材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)試驗(yàn)講義

1、材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)講義華南農(nóng)業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院現(xiàn)代材料科學(xué)與工 程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)講義 供材料科學(xué)專業(yè)本科生使用胡航2016-02-30實(shí)驗(yàn)一金屬納米顆粒的化學(xué)法制備一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與目的1. 了解并掌握金屬納米顆粒的化學(xué)法制備過(guò)程并制備Au或Ag納米顆粒。2. 了解金屬納米顆粒的光學(xué)特征。二、實(shí)驗(yàn)原理概述化學(xué)制備法是制備金屬納米微粒的一種重要方法，在基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用 中被廣泛采用。貴金屬納米顆粒的化學(xué)法制備主要有溶膠凝膠法、電鍍法、氧 化還原法等。其中氧化還原法又包括熱分解和輻照分解等。貴金屬納米顆粒具 有廣泛的應(yīng)用，如生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的殺菌，物理化學(xué)領(lǐng)域的催化等。本實(shí)驗(yàn)以金 膠為例介紹交替法制備貴

2、金屬納米顆粒，并以硝酸銀在烷基胺中的熱分解為例 介紹表面活性劑中氧化還原法制備貴金屬納米顆粒。1 .膠體金屬(Au、Ag)的成核與生長(zhǎng)總的來(lái)說(shuō)，化學(xué)法制備金屬納米粒子都是讓還原劑提供電子給溶液中帶正 電荷的金屬離子形成金屬原子。如，對(duì)于制備膠體金，如果采用檸檬酸三鈉作 為還原劑，其反應(yīng)過(guò)程如下：HAuCl 4 + HOC(CH 2)2(CO2)3-70 Au 粒子+C1+C02+HCO 2H+CO(CH 2)2(CO 2)2+2 .硝酸銀熱分解法制備銀納米粒子熱分解法制備金屬納米顆粒原理簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)過(guò)程易操作。對(duì)制備數(shù)納米到 數(shù)十納米尺寸范圍的納米顆粒有較大優(yōu)勢(shì)。硝酸銀在烷基胺中加熱攪拌可形成

3、澄清透明溶液。溫度上升到150200 C時(shí)，溶液顏色由淺色到深色快速變化， 生成的銀納米顆粒被烷基胺包裹，穩(wěn)定在溶液中。通過(guò)對(duì)樣品洗滌、離心沉淀， 可獲得烷基胺包裹的銀納米粒子。三、實(shí)驗(yàn)方法與步驟(一)實(shí)驗(yàn)儀器與材料硝酸銀，檸檬酸三鈉，油胺或十八胺，十八烯(ODE),無(wú)水乙醇，配有溫 度調(diào)控和磁力攪拌的油浴加熱器，三頸瓶，抽氣頭，濾膜，溫度計(jì)套管，10 mL量筒，分析天平，玻璃滴管，離心管，離心機(jī)，電熱干燥箱(二)實(shí)驗(yàn)方法與操作步驟1 .貴金屬膠體的制備(1)對(duì)所有所需用的容器用硫酸清洗，用去離子水沖洗3遍，放入干燥箱烘干。(2)配置0.01%的氯金酸(硝酸銀)溶液和1%的檸檬酸三鈉溶液。(3

4、)把50 mL的氯金酸(硝酸銀)溶液加熱至沸騰后加入1 mL的檸檬酸三鈉溶液，再加熱5-10 min。(4)停止加熱后把制得的膠體金用過(guò)濾薄膜過(guò)濾。(5)重復(fù)(3)、(4)步驟制備氯金酸(硝酸銀)溶液和檸檬酸三鈉溶液體 積比為(50:2) (50:10)的膠體金屬。(6)將制得的膠體金用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)其吸收光譜。(7)清洗使用過(guò)的儀器，藥品放回原處。2 .硝酸銀熱分解制備Ag納米顆粒(1)對(duì)所有所需用的容器用硫酸清洗，用去離子水沖洗3遍，然后用無(wú)水乙醇沖洗，放入干燥箱烘干。(2)稱取0.5 g硝酸銀，放入三頸瓶。(3)分表量取ODE5 mL,油胺5mL (或者稱取4g十八胺)加入三頸瓶

