現(xiàn)代材料分析測試技術顯微分析技術IR

1、顯微分析技術顯微分析技術電子顯微鏡電子顯微鏡原子力顯微鏡原子力顯微鏡1. 光學顯微鏡光學顯微鏡光學顯微鏡的極限分辨率：光學顯微鏡的極限分辨率：0.2 m光學顯微鏡的最大放大倍數(shù)光學顯微鏡的最大放大倍數(shù)人眼極限分辨率人眼極限分辨率1000倍顯微顯微 鏡分辨率鏡分辨率=0.2mm0.2m=1.1 光學顯微鏡的結構與原理光學顯微鏡的結構與原理相差顯微鏡相差顯微鏡(Phase Contrast Microscope)偏光顯微鏡偏光顯微鏡(Polarized Light Microscope)1.1.1 偏光顯微鏡的結構偏光顯微鏡的結構各向異性各向異性雙折射現(xiàn)象雙折射現(xiàn)象試樣臺試樣臺上：檢偏鏡上：檢偏鏡

2、下：起偏鏡下：起偏鏡1.1.2 相差顯微鏡相差顯微鏡觀察透明體組成的高分子共混物共混程度觀察透明體組成的高分子共混物共混程度光欄：光欄：在光源和聚光鏡之間在光源和聚光鏡之間相板：相板：物鏡后焦平面處物鏡后焦平面處由光學玻璃制成的具有一定厚度和折射率的薄片由光學玻璃制成的具有一定厚度和折射率的薄片1.1.3制樣技術制樣技術(實驗課講實驗課講) n對于顯微技術來說對于顯微技術來說,制樣是非常關鍵的一步，制樣是非常關鍵的一步，樣品制備不好會丟失許多重要的結構信息樣品制備不好會丟失許多重要的結構信息,甚至會造成假象甚至會造成假象,誤導我們作出錯誤的解釋。誤導我們作出錯誤的解釋。制樣方法制樣方法崩裂崩裂

3、熱壓制膜熱壓制膜溶液澆鑄制膜溶液澆鑄制膜切片切片打磨打磨復型復型1.1.4光學顯微鏡在高分子研光學顯微鏡在高分子研 究中的應用究中的應用偏光顯微鏡主要用于研究球晶和取向態(tài)結構（各向異性）相差顯微鏡主要用于觀察透明體組成的相態(tài)結構聚合物結晶形態(tài)觀察聚合物結晶形態(tài)觀察晶格晶格片晶片晶球晶球晶XRDSEM,TEM偏光偏光1-1010-100nm1-10 mn晶格又稱空間格子，用以說明晶體內(nèi)部結構規(guī)律性的一種幾何圖形，即構成晶體的質點(離子、原子或分子)以一定的規(guī)則在空間確定的點上作格子狀的周期性重復排列，構成了無數(shù)個向三維空間無限伸展的、相互迭置的六面體。 14種類型1.1.4.1 觀察聚合物球晶形

4、態(tài)觀察聚合物球晶形態(tài)溶液中析出溶液中析出熔體冷卻熔體冷卻在沒有應力或流動存在的情況下在沒有應力或流動存在的情況下球晶球晶馬爾他十字消光圖象馬爾他十字消光圖象(Maltese Cross)PE等規(guī)等規(guī)PP Nylon 對稱性對稱性雙折射性質雙折射性質單個單個PE球晶的偏光顯微鏡照片球晶的偏光顯微鏡照片（720）多個多個PE球晶的偏光顯微鏡照片球晶的偏光顯微鏡照片（55） 具消光環(huán)的偏光顯微鏡照具消光環(huán)的偏光顯微鏡照（720）球晶球晶1.1.4.2觀察球晶的成核情況聚合物結晶過程聚合物結晶過程晶核形成晶核形成晶粒生長晶粒生長晶核形成晶核形成n均相成核均相成核異相成核異相成核熔體中的高分子鏈段依靠熱

