功能無機材料課件 材料的表征

1、1第三章第三章材料的表征材料的表征講授：趙宏濱2 材料的結(jié)構(gòu)表征材料的結(jié)構(gòu)表征熱分析的分類與應(yīng)用熱分析的分類與應(yīng)用形貌分析形貌分析表面分析表面分析 復(fù)習內(nèi)容復(fù)習內(nèi)容結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)分析3制備制備表征表征設(shè)計設(shè)計材料研究材料研究因此可以說，材料科學的進展極大的依賴于對材料結(jié)構(gòu)分析表征的水平。因此可以說，材料科學的進展極大的依賴于對材料結(jié)構(gòu)分析表征的水平。熱分析熱分析材料制備的實際效果必須通過材料結(jié)構(gòu)分析的檢驗材料制備的實際效果必須通過材料結(jié)構(gòu)分析的檢驗材料設(shè)計的重要依據(jù)材料設(shè)計的重要依據(jù)成分分析成分分析結(jié)構(gòu)測定結(jié)構(gòu)測定形貌觀察形貌觀察44/21/2022 8:00 PM什么是材料測試方法？什么是材料

2、測試方法？獲取有關(guān)材料的組成，結(jié)構(gòu)獲取有關(guān)材料的組成，結(jié)構(gòu)和性能等相關(guān)信息和性能等相關(guān)信息材料結(jié)構(gòu)與材料性能的關(guān)系材料結(jié)構(gòu)與材料性能的關(guān)系材料測試材料測試材料分析材料分析材料表征材料表征 現(xiàn)代材料科學的發(fā)展在很大程度上依賴對材現(xiàn)代材料科學的發(fā)展在很大程度上依賴對材料性能和其成分結(jié)構(gòu)及微觀組織關(guān)系的理解料性能和其成分結(jié)構(gòu)及微觀組織關(guān)系的理解5分子結(jié)構(gòu)與聚集態(tài)結(jié)構(gòu)分子結(jié)構(gòu)與聚集態(tài)結(jié)構(gòu)(XRD、 IR、XPS、ASS)材料測試材料測試與表征與表征表面與界面表面與界面(SEM、TEM、AFMSPM)力學、流變性能力學、流變性能 萬能材料試驗機萬能材料試驗機沖擊試驗機，流變儀沖擊試驗機，流變儀熱性能熱性

3、能(TGA,DSC)64/21/2022 8:00 PM材料測試方法的概念與分類材料測試方法的概念與分類材料測試方法如何分類？材料測試方法如何分類？從功能上講，可分為組成測試，結(jié)從功能上講，可分為組成測試，結(jié)構(gòu)測試和性能測試三種方法構(gòu)測試和性能測試三種方法從技術(shù)上講，材料測試方法可以分從技術(shù)上講，材料測試方法可以分成兩類：主動式和被動式成兩類：主動式和被動式74/21/2022 8:00 PM激發(fā)源激發(fā)源（電磁波，粒子束，電場，磁場，熱，力等）（電磁波，粒子束，電場，磁場，熱，力等）主動式（含激發(fā)源式材料測試方法）主動式（含激發(fā)源式材料測試方法）材料材料響應(yīng)的傳感與變換響應(yīng)的傳感與變換數(shù)據(jù)采數(shù)

4、據(jù)采集處理集處理與組成，結(jié)構(gòu)，性能與組成，結(jié)構(gòu)，性能等相關(guān)的某種響應(yīng)等相關(guān)的某種響應(yīng)材料測試方法的概念與分類材料測試方法的概念與分類84/21/2022 8:00 PMA. 直接獲得有關(guān)材料物理、化學性能等固直接獲得有關(guān)材料物理、化學性能等固有信息，如尺寸大小、狀態(tài)、重（質(zhì)）有信息，如尺寸大小、狀態(tài)、重（質(zhì)）量、顏色、形狀、運動情況等等；量、顏色、形狀、運動情況等等；B. 亦可根據(jù)材料物理、化學性能的差異間亦可根據(jù)材料物理、化學性能的差異間接推斷材料的組成和結(jié)構(gòu)信息，如色譜接推斷材料的組成和結(jié)構(gòu)信息，如色譜分析法、原子力顯微分析等。分析法、原子力顯微分析等。被動式（無激發(fā)源式材料測試方法）被動

5、式（無激發(fā)源式材料測試方法）材料測試方法的概念與分類材料測試方法的概念與分類94/21/2022 8:00 PM材料微觀分析技術(shù)緒論材料微觀分析技術(shù)緒論宏觀上的性能測試和微觀上的組成與結(jié)構(gòu)表征，這宏觀上的性能測試和微觀上的組成與結(jié)構(gòu)表征，這兩個方面構(gòu)成了材料的檢測評價技術(shù)兩個方面構(gòu)成了材料的檢測評價技術(shù)材料設(shè)計的重要依據(jù)來源于對材料的微觀組成和結(jié)材料設(shè)計的重要依據(jù)來源于對材料的微觀組成和結(jié)構(gòu)分析構(gòu)分析材料制備的實際效果必須通過材料微觀分析的檢驗材料制備的實際效果必須通過材料微觀分析的檢驗材料科學的進展極大地依賴于對材料進行微觀分析材料科學的進展極大地依賴于對材料進行微觀分析表征的技術(shù)水平表征的

6、技術(shù)水平材料研究與微觀分析技術(shù)材料研究與微觀分析技術(shù)104/21/2022 8:00 PM回顧材料研究的四大要素回顧材料研究的四大要素？ 現(xiàn)代材料科學的發(fā)展在很大程度上依賴對材料性現(xiàn)代材料科學的發(fā)展在很大程度上依賴對材料性能和其成分結(jié)構(gòu)及微觀組織關(guān)系的理解能和其成分結(jié)構(gòu)及微觀組織關(guān)系的理解合成與加工合成與加工固固有有性性質(zhì)質(zhì)使用性能使用性能結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)和和成成分分114/21/2022 8:00 PM材料的性質(zhì)材料的性質(zhì)物物理理性性質(zhì)質(zhì)力力學學性性質(zhì)質(zhì)化化學學性性質(zhì)質(zhì)化學組成化學組成微觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)相結(jié)構(gòu)相結(jié)構(gòu)晶粒尺寸晶粒尺寸及分布及分布耐腐蝕性耐腐蝕性雜質(zhì)含量雜質(zhì)含量結(jié)晶度分結(jié)晶度分子量及分子量

7、及分布布立體結(jié)構(gòu)立體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)空隙度空隙度熔點熔點熱性質(zhì)熱性質(zhì)磁性質(zhì)磁性質(zhì)光學性質(zhì)光學性質(zhì)電學性質(zhì)電學性質(zhì)重力性質(zhì)重力性質(zhì)拉伸性拉伸性韌性韌性延展性延展性疲勞度疲勞度硬度硬度蠕變性蠕變性延伸性延伸性抗沖擊性抗沖擊性壓縮性壓縮性動態(tài)力學性質(zhì)動態(tài)力學性質(zhì)模量模量124/21/2022 8:00 PM結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的“炒菜炒菜”法法電子結(jié)構(gòu)，原子結(jié)構(gòu)和化學鍵決定了材料的固有性質(zhì)電子結(jié)構(gòu)，原子結(jié)構(gòu)和化學鍵決定了材料的固有性質(zhì)新材料新材料開發(fā)方法開發(fā)方法材料設(shè)計材料設(shè)計發(fā)展方向發(fā)展方向所謂材料設(shè)計，就是根據(jù)對材料的組成、微結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系所謂材料設(shè)計，就是根據(jù)對材料的