5、。(4)三頸瓶連接抽氣頭通入 Ar放入油浴。(5)在磁力攪拌下，油浴升溫到 180 C并保持10 min。(6)用玻璃滴管取0.5 mL樣品放入離心管，加入5mL無(wú)水乙醇并振蕩使 混合均勻以清洗烷基胺。(7)離心沉淀并重復(fù)加入5 mL無(wú)水乙醇反復(fù)清洗3遍。(8)把所獲得的Ag納米顆粒分散于甲苯中并測(cè)量吸收光譜。(9)對(duì)所用的容器進(jìn)行清洗，再用去離子水沖洗 3遍，放入干燥箱烘干后 放回原處。四、思考與討論1 .在制備Ag納米顆粒的過(guò)程中，所用容器為什么用去離子水清洗？2 .制備過(guò)程中，Ag納米顆粒的生長(zhǎng)受什么因素影響？如何獲得不同尺寸的 Ag納米顆粒？3 .在分解硝酸銀制備納米顆粒的實(shí)驗(yàn)中為什么

6、要用烷基胺？實(shí)驗(yàn)二水熱法合成TiO2納米材料一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與目的1 . 了解水熱法制備無(wú)機(jī)氧化物納米材料的原理和特點(diǎn)。2 .掌握水熱法制備TiO2納米材料的方法和步驟。3 .熟悉納米材料的表征方法如 X射線粉末衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡 (SEM)、透射電子顯微鏡(TEM )等。二、實(shí)驗(yàn)原理概述納米材料具有不同尋常的物理和化學(xué)性能，是目前材料科學(xué)研究領(lǐng)域的熱 點(diǎn)。由于納米材料強(qiáng)烈的尺寸和形貌依賴性，因此控制納米材料尺寸和形貌稱 為當(dāng)前納米材料研究的重要方向。現(xiàn)階段用于納米粒子合成的方法主要有物理 方法和化學(xué)方法，其中化學(xué)方法合成得到的納米粒子純度更高，粒度分布更均 勻，而且形貌可控，從而應(yīng)用

7、更廣。在眾多方法中，水熱法作為無(wú)機(jī)合成化學(xué) 中的一個(gè)重要分支，成為納米粒子的尺寸形貌控制合成的常用方法。水熱法最初是模擬然界中某些礦石的形成過(guò)程而發(fā)展起來(lái)的，通常是指在 密閉的反應(yīng)體系中，以水作為反應(yīng)介質(zhì)，將反應(yīng)器加熱到一定的溫度 (1001000 C),是反應(yīng)器中具有一定填充度的水溶劑膨脹充滿整個(gè)容器而產(chǎn)生 很高壓力的條件下，進(jìn)行無(wú)機(jī)合成和材料制備的一種有效方法。在水熱條件下， 水主要起到兩個(gè)作用：液態(tài)或氣態(tài)的水是傳遞壓力的媒介；同時(shí)水作為溶劑， 由于在高壓下絕大多數(shù)反應(yīng)物都能溶于水，可促使反應(yīng)在氣相或液相中進(jìn)行。水熱法合成氧化物納米材料中，一般都是以金屬鹽、氧化物或氫氧化物作 為反應(yīng)物，以

8、水作為溶劑，在加熱過(guò)程中，這些金屬鹽、氧化物或氫氧化物的 溶解度隨文帝、壓力的升高二增加，形成所需的氧化物的過(guò)飽和溶液，并逐漸 成核生長(zhǎng)，最終獲得所需的氧化物納米材料。整個(gè)反應(yīng)過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力就是可溶 的前驅(qū)體或中間產(chǎn)物與最后穩(wěn)定的氧化物之間的溶解度差。因此可以說(shuō)，水熱 法的實(shí)質(zhì)是使納米粒子在高溫高壓下從過(guò)飽和溶液中生長(zhǎng)出來(lái)。這種發(fā)發(fā)在分 子設(shè)計(jì)上具有其特有的有事，可以通過(guò)對(duì)前驅(qū)體材料結(jié)構(gòu)中的次級(jí)結(jié)構(gòu)單元拆 開(kāi)、修飾并重新組裝；也可以通過(guò)選擇反應(yīng)條件加入適當(dāng)?shù)?模板劑”或礦化劑” 控制產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)。二氧化鈦(TiO2)是一種非常重要的化工原理，被廣泛用于顏料、造紙、 涂料、油漆、橡膠、陶瓷等各種行業(yè)

