理化檢測技術進展課件

理化檢測技術進展理化檢測技術進展理化檢測技術進展2緒論本書重點介紹了近十年來航空材料理化檢測技術的技術進展、發(fā)展趨勢和科研成果，按照技術研究方向和產(chǎn)品特點分為13章，主要包括高溫合金中納米相的物理化學萃取與鑒定技術，電子探針微區(qū)元素分析技術，透射電子顯微分析技術的發(fā)展與應用，化學分析技術進展，高溫合金化學成分icp發(fā)射光譜分析技術及化學元素間光譜干擾，原子吸收技術進展，現(xiàn)場材料牌號鑒別技術，金屬材料中氣體元素分析技術，空心陰極光源的研制及應用，釬料化學成分分析技術，原子熒光光譜技術進展等；此外還介紹了鈦及鈦合金中氣體分析用標準物質(zhì)的研制與應用。理化檢測技術主要包括成分分析、材料的微觀結(jié)構(gòu)分析和宏/微觀關系研究等，是一門學科交叉的科學，涉及物理、化學、冶金學、材料學、電子學、統(tǒng)計學等諸多學科和技術。航空材料的元素組成及其雜質(zhì)成分的主要分析方法有化學分析法、原子吸收光譜法、原子發(fā)射光譜法、x射線熒光光譜法、質(zhì)譜法、電化學法和冶金氣體分析法等。理化檢測技術進展3第一章理化檢測技術發(fā)展前沿1.1理化檢測技術在材料發(fā)展中的作用理化檢測技術是進行材料科學研究的的重要技術支柱。以此探索材料成分、組織、結(jié)構(gòu)、缺陷及其材料物理、化學、力學能力和使用的影響。1.2材料化學成分分析技術發(fā)展前沿分析化學是研究材料成分分析方法的科學，主要任務是確定材料由哪些組分（元素、離子、基團或化合物）所組成，并確定該物質(zhì)有關組分的含量。1.2.1痕量元素分析技術的發(fā)展痕量分析指含量在1ug/g至100ug/g（質(zhì)量分數(shù)）之間的組分。1.2.2原子光譜分析技術的發(fā)展原子光譜分析技術是材料分析中最常用的分析方法，主要包括原子發(fā)射光譜法(AES)原子吸收光譜法、原子熒光光譜法(AAS)和X射線熒光光譜法(XRF)。前三種方法涉及原子外層電子的躍遷，而后一種方法涉及原子內(nèi)層電子的躍遷。近年來ICP-AES分析技術以其多元素同時測定、檢出限低和穩(wěn)定性好等特點，已成為金屬材料中成分分析的最常用手段理化檢測技術進展41.3物理冶金技術的發(fā)展前沿1.3.1形貌觀察技術的發(fā)展形貌觀察技術主要借助于各種顯微鏡1.3.2結(jié)構(gòu)測定技術的發(fā)展結(jié)構(gòu)測定技術主要借助于各種衍射儀，X射線衍射仍舊是主要的檢測手段。1.3.3微區(qū)成分分析技術的發(fā)展微區(qū)成分分析主要指利用電子束與試樣微區(qū)(尺寸為10nm～1μm)相互作用后所產(chǎn)生的信號進行成分分析。利用的信號主要有標識X射線譜和電子能量損失譜。利用電子束激發(fā)的俄歇電子譜可以作表面微區(qū)成分分析。理化檢測技術進展5第二章高溫合金中納米相的物理化學萃取與鑒定納米相是指利用金相方法觀察的等軸納米級方形或圓形顆粒類析出相、厚度為納米級的片狀或針狀析出相等，這類相利用常規(guī)物理的分析方法一般無法進行全面量化的分析研究。2.1納米相的電解萃取技術相的物理化學萃取是基于合金中第二相與基體陽極鈍化行為的不同而進行的，是第二相處于鈍化狀態(tài)而基體處于活化狀態(tài)，從而將基體溶解而將第二相保留。2.2納米相的定量分離技術共存相的定量分離主要指化學分離，主要基于各相化學穩(wěn)定性不同，而化學穩(wěn)定性依賴于相的晶體結(jié)構(gòu)、元素組成、顆粒大小、形狀及所處介質(zhì)。更據(jù)各相在某種特定電解液中化學穩(wěn)定性的差異，將共存相中一種或幾種相完全溶解，以不溶沉淀的形式而得到定量保留。理化檢測技術進展62.3納米相鑒定技術對高溫合金中各種納米相從合金中定量提取出來并將共存相分離后，需要對其進行定性定量分析和鑒定，才能得到有價值的微觀組織結(jié)構(gòu)參量。常用物理化學檢測技術有納米相的x射線衍射鑒定技術。目前顆粒分布用納米顆粒粒度分布檢測技術常用檢測技術包括激光粒度分析和x射線小角散射分析。理化檢測技術進展7第3章電子探針微區(qū)元素分析技術電子探針顯微分析技術是進行材料微觀組織結(jié)構(gòu)分析和研究重要技術之一，主要用于材料微區(qū)化學元素的定量分析，能在微米尺度對化學元素濃度分布、析出相元素組成等進行定量分析。電子探針（ElectronProbeMicroanalysis-EPMA）的主要功能是進行微區(qū)成分分析。它是在電子光學和X射線光譜學原理的基礎上發(fā)展起來的一種高效率分析儀器。其原理是：用細聚焦電子束入射樣品表面，激發(fā)出樣品元素的特征X射線，分析特征X射線的波長（或能量）可知元素種類；分析特征X射線的強度可知元素的含量。理化檢測技術進展8你理化檢測技術進展9