5、運動熔體中的高分子鏈段依靠熱運動形成有序排列的鏈束（晶核）形成有序排列的鏈束（晶核）有時間依賴性有時間依賴性無時間依賴性無時間依賴性以外來雜質、未完全熔融的殘余結晶以外來雜質、未完全熔融的殘余結晶聚合物、分散的小顆粒固體或容器的聚合物、分散的小顆粒固體或容器的器壁、以及樣品的表面為中心，吸附器壁、以及樣品的表面為中心，吸附熔體中的高分子鏈后經(jīng)有序排列而形熔體中的高分子鏈后經(jīng)有序排列而形成晶核。成晶核。以污染物纖維成核的以污染物纖維成核的PP正交偏光照片正交偏光照片（281）1.1.4.3 球晶的生長和結晶動力學球晶的生長和結晶動力學 (1)球晶的生長示意圖球晶的生長示意圖（2）結晶動力學）結晶

6、動力學(附有等速升溫和恒溫物臺附有等速升溫和恒溫物臺)試樣熔融后立即進行等溫結晶試樣熔融后立即進行等溫結晶球晶組織形態(tài)球晶組織形態(tài)球晶的徑向生長速度球晶的徑向生長速度t/minr/ m以單位時間內(nèi)球晶半徑增加的長度以單位時間內(nèi)球晶半徑增加的長度表示（表示（ m/min），即直線斜率），即直線斜率1.1.4. 4觀察高分子液晶的織構觀察高分子液晶的織構n液晶的光學織構液晶的光學織構一般鑒別向列型和膽淄型液晶較可靠，一般鑒別向列型和膽淄型液晶較可靠，近晶型則可靠性較低。近晶型則可靠性較低。液晶薄膜在液晶薄膜在偏光顯微鏡偏光顯微鏡下所觀察到的圖像下所觀察到的圖像液晶的每種晶型的織構各不相同，液晶的每

7、種晶型的織構各不相同，因此鑒別液晶不同的晶型。因此鑒別液晶不同的晶型。在偏光顯微鏡下看到的液晶集合體在偏光顯微鏡下看到的液晶集合體膽甾相液晶膽甾相液晶膽甾相液晶膽甾相液晶n由螺旋狀液晶層的重疊所構成由螺旋狀液晶層的重疊所構成n隨著溫度的變化呈現(xiàn)出鮮艷的干涉色，因而隨著溫度的變化呈現(xiàn)出鮮艷的干涉色，因而最初被應用于溫度計的顯示最初被應用于溫度計的顯示n是最早應用于商業(yè)用途的。是最早應用于商業(yè)用途的。 在偏光顯微鏡下看到的液晶集合體在偏光顯微鏡下看到的液晶集合體向列相液晶向列相液晶向列相液晶向列相液晶n是最接近于液體的液晶相，也是最容易是最接近于液體的液晶相，也是最容易處理的液晶相。處理的液晶相。

8、n現(xiàn)在市場上所出售的液晶顯示器幾乎都現(xiàn)在市場上所出售的液晶顯示器幾乎都使用該液晶。使用該液晶。液晶的焦錐織構液晶的焦錐織構一種芳香共聚酯的紋影織構（偏光，一種芳香共聚酯的紋影織構（偏光，730）1.1.4.5 兩相聚合物相容性的觀察兩相聚合物相容性的觀察相差顯微鏡相差顯微鏡 PVC/PAN體系體系(1)聚合物配比聚合物配比(2) 溫度溫度對相容性的影響對相容性的影響9：18：27：36：440C15C60C 2. 電子顯微鏡電子顯微鏡n透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡 (Transmission Electron Microscope, TEM )掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡(Scanning E

9、lectron Microscope, SEM )2.1 電鏡的構造及成像原理 (自學,教材P185,P187)12345679 電子與物質作用產(chǎn)生的信息1-感應電導 2-熒光 3-特征X射線 4-二次電子 5-背散射電子 6-俄歇電子 7-吸收電子 8-試樣 9-透射電子82.2 電子與物質相互作用電子與物質相互作用電子運動方向和能量同時發(fā)生變化電子運動方向和能量同時發(fā)生變化.透射透射:電子直接穿過樣品電子直接穿過樣品,電子與物質無相互作用電子與物質無相互作用散射散射:電子與樣品相互作用電子與樣品相互作用,電子運動方向改變電子運動方向改變彈性散射彈性散射電子只改變運動方向；能量不發(fā)生變化電子