9、中。隨著粒子尺寸的降低，納米二氧化鈦 顯示出許多特殊效果，如表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，因而在 光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)等方面與普通二氧化鈦有著顯著的不 同。如，納米二氧化鈦具有獨(dú)特的抗紫外線、抗菌、光催化等特性，已廣泛應(yīng) 用于光觸材料、抗菌陶瓷、抗紫外化妝品、抗菌涂料、汽車漆等。本實(shí)驗(yàn)將直 接以普通的TiO2粉末為原料，采用水熱法，在堿性條件小利用水熱條件產(chǎn)生的 高溫、高壓環(huán)境來(lái)重結(jié)晶合成 TiO2納米粉體，并通調(diào)節(jié)反應(yīng)條件如反應(yīng)溫度和 反應(yīng)時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)所得TiO2納米粉體的尺寸和形貌。三、實(shí)驗(yàn)方法和步驟(一)主要實(shí)驗(yàn)試劑及儀器實(shí)驗(yàn)試劑：二氧化鈦、氫氧化鈉、蒸儲(chǔ)水、無(wú)水

10、乙醇等。實(shí)驗(yàn)儀器：燒杯、量筒等玻璃儀器若干、電子天平、水熱反應(yīng)釜、磁力攪 拌器、程序控溫恒溫箱、離心機(jī)等。表征儀器：X射線粉末衍射儀、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等。(二)實(shí)驗(yàn)步驟(1)稱取0.2 g二氧化鈦粉末，加入到 10 mL2 mol/L的NaOH水溶液中， 攪拌，(2)攪拌10 min后，將上述溶液轉(zhuǎn)移入帶聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓釜中，旋緊密閉后將高壓釜放入烘箱中。(3)調(diào)節(jié)烘箱溫度為180 C,使之加熱到180 C并保持6 h后將反應(yīng)釜取 出。(4)待反應(yīng)釜冷卻至室溫，打開(kāi)分反應(yīng)釜，取出溶液得白色細(xì)小微粒沉淀 為所得產(chǎn)物，產(chǎn)物經(jīng)李鑫分離并相繼用蒸儲(chǔ)水和無(wú)水乙醇多次洗滌后，在空氣 中干

11、燥。(5)所得產(chǎn)物用X射線粉末衍射來(lái)確定其物相，用掃描電子顯微鏡和透射 電子顯微鏡來(lái)觀察其尺寸和形貌。(6)改變實(shí)驗(yàn)條件，如反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間，在 120220 C下分表保持 472 h,研究不同反應(yīng)條件對(duì) TiO2納米粉體尺寸和形貌的影響。四、思考與討論1 .水熱法合成納米材料具有哪些特點(diǎn)？2 .利用水熱法，如何控制所得氧化物納米粉體的尺寸和形貌?3 .查閱資料簡(jiǎn)要說(shuō)明水熱法取向生長(zhǎng)一維納米材料的原因。實(shí)驗(yàn)三 金屬有機(jī)物熱分解法制備 LaNiO 3導(dǎo)電氧化物薄膜一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與目的1 .掌握金屬有機(jī)物熱分解法的基本原理、了解其在材料合成、制備領(lǐng)域的 應(yīng)用。2 . 了解導(dǎo)電氧化物的導(dǎo)電特性及其應(yīng)

12、用。3 .掌握浸漬法（dip-coating）制備薄膜的方法。二、實(shí)驗(yàn)原理（一）金屬有機(jī)物分解法的原理金屬有機(jī)物分解法（metalorganic decomposition, MOD是濕化學(xué)法沉積薄 膜的一種重要方法，近年來(lái)得到了很大發(fā)展，已成功地用于一系列薄膜的制備， 包括鐵電薄膜、超導(dǎo)薄膜和導(dǎo)電氧化物薄膜。其中最成功的應(yīng)用就是SrBi2Ta2O9 （SBT）鐵電薄膜的制備，具前體溶液已經(jīng)商業(yè)化。其基本過(guò)程是將不同的金屬有機(jī)源（主要為金屬竣酸鹽，如異辛酸鹽等） 溶入適當(dāng)有機(jī)溶劑，將其混合成所需的陽(yáng)離子濃度的前體溶液，再以適當(dāng)技術(shù) （如甩膠法、浸漬法、噴涂法）沉積到襯底，制成濕膜，烘干后，去掉