準確的電子探針定量分析對樣品要求三點

一、樣品表面粗糙度越低越好二、保證分析面與底面完全平行三、要求樣品具有良好的導電性理化檢測技術進展10第4章透射電子顯微分析技術的發(fā)展與應用在透射電子顯微鏡中，利用高能電子束通過試樣時產(chǎn)生的各種信息研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的分析技術。經(jīng)加速的高能電子束通過試樣時和物質(zhì)原子發(fā)生交互作用，形成透射電子、衍射電子等，它們和物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與成分密切相關。單獨利用透射電子束或衍射電子束成像，可以獲得明場像或暗場像；同時利用透射電子束和一束或多束衍射電子束成像，可以得到高分辨結(jié)構(gòu)圖像。明場像、暗場像、高分辨結(jié)構(gòu)圖像，都是反映物質(zhì)內(nèi)部不同層次結(jié)構(gòu)細節(jié)的圖像。理化檢測技術進展11透射電子顯微術透射電子顯微術能夠在原子和分子尺度直接觀察材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；能方便地研究材料內(nèi)部的相組成和分布，以及晶體中的位錯、層錯、晶界和空位團等缺陷，是研究材料微觀組織結(jié)構(gòu)的有力工具。近代透射電子顯微術包括分析衍射譜以獲得衍射物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)和位向的信息，以及利用高能入射束照射試樣微小區(qū)域產(chǎn)生的X射線進行成分分析等內(nèi)容，還包括對不同成像模式下所獲得的各種圖像進行分析以得到其他物質(zhì)結(jié)構(gòu)信息（例如晶體不完整性等）的有關技術。理化檢測技術進展12主要應用一、用于物象鑒定和界面取向分析二、用于微觀缺陷和形變機制研究三、用于高分辨電子顯微術四、用于表面/界面分析技術五、用于航空材料理化檢測技術進展13第5章化學分析技術進展經(jīng)典化學法包括重量法、容量法、光度法、電化學法等電位滴定法測定軟磁合金及高彈性合金中高量鈷電位滴定法是根據(jù)滴定過程中指示電極的突躍來確定滴定終點的一種滴定分析方法適用于中和滴定、沉淀滴定、絡合滴定和氧化還原滴定。軟磁合金及高彈性合金中高量鈷（約50%）的分析適用電位滴定法，可參考的方法有HB5220.25《高溫合金化學分析法鐵氰化鉀電位滴定法測定鈷含量》GB223.20《鋼鐵及合金化學分析電位滴定法測定鈷含量》其方法分析的上限分別為25.00%和30.00%。鈷含量檢測準確性的關鍵因素:消除鉻的干擾、檢測條件的控制。