10、只改變運動方向；能量不發(fā)生變化非彈性散射非彈性散射:2.3 TEM特點n基本構造與光學顯微鏡相似基本構造與光學顯微鏡相似,主要由主要由光源、光源、物鏡、投影鏡物鏡、投影鏡三部分組成三部分組成,所不同的是用所不同的是用電子束代替了光束電子束代替了光束,用磁透鏡代替了玻璃用磁透鏡代替了玻璃透鏡透鏡n利用透射電子成像利用透射電子成像n必須在高真空下進行觀察必須在高真空下進行觀察2.4 SEM特點特點n利用二次電子和背散射電子成像利用二次電子和背散射電子成像n焦深大，圖像富有立體感，特別適合于表面形焦深大，圖像富有立體感，特別適合于表面形貌分析貌分析n放大倍數(shù)范圍廣，從十幾倍到放大倍數(shù)范圍廣，從十幾倍

11、到20000倍，覆倍，覆蓋了光學顯微鏡和透射電鏡的范圍。蓋了光學顯微鏡和透射電鏡的范圍。n制樣簡單，樣品電子損傷小。制樣簡單，樣品電子損傷小。2.5制樣技術制樣技術(自學,參考 張權編聚合物顯微學)2.6 電鏡在聚合物研究中的應用電鏡在聚合物研究中的應用2.6.1 聚合物結晶形態(tài)的觀察聚合物結晶形態(tài)的觀察PE單晶單晶（0.05%二甲苯溶液二甲苯溶液5oC結晶結晶) 線型線型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 液晶織構的觀察液晶織構的觀察液晶的條帶織構a - SEMb - TEM2.6.3 纖維的觀察纖維的觀察典型織物的典型織物的SEM照片

12、照片(17)無紡布的無紡布的SEM照片照片掃描電子顯微鏡下的蜘蛛單絲表面掃描電子顯微鏡下的蜘蛛單絲表面 生物鋼生物鋼蜘蛛絲蜘蛛絲n只要有一根鉛筆般粗細的蜘蛛絲，就能抵御一架波音只要有一根鉛筆般粗細的蜘蛛絲，就能抵御一架波音747大型客機起飛時的動力（拖住不讓起飛）大型客機起飛時的動力（拖住不讓起飛） n蜘蛛絲究竟有多堅韌呢？同樣粗細的鋼絲和蜘蛛絲一蜘蛛絲究竟有多堅韌呢？同樣粗細的鋼絲和蜘蛛絲一起接受拉力試驗，扯斷蜘蛛絲的能耗比扯斷鋼絲的能起接受拉力試驗，扯斷蜘蛛絲的能耗比扯斷鋼絲的能耗足足高出耗足足高出100倍！倍！n蜘蛛絲的重量特別輕，長達數(shù)千米也不過蜘蛛絲的重量特別輕，長達數(shù)千米也不過1克

13、重。在克重。在各類蜘蛛絲中，尤以用來構建蜘蛛網(wǎng)骨架的拖牽絲的各類蜘蛛絲中，尤以用來構建蜘蛛網(wǎng)骨架的拖牽絲的韌性為最，遠超過目前防彈衣材料凱夫拉韌性為最，遠超過目前防彈衣材料凱夫拉 (kevlar)纖維，而且，它比后者更富于彈性和伸縮性。纖維，而且，它比后者更富于彈性和伸縮性。掃描電子顯微鏡觀察下的蜘蛛單絲斷面掃描電子顯微鏡觀察下的蜘蛛單絲斷面蜘蛛絲被拉斷時顯示出的蜘蛛絲被拉斷時顯示出的皮皮結構，也結構，也稱稱鞘鞘 結構（箭頭所示部分）結構（箭頭所示部分） 蜘蛛絲被拉斷時顯示出的蜘蛛絲被拉斷時顯示出的芯芯結構，結構，也稱也稱劍劍 結構（箭頭所示部分）結構（箭頭所示部分） 2.6.4 微孔膜的觀察

