材料特性表征：第1節(jié) 緒論和組織形貌分析

1、材料特性表征Characteristic Technique of Materials教材：材料分析方法 杜希文 原續(xù)波 天津大學出版社 2006緒 論材料就是用以制造有用物件的物質(zhì)。材料的發(fā)展標志著社會的進步，比如石器的廣泛使用是“石器時代”，相似的還有“青銅時代”和“鐵器時代”等等。材料和信息與能源被稱為現(xiàn)代文明的三大支柱。材料特性表征是講述材料分析測試技術及相關理論的一門課程。石器時代: 硅酸鹽青銅器時代: 銅合金鐵器，水泥，鋼時代,石油，信息 成分結(jié)構性能材料科學工程的四個基本要素成分和結(jié)構從根本上決定材料的性能加工緒 論質(zhì)輕、機械性能好, 適宜的阻隔性與滲透性，化學穩(wěn)定性好，光學性能

2、優(yōu)良，透明衛(wèi)生性良好，阻氣包裝、防潮包裝、防水包裝、保香包裝 、保鮮包裝，無毒，良好的加工性能和裝飾性成分決定性能有良好的塑性和韌性，能承受沖擊和振動荷載，易于加工和裝配，廣泛應用于建筑工程中鋼材：鐵碳合金高分子聚合物結(jié)構決定性能飛蛾、蚊子的眼部結(jié)構-復眼決定其具有低的反光性，異常黑，夜間飛行不易被敵人察覺。蚊子復眼的微米-納米雙重結(jié)構(a)-(e)及由此模擬的人造復眼結(jié)構(f)(a)(b)(c)(d)Self-cleaning effect and iridescence colors結(jié)構決定性能(c)(d)Superhydrophobic ability: high surface rou

3、ghness and low surface energy.Irdisecence: regular microstructures.結(jié)構決定性能 不但具有超疏水而且還有彩虹色，多功能的仿生表面Sun et al, Soft Matter 6, 263 (2010), Highlights in Chemical Technology , 結(jié)構決定性能結(jié)構決定性能結(jié)構決定性能聚合物太陽能電池的發(fā)展歷程20052009P3HT: PCBMDifferent compositionand annealingNovel polymerdifferent functional groups201020

4、1120118-9%PCE4-5%PCE結(jié)構決定性能PP-DBT結(jié)構決定性能結(jié)構決定性能成分和結(jié)構的精確表征是材料研究的基本要求，也是實現(xiàn)性能控制的基本前提。為了深入理解材料的本質(zhì)、提高材料研究水平，必須掌握先進的材料分析手段。材料特性表征研究意義材料特性表征的主要內(nèi)容（1） 表面和內(nèi)部組織形貌（2） 晶體相結(jié)構（3） 成分和價鍵分析（4）有機物分子結(jié)構分析利用入射電磁波或物質(zhì)波與材料作用，產(chǎn)生攜帶樣品信息的各種出射電磁波或物質(zhì)波，探測這些出射的信號，進行分析處理，即可獲得材料的組織、物相、成分、價鍵信息。材料分析方法的理論依據(jù)電磁波的幾種形式及其能量分布物質(zhì)波：電子束、中子束（1） 表面和內(nèi)

5、部組織形貌分析材料分析方法的主要內(nèi)容利用可見光、紫外光、電子束借助各種顯微技術，認識材料微觀結(jié)構。經(jīng)歷了光學顯微鏡、電子顯微鏡、掃描探針顯微鏡的發(fā)展過程。光學顯微鏡 電子顯微鏡 掃描探針顯微鏡（2） 晶體相結(jié)構材料分析方法的主要內(nèi)容利用衍射方法探測晶格類型和晶胞常數(shù)，確定物質(zhì)的相結(jié)構。主要物相分析手段：X射線衍射、電子衍射、中子衍射。利用電磁波或運動的電子束、中子束等與材料內(nèi)部規(guī)則排列的原子作用產(chǎn)生相干散射，獲得材料內(nèi)部原子排列的信息，從而重組出物質(zhì)的結(jié)構。利用X射線、電子束、中子束（3）成分和價鍵分析材料分析方法的主要內(nèi)容核外電子的能級分布反映了原子的特征信息。按照出射信號不同可分為X光譜和