理化檢測技術進展145.2硫氰酸鹽吸光光度法測定高溫合金中高含量鎢分光光度法是通過測定被測物質(zhì)在特定波長處或一定波長范圍內(nèi)光的吸光度或發(fā)光強度，對該物質(zhì)進行定性和定量分析的方法。根據(jù)光源波長的不同，分光光度法可分為紫外分光光度法，可見分光光度計、紅外分光光度法等幾種。主要特點：應用廣泛、靈敏度高、選擇性好、準確度高、適用濃度范圍廣、分析成本低，操作簡便快速。原理：在6mol/l鹽酸介質(zhì)中，鎢經(jīng)氯化亞錫和三氯化鈦還原至五價，和硫氰酸鹽形成黃色絡合物，于400nm或420nm波長處測量吸光度，從工作曲線上查到鎢量。理化檢測技術進展155.3離子選擇電極法測定氟離子和氯離子電分析化學是利用物質(zhì)的電學和電化學性質(zhì)進行表征和測量的學科。常用離子選擇電極分多種，而目前測試氯、氟的指示電極為固態(tài)膜電極，用單晶體或把晶體沉沉壓成薄片后制成固體薄膜電極。理化檢測技術進展16鉬鐵中鉬的分析鉬鐵是鉬與鐵組成的合金，一般含鉬50%~60%，它的主要用途是冶煉合金鋼、工具鋼、不銹鋼、模具鋼中作為元素加入劑。國家標準分析方法有：GB/T223.26——1989《鋼鐵及合金化學分析方法硫氰酸鹽直接光度法測定鉬量》GB/T223.28——1989《鋼鐵及合金化學分析方法α-安息香肟重量法測定鉬量》GB/T223.27——1994《鋼鐵及合金化學分析方法硫氰酸鹽-乙酸丁脂萃取分光光度法測定鉬量》。理化檢測技術進展17白剛玉、高嶺土、莫來石成分分析技術白剛玉是白色粉末狀固體其質(zhì)地致密、硬度高，粒形成尖角狀。以工業(yè)氧化鋁粉為原料，于電弧中經(jīng)2000度以上高溫熔煉后冷卻制成，經(jīng)粉碎整形，磁選去鐵，篩分成多種粒度。白剛玉適用于制造陶瓷、樹脂固結(jié)磨具以及研磨、拋光、噴砂、精密鑄造（精鑄專用剛玉）等，還可用于制造高級耐火材料。成分以高嶺石為主，含量約占90%左右，粒度小于22m，產(chǎn)于我國江西省高嶺而得名。質(zhì)純的高嶺土具有白度高、質(zhì)軟、易分散懸浮于水中、良好的可塑性和高的粘結(jié)性、優(yōu)良的電絕緣性能；具有良好的抗酸溶性、很低的陽離子交換量、較好的耐火性等理化性質(zhì)。因此高嶺土已成為造紙、陶瓷、橡膠、化工、涂料、醫(yī)藥和國防等幾十個行業(yè)所必需的礦物原料。理化檢測技術進展18莫來石莫來石是一系列由鋁硅酸鹽組成的礦物統(tǒng)稱，這一類礦物比較稀少。莫來石是鋁硅酸鹽在高溫下生成的礦物，人工加熱鋁硅酸鹽時會形成莫來石。莫來石是一種優(yōu)質(zhì)的耐火材料，它具有膨脹均勻、熱震穩(wěn)定性極好、荷重軟化點高、高溫蠕變值小、硬度大、抗化學腐蝕性好等特點，目前主要有高純電熔莫來石、普通電熔莫來石、全天然鋁礬土精礦燒結(jié)莫來石和輕燒莫來石。理化檢測技術進展19鎳包石墨中鎳元素分析技術鎳包石墨屬于金屬—無極非金屬復合粉末。是以石墨為核心，表面包裹金屬鎳的雙組粉末材料，具有結(jié)合強度高、耐高溫、抗氧化、耐沖刷、摩擦系數(shù)低等特性?？捎米?00度以下的可磨耗、自潤滑涂層，如飛機的發(fā)動機、無油潤滑空壓機、有機溶劑輸出泵等的可磨密封部件的噴涂。鎳的分析方法主要有HB5220.3《高溫合金化學分析方法丁二酮肟—EDTA容量法》；GB/T5191《丁二酮肟重量法》YS/T《羰基鎳鐵粉中鎳量測定丁二酮肟—EDTA容量法》。理化檢測技術進展20第6章高溫合金化學成分ICP發(fā)射光譜

