材料表面現(xiàn)代分析方法課程論文

1、材料表面現(xiàn)代分析方法課程論文1 背景材料科學是一門實驗性的學科，對材料成分，組織，結構，形貌的檢測是必不可少的，能夠有效的分析材料特征的方法有：中子衍射、電子衍射、紅外光譜、X射線衍射。其中X射線衍射和電子衍射具有無損試樣的優(yōu)點，因此不僅在材料學科應用廣泛，而且已經滲透到物理、化學、地球科學、以及各種工程技術科學中，成為一種重要的實驗方法和結構分析手段。2 XRD的原理及應用2.1 X射線的產生和性質通常獲得X射線是利用一種類似熱陰極二級管的裝置，用一定材料制作的板狀陽極（靶）和陰極（燈絲）密封在一個玻璃-金屬管殼內，陰極通電加熱，在陽極和陰極間加以直流高電壓U（約數(shù)千伏），則陰極產生大量熱電

2、子e將在高壓電場作用下飛向陽極，在它們與陽極碰撞的瞬間產生X射線（如圖1所示），儀器檢測發(fā)現(xiàn)有連續(xù)X射線譜和特征X射線譜兩類。X射線是一種波長很短的電磁波，波長約0.01-10nm范圍內，用于衍射分析的X射線波長范圍為0.05-0.25nm。 圖1.X射線產生裝置2.2 X射線衍射原理用于衍射分析的X射線波長范圍為0.05-0.25nm之間，這與晶體中的原子間距數(shù)量級相同，因此可以用晶體作為X射線的天然衍射光柵，這就使得用X射線衍射進行晶體結構分析成為可能。當X射線沿某方向入射某一晶體的時候，X射線通過晶體時，晶體中原子的電子在電磁場的作用下將產生受迫振動，其振動頻率與入射X射線的頻率相同。由

3、于散射線與入射線的波長和頻率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干條件，晶體中每個原子的核外電子產生的相干波彼此發(fā)生干涉。當每兩個相鄰波源在某一方向的光程差（）等于波長的整數(shù)倍時，它們的波峰與波峰將互相疊加而得到最大限度的加強，這種波的加強叫做衍射，相應的方向叫做衍射方向，在衍射方向前進的波叫做衍射波。=0的衍射叫零級衍射，=的衍射叫一級衍射，=n的衍射叫n級衍射。n不同，衍射方向也不同。在晶體的點陣結構中，具有周期性排列的原子或電子散射的次生X射線間相互干涉的結果，決定了X射線在晶體中衍射的方向，所以通過對衍射方向的測定，可以得到晶體的點陣結構、晶胞大小和形狀等信息?？臻g點陣可以看成是

4、互不平行的三組直線點陣的組合，也可以看作是由互相平行且間距相等的一系列平面點陣所組成。勞厄和布拉格就是分別從這兩個角度出發(fā)，研究衍射方向與晶胞參數(shù)之間的關系，從而提出了著名的勞厄方程和布拉格方程。倫琴發(fā)現(xiàn)X射線之后，1912年德國物理學家勞厄首先根據(jù)X射線的波長和晶體空間點陣的各共振體間距的量級，理論預見到X射線與晶體相遇會產生衍射現(xiàn)象，并且他成功地驗證了這一預見，由此推出了著名的勞厄定律：當X射線照射晶體時，若要在某個方向上能獲得衍射加強，必須滿足在晶體中三個相互垂直的方向上相鄰原子散射線的波程差為波長的整數(shù)倍。此后不久布拉格在勞厄試驗的基礎上，導出了著名的布拉格定律：，幾何原理如圖2所示。