8、組成、微結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的認識的認識（“炒菜炒菜”經(jīng)驗材料微觀分析）經(jīng)驗材料微觀分析），按指定性能，按指定性能“定定做做”新材料，按生產(chǎn)要求新材料，按生產(chǎn)要求“設(shè)計設(shè)計”最佳的制備和加工方法最佳的制備和加工方法。134/21/2022 8:00 PM材料結(jié)構(gòu)表征的基本方法材料結(jié)構(gòu)表征的基本方法材料結(jié)構(gòu)的表征目的材料結(jié)構(gòu)的表征目的:成分分析成分分析, 結(jié)構(gòu)測定和形貌觀察結(jié)構(gòu)測定和形貌觀察材料組成分析（材料組成分析（化學成分分析化學成分分析） 1. 元素組成元素組成 2. 化合物組成化合物組成材料亞微觀結(jié)構(gòu)分析（材料亞微觀結(jié)構(gòu)分析（形貌分析形貌分析） 微米或亞微米尺度，相層次結(jié)構(gòu)微米或亞微米尺度，相

9、層次結(jié)構(gòu)材料微觀材料微觀結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)分析 0.1nm尺度，原子及原子組合層次結(jié)構(gòu)尺度，原子及原子組合層次結(jié)構(gòu)144/21/2022 8:00 PM材料化學成分分析材料化學成分分析1元素組成分析方法元素組成分析方法傳統(tǒng)的化學分析技術(shù)傳統(tǒng)的化學分析技術(shù)電子探針電子探針X射線能譜顯微分析射線能譜顯微分析原子光譜（吸收、發(fā)射、熒光）原子光譜（吸收、發(fā)射、熒光）質(zhì)譜與二次離子質(zhì)譜質(zhì)譜與二次離子質(zhì)譜核磁共振核磁共振電子自旋共振電子自旋共振光電子與俄歇電子能譜光電子與俄歇電子能譜154/21/2022 8:00 PM材料化學成分分析材料化學成分分析2化合物組成分析方法化合物組成分析方法傳統(tǒng)的化學分析技術(shù)傳統(tǒng)

10、的化學分析技術(shù)分子吸收光譜（紫外分子吸收光譜（紫外可見吸收光譜）可見吸收光譜）分子振動光譜（紅外、拉曼光譜）分子振動光譜（紅外、拉曼光譜）分子發(fā)射光譜（熒光光譜）分子發(fā)射光譜（熒光光譜）氣相、液相、凝膠色譜氣相、液相、凝膠色譜164/21/2022 8:00 PM材料形貌分析材料形貌分析光學顯微鏡光學顯微鏡光學干涉儀光學干涉儀激光散射譜激光散射譜掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡174/21/2022 8:00 PM形貌分析的圖例形貌分析的圖例昆蟲標本（昆蟲標本（500倍）倍）螺旋形碳管（螺旋形碳管（9，157倍）倍）化學方法生長的化學方法生長的ZnO納米陣列納米陣列（1

11、00，000倍）倍）擔載擔載Pt金屬顆粒的納米碳粒金屬顆粒的納米碳粒子（子（400，000倍）倍）184/21/2022 8:00 PM材料結(jié)構(gòu)分析材料結(jié)構(gòu)分析高分辨透射電子顯微鏡（高分辨透射電子顯微鏡（HTEM）場離子顯微鏡（場離子顯微鏡（FIM） 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（SFM）X射線衍射分析（射線衍射分析（XRD）小角小角X射線衍射分析（射線衍射分析（SAXS）194/21/2022 8:00 PM材料結(jié)構(gòu)分析材料結(jié)構(gòu)分析結(jié)果結(jié)果硅納米線的不同形貌硅納米線的不同形貌(a)呈直線或彎曲狀態(tài)，呈直線或彎曲狀態(tài)，(b)呈螺旋結(jié)構(gòu)，呈螺旋結(jié)構(gòu)，(c)

12、呈辮子結(jié)構(gòu)呈辮子結(jié)構(gòu)204/21/2022 8:00 PM材料結(jié)構(gòu)分析材料結(jié)構(gòu)分析- -直接法直接法硅納米線的顯微結(jié)構(gòu)硅納米線的顯微結(jié)構(gòu)高分辨電子顯微像（高分辨電子顯微像（HTEM）(a)111帶軸的硅納米線的單帶軸的硅納米線的單晶結(jié)構(gòu)，它的生長方向為晶結(jié)構(gòu)，它的生長方向為112(b)存在高階孿晶的硅納米線存在高階孿晶的硅納米線(c)具有堆垛層錯和孿晶等缺陷的具有堆垛層錯和孿晶等缺陷的硅納米線硅納米線214/21/2022 8:00 PM材料結(jié)構(gòu)分析材料結(jié)構(gòu)分析- -直接法直接法五次對稱性鎳鈦準晶的高分辨電子顯微像五次對稱性鎳鈦準晶的高分辨電子顯微像224/21/2022 8:00 PM材料結(jié)

13、構(gòu)分析材料結(jié)構(gòu)分析- -直接法直接法掃描隧道顯微分析拍攝的硅片上的單個原子圖像掃描隧道顯微分析拍攝的硅片上的單個原子圖像234/21/2022 8:00 PM材料結(jié)構(gòu)分析材料結(jié)構(gòu)分析- -間接法間接法材料結(jié)構(gòu)分析材料結(jié)構(gòu)分析X射線衍射射線衍射電子衍射電子衍射中子衍射中子衍射射線衍射射線衍射穆斯堡爾譜穆斯堡爾譜擴展擴展X射線吸收譜（射線吸收譜（EXAFS）熱分析（熱分析（TG、TA、DSC）244/21/2022 8:00 PM材料結(jié)構(gòu)分析材料結(jié)構(gòu)分析- -間接法間接法五次對稱性鎳鈦準晶的高分辨電子顯微像與電子衍射斑點五次對稱性鎳鈦準晶的高分辨電子顯微像與電子衍射斑點254/21/2022 8:

14、00 PM材料結(jié)構(gòu)分析材料結(jié)構(gòu)分析- -間接法間接法CVDCVD方法制備的氧化鎵納米帶（方法制備的氧化鎵納米帶（A A）與納米片（）與納米片（B B）的透射電鏡）的透射電鏡與選區(qū)電子衍射分析與選區(qū)電子衍射分析 電子衍射證實了這些納米相為電子衍射證實了這些納米相為單斜晶系單斜晶系 的的Ga2O3單晶單晶264/21/2022 8:00 PM材料微觀分析技術(shù)的選擇材料微觀分析技術(shù)的選擇274/21/2022 8:00 PM3.3.材料微觀分析技術(shù)的選擇材料微觀分析技術(shù)的選擇284/21/2022 8:00 PM3.3.材料微觀分析技術(shù)的選擇材料微觀分析技術(shù)的選擇294/21/2022 8:00 P