13、不必要 的溶劑，并分解掉金屬有機(jī)物，得到無(wú)機(jī)薄膜。達(dá)到所需厚度后，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步 熱處理，來(lái)控制薄膜結(jié)構(gòu)。通常要求金屬有機(jī)源易合成、純化，無(wú)毒或低毒， 穩(wěn)定性好，具有合適的分解溫度，高的金屬含量及在常用的溶劑中具有良好的 溶解性能。（二）導(dǎo)電氧化物的背景介紹導(dǎo)電聚合物種類豐富，最著名的當(dāng)屬透明導(dǎo)電氧化物ITO （In2O3:Sn）,已經(jīng)大規(guī)模地應(yīng)用于平板顯示器領(lǐng)域。導(dǎo)電氧化物最主要是作為電極材料來(lái)使用， 包括電池、燃料電池、磁流體發(fā)電的電極等。LaNiO3是一種局域鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電金屬氧化物，其鷹立方晶胞參數(shù)為 0.384 nm,與PbTiO3、PZT、BaTiO3 等鐵電薄膜的晶格參數(shù)相匹配。使

14、用 LaNiO3作為電極，有利于鐵電薄膜的擇優(yōu) 取向和外延生長(zhǎng)，有利于改善鐵電薄膜的疲勞問(wèn)題。（三）浸漬法簡(jiǎn)介浸漬法鍍膜就是把需鍍膜的樣品，放入配置好的前體溶液中，然后拿出烘干，熱處理。這種鍍膜方法，工藝簡(jiǎn)單，是室溫下操作，無(wú)需昂貴的設(shè)備，可 以再?gòu)?fù)雜的樣品形狀表面鍍膜。多次重復(fù)上述過(guò)程，就獲得所需厚度的膜。三、實(shí)驗(yàn)方法與步驟（一）實(shí)驗(yàn)儀器與材料電子天平，磁力攪拌器，紅外快速烘箱（或鼓風(fēng)干燥箱），管式爐，熱臺(tái)， 玻璃儀器，X射線衍射儀。異辛酸（化學(xué)純），乙酸鍥（分析純），乙酸錮（分析純），乙酸丁酯（分析 純），氨水（分析純），雙氧水（分析純），鹽酸（分析純），（100）硅片（P5 Q cm）,

15、 石英燒杯，石英清洗架，石英舟。（二）實(shí)驗(yàn)方法與操作步驟1 .基片清洗（1）按照半導(dǎo)體工藝的 RCA配方，在通風(fēng)櫥里配置堿性、酸性清洗劑。堿性清洗劑：NH 3 H2O: H2O2: H2O=1:2:5;酸性清洗劑:HCl : H2O2: H2O=1:2:6。（2）將硅片放在石英清洗架上，放入石英燒杯中，加堿性清洗劑至浸過(guò)基 片約1 cm處，蓋上培養(yǎng)皿，放在通風(fēng)櫥內(nèi)的電爐上加熱至沸騰。 滾沸5 min后, 關(guān)閉電源。將殘余溶液導(dǎo)入廢液缸，用去離子水淋洗石英燒杯和石英清洗架上 的基片3遍。（3）將酸性清洗劑倒入石英燒杯中，重復(fù)上面的步驟，進(jìn)行酸洗。（4）將去離子水導(dǎo)入石英燒杯中，重復(fù)煮沸的步驟 2