分析技術及化學元素間光譜干擾高溫合金是化學成分最復雜的合金材料。按基體可主要分為鎳基、貼鎳基和鈷基三類，高含量的共存元素有Al、Co、Cr、Cu、Fe、Hf、Mo、Mn、Nb、Re、Ta、Ti、W等元素。ICP發(fā)射光譜法（即電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法，簡稱ICP—AES法)是一種以ICP光源為激發(fā)光源，用光學系統(tǒng)將獲得的復合光分解為單色光，并用檢測系統(tǒng)進行光譜波長和強度檢測的分析方法。ICP發(fā)射光譜法以其檢出險低、精密度好、穩(wěn)定性好，除光譜干擾概率較高外，其余各類干擾較少、線性范圍寬、分析速度快等特點已成為化學分析的常規(guī)手段之一。理化檢測技術進展21ICP：InductivelyCoupledPlasma

電感耦合等離子體等離子體“高溫下電離氣體（Ionized

gas）”“離子狀態(tài)”“陽離子和電子數(shù)幾乎相等”等離子體的最高溫度10000K元素被激發(fā)（發(fā)光源）→ICP發(fā)射光譜分析等離子體磁力線高頻耦合線圈樣品粒子理化檢測技術進展22電感耦合等離子體光源（ICP）等離子體（Plasma）—一般指電離度超過0.1%被電離了的氣體，這種氣體不僅含有中性原子和分子，而且含有大量的電子和離子，且電子和正離子的濃度處于平衡狀態(tài)，從整體來看是出于中性的理化檢測技術進展23離子?發(fā)射光譜的產(chǎn)生◆在等離子體中元素原子化、離子化◆在等離子體中元素發(fā)射特征波長的光理化檢測技術進展24ICP發(fā)射光譜分析的基本原理

ICP發(fā)射光譜分析過程主要分為三步,即激發(fā)、分光和檢測.利用等離子體激發(fā)光源（ICP）使試樣蒸發(fā)汽化,離解或分解為原子狀態(tài)，原子可能進一步電離成離子狀態(tài)，原子及離子在光源中激發(fā)發(fā)光。利用光譜儀器將光源發(fā)射的光分解為按波長排列的光譜。利用光電器件檢測光譜，按測定得到的光譜波長對試樣進行定性分析，按發(fā)射光強度進行定量分析理化檢測技術進展25ICP-AES的特長溶液進樣、標準溶液易制備高靈敏度（亞ppb～）高精度（CV<1%）化學干擾少線性范圍寬（５～６個數(shù)量級）可同時進行多元素的定性定量分析理化檢測技術進展26可以分析的樣品1:金屬(鋼鐵,有色金屬)2:化學,藥品,石油,樹脂,陶瓷3:生物,醫(yī)藥,食品4:環(huán)境(自來水,環(huán)境水,土壤,大氣粉塵)5:可以分析其他各種各樣樣品中的金屬備注:固體樣品必須進行前處理(液化)理化檢測技術進展27ICP光源的氣流冷卻氣—起冷卻作用，保護石英炬管免被高溫融化輔助氣—“點燃”等離子體霧化氣—形成樣品氣溶膠將樣品氣溶膠引入ICP

對霧化器、霧化室、中心管起清洗作用理化檢測技術進展28Fassel炬管理化檢測技術進展29等離子炬管外層管：外層管通Ar氣作為冷卻氣，沿切線方向引入，并螺旋上升，其作用：第一，將等離子體吹離外層石英管的內(nèi)壁，可保護石英管不被燒毀；第二，是利用離心作用，在炬管中心產(chǎn)生低氣壓通道，以利于進樣；第三，這部分Ar氣流同時也參與放電過程中層管：中層管通人輔助氣體Ar氣，用于點燃等離子體。內(nèi)層管：內(nèi)層石英管內(nèi)徑為1~2mm左右，以Ar為載氣，把經(jīng)過霧化器的試樣溶液以氣溶膠形式引入等離子體中。