5、為半衍射角；d為晶面間距；為衍射波長；n為衍射級數(shù)。布拉格方程揭示了在晶體中產生衍射的條件。 圖2. 布拉格方程幾何原理2.3 XRD物相分析2.3.1 物相定性分析不同的多晶體物質的結構和組成元素各不相同，它們的衍射花樣在線條數(shù)目、角度位置、強度上就呈現(xiàn)出差異，衍射花樣與多晶體的結構和組成有關，一種特定的物相具有自己獨特的一組衍射線條（即衍射譜），反之不同的衍射譜代表著不同的物相+ 若多種物相混合成一個試樣，則其衍射譜就是其中各個物相衍射譜疊加而成的復合衍射譜+ 因而，我們可以通過測定試樣的復合衍射譜，并對復合衍射譜進行分析分解，從而確定試樣由哪幾種物質構成。 2.3.2 物相定量分析 物相

6、定量分析的任務是用X射線衍射技術，準確測定混合物中各相的衍射強度，從而求出多相物質中各相的含量。其理論基礎是物質參與衍射的體積或者重量與其所產生的衍射強度成正比，因而，可通過衍射強度的大小求出混合物中某相參與衍射的體積分數(shù)或者重量分數(shù)，從而確定混合物中某相的含量。例如，向微米級Si3N4基體中加入Si3N4和TiC納米顆粒, 利用熱壓燒結工藝得到了性能優(yōu)良的納米復合陶瓷材料Si3N4 /TiC,對其進行物相分析如下圖3所示： 從圖中可以看出納米復合陶瓷材料Si3N4 /TiC中有， , 三相存在。2.4 晶粒尺寸分析多晶體材料的晶粒尺寸是影響其物理、化學等性能的一個重要因素! 用X射線衍射法測

7、量小晶粒尺寸是基于衍射線剖面寬度隨晶粒尺寸減小而增寬這一實驗現(xiàn)象，這就是1918年謝樂首先提出的小晶粒平均尺寸（D）與衍射線真實寬度之間有的數(shù)學關系式，該式也稱為謝樂公式，其中D為晶粒的平均尺寸；K為接近1的常數(shù)；為特征X射線衍射波長；為衍射線剖面的半高寬，即半峰寬，為布拉格角。注意在對材料晶粒尺寸測定時，首先要對材料進行去應力處理，因為材料中的微觀應力一般使衍射峰（線）變寬，有時也會引起衍射峰（線）位移。例如，對A，B兩組晶粒尺寸不同的納米材料分析如下圖4所示：圖4. A，B兩組晶粒尺寸不同的材料XRD衍射由圖4分析可知兩組試樣的晶體類型基本一致，但峰的寬化程度有差別，根據(jù)謝樂方程可計算晶粒

8、尺寸，其中A組試樣的=62.45nm，B組試樣的=445 nm。3 掃描電子顯微鏡原理及應用3.1 掃描電子顯微鏡工作原理掃描電子顯微鏡是一種大型分析儀器。它廣泛應用于觀察各種固態(tài)物質表面超微結構的形態(tài)和組成。掃描電子顯微鏡能從左剄右、從上到下依次對試樣進行掃掠。在電子掃描中。把電子束從左到右方向的掃描運動叫做水平掃描，把電子束從上到下方向的掃描運動叫做幀掃描。二次電子成象是使用掃描電鏡所獲得的各種圖象中應用最廣泛，分辨率最高的一種圖象。以二次電子成象為例來說明掃描電鏡成象的原理。由電子槍發(fā)射的電子束最高可達30keV，經會聚透鏡、物鏡縮小束。在掃描線圈的磁場作用下，入射電子束在樣品表面上按照

9、一定的空間和時間順序做光柵式逐點掃描。由于人射電子與樣品之間的相互作用將從樣品中激發(fā)出二次電子（如圖5所示）。由于二次電子收集極的作用可將各個方向發(fā)射的二級電子匯集起來，再將加速極加速射到閃爍體上，轉變成光信號，經過光導管到達光電倍增管。使光信號再轉變成電信號。這個電信號又經視頻放大器放大并將其輸送至顯像管的柵極，調制顯像管的亮度。因而，再熒光屏上呈現(xiàn)一幅亮暗程度不同的、反映樣品表面形貌的二次電子象。在掃描電鏡中，入射電子束在樣品上的掃描和顯像管中電子束在熒光屏上的掃描是用一個共同的掃描發(fā)生器控制的。這樣就保證了入射電子束的掃描和顯像管中電子束的掃描完全同步，保證了樣品上的“物點”與熒光屏上的