16、遍，每次3min。（5）最后將清洗干凈的基片放入紅外快速烘箱中烘干，待甩膜用。2 .前體溶液配制（1）異辛酸錮的合成：將乙酸錮榮譽(yù)去離子水，然后緩緩加入異辛酸的氨 水溶液，并不斷攪拌，即有白色泡沫狀固體不斷析出，過(guò)濾后用去離子水多次 淋洗，得到異辛酸錮固體，干燥待用。（2）異辛酸鍥的合成：將乙酸鍥溶于去離子水，然后緩緩加入異辛酸的氨 水溶液，并不斷攪拌，即有黏稠的綠色異辛酸鍥生成，用乙酸丁酯將異辛酸鍥 萃取出來(lái)，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)去除溶劑，即得到異辛酸鍥。（3）前體溶液配制：將異辛酸錮和異辛酸鍥按照1:1化學(xué)計(jì)量比溶解于乙酸丁酯中，配制成濃度為0.1 mol/L的溶液。3 .薄膜沉積與熱處理(1)接通熱

17、臺(tái)電源，溫度升到150 C穩(wěn)定。(2)用銀子夾著清洗好的基片一角浸漬在前體溶液中，待充分浸潤(rùn)后，去除，用濾紙吸去襯底背面的溶液，放在熱臺(tái)上烘烤5 min,然后放入石英舟中。(3)高溫?zé)崽幚恚簩⒐苁綘t升溫到 600 C,將放置了薄膜樣品的石英舟，用帶鉤子的石英玻璃桿推入管式爐，在流動(dòng)的氧氣分為中，恒溫半小時(shí)，取出石英舟，(測(cè)量方塊電阻)。然后重復(fù)浸漬、干燥和高溫?zé)崽幚磉^(guò)程35次，獲得所需樣品。4*.測(cè)量方塊電阻使用方塊電阻測(cè)試儀測(cè)量不同層數(shù)薄膜表面的方塊電阻，記下電阻值的波 動(dòng)范圍。四、思考與討論1 .金屬有機(jī)物分解法和溶膠凝膠法制備薄膜有何異同？2 .甩膜前，基片為什么必須進(jìn)行清洗？酸、堿清洗

18、液各起什么作用？3 .浸漬法和甩膠法有何異同？4*.隨著LaNiO3沉積層數(shù)的增加，薄膜的方塊電阻會(huì)怎樣變化？為什么？實(shí)驗(yàn)四醇鹽水解法制備納米二氧化硅微粒及表征一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與目的1 .掌握溶膠-凝膠法制備納米二氧化硅的基本原理和方法。2 .通過(guò)納米二氧化硅實(shí)驗(yàn)制備過(guò)程，了解溶膠減膠法制備過(guò)程中的溶劑、 催化劑及溫度對(duì)所得產(chǎn)物的影響。3 .掌握激光光散射測(cè)定納米微粒粒徑的方法。二、實(shí)驗(yàn)原理概述正硅酸乙酯（TEOS）的水解是利用濕化學(xué)方法制備新型玻璃、陶瓷及其他 無(wú)機(jī)功能材料的嶄新方法，也被稱為溶膠-凝膠方法。所謂溶膠-凝膠法是指金屬 有機(jī)或無(wú)機(jī)化合物經(jīng)水解形成溶膠，然后溶膠中溶質(zhì)再進(jìn)一步聚合凝膠

19、化得到 濕凝膠，再將凝膠干燥、焙燒去除有機(jī)成分，最后得到無(wú)機(jī)材料。納米SiO2是一種無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)污染的無(wú)機(jī)非金屬材料，是目前工業(yè)化產(chǎn)量最大和應(yīng)用最 為廣泛的無(wú)機(jī)納米材料，其分子狀態(tài)呈三維鏈狀結(jié)構(gòu)，初級(jí)粒子粒徑一般在 10-60 nm,相對(duì)密度2.3192.653,熔點(diǎn)1750 C。由于其具有小尺寸效應(yīng)、表 面界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀兩字隧道效應(yīng)，納米二氧化硅顯示出卓越的 性能和功能，可廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。在本實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)TEOS的水解與縮合來(lái)制備納米 SiO2,氨水的加入起催 化作用。當(dāng)TEOS在極稀濃度中水解時(shí)，其水解反應(yīng)是一級(jí)反應(yīng)，水解速率取 決于TEOS的濃度。但當(dāng)TEOS濃度增大