15、M3.3.材料結(jié)構(gòu)分析材料結(jié)構(gòu)分析- -電子顯微電子顯微固體試樣固體試樣電子束電子束透射電子透射電子相干散射電子相干散射電子背散射電子（成份）背散射電子（成份）二次電子二次電子（SEM）俄歇電子俄歇電子陰極熒光陰極熒光特征特征X射線射線nA吸收電子吸收電子304/21/2022 8:00 PM材料微觀分析技術(shù)的應(yīng)用材料微觀分析技術(shù)的應(yīng)用水晶水晶 or 水晶玻璃？水晶玻璃？真，假鉆石？真，假鉆石？可口可樂配方？可口可樂配方？“勇氣勇氣”號探測車的火星巖石分析？號探測車的火星巖石分析？314/21/2022 8:00 PM材料微觀分析技術(shù)的應(yīng)用材料微觀分析技術(shù)的應(yīng)用“勇氣勇氣”號號機械臂上的四大法

16、機械臂上的四大法寶寶1.巖石磨損工具巖石磨損工具2. 顯微成像儀顯微成像儀3. 穆斯堡爾分光光度計穆斯堡爾分光光度計4. 阿爾法粒子射線分光計阿爾法粒子射線分光計324/21/2022 8:00 PM材料微觀分析技術(shù)的應(yīng)用材料微觀分析技術(shù)的應(yīng)用334/21/2022 8:00 PM材料微觀分析技術(shù)的應(yīng)用材料微觀分析技術(shù)的應(yīng)用344/21/2022 8:00 PM材料微觀分析技術(shù)的應(yīng)用材料微觀分析技術(shù)的應(yīng)用354/21/2022 8:00 PM材料微觀分析技術(shù)的應(yīng)用材料微觀分析技術(shù)的應(yīng)用364/21/2022 8:00 PM材料微觀分析技術(shù)的應(yīng)用材料微觀分析技術(shù)的應(yīng)用374/21/2022 8:

17、00 PM材料微觀分析技術(shù)的應(yīng)用材料微觀分析技術(shù)的應(yīng)用384/21/2022 8:00 PM材料微觀分析技術(shù)的應(yīng)用材料微觀分析技術(shù)的應(yīng)用394/21/2022 8:00 PM材料微觀分析技術(shù)的應(yīng)用材料微觀分析技術(shù)的應(yīng)用404/21/2022 8:00 PM材料微觀分析技術(shù)的應(yīng)用材料微觀分析技術(shù)的應(yīng)用41整理o 如何對材料進行表征？o 表征要有目的性，不是全部的表征都要做o 要有選擇的去表征，以節(jié)省資源和時間o 表征要分順序，有急緩之分o 表征要跟合成和性能測試相結(jié)合o 基本順序是：先定物相、再定組成、然后是形貌和結(jié)構(gòu)分析。當然性能測試也可能放在前面。42下面就較常用的幾種材料表征方法向大家介紹

18、o 同步輻射光源o 熱分析o 透射電子顯微鏡o 掃描電子顯微鏡o X射線衍射儀o X射線光電子能譜o 衰減全反射衰減全反射紅外光譜43第一節(jié)第一節(jié) 熱分析技術(shù)熱分析技術(shù)什么是熱分析技術(shù)？什么是熱分析技術(shù)？ 熱分析：熱分析：在在程序控制溫度程序控制溫度條件下，測量材料物理性條件下，測量材料物理性質(zhì)與溫度之間關(guān)系的一種技術(shù)。從宏觀性能的測試來判質(zhì)與溫度之間關(guān)系的一種技術(shù)。從宏觀性能的測試來判斷材料結(jié)構(gòu)的方法。斷材料結(jié)構(gòu)的方法。熱分析的重要意義熱分析的重要意義： 通過熱分析技術(shù)，了解合成過程中的材料及前驅(qū)體通過熱分析技術(shù)，了解合成過程中的材料及前驅(qū)體的物理性質(zhì)與溫度之間的關(guān)系。從而為材料合成提供必的

19、物理性質(zhì)與溫度之間的關(guān)系。從而為材料合成提供必要的要的溫度和時間參數(shù)溫度和時間參數(shù)。 例如：高溫固相法合成磷酸鐵鋰電極材料，溫度對例如：高溫固相法合成磷酸鐵鋰電極材料，溫度對材料的結(jié)構(gòu)和形貌有重要的影響。材料的結(jié)構(gòu)和形貌有重要的影響。44凡是與熱現(xiàn)象有關(guān)的任何物理和化學變化都可以采取熱凡是與熱現(xiàn)象有關(guān)的任何物理和化學變化都可以采取熱分析方法進行研究。分析方法進行研究。 如材料的如材料的固相轉(zhuǎn)變、固相轉(zhuǎn)變、熔融熔融、分解分解甚至甚至材料的制備材料的制備等。等。 直接測量出這些變化過程中所吸收或放出的能量，直接測量出這些變化過程中所吸收或放出的能量，如如熔融熱熔融熱、結(jié)晶熱結(jié)晶熱、反應(yīng)熱反應(yīng)熱、分

20、解熱分解熱、吸附或解吸熱吸附或解吸熱、比熱容比熱容、活化能、活化能、轉(zhuǎn)變熵轉(zhuǎn)變熵、固態(tài)轉(zhuǎn)變能固態(tài)轉(zhuǎn)變能等。等。熱分析技術(shù)的應(yīng)用熱分析技術(shù)的應(yīng)用45o 熱重法熱重法(TG)o 差熱分析（差熱分析（DTA）o 差示掃描量熱法（差示掃描量熱法（DSC）46一、一、熱重法熱重法(TG)(TG) 在程序控制溫度條件下，測量物質(zhì)的質(zhì)量與溫度關(guān)系在程序控制溫度條件下，測量物質(zhì)的質(zhì)量與溫度關(guān)系的一種熱分析方法。的一種熱分析方法。 等溫熱重法？等溫熱重法？ 在恒溫下測量物質(zhì)質(zhì)量變化與時間的關(guān)系在恒溫下測量物質(zhì)質(zhì)量變化與時間的關(guān)系 非等溫熱重法？非等溫熱重法？ 在程序升溫下測量質(zhì)量變化與溫度的關(guān)系在程序升溫下測量

21、質(zhì)量變化與溫度的關(guān)系熱重法通常有下列兩種類型：熱重法通常有下列兩種類型：47 進行熱重分析的基本儀器為熱天平，它包括天進行熱重分析的基本儀器為熱天平，它包括天平、爐子、程序控溫系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)等幾個部分。平、爐子、程序控溫系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)等幾個部分。48 由熱重法記錄的質(zhì)量變化對溫度的關(guān)系曲線稱為由熱重法記錄的質(zhì)量變化對溫度的關(guān)系曲線稱為熱熱重曲線重曲線( (TGTG曲線曲線) )。1 1熱重曲線熱重曲線TGTG2 2微分熱重曲線微分熱重曲線DTGDTG 表征了試樣在不同的溫度表征了試樣在不同的溫度范圍內(nèi)發(fā)生的揮發(fā)性組分的揮范圍內(nèi)發(fā)生的揮發(fā)性組分的揮發(fā)以及發(fā)生的分解產(chǎn)物的揮發(fā)發(fā)以及發(fā)生的分解產(chǎn)物的