10、“象點”在時間和空間上一一對應。稱其為“同步掃描”。一般掃描圖象是由近100萬個與物點一一對應的圖象單元構成的，正因為如此，才使得掃描電鏡除能顯示一般的形貌外。還能將樣品局部范圍內的化學元素、光、電、磁等性質的差異以二維圖象形式顯示 圖5.入射電子束與樣品表面相互作用而激發(fā)出來的各種信息圖6.掃描電子顯微鏡工作原理圖3.2 掃描電子顯微鏡特點1） 儀器分辨率較高，通過二次電子象能夠觀察試樣表面6nm左右的微結構，采用LaB6電子槍，可以提高到3nm。2） 儀器放大倍數(shù)變化范圍大，且能連續(xù)可調。因此可以根據(jù)需要選擇大小不同的視場進行觀察，同時在高放大倍數(shù)下也可獲得一般透射電鏡較難達到的高亮度的清

11、晰圖像。3） 觀察樣品的景深大，視場大，圖像富有立體感，可直接觀察起伏較大的粗糙表面和試樣凹凸不平的金屬斷口形貌。4） 樣品制備簡單。只要將塊狀或粉末狀的樣品稍加處理或不處理，就可直接放到掃描電鏡中進行觀察，因而更接近于物質的自然狀態(tài)。5） 可以通過電子學方法有效地控制和改善圖像質量，如亮度及反差自動保持，試樣傾斜角度校正，圖象旋轉，或通過Y調制改善圖象反差的寬容度，以及圖象各部分亮暗適中。采用雙放大倍數(shù)裝置或圖象選擇器，可在熒光屏上同時觀察放大倍數(shù)不同的圖象。6） 可進行綜合分析。裝上波長色散X射線譜儀(WDX)或能量色散X射線譜儀(EDX)，使具有電子探針的功能，也能檢測樣品發(fā)出的反射電子

12、、X射線、陰極熒光、透射電子、俄歇電子等。把掃描電鏡擴大應用到各種顯微的和微區(qū)的分析方式，顯示出了掃描電鏡的多功能。3.3 舉例說明 例如，Al2O3/TiC復合陶瓷材料，在含鈷量不同時的SEM表面形貌照片。a圖為Al2O3-TiC；b圖為Al2O3-TiC-3%；c圖為Al2O3-TiC-5%；d圖為Al2O3-TiC-8%。如下圖7所示：Al2O3/TiC復合陶瓷材料不含鈷時，其顆粒粗大，分布不均勻，如7-a圖；當含鈷為3%時，其表面顆粒細小，分布均勻，且沒有裂紋和微孔，如7-b圖；當含鈷量為5%時，顆粒細小，分布均勻，但有微裂紋分布于晶界和晶粒內部，如7-c圖；當含鈷量為8%時，顆粒細小

13、，分布均勻，但有微孔存在于晶粒中，如7-d圖。綜合分析Al2O3-TiC-3%具有較好的力學性能 圖7. Al2O3/TiC復合陶瓷材料不同含鈷量的SEM表面形貌4 參考文獻1 周玉主編. 材料分析方法. 北京：機械工業(yè)出版社， 2004(11).2 王龍龍 .掃描電子顯微鏡J.工業(yè)技術.2012，（11）.3 呂志杰, 艾興, 趙軍, 王素玉.Si3N4/ TiC納米復合陶瓷材料顯微結構J. 山東大學學報2005,(2).4 饒群力，路慶華， 畢剛，王瑞斌，范小蘭. 納米SiC顆粒SAXS表征及其與XRD、SEM的比較J.上海交通大學學報. 2004，（10）.5 楊新萍. X射線衍射技術的發(fā)展和應用J. 山西