20、時(shí)，此反應(yīng)變成了復(fù)雜的二級(jí)房源。 堿催化水解的反應(yīng)歷程，可用親核取代反應(yīng)機(jī)理解釋：TEOS分子中的硅原子周 圍有4個(gè)烷氧基-OR（-OC 2H5）與之結(jié)合，在堿性催化劑（NH4OH）參與下，OH- 對(duì)硅原子核發(fā)動(dòng)親核進(jìn)攻，使硅原子帶負(fù)電，并導(dǎo)致電子眼向另一側(cè)的OR-基團(tuán)偏移，使該基團(tuán)的Si-O鍵被削弱而斷裂，發(fā)生水解，水解單體在 Si-OH基之 間，以及Si-OH基與Si-OR基發(fā)生脫水或脫醇聚合反應(yīng)，形成Si-O-Si鏈,Si-O-Si 鏈之間不斷交聯(lián)，最終形成顆粒狀聚集體。在TEOS的反應(yīng)過(guò)程中，第一步水解反應(yīng)和第二步縮合反應(yīng)是同時(shí)進(jìn)行的， 所以稱這兩步生成的混合物為溶解，第三步聚合反應(yīng)生

21、成的三位網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)成為 凝膠。在TEOS水解過(guò)程中，溶劑的存在起了重要作用。由于 TEOS在常溫下 與水不共溶，而其水解反應(yīng)必須有水參與，所以，為例使反應(yīng)在均相體系中進(jìn) 行，必須選擇一個(gè)共溶的溶劑，醇類是最常用的共溶溶劑，研究表明，使用甲 醇或乙醇作溶劑，對(duì)TEOS水解反應(yīng)的性質(zhì)影響不明顯，但對(duì)最后凝膠的結(jié)構(gòu)、 孔徑的大小有影響。除了甲醇、乙醇外，還可以使用其他溶劑如二氧六環(huán)、乙 二醇、丙三醇、DMF、丙酮、四氫吠喃等。三、實(shí)驗(yàn)方法與步驟1 .樣品的制備實(shí)驗(yàn)(1)在一個(gè)250 mL的三口瓶上，裝上磁力攪拌器、球形冷凝管、溫度計(jì) 和恒壓滴液漏斗，開(kāi)冷凝水。(2)量取30 mL乙醇、30 mL蒸儲(chǔ)水

22、加入到圓底燒瓶中，再向起哄加入5.4 mL25%的氨水。(3)量取7 mL正硅酸乙酯，加入到恒壓滴液漏斗中，油浴加熱到40 C,攪拌條件下滴加到圓底燒瓶中，約 15 min滴加完畢，再反應(yīng)1 h后，停止加熱。(4)將所得產(chǎn)物靜置，沉降，得到納米二氧化硅膠體，洗滌，分離，干燥 后得到產(chǎn)物。2 .實(shí)驗(yàn)樣品的表征測(cè)試(1)取1 mL上述膠體溶液，在離心機(jī)上 8000 r/min離心分離5 min,棄 去上層清液，沉淀用誰(shuí)洗滌，再離心分離，重復(fù) 3次，用蒸儲(chǔ)水、超聲分散后， 激光粒度儀測(cè)定粒徑的大小和分布。(2)取2 mL納米二氧化硅混合溶液，加入到光散射比色皿中，測(cè)定粒徑。納米微粒的粒徑和粒徑分布在

23、 Brookhaven的90 Plus Particle Size Analyze動(dòng)態(tài) 光散射儀上測(cè)定。激光的波長(zhǎng)為 633 nm,入射角是90 ,每個(gè)樣品平均測(cè)定3 次，每次掃描60 s,溫度為25 C。所得的粒徑是三次測(cè)量的平均值。四、思考與討論1 .試說(shuō)明制得的納米二氧化硅離心分離和洗滌的目的是什么？2 .試查閱文獻(xiàn)，簡(jiǎn)述常用的制備納米二氧化硅的方法及其優(yōu)缺點(diǎn)。3 .簡(jiǎn)述采用動(dòng)態(tài)光散射測(cè)定納米微粒粒徑的影響因素。實(shí)驗(yàn)五粉末X射線衍射及物相定性分析一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與目的1 .掌握X射線衍射的基本原理。2 .通過(guò)X射線衍射儀的構(gòu)造及操作步驟。3 .掌握粉末X射線衍射測(cè)定及物相定性分析方法。、實(shí)驗(yàn)