6、電子能譜，出射信號分別是X射線和電子。X光譜包括X射線熒光光譜、電子探針X射線顯微分析、電子能譜包括X射線光電子能譜、俄歇電子能譜、電子能量損失譜等。利用X射線、電子束（4）分子結(jié)構分析材料分析方法的主要內(nèi)容基本原理利用電磁波與分子鍵或原子核相互作用，獲得分子結(jié)構信息，紅外光譜、拉曼光譜、熒光光譜、核磁共振。利用紫外光、可見光、紅外光、核磁共振波譜本節(jié)課的重點思考題第一 什么是材料第二 材料科學工程的四個要素第三 材料分析的四個主要內(nèi)容第四 材料分析的理論依據(jù)材料特性表征任課教師：溫善鵬吉林大學電子科學與工程學院Characteristic Technique of Materials教材：材

7、料分析方法 杜希文 原續(xù)波 天津大學出版社 2006Email: sp_地址：南區(qū)理化樓D221上節(jié)課的重點第一: 材料 用以制造有用物件的物質(zhì)。第二: 材料科學工程的四個要素 成分、結(jié)構、加工和性能第三: 材料分析的四個主要內(nèi)容表面和內(nèi)部組織形貌晶體相結(jié)構成分和價鍵分析有機物分子結(jié)構分析第四: 材料分析的理論依據(jù) 利用入射電磁波或物質(zhì)波與材料作用。第一篇 組織形貌分析目的：對微觀結(jié)構進行觀察和分析。意義：對理解材料的本質(zhì)至關重要。運動輪廓深度顏色材料微觀結(jié)構、即組織形貌對材料性能有重要影響- 人類最重要的感知手段 眼見為實- 直接與現(xiàn)實世界相連組織形貌分析應用舉例顯微技術組織形貌不同物質(zhì)間的

8、相對大小及人類肉眼、光學顯微鏡及電子顯微鏡的解析組織形貌分析應用舉例(a)水面上站立的水黽(b)水黽腿部的微米剛毛的SEM圖片組織形貌分析應用舉例(c)水黽腿部剛毛上的納米溝槽結(jié)構的掃描電子顯微鏡(SEM)圖(d)水黽腿部剛毛上的納米溝槽結(jié)構的原子力顯微鏡(AFM)圖溝槽中氣泡形成氣墊，使水黽在水面上自由穿梭飛行，不會將腿弄濕，宏觀上表現(xiàn)出水黽腿的超疏水特性。組織形貌分析應用舉例(e)水滴在水黽腿上的形貌圖(f)水黽的腿刺穿水面前能產(chǎn)生的最大水渦超疏水特性使得水黽的多毛腿一次能夠在水面上劃出4mm長的波紋，能排開300倍于其身體體積的水量，這就是這種昆蟲非凡浮力的原因。這一發(fā)現(xiàn)可用于新型防水紡

9、織品的生產(chǎn)，更重要的意義在于這一發(fā)現(xiàn)有助于設計出新型水上交通工具。組織形貌分析應用舉例組織形貌分析應用舉例經(jīng)過不同退火時間MEH-PPV: EP-PDI (w/w, 1:2) 復合膜的AFM圖。 a) 0 min; b) 10 min; c) 30 min; d) 60 min. at 95C a)b) d)c)組織形貌分析應用舉例光學顯微鏡電子顯微鏡掃描探針顯微鏡組織形貌分析儀器發(fā)展的三個階段17世紀末，荷蘭人列文虎克(Leeuwenhoek, Antoni van 1632 - 1723)研制成功了第一臺光學顯微鏡，把人們帶進了一個五彩繽紛的微觀世界。甲殼蟲眼睛 光學顯微鏡電子顯微鏡掃描探