理化檢測技術進展30氣動霧化器氣動霧化器的結(jié)構(gòu)簡單，通常分為同軸型霧化器和直角型霧化器。同軸型霧化器結(jié)構(gòu)簡單，易于制作，應用較為普遍。直角型霧化器不易被懸浮物質(zhì)堵塞。但霧化效率較低，噴嘴容易堵塞，進樣速度受載氣壓力的影響。改用蠕動泵驅(qū)動霧化器，可避免載氣壓力對樣品提升量的影響。

理化檢測技術進展31ICP發(fā)射光譜分析方法定性分析定量分析半定量分析需進行使樣品溶液化的前處理理化檢測技術進展32定量分析工作曲線法標準樣品的組成與實際樣品一致在工作曲線的直線范圍內(nèi)測定使用無干擾的分析線理化檢測技術進展33定量分析標準加入法測定范圍的工作曲線的直線性溶液中干擾物質(zhì)濃度必須恒定應有1-3個添加樣品使用無干擾的分析線進行背景校正理化檢測技術進展34定量分析內(nèi)標法在試樣和標準樣品中加入同樣濃度的某一元素（內(nèi)標元素），利用分析元素和內(nèi)標元素的譜線強度比與待測元素濃度繪制工作曲線，并進行樣品分析。理化檢測技術進展35定性分析定性分析要確認試樣中存在某個元素，需要在試樣光譜中找出三條或三條以上該元素的靈敏線，并且譜線之間的強度關系是合理的；只要某元素的最靈敏線不存在，就可以肯定試樣中無該元素。理化檢測技術進展36半定量分析半定量分析有些樣品不要求給出十分準確的分析數(shù)據(jù)，允許有較大偏差，但需要盡快給出分析數(shù)據(jù)，這類樣品可采用半定量分析法。ICP光源的半定量分析尚無通用方法，因儀器類型和軟件功能而異，應用不廣泛。理化檢測技術進展37靈敏度、檢出限、背景等效濃度靈敏度：S=dX/dc單位濃度變化所引起的響應量的變化,它相當于工作曲線的斜率檢出限:ICP光譜分析中,能可靠地檢出樣品中某元素的最小量或最低濃度.背景等效濃度(BEC)：與背景信號相當?shù)臐舛取?/p>

理化檢測技術進展38ICP發(fā)射光譜分析中的干擾物理干擾化學干擾電離干擾光譜干擾理化檢測技術進展39干擾的校正基體匹配可消除物理、電離干擾。注意不純物的混入。內(nèi)標校正可消除物理干擾。注意內(nèi)標元素的選擇(電離電位)。背景校正理化檢測技術進展40扣除光譜背景