22、揮發(fā) 從而可以得到從而可以得到試樣的組成、試樣的組成、熱穩(wěn)定性、熱分解溫度、熱分熱穩(wěn)定性、熱分解溫度、熱分解產(chǎn)物和熱分解動力學解產(chǎn)物和熱分解動力學等有關(guān)等有關(guān)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)。49 同時還可獲得試樣的質(zhì)量變化率與溫度關(guān)系曲線，即同時還可獲得試樣的質(zhì)量變化率與溫度關(guān)系曲線，即微分熱重曲線微分熱重曲線(DTG(DTG曲線曲線) )，它是，它是TGTG曲線對溫度的一階導(dǎo)數(shù)。曲線對溫度的一階導(dǎo)數(shù)。以物質(zhì)的質(zhì)量變化速率以物質(zhì)的質(zhì)量變化速率dm/dm/dtdt對溫度對溫度T T作圖，所得的曲線。作圖，所得的曲線。 50 DTG DTG曲線的曲線的峰頂即失重速率的最大值峰頂即失重速率的最大值，它與，它與TGTG曲

23、線的拐曲線的拐點相對應(yīng)，即樣品失重在點相對應(yīng)，即樣品失重在TGTG曲線形成的每一個拐點，在曲線形成的每一個拐點，在DTGDTG曲線上都有對應(yīng)的峰。并且曲線上都有對應(yīng)的峰。并且DTGDTG曲線上的峰數(shù)目和曲線上的峰數(shù)目和TGTG曲線的曲線的臺階數(shù)目相等。由于臺階數(shù)目相等。由于DTGDTG曲線上的峰面積與樣品的失重成正曲線上的峰面積與樣品的失重成正比，因此可以從比，因此可以從DTGDTG的峰面積計算出樣品的失重量的峰面積計算出樣品的失重量。51參比物：參比物： 在測定條件下不產(chǎn)生任何熱效應(yīng)的惰性物質(zhì)。如在測定條件下不產(chǎn)生任何熱效應(yīng)的惰性物質(zhì)。如-Al-Al2 2O O3 3、石英、硅油、石英、硅油

24、等。等。二、差熱分析二、差熱分析（DTADTA） 在程序控制溫度下測定物質(zhì)和參比物之間的溫在程序控制溫度下測定物質(zhì)和參比物之間的溫度差和溫度關(guān)系的一種熱分析技術(shù)。度差和溫度關(guān)系的一種熱分析技術(shù)。521. 1. 加熱爐，加熱爐，2. 2. 試樣，試樣，3. 3. 參比物，參比物，4. 4. 測溫熱電偶，測溫熱電偶，5. 5. 溫差熱電偶，溫差熱電偶，6. 6. 測溫元件，測溫元件，7. 7. 溫控元件。溫控元件。53當試樣發(fā)生任何物理或化學變化時，所釋放或吸收的熱量當試樣發(fā)生任何物理或化學變化時，所釋放或吸收的熱量使樣品溫度高于或低于參比物的溫度，從而在相應(yīng)的差熱使樣品溫度高于或低于參比物的溫度

25、，從而在相應(yīng)的差熱曲線上得到放熱或吸熱峰。曲線上得到放熱或吸熱峰。吸熱峰向下，放熱峰向上。吸熱峰向下，放熱峰向上。54應(yīng)用：應(yīng)用： 材料的鑒別和成分分析材料的鑒別和成分分析 材料相態(tài)結(jié)構(gòu)的變化材料相態(tài)結(jié)構(gòu)的變化 材料的篩選材料的篩選 玻璃微晶化熱處理玻璃微晶化熱處理 玻璃的析晶活化能的測定玻璃的析晶活化能的測定 聚合物熱降解分析聚合物熱降解分析55應(yīng)用應(yīng)用DTADTA對材料進行鑒別對材料進行鑒別: : 根據(jù)物質(zhì)的相變（包括熔融、升華和晶型轉(zhuǎn)變）根據(jù)物質(zhì)的相變（包括熔融、升華和晶型轉(zhuǎn)變）和化學反應(yīng)（包括脫水、分解和氧化還原等）所產(chǎn)生和化學反應(yīng)（包括脫水、分解和氧化還原等）所產(chǎn)生的特征吸熱和放熱峰

26、。有些材料常具有比較復(fù)雜的的特征吸熱和放熱峰。有些材料常具有比較復(fù)雜的DTADTA曲線，雖然有時不能對曲線，雖然有時不能對DTADTA曲線上所有的峰作出解曲線上所有的峰作出解釋，但是它們像釋，但是它們像“指紋指紋”一樣表征著材料的種類。一樣表征著材料的種類。 例如：根據(jù)石英的相態(tài)轉(zhuǎn)變的例如：根據(jù)石英的相態(tài)轉(zhuǎn)變的DTADTA峰溫可用于檢峰溫可用于檢測天然石英和人造石英之間的差異測天然石英和人造石英之間的差異56三、差示掃描量熱法三、差示掃描量熱法（DSCDSC） 在程序控制溫度下，測量輸給試樣與參比物的功在程序控制溫度下，測量輸給試樣與參比物的功率差與溫度之間關(guān)系的一種技術(shù)。率差與溫度之間關(guān)系的

27、一種技術(shù)。 根據(jù)測量方法的不同，又分為根據(jù)測量方法的不同，又分為功率補償型功率補償型DSCDSC和和熱流型熱流型DSCDSC兩種類型。兩種類型。 DSC DSC主要特點：使用的溫度范圍主要特點：使用的溫度范圍 (-175(-175-725-725) )比較寬，分辨能力高，靈敏度高。比較寬，分辨能力高，靈敏度高。 應(yīng)用范圍：除不能測量腐蝕性材料外，應(yīng)用范圍：除不能測量腐蝕性材料外，DSCDSC不僅不僅可以涵蓋可以涵蓋DTADTA的一般功能，而且還可定量測定各種熱的一般功能，而且還可定量測定各種熱力學參數(shù)，如熱焓、熵和比熱等。力學參數(shù)，如熱焓、熵和比熱等。57差示掃描量熱儀差示掃描量熱儀58典型的

28、典型的DSCDSC曲線曲線 差示掃描量熱測定時記錄的譜圖稱之為差示掃描量熱測定時記錄的譜圖稱之為DSCDSC曲線，曲線，其縱坐標是試樣與參比物的功率差其縱坐標是試樣與參比物的功率差dH/dtdH/dt，也稱作熱也稱作熱流率，單位為毫瓦流率，單位為毫瓦( (mWmW) )，代表試樣放熱或吸熱的速度。代表試樣放熱或吸熱的速度。橫坐標為溫度橫坐標為溫度(T)(T)或時間或時間(t)(t)。59 當樣品無變化時，它與參比物之間的溫差為零，當樣品無變化時，它與參比物之間的溫差為零，DSCDSC曲線顯示水平線段，稱為基線。曲線顯示水平線段，稱為基線。 曲線離開基線的位移，代表樣品吸熱或放熱的速率，曲線離開