14、微孔膜的觀察n一般過濾器只能分離出直徑為一般過濾器只能分離出直徑為10-1000 m的顆粒。的顆粒。n微孔膜則可以分離出微孔膜則可以分離出0.05-1 m或更小的或更小的顆粒。顆粒。微孔膜微孔膜celgard的的SEM像像 (55000)2.6.5 納米結構觀察納米結構觀察氧化鋅納米螺旋結構氧化鋅納米螺旋結構n(A)(A)超晶格結構的氧化鋅納米螺旋結構的掃描超晶格結構的氧化鋅納米螺旋結構的掃描電子顯微鏡照片。電子顯微鏡照片。n(B)透射電子顯微鏡照片展現(xiàn)構成螺旋結構的透射電子顯微鏡照片展現(xiàn)構成螺旋結構的納米帶是由周期性超晶格結構所構成的。納米帶是由周期性超晶格結構所構成的。 2.6.6 研究多

15、相體系的相態(tài)結構研究多相體系的相態(tài)結構共聚共聚 增韌增韌共混共混填充填充高抗沖尼龍的顯微鏡照片（高抗沖尼龍的顯微鏡照片（1）a 相差顯微鏡高抗沖尼龍的顯微鏡照片（高抗沖尼龍的顯微鏡照片（2）b TEM 5140高抗沖尼龍的顯微鏡照片（高抗沖尼龍的顯微鏡照片（3）c TEM 5790 2.6.7 發(fā)泡材料的觀察發(fā)泡材料的觀察 發(fā)泡PE 的SEM照片 2.6.8 粘合劑的觀察2.6.9 聚合物內(nèi)部結構的觀察聚合物內(nèi)部結構的觀察 芳綸刻蝕后的內(nèi)部形貌芳綸刻蝕后的內(nèi)部形貌(SEM) 2.6.10 聚合物破壞情況的觀聚合物破壞情況的觀察察 抗沖抗沖PS的應力發(fā)白現(xiàn)象的應力發(fā)白現(xiàn)象(OSO4染色染色)2.

16、6.11 DNA的雙螺旋結構的雙螺旋結構3.掃描隧道顯微鏡（掃描隧道顯微鏡（STM） 原子力顯微鏡（原子力顯微鏡（AFM）Scanning Tunneling MicroscopeAtomic Force Microscope四年后，四年后，Binning、C.F.Quate和和C.Gerber發(fā)發(fā)明了原子力顯微明了原子力顯微（AFM） ，并因此在聚合物的，并因此在聚合物的研究中得到廣泛的應用。研究中得到廣泛的應用。 1982年，年，GBinning和和H.Rohner在在IBM發(fā)明了掃描隧道顯微鏡（發(fā)明了掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope, STM），

17、并因此獲），并因此獲1986年的諾貝爾年的諾貝爾物理獎。但它只能觀察導電的試樣。物理獎。但它只能觀察導電的試樣。AFM的工作原理的工作原理將一個對微弱力極敏感的微臂一端固定，將一個對微弱力極敏感的微臂一端固定，另一端有一個微小的針尖，另一端有一個微小的針尖，針尖的尖端原子與樣品表面原子間存在微針尖的尖端原子與樣品表面原子間存在微弱的排斥力（弱的排斥力（10-810-6N），），利用光學檢測法，通過測量針尖與樣品表面原子利用光學檢測法，通過測量針尖與樣品表面原子間的作用力來獲得樣品表面形貌的三維信息。間的作用力來獲得樣品表面形貌的三維信息。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(chǎn)生偏移探針產(chǎn)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橫向分辯率：橫向分辯率：縱向分辯率：縱向分辯率： 0.01nmAFM的優(yōu)勢：的優(yōu)勢：n可用于表面結構動態(tài)過程研究可用于表面結構動態(tài)過程研究達納米級分辨率：達納米級分辨率：縱向分辯率：縱向分辯率：0.01nm橫向分辯率：橫向分辯率：0.10.2nm可在空氣，水等環(huán)境中觀測，可在空氣，水等環(huán)境中觀測，得到樣品在實際空間中的表面的三維圖像得到樣品在實際空間中的表面的三維圖像3.3.2 AFM的應用的應用世界上最小的廣告世界上最小的中國地圖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掃描金表面掃描金表面n從樣品