24、原理概述（一）X射線衍射基本原理1 .布拉格方程2dhkisinr 二式中，dhkl為在簡(jiǎn)化布拉格方程中稱衍射面間距或面網(wǎng)間距；6為布拉格角或掠射角；K為入射X射線波長(zhǎng)。2 .粉晶X射線衍射原理用特征X射線射到多晶粉末（或塊狀）上獲得衍射圖譜或數(shù)據(jù)的方法稱為 粉晶法或粉末法。當(dāng)單色 X射線以一定的入射角射向粉晶時(shí)，無(wú)規(guī)排列的粉晶 中，總有許多小晶粒的某些面網(wǎng)處于滿足布拉格方程的位置，因而產(chǎn)生衍射。 所以，粉晶衍射圖譜是由無(wú)數(shù)小晶粒各衍射面產(chǎn)生衍射疊加的結(jié)果。當(dāng)單色X射線照射到粉晶樣品上，若其中一個(gè)晶粒的一組面網(wǎng)（ hkl）取向 和入射光X射線夾角為0,滿足衍射條件，則在衍射角 26 （衍射線與

25、入射X射 線的延長(zhǎng)線的夾角）處產(chǎn)生衍射。由于晶粒的取向機(jī)遇，因而與入射線夾角為 2日的衍射線不止一條，而是頂角為 29*2的衍射圓錐面，如圖5.1所示。圖5.1衍射圓錐面晶體中有許多面網(wǎng)組，其衍射線相應(yīng)地形成許多以樣品為中心、入射線為 軸、張角不同的衍射圓錐面，即粉晶x射線衍射形成中心角不同的系列圓錐面。 通常稱這種同心圓為德拜環(huán)。如果使粉晶衍射儀的探測(cè)器以一定的角度繞樣品旋轉(zhuǎn)，則可接收到粉晶中 不同面網(wǎng)、不同取向的全部衍射線，獲得相應(yīng)的衍射譜圖。(二)x射線衍射儀構(gòu)造與原理X射線衍射儀主要有X射線發(fā)生器、測(cè)角儀、X射線輻射探測(cè)器、射線數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)和各種電氣系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)組成，其過(guò)程為X射線

26、管發(fā)出單色X射線照射到樣品上，所產(chǎn)生的衍射線光子用輻射探測(cè)器接收，經(jīng)檢測(cè)電路放大處 理后在顯示或記錄裝置上給出衍射數(shù)據(jù)和譜線，如圖5.2所示。圖5.2 X射線衍射儀結(jié)構(gòu)示意圖(三)X射線物相分析原理和方法(1)譜圖直接對(duì)比法(2)數(shù)據(jù)對(duì)比法(3)計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢索鑒定法三、實(shí)驗(yàn)方法與步驟(一)樣品制備方法1 .粉晶樣品的制備(1)將被測(cè)試試樣在瑪瑙研缽中研成尺寸0 15叩 的細(xì)粉。(2)取適量的粉末填入樣品框中，用載玻片把粉末壓緊、壓實(shí)、壓平，把 多余凸出的粉末削去，固定與衍射儀樣品室的樣品臺(tái)上。2 .特殊樣品的制備對(duì)于金屬、陶瓷、玻璃等一些不易研成粉末的樣品，可先將其鋸成窗孔大 小，磨平一面，再

27、用橡皮泥或石蠟將其固定在窗口內(nèi)。對(duì)于片狀、纖維狀或薄 膜樣品也可取窗孔大小直接嵌固在窗孔內(nèi)，但固定在窗孔內(nèi)的樣品其平整表面 必須與樣品板平齊，并對(duì)著入射 X射線。(二)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1 .儀器設(shè)備：國(guó)產(chǎn)X射線粉末衍射儀。2 .操作步驟：(1)開(kāi)電源：打開(kāi)水冷機(jī)電源開(kāi)關(guān)，打開(kāi)衍射儀電源開(kāi)關(guān)、開(kāi)關(guān)CP1、CP2, 打開(kāi)電腦電源。(2)設(shè)定管亞、管流：點(diǎn)擊桌面衍射儀控制軟件，逐級(jí)將 X射線光管工作 電壓設(shè)為40 kV,工作電流為40 mA。(3)設(shè)定測(cè)試參數(shù)：設(shè)定文件存盤路徑、文件名以及測(cè)試參數(shù)(起始角、終止角、步長(zhǎng)、掃描速率、狹縫大小)。(4)測(cè)試：放置樣品，點(diǎn)擊圖標(biāo)進(jìn)行測(cè)試(注意：在放置樣品前后