29、基線的位移，代表樣品吸熱或放熱的速率，正峰為放熱，負峰為吸熱正峰為放熱，負峰為吸熱。 DSC DSC曲線上的曲線上的峰數(shù)目：發(fā)生相變或化學變化的次數(shù)峰數(shù)目：發(fā)生相變或化學變化的次數(shù)。 峰的位置對應(yīng)著樣品發(fā)生變化的溫度，曲線中的峰的位置對應(yīng)著樣品發(fā)生變化的溫度，曲線中的峰或峰或谷所包圍的面積，代表熱量的變化谷所包圍的面積，代表熱量的變化。 DSC DSC可以可以直接可以測量直接可以測量試樣在發(fā)生變化時的試樣在發(fā)生變化時的熱效應(yīng)熱效應(yīng)。60下圖是下圖是CaC2O4H2O的的TG曲線，由圖可以發(fā)現(xiàn)曲線，由圖可以發(fā)現(xiàn)CaC2O4H2O的的熱分解過程：熱分解過程：CaC2O4H2O CaC2O4 CaC

30、O3 CaOH2O 100226CCO 346420CCO2 660846CCaC2O4CaCO3CaOCaC2O4.H2O61 差熱分析差熱分析(DTA)是在試樣與參比物處于控制速率下進行加熱是在試樣與參比物處于控制速率下進行加熱或冷卻的環(huán)境中，在相同的溫度條件時，記錄兩者之間的溫度差或冷卻的環(huán)境中，在相同的溫度條件時，記錄兩者之間的溫度差隨時間或溫度的變化，差示掃描量熱分析隨時間或溫度的變化，差示掃描量熱分析(DSC)記錄的則是在二記錄的則是在二者之間建立零溫度差所需的能量隨時間或溫度的變化。者之間建立零溫度差所需的能量隨時間或溫度的變化。典型的典型的DTA曲線和曲線和DSC曲線曲線626

31、3100 200 300 400 500 600 700 .800 T/ CaC2O4H2O 的的 TG、DTG 和和 DSC 曲曲線線 DSC TG DTG DSC/mW/m DTG/min exo 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 0 -2 -4 -6 -8 -10 100 90 80 70 60 50 40 T/ CaC2O4H2O 的的 TG、DTG 和和 DSC 曲曲線線 CaC2O4H2O熱分解時發(fā)生了三個吸熱反應(yīng)。熱分解時發(fā)生了三個吸熱反應(yīng)。 其中，其中，TG曲線顯示的是試樣的質(zhì)量隨溫度的升高而發(fā)生的變化。曲線顯示的是試樣的質(zhì)量隨溫度的升高而發(fā)生的變化。 DSC

32、(或或DTA)反映的是所測試樣在不同的溫度范圍內(nèi)發(fā)生的一系列伴隨反映的是所測試樣在不同的溫度范圍內(nèi)發(fā)生的一系列伴隨著熱現(xiàn)象的物理或化學變化。著熱現(xiàn)象的物理或化學變化。 64第二節(jié)、顯微技術(shù)第二節(jié)、顯微技術(shù) 顯微技術(shù)是一種直觀表征材料微觀外貌的方法，顯微鏡是主要的顯微技術(shù)是一種直觀表征材料微觀外貌的方法，顯微鏡是主要的材料分析手段之一。材料分析手段之一。 最常用的顯微鏡有：最常用的顯微鏡有： 光學顯微鏡光學顯微鏡 透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡 掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡 顯微鏡可以觀察某一材料的表面或斷面，有時也可以是專門的制顯微鏡可以觀察某一材料的表面或斷面，有時也可以是專門的制樣，如切片等

33、。樣，如切片等。 光學顯微鏡分辨率大于光學顯微鏡分辨率大于200nm200nm，可觀察到材料的裂紋、裂縫、氣泡、，可觀察到材料的裂紋、裂縫、氣泡、生物組織等。生物組織等。 電子顯微鏡具有更高的分辨率，能得到材料的立體表面形態(tài)圖像、電子顯微鏡具有更高的分辨率，能得到材料的立體表面形態(tài)圖像、結(jié)晶現(xiàn)象。結(jié)晶現(xiàn)象。65一、透射電子顯微鏡一、透射電子顯微鏡(TEM) 透射電子顯微鏡是由電子槍發(fā)射電子束，透射電子顯微鏡是由電子槍發(fā)射電子束，穿過穿過被研究的樣品，經(jīng)電子透鏡聚焦放大，在熒光屏上被研究的樣品，經(jīng)電子透鏡聚焦放大，在熒光屏上顯示出高度放大的物像，還可作攝片記錄的電子光顯示出高度放大的物像，還可作

34、攝片記錄的電子光學儀器。學儀器。 TEM它它是材料科學研究的重要手段，能提供極微是材料科學研究的重要手段，能提供極微細材料的組織結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和化學成分等方面信息。細材料的組織結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和化學成分等方面信息。 透射電鏡的透射電鏡的分辨率為分辨率為0.10.10.2nm0.2nm，放大倍數(shù)，放大倍數(shù)為幾萬幾十萬倍。為幾萬幾十萬倍。 66電子光學系統(tǒng)電子光學系統(tǒng)真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)電器系統(tǒng)電器系統(tǒng)671. 1. 電子照明部分電子照明部分2. 2. 試樣室試樣室3. 3. 成像放大部分成像放大部分4. 4. 圖象記錄裝置圖象記錄裝置電子光學系統(tǒng)是電子顯微鏡的核心部分電子光學系統(tǒng)是電子顯微鏡的核心部分

35、（一）電子光學系統(tǒng)（一）電子光學系統(tǒng)68（二）真空系統(tǒng)（二）真空系統(tǒng) 空氣會使電子強烈的散射，因此，整個電子通空氣會使電子強烈的散射，因此，整個電子通道從電子槍至照相底板盒都必須置于真空系統(tǒng)之內(nèi)，道從電子槍至照相底板盒都必須置于真空系統(tǒng)之內(nèi)，一般真空度為一般真空度為1010-4-4-10-10-7-7毫米汞柱。毫米汞柱。（三）電器系統(tǒng)（三）電器系統(tǒng) 透射電鏡需要兩部分電源：一是供給電子槍的透射電鏡需要兩部分電源：一是供給電子槍的高壓部分，二是供給電磁透鏡的低壓穩(wěn)流部分。高壓部分，二是供給電磁透鏡的低壓穩(wěn)流部分。69介孔碳介孔碳 Pt/MWCNTs催化劑的催化劑的TEM照片照片TEM的應(yīng)用：的應(yīng)

36、用：透射電子顯微鏡主要用于透射電子顯微鏡主要用于材料材料形貌觀察，晶體結(jié)構(gòu)分析。形貌觀察，晶體結(jié)構(gòu)分析。 請通過視頻進行直觀了解70二、掃描電子顯微鏡二、掃描電子顯微鏡（SEMSEM）1.1.原理：原理：SEMSEM的工作原理是用一束極細的電子束在樣的工作原理是用一束極細的電子束在樣品表面按順序逐行掃描，在樣品表面激發(fā)出二級電品表面按順序逐行掃描，在樣品表面激發(fā)出二級電子、背散射電子、特征子、背散射電子、特征x x射線射線和連續(xù)譜和連續(xù)譜X X射線、俄歇射線、俄歇電子、透射電子，以及在可見、紫外、紅外光區(qū)域電子、透射電子，以及在可見、紫外、紅外光區(qū)域產(chǎn)生的電磁輻射。產(chǎn)生的電磁輻射。二次電子二次