理化檢測技術進展41譜線干擾的校正

選擇無干擾的譜線

干擾系數(shù)法校正譜線干擾稀釋樣品理化檢測技術進展42注意事項進樣前進樣系統(tǒng)的檢查。測定后進樣系統(tǒng)的檢查和清洗。廢液桶中的廢液要經(jīng)常清理。炬管，霧化器，霧室的清洗。冷卻水，真空泵油，分子篩的定期更換。理化檢測技術進展43第7章原子吸收光譜技術進展、原子吸收光譜分析原理原子吸收光譜分析的波長區(qū)域在近紫外區(qū)。其分析原理是將光源輻射出的待測元素的特征光譜通過樣品的蒸汽中待測元素的基態(tài)原子所吸收，由發(fā)射光譜被減弱的程度，進而求得樣品中待測元素的含量，它符合郎珀-比爾定律A=-lgI/Io=-lgT=KCL式中I為透射光強度，Io為發(fā)射光強度，T為透射比，L為光通過原子化器光程理化檢測技術進展44由于L是不變值所以A=KC該式是原子吸收分析測量的理論依據(jù)。K值是一個與元素濃度無關的常數(shù)，實際上是標準曲線的斜率。只要通過測定標準系列溶液的吸光度，繪制工作曲線，根據(jù)同時測得的樣品溶液的吸光度，在標準曲線上即可查得樣品溶液的濃度。理化檢測技術進展45原子吸收光譜分析的特點選擇性好靈敏度高精密度高可操作方便、快速分析范圍廣理化檢測技術進展46原子吸收光譜儀、原子吸收光譜儀結(jié)構(gòu)原子吸收光譜儀由光源、原子化器、光學系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)工作站組成。光源提供待測元素的特征輻射光譜；原子化器將樣品中的待測元素轉(zhuǎn)化為自由原子；光學系統(tǒng)將待測元素的共振線分出；檢測系統(tǒng)將光信號轉(zhuǎn)換成電信號進而讀出吸光度；數(shù)據(jù)工作站通過應用軟件對光譜儀各系統(tǒng)進行控制并處理數(shù)據(jù)結(jié)果理化檢測技術進展47原子吸收分析方法根據(jù)原子化的手段不同，現(xiàn)有原子吸收最常用的有火焰法（FAAS）、石墨爐法（GFAAS）和氫化物發(fā)法（HGAAS）三大類。理化檢測技術進展48第8章現(xiàn)場材料牌號鑒別技術看譜分析技術看譜分析技術是發(fā)射光譜分析方法的一種。通過目視觀察樣品在電弧或火花光源激發(fā)下輻射產(chǎn)生的可見光譜區(qū)內(nèi)樣品光譜的譜線，并根據(jù)各組元素譜線亮度來判斷樣品中各種元素的大致含量或含量范圍，來確定合金類別及牌號的方法，所以儀器成為看譜鏡。理化檢測技術進展49特點及應用價格低廉（約1萬~2萬）、攜帶方便、操作簡單、耐用看譜分析直觀全景好，可目視觀測樣品光譜全貌及光譜結(jié)構(gòu)特征，但目視觀測精度不高，主要用于合金元素定性半定量測定，重點是測定合金組分元素及其大致含量或含量范圍，從而確定樣品所屬合金類別或牌號。理化檢測技術進展50應用

看譜分析主要用于金屬材料出入庫合金牌號的現(xiàn)場鑒別、故障分析以及廢舊金屬的分類、回收等。是確保產(chǎn)品質(zhì)量的一種簡便、經(jīng)濟、高效、快速的合金牌號分析手段。主要應用在以下方面：未知金屬及合金組分元素的定性分析合金元素半定量測量合金牌號鑒別與鑒定理化檢測技術進展518.2便攜式光譜儀類別便攜式光譜儀主要有兩種類型（1）手持式X射線能量色散熒光光譜儀采用放射性同位素和小功率X光管激發(fā)樣品x射線熒光光譜，用半導體檢測器檢測。（2）移動式光電光譜儀采用電弧或低壓火花激發(fā)樣品原子發(fā)射光譜，用光電增管或CCD檢測器檢測。理化檢測技術進展52便攜式光譜儀應用特點1、手持式光譜儀無損測量不依賴標準物質(zhì)無火患危險“小點模式”可分析焊縫、小樣品樣品適應性強，可用于固體、粉末、液體分析不能測量輕元素（Z<22以下的元素）。能量色散分辨率不高，干擾概率高。理化檢測技術進展53移動式光譜儀特點

測量元素種類不受限制。對樣品有局部燒蝕“小樣品模式”測量需要特殊匹配需要標準物質(zhì)校正精密不及手持式，但干擾概率小不能測量輕元素（Z<22以下的元素）。理化檢測技術進展54第9章材料中氣體元素分析技術氣體元素在金屬中以三種狀態(tài)存在：固溶體；化合物；氣體分子。當氣體分子在一定條件下被金屬溶解進入到金屬內(nèi)部與金屬原子形成固溶體，此時氣體是以原子或離子狀態(tài)存在的。當氣體元素與金屬發(fā)生化合反應生成化合物后，便會以夾化合物形態(tài)存在于金屬中。理化檢測技術進展55材料中的碳、硫分析技術紅外碳硫分析儀采用高頻燃燒爐配合紅外碳硫分析儀能快速、準確地測定鐵合金、高中低鋼、錳鋼、鑄造用材料、灰、球鐵、礦石、硅鐵、錳鐵、鎳鐵、個鐵等各種材料。分析碳硫兩個元素各16個通道共32個通道可任意搭配選擇范圍寬。理化檢測技術進展56紅外碳硫分析儀的分析的原理