28、，開(kāi)關(guān)門一定要輕)。3 .分析數(shù)據(jù)，做出衍射圖。四、思考與討論1 .簡(jiǎn)述X射線衍射的基本原理。2 .寫出布拉格方程的兩種表達(dá)式，并說(shuō)明布拉格方程的物理意義。3 .簡(jiǎn)述粉晶物相定性分析原理及分析方法。實(shí)驗(yàn)六固體材料紅外透射光譜測(cè)量與分析一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與目的1. 了解紅外光譜的基礎(chǔ)知識(shí)。2. 了解傅里葉變換紅外光譜儀的基本結(jié)構(gòu)及基本原理。3. 掌握應(yīng)用傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)量固體材料的紅外透射光譜，并能對(duì) 譜圖進(jìn)行定性分析。二、實(shí)驗(yàn)原理概述(一)紅外光譜光是一種電磁波，具有一定的輻射能量。在電磁波譜中，比可見(jiàn)光洪外端波長(zhǎng)更長(zhǎng)至1000 pm的范圍屬于紅外輻射波段。任何溫度高于0K的物體都要向 周圍發(fā)

29、射紅外輻射，知識(shí)輻射特性會(huì)隨溫度的不同而發(fā)生變化。當(dāng)分子受到頻 率連續(xù)變化的紅外光照射時(shí)，分子吸收默寫頻率的輻射，引起振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí) 的躍遷，使相應(yīng)于這些吸收區(qū)域的透射光強(qiáng)度減弱，將分子吸收紅外輻射的情 況記錄下來(lái)，便得到紅外光譜。紅外光譜由分子振動(dòng)能級(jí)的躍遷而產(chǎn)生，但并不是所有的振動(dòng)能級(jí)躍遷都 能在紅外光譜中產(chǎn)生吸收峰，物質(zhì)吸收紅外光發(fā)生振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷必須滿 足兩個(gè)基本條件：一是紅外輻射光量子具有的能力等于分子振動(dòng)能級(jí)的能量差； 二是分子振動(dòng)時(shí)，偶極矩的大小或方向必須有一定的變化，即具有偶極矩變化 的分子振動(dòng)時(shí)紅外活性振動(dòng)，否則是非紅外活性振動(dòng)。紅外光譜的波長(zhǎng)為0.751000通常紅外光

30、譜劃分為三個(gè)區(qū)域：遠(yuǎn)紅外： 25100 pm (400-10 cm-1), 一般對(duì)應(yīng)分子的純轉(zhuǎn)動(dòng)以及品格振動(dòng)的能級(jí)躍遷； 中紅外：2.525pm (4000400 cm1), 一般對(duì)應(yīng)分子振動(dòng)能級(jí)，絕大多數(shù)有機(jī)化 合物和許多無(wú)機(jī)化合物的基頻都出現(xiàn)在這個(gè)區(qū)域；近紅外：0.782.5 irn (128214000 cni1), 一般對(duì)應(yīng)化合物吸收基頻的倍頻與合頻振動(dòng)。紅外光譜多以波長(zhǎng)K或波數(shù)。為橫坐標(biāo)，表示吸收峰的位置，波長(zhǎng)與波數(shù)的關(guān)系為仃(cm-1)=10000/ n m)以透過(guò)率T為縱坐標(biāo)，表示吸收強(qiáng)度。紅外光譜主要應(yīng)用于研究分子的結(jié)構(gòu)，根據(jù)譜線的形狀、吸收峰的位置以 及特征吸收峰的強(qiáng)度等進(jìn)行化學(xué)、物理的定性