角大。由于能譜儀中Si(

24、Li)探頭可以放在離發(fā)射源很近的地方(10左右)，無需經過晶體衍射，信號強度幾乎沒有損失，所以靈敏度高(可達104cps/nA，入射電子束單位強度所產生的X射線計數率)。此外，能譜儀可在低入射電子束流(10-11A)條件下工作，這有利于提高分析的空間分辨率。 (3)譜線重復性好。由于能譜儀沒有運動部件，穩(wěn)定性好，且沒有聚焦要求，所以譜線峰值位置的重復性好且不存在失焦問題，適合于比較粗糙表面的分析工作。12電子探針分析的基本工作方式？定性分析1 點分析用于測定樣品上某個指定點的化學成分。下圖是用能譜儀得到的某鋼定點分析結果。能譜儀中的多道分析器可使樣品中所有元素的特征X射線信號同時檢測和顯示。不

25、像波譜儀那樣要做全部譜掃描，甚至還要更換分光晶體。2 線分析用于測定某種元素沿給定直線分布的情況。方法是將X射線譜儀（波譜儀或能譜儀）固定在所要測量的某元素特征X射線信號（波長或能量）的位置上，把電子束沿著指定的方向做直線軌跡掃描，便可得到該元素沿直線特征X射線強度的變化，從而反映了該元素沿直線的濃度分布情況。改變譜儀的位置，便可得到另一元素的X射線強度分布。下圖為50CrNiMo鋼中夾雜Al2O3的線分析像?？梢姡贏l2O3夾雜存在的地方，Al的X射線峰較強。3 面分析用于測定某種元素的面分布情況。方法是將X射線譜儀固定在所要測量的某元素特征X射線信號的位置上，電子束在樣品表面做光柵掃描，

26、此時在熒光屏上便可看到該元素的面分布圖像。顯像管的亮度由試樣給出的X射線強度調制。圖像中的亮區(qū)表示這種元素的含量較高。下圖為34CrNi3Mo鋼中MnS夾雜物的能譜面分析圖像。定量分析定量分析時，先測得試樣中Y元素的特征X射線強度IY，再在同一條件下測出已知純元素Y的標準試樣特征X射線強度IO。然后兩者分別扣除背底和計數器死時間對所測值的影響，得到相應的強度值IY和IO，兩者相除得到X射線強度之比KY= IY / IO。 直接將測得的強度比KY當作試樣中元素Y的重量濃度，其結果還有很大誤差，通常還需進行三種效應的修正。即原子序數效應的修正，吸收效應修正，熒光效應修正。經過修正，誤差可控制在&#

27、177;2%以內。第七章熱分析常用方法 1）熱重測量法：在程序控制溫度下，測量物質質量隨溫度變化的一種技術。 2）差熱分析：在程序控制溫度下，測量物質與參比物之間的溫度差隨溫度變化的一種技術。 3）熱膨脹法：在程序控制溫度下，測量物質在可忽略的負荷下的尺寸隨溫度變化的一種技術。 4）差示掃描量熱法：在程序控溫下，測量加入物質在與參比物之間的能量差隨溫度變化的一種技術。2熱分析的主要優(yōu)點1. 可在寬廣的溫度范圍內對樣品進行研究；2. 可使用各種溫度程序（不同的升降溫速率）；3. 對樣品的物理狀態(tài)無特殊要求；4. 所需樣品量可以很少（0.1mg - 10mg）；5. 儀器靈敏度高（質量變化的精確度

28、達10-5）；6. 可與其他技術聯(lián)用；7. 可獲取多種信息。1.何謂熱分析?熱分析的特點? ：熱分析是在程序控制溫度下，測量物質的物理性質與溫度之間關系的一類技術。 特點：過程分析； 動態(tài)。2.熱分析法的核心？：研究物質在受熱或冷卻時產生的物理和化學的變遷速率和溫度以及所涉及的能量和質量變化。3.差熱分析方法參比物要求?：熱中性體，基準物。比熱和導熱系數比試樣接近。測量溫度范圍內不發(fā)生熱效應的物質。細度：100 300 目（150 50m）常用： 1450以上煅燒2-3小時的氧化鋁粉。6.DTA差熱的基本結構組成？加熱爐、溫度控制系統(tǒng)、差熱系統(tǒng)、信號放大系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)組成7.如何正確判讀DTA

29、曲線？ 明確試樣加熱（冷卻）過程中產生的熱效應與曲線形態(tài)的對應關系； 明確曲線形態(tài)與試樣本征熱特性的對應關系； 排除外界因素對曲線形態(tài)的影響8.DTA曲線的幾何要素？ 零線：理想狀態(tài)T=0的線； 基線：實際條件下試樣無熱效應時的曲線部份； 吸熱峰：TSTR，T0時的曲線部份； 放熱峰：TSTR ， T0時的曲線部份； 起始溫度（Ti）：熱效應發(fā)生時曲線開始偏離基線的溫度； 終止溫度（Tf）：曲線開始回到基線的溫度； 峰頂溫度（Tp）：吸、放熱峰的峰形頂部的溫度，該點瞬間 d（T）/dt=0； 峰高：是指內插基線與峰頂之間的距離； 峰面積：是指峰形與內插基線所圍面積； 外推起始點：是指峰的起始邊斜率最大處所作切線與外推