37、電子：用于觀察：用于觀察物質(zhì)物質(zhì)表面表面微觀微觀形貌。形貌。背散射電子背散射電子：可以：可以反映成份反映成份信信息。息。EDSEDS：進行：進行元素成份元素成份分析。分析。 71 電子光學系統(tǒng)電子光學系統(tǒng)（電子槍、（電子槍、 電磁透鏡、掃描線圈和電磁透鏡、掃描線圈和 樣品室）樣品室） 信號收集處理、圖像顯示信號收集處理、圖像顯示和記錄系統(tǒng)和記錄系統(tǒng) （二次電子采用閃爍計（二次電子采用閃爍計 數(shù)器）數(shù)器） 真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)（1.331.331010-2-2 -1.33 -1.331010-3-3PaPa）2.2.構(gòu)造構(gòu)造723.3.特點特點分辨率比較高，二次電子成像分辨率比較高，二次電子成像5-

38、10nm5-10nm放大倍數(shù)連續(xù)可調(diào)，幾十倍到二十萬倍放大倍數(shù)連續(xù)可調(diào)，幾十倍到二十萬倍景深大，立體感強景深大，立體感強試樣制備簡單試樣制備簡單一機多用一機多用73掃描電子顯微鏡可以進行如下基本分析：掃描電子顯微鏡可以進行如下基本分析： （1 1）三維形貌的觀察和分析；）三維形貌的觀察和分析； （2 2）在觀察形貌的同時，進行微區(qū)的成分分析。）在觀察形貌的同時，進行微區(qū)的成分分析。 4.4.應(yīng)用應(yīng)用 觀察納米材料觀察納米材料 具有納米孔陣列結(jié)構(gòu)的氧化鋁薄膜具有納米孔陣列結(jié)構(gòu)的氧化鋁薄膜 74 材料斷口的分析材料斷口的分析 注射針頭的掃描電鏡照片注射針頭的掃描電鏡照片75 直接觀察大試樣的原始表

39、面直接觀察大試樣的原始表面 （a a）陶瓷燒結(jié)體的表面圖像（）陶瓷燒結(jié)體的表面圖像（b b）多孔硅的剖面圖）多孔硅的剖面圖76 觀察厚試樣并能得到最真實的形貌。觀察厚試樣并能得到最真實的形貌。 多孔氧化鋁模板制備的金納米線的形貌多孔氧化鋁模板制備的金納米線的形貌（a a）低倍像（）低倍像（b b）高倍像）高倍像77 觀察生物試樣觀察生物試樣 果蠅： 不同倍率的掃描電鏡照片78巨噬細胞吞噬細菌的電子顯微鏡圖像巨噬細胞吞噬細菌的電子顯微鏡圖像 人體寄生蟲79第三節(jié)第三節(jié) X-X-射線衍射技術(shù)射線衍射技術(shù) X X射線衍射分析射線衍射分析(X-ray diffraction(X-ray diffrac

40、tion，簡稱，簡稱XRDXRD) )，是利用是利用X X射線在晶體中所產(chǎn)生的射線在晶體中所產(chǎn)生的衍射衍射現(xiàn)象來分析材料的現(xiàn)象來分析材料的晶體結(jié)構(gòu)、晶格參數(shù)、晶體缺陷、不同結(jié)構(gòu)相的含量及晶體結(jié)構(gòu)、晶格參數(shù)、晶體缺陷、不同結(jié)構(gòu)相的含量及內(nèi)應(yīng)力的方法。內(nèi)應(yīng)力的方法。X X射線衍射分析分為：射線衍射分析分為：粉末法粉末法X X射線衍射分析射線衍射分析 單晶法單晶法X X射線衍射分析射線衍射分析80一、原理一、原理 當一束當一束X X射線照到晶體上時，射線照到晶體上時，原子或離子中的電子受迫振動，原子或離子中的電子受迫振動，振動頻率與入射振動頻率與入射X X射線的頻率相同。并向四周各方向發(fā)射與入射線的

41、頻率相同。并向四周各方向發(fā)射與入射射X X射線相同頻率的電磁波，稱為射線相同頻率的電磁波，稱為X X射線射線散射波散射波。 在一個原子系統(tǒng)中所有電子的散射波都可以近似地看作是在一個原子系統(tǒng)中所有電子的散射波都可以近似地看作是由原子中心發(fā)出的，因此，可以把晶體中每個原子都看成是一由原子中心發(fā)出的，因此，可以把晶體中每個原子都看成是一個新波源。個新波源。81 這些散射波之間可以相互干涉，并在空間某些這些散射波之間可以相互干涉，并在空間某些方向上波的相位相同，始終保持相互疊加，于是在方向上波的相位相同，始終保持相互疊加，于是在這個方向上可以觀察到這個方向上可以觀察到散射波干涉散射波干涉產(chǎn)生的衍射線。

42、產(chǎn)生的衍射線。 面中點陣散射波干涉面中點陣散射波干涉散射波干涉散射波干涉包括包括 面間點陣散射波干涉面間點陣散射波干涉82入射入射X X射線射線鏡面鏡面反射方向反射方向平面法線平面法線掠射角掠射角入射角入射角任一任一平面上平面上的點陣的點陣 在在X X射線照射到的原子面中，所有原子的散射波在原射線照射到的原子面中，所有原子的散射波在原子面的反射方向的相位是相同的，是干涉加強的方向。子面的反射方向的相位是相同的，是干涉加強的方向。1.1.面中點陣散射波干涉面中點陣散射波干涉83 由于由于X X射線的波長短，穿透能力強，所以它不僅可射線的波長短，穿透能力強，所以它不僅可以使晶體表面的原子成為散射波

43、源，而且還能使晶體以使晶體表面的原子成為散射波源，而且還能使晶體內(nèi)部的原子成為散射波源。在這種情況下，衍射線應(yīng)內(nèi)部的原子成為散射波源。在這種情況下，衍射線應(yīng)被看成是許多平行原子面散射波振幅疊加的結(jié)果。原被看成是許多平行原子面散射波振幅疊加的結(jié)果。原子面間干涉加強的條件是必須滿足子面間干涉加強的條件是必須滿足布喇格定律：布喇格定律：2dsin2dsin=n=nd d相鄰晶面的垂直距離相鄰晶面的垂直距離入射入射X X射線與晶面的夾角射線與晶面的夾角（布喇格角）（布喇格角）n n正整數(shù)正整數(shù)波長波長只有只有滿足此方程時，才能在相應(yīng)的反射角方向上產(chǎn)生衍射。滿足此方程時，才能在相應(yīng)的反射角方向上產(chǎn)生衍射

44、。2.2.面面間點陣散射波的干涉間點陣散射波的干涉84X射線入射角入射角掠射角掠射角求出相鄰晶面距求出相鄰晶面距離為離為 d d 的兩反的兩反射光相長干涉條射光相長干涉條件件層間層間兩反射兩反射光的光程差光的光程差布喇格定律布喇格定律相長相長干涉得干涉得亮點的條件亮點的條件85第一組晶面族，晶格常數(shù)為第一組晶面族，晶格常數(shù)為d d1 1第二組晶面族，晶格常數(shù)為第二組晶面族，晶格常數(shù)為d d2 2第三組晶面族，晶格常數(shù)為第三組晶面族，晶格常數(shù)為d d3 3 在一種晶體內(nèi)有多組晶面族，即在一種晶體內(nèi)有多組晶面族，即沿不同的方向，沿不同的方向，可劃分出不同間距可劃分出不同間距 d d 的晶面。的晶面