10、針顯微鏡光學顯微鏡最高分辨率0.2m，比人眼分辨率提高了1000倍。應用于醫(yī)學和生物學-細胞學說冶金及材料學觀察材料微觀結(jié)構，例如不同金屬或合金的晶粒大小及特點，從而判斷其性能及形成條件，指導性能改善及合成新材料。組織形貌分析儀器發(fā)展的三個階段光學顯微鏡電子顯微鏡掃描探針顯微鏡組織形貌分析儀器發(fā)展的三個階段光通過顯微鏡時發(fā)生衍射，物體上一個點在成像時不是一個點，而是一個衍射光斑，可見光作為光源的顯微鏡，分辨率極限是0.2 m。若提高顯微鏡的分辨本領，須使用更短波長的照明源，紫外線波長200-250nm范圍，分辨率可達到0.1m，即100nm。光學顯微鏡電子顯微鏡掃描探針顯微鏡組織形貌分析儀器發(fā)

11、展的三個階段X射線波長0.0510納米射線波長0.001納米直線傳播，具有很強的穿透能力，不能直接被聚焦，不適合做顯微鏡的照明源光學顯微鏡電子顯微鏡掃描探針顯微鏡組織形貌分析儀器發(fā)展的三個階段1924年法國物理學德布羅意（DeBroglie, Louis victor 1892 1987）指出，微觀粒子除了具有粒子性外，還具有波動性，并且能量越大，波長越短。如果能用高能電子束代替光束，而電子束的波長遠小于光束的波長，那么不就可以大大提高顯微鏡的分辨力了嗎？光學顯微鏡電子顯微鏡掃描探針顯微鏡組織形貌分析儀器發(fā)展的三個階段在20世紀20年代末，魯斯卡（Ruska, Ernst）經(jīng)過多次實驗探索，利

12、用電磁場控制電子束的運動方向，將通過樣品，帶有樣品微觀結(jié)構信息的電子束再打到熒光屏或照相底片上，形成分辨率極高的圖像。終于在1933年研制成功世界上第一臺電子顯微鏡，開創(chuàng)了人類研究微觀世界的新紀元。魯斯卡因此分享了1986年的諾貝爾物理學獎。光學顯微鏡電子顯微鏡掃描探針顯微鏡組織形貌分析儀器發(fā)展的三個階段1952年，英國工程師Charles Oatley制造出了第一臺掃描電子顯微鏡(SEM)。SEM主要用于觀察樣品的表面形貌、割裂面結(jié)構、管腔內(nèi)表面的結(jié)構等。目前掃描電子顯微鏡分辨率已達到1nm，是研究微觀結(jié)構及性能的必要研究手段，可用于粉末、復合材料、切削表面等研究。但電子顯微鏡存在著很多不足

13、，高速電子容易透入物質(zhì)深處，低速電子又容易被樣品的電磁場偏折，故電子顯微鏡很少能對表面結(jié)構有所揭示。光學顯微鏡電子顯微鏡掃描探針顯微鏡組織形貌分析儀器發(fā)展的三個階段掃描隧道顯微鏡 (STM)依靠“隧道效應”工作：沒有鏡頭，使用一根探針，探針和物體之間加上電壓，如果探針和物體表面很近-大約在納米級距離上-隧道效應就會起作用。電子會穿過物體與探針之間的空隙，形成一股微弱電流，如果探針與物體距離發(fā)生變化，這股電流也會相應的改變。通過測量電流探測物體表面形狀，分辨率可達到原子級別。1986年Binning和Rohrer獲得諾貝爾物理學獎。光學顯微鏡電子顯微鏡掃描探針顯微鏡組織形貌分析儀器發(fā)展的三個階段原子力顯微鏡 (AFM)1986年,為了觀察絕緣材料表面的原子圖像,IBM的G.Binning和斯坦福大學的C.F.Quate、C.Gerber合作,發(fā)明了原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)一個對力非常敏感的微懸臂，其尖端有一個微小的探針，當探針輕微地接觸樣品表面時，由于探針尖端的原子與樣品表面的原子之間產(chǎn)生極其微弱的相互作用力而使微懸臂彎曲，將微懸臂彎曲的形變信號轉(zhuǎn)換成光電信號并進行放大，就可以得到原子之間力的微弱變化的信號。從這里我們可以看出，原子力顯微鏡設計的高