45、。 對任何一種方向的晶面，只要滿足布喇格公式，對任何一種方向的晶面，只要滿足布喇格公式，則在該晶面的反射方向上，將會發(fā)生散射光的衍射。則在該晶面的反射方向上，將會發(fā)生散射光的衍射。86根據(jù)研究對象的不同可以分為粉末法和單晶法。根據(jù)研究對象的不同可以分為粉末法和單晶法。 粉末法：粉末法：可以用來確定立方晶的晶體結(jié)構(gòu)的可以用來確定立方晶的晶體結(jié)構(gòu)的點陣形點陣形式式、晶胞參數(shù)晶胞參數(shù)等。等。 單晶法單晶法可以精確給出可以精確給出晶胞參數(shù)晶胞參數(shù)，晶體中成鍵原子的，晶體中成鍵原子的鍵長、鍵角鍵長、鍵角等重要的結(jié)構(gòu)化學數(shù)據(jù)。等重要的結(jié)構(gòu)化學數(shù)據(jù)。 87二、粉末法二、粉末法X X射線衍射分析射線衍射分析1

46、.1.實驗條件實驗條件: : 單色的單色的X X射線、粉末樣品或多晶樣品射線、粉末樣品或多晶樣品2.2.粉末衍射圖的獲得粉末衍射圖的獲得 照相法照相法 照相法以德拜法應(yīng)用最為普遍，以一束準直的照相法以德拜法應(yīng)用最為普遍，以一束準直的特征特征X X射線照射到小塊粉末樣品上，用卷成圓柱狀射線照射到小塊粉末樣品上，用卷成圓柱狀并與樣品同軸安裝的窄條底片記錄衍射信息。并與樣品同軸安裝的窄條底片記錄衍射信息。88 照相法獲得的衍射圖是一些衍射弧，照相法是比照相法獲得的衍射圖是一些衍射弧，照相法是比較原始的方法。較原始的方法。NaCl 單晶的單晶的X 射線衍射斑點射線衍射斑點石英石英 (SiO2)的的X

47、射線衍射斑點射線衍射斑點89 衍射儀法衍射儀法 衍射儀法得到的衍射圖譜給出一系列峰，如圖所示，衍射儀法得到的衍射圖譜給出一系列峰，如圖所示，橫坐標是橫坐標是2 2，縱坐標是衍射強度。，縱坐標是衍射強度。衍射圖譜衍射圖譜可可以提供三種晶體結(jié)構(gòu)信息：衍射線位置以提供三種晶體結(jié)構(gòu)信息：衍射線位置( (角度角度) )、強度、強度和形狀和形狀( (寬度寬度).). 903.3.粉末衍射的應(yīng)用粉末衍射的應(yīng)用（1 1）物相分析）物相分析即固體由哪幾種物質(zhì)構(gòu)成即固體由哪幾種物質(zhì)構(gòu)成 XRDXRD是晶體的是晶體的“指紋指紋”，不同的物質(zhì)具有不同的，不同的物質(zhì)具有不同的XRDXRD特特征峰值（峰位置、相對強度和征

48、峰值（峰位置、相對強度和掃描范圍內(nèi)的掃描范圍內(nèi)的峰數(shù)）。峰數(shù)）。樣品樣品中如果存在多個相，樣品的衍射譜是各相衍射譜的簡單疊中如果存在多個相，樣品的衍射譜是各相衍射譜的簡單疊加。加。3040506070Two-Theta (deg)x1035.010.015.020.025.030.035.040.0Intensity(Counts)(1) E47.raw SCAN: 15.0/80.0/0.02/0.15(sec), Cu(40kV,250mA), I(max)=12644, 03-31-06 07:26(2) Si-070104-1s.raw SCAN: 20.0/100.0/0.02/1(

49、sec), Cu(40kV,250mA), I(max)=125199, 01-05-07 00:22Pattern of AlPattern of Si91 目前常用衍射儀法得到衍射圖譜，用目前常用衍射儀法得到衍射圖譜，用“粉末衍射標準聯(lián)粉末衍射標準聯(lián)合會合會(JCPDS)(JCPDS)”負責編輯出版的負責編輯出版的“粉末衍射卡片（粉末衍射卡片（PDFPDF卡片）卡片）”進行物相分析。進行物相分析。 其特點是：其特點是： 能確定能確定元素所處的化學狀態(tài)元素所處的化學狀態(tài) 例如：（例如：（FeO,FeFeO,Fe2 2O O3 3,Fe,Fe3 3O O4 4） 能區(qū)別同分異構(gòu)體能區(qū)別同分異構(gòu)

50、體：C60C60、石墨、碳管、石墨、碳管 能區(qū)別是混合物還是固溶體能區(qū)別是混合物還是固溶體：混合物衍射峰疊加；固：混合物衍射峰疊加；固溶體是新相形成溶體是新相形成 對各種組分進行定量分析對各種組分進行定量分析（根據(jù)各相衍射的強度正比（根據(jù)各相衍射的強度正比于該組分存在的量）于該組分存在的量）92（2 2）衍射圖的指標化）衍射圖的指標化 利用粉末樣品衍射圖確定相應(yīng)晶面的米勒指數(shù)就稱利用粉末樣品衍射圖確定相應(yīng)晶面的米勒指數(shù)就稱為指標化。當晶胞參數(shù)未知時，指標化只有對立方晶系為指標化。當晶胞參數(shù)未知時，指標化只有對立方晶系是可能的。是可能的。立方晶系立方晶系a = b = c , a = b = c

51、 , = = = = = 90 = 90 222lkhadd2sin 由立方晶系中晶面間距公式和布拉格方程可容由立方晶系中晶面間距公式和布拉格方程可容易推得下式：易推得下式：)(4sin222222lkha93 因為在立方晶系因為在立方晶系 /(2a)/(2a)2 2為一個常數(shù)，任意兩為一個常數(shù)，任意兩條衍射線的條衍射線的sinsin2 2之比等于之比等于h h2 2+k+k2 2+l+l2 2之比。因此有：之比。因此有：sinsin2 21 1: :sinsin2 22 2: :sinsin2 23 3: :. .sinsin2 2k k= = h h1 12 2+k+k1 12 2+l+l

52、1 12 2: :h h2 22 2+k+k2 22 2+l+l2 22 2: :h h3 32 2+k+k3 32 2+l+l3 32 2: :. .h hk k2 2+k+kk k2 2+l+lk k2 2 只要求出每條衍射線的只要求出每條衍射線的sinsin2 2值，就可得出這些值，就可得出這些衍射線的平方和的比值，并求出這些比值的簡單整數(shù)衍射線的平方和的比值，并求出這些比值的簡單整數(shù)比，從而就可以將每條衍射線指標化。比，從而就可以將每條衍射線指標化。94 依照粉末線依照粉末線(由小到大由小到大) )的順序的順序, sin, sin2 2值的比值的比例例( (即即h h2 2+k+k2

53、2+l+l2 2) )必有如下規(guī)律必有如下規(guī)律: :P: 1:2:3:4:5:6:8:9P: 1:2:3:4:5:6:8:9（缺（缺7 7，1515，2323等）等）I: 1:2:3:4:5:6:7:8:9I: 1:2:3:4:5:6:7:8:9（不缺）（不缺）F: 3:4:8:11:12:16:19:20F: 3:4:8:11:12:16:19:20 ( (出現(xiàn)二密一稀的規(guī)律出現(xiàn)二密一稀的規(guī)律) ) 95（3 3）點陣常數(shù)的精確測定）點陣常數(shù)的精確測定 點陣常數(shù)是晶體物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，點陣常數(shù)是晶體物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，點陣常數(shù)點陣常數(shù)的精確測定，可用于晶體缺陷及固溶體的研究、測量的精確測定

54、，可用于晶體缺陷及固溶體的研究、測量膨脹系數(shù)及物質(zhì)的真實密度。膨脹系數(shù)及物質(zhì)的真實密度。步驟：步驟： 根據(jù)衍射線的角位置計算根據(jù)衍射線的角位置計算晶面間距晶面間距d d 標定個衍射線條的指數(shù)標定個衍射線條的指數(shù)hklhkl（指標化）（指標化） 由由d d和相應(yīng)的和相應(yīng)的hklhkl計算點陣常數(shù)計算點陣常數(shù)(a(a、b b、c c等等) ) 消除誤差得到精確的點陣常數(shù)消除誤差得到精確的點陣常數(shù)96（4 4）晶粒尺寸和點陣畸變的測定）晶粒尺寸和點陣畸變的測定 19181918年謝樂（年謝樂（ScherrerScherrer ）首先提出的小晶粒平均）首先提出的小晶粒平均尺寸（尺寸（D D）與衍射線真

55、實寬度之間的數(shù)學關(guān)系）與衍射線真實寬度之間的數(shù)學關(guān)系: : ScherrerScherrer方程：方程： D = KD = K/B/B1/21/2coscos 式中，式中，D D為晶粒的平均尺寸，為晶粒的平均尺寸，K K為常數(shù)為常數(shù)( (約等于約等于0.89)0.89)，B B1/21/2為衍射線剖面的半高寬。為衍射線剖面的半高寬。97o 不同的物質(zhì)狀態(tài)對X射線的衍射作用是不相同的，因此可以利用X射線衍射譜來區(qū)別晶態(tài)和非晶態(tài)。不同材料狀態(tài)以及相應(yīng)的XRD譜示意圖 98三、單晶法三、單晶法X X射線衍射分析射線衍射分析 單晶單晶X X射線衍射分析的對象是單晶樣品，一般為直射線衍射分析的對象是單晶

56、樣品，一般為直徑徑0.1-1mm0.1-1mm的完整晶粒。的完整晶粒。 單晶法單晶法X X射線衍射分析能提供晶體內(nèi)部三維空間的射線衍射分析能提供晶體內(nèi)部三維空間的電子云密布，晶體中分子的立體構(gòu)型、構(gòu)象、化學鍵電子云密布，晶體中分子的立體構(gòu)型、構(gòu)象、化學鍵類型、鍵長、鍵角、分子間距離和配合物配位等。類型、鍵長、鍵角、分子間距離和配合物配位等。99分子結(jié)構(gòu)透視圖分子結(jié)構(gòu)透視圖 晶胞圖晶胞圖 100小角X射線衍射分析-SAXSo小角度的X射線衍射峰可以用來研究納米介孔材料的介孔結(jié)構(gòu)。這是目前測定納米介孔材料結(jié)構(gòu)最有效的方法之一o由于介孔材料可以形成很規(guī)整的孔，所以可以把它看做周期性結(jié)構(gòu)，樣品在小角區(qū)

57、的衍射峰反映了孔洞周期的大小o對于孔排列不規(guī)整的介孔材料，此方法不能獲得其孔經(jīng)周期的信息 101六方孔形MCM-41密堆積排列示意圖 合成產(chǎn)物的XRD圖譜 102 表面分析是對固體表面或界面上只有幾個原子表面分析是對固體表面或界面上只有幾個原子層厚的薄層進行組分、結(jié)構(gòu)和能態(tài)等分析的材料物層厚的薄層進行組分、結(jié)構(gòu)和能態(tài)等分析的材料物理試驗。也是一種利用分析手段，揭示材料及其制理試驗。也是一種利用分析手段，揭示材料及其制品的表面形貌、成分、結(jié)構(gòu)或狀態(tài)的技術(shù)。品的表面形貌、成分、結(jié)構(gòu)或狀態(tài)的技術(shù)。 第三節(jié)第三節(jié) 材料的表面分析技術(shù)材料的表面分析技術(shù)103一、衰減全反射紅外光譜一、衰減全反射紅外光譜

58、紅外光譜是化合物結(jié)構(gòu)定性分析的主要手段之一紅外光譜是化合物結(jié)構(gòu)定性分析的主要手段之一, , 典型典型的紅外光譜是通過材料樣品對透射紅外光的特征吸收來得到的紅外光譜是通過材料樣品對透射紅外光的特征吸收來得到所要求的信息。所要求的信息。 然而，相當多的材料對紅外光是不透明的，無法采用然而，相當多的材料對紅外光是不透明的，無法采用典典型的方法進行紅外分析檢測。型的方法進行紅外分析檢測。采用衰減全反射紅外光譜法采用衰減全反射紅外光譜法(ATR)(ATR)分析就可以方便地克服這些困難。該方法應(yīng)用范圍廣泛、分析就可以方便地克服這些困難。該方法應(yīng)用范圍廣泛、制樣簡單、無需前處理、不破壞樣品就可以制樣簡單、無

59、需前處理、不破壞樣品就可以 直接進行紅外分析直接進行紅外分析, , 所測得的紅外光譜與透射光譜的譜所測得的紅外光譜與透射光譜的譜帶位置、形狀完全一致。帶位置、形狀完全一致。104衰減全反射原理衰減全反射原理: : 當一束紅外光經(jīng)過棱鏡照射到樣品上時，棱鏡的當一束紅外光經(jīng)過棱鏡照射到樣品上時，棱鏡的折光率是折光率是n n1 1，樣品的折射率是，樣品的折射率是n n2 2，n n1 1nn2 2，當入射角大，當入射角大于臨界角時于臨界角時, , 即即sinsinn n2 2/n/n1 1，產(chǎn)生全反射現(xiàn)象。，產(chǎn)生全反射現(xiàn)象。 全反射并非在樣品的表面上直接反射，而是入射全反射并非在樣品的表面上直接反射

60、，而是入射光進入到樣品的一定深度之后再返回表面反射。光進入到樣品的一定深度之后再返回表面反射。105 進入樣品的光進入樣品的光, , 同樣帶有特征吸收的信息，在樣同樣帶有特征吸收的信息，在樣品有吸收的頻率范圍內(nèi)光線會被樣品吸收而強度衰減品有吸收的頻率范圍內(nèi)光線會被樣品吸收而強度衰減, , 在樣品無吸收的頻率范圍內(nèi)光線被全部反射，產(chǎn)生象在樣品無吸收的頻率范圍內(nèi)光線被全部反射，產(chǎn)生象透射光譜一樣的效果。透射光譜一樣的效果。樣品樣品樣品樣品多次反射多次反射ATR ATR 元件元件106無機化合物的基團振動頻率無機化合物的基團振動頻率o 無機化合物在中紅外區(qū)的吸收，主要是由陰離子（團）的晶格振動引起的