材料測試分析方法現(xiàn)代分析測試技術(shù)課件

1、現(xiàn)代材料分析方法參考書：材料分析測試技術(shù) 無機非金屬材料測試方法 材料現(xiàn)代分析方法 X射線衍射分析原理、方法、應(yīng)用 （周上祺）等 (英文版) 雜志文獻緒論(一) 是研究物質(zhì)的微觀狀態(tài)與宏觀性能之間關(guān)系的一種手段.人們能通過改變分子或晶體的結(jié)構(gòu)來達到控制物質(zhì)宏觀特性的目的,所以科學(xué)技術(shù)的發(fā)展離不開分析測試.現(xiàn)代分析測試技術(shù)材料現(xiàn)代分析方法，是關(guān)于材料成分、結(jié)構(gòu)、微觀形貌與缺陷等的現(xiàn)代分析、測試技術(shù)及其有關(guān)理論基礎(chǔ)的科學(xué)。內(nèi)容：材料（整體的）成分、結(jié)構(gòu)分析，也包括材料表面與界面、微區(qū)分析、形貌分析等一般原理：通過對表征材料的物理性質(zhì)或物理化學(xué)性質(zhì)參數(shù)及其變化（稱為測量信號或特征信息）的檢測實現(xiàn)的。

2、即材料的分析原理是指測量信號與材料成分、結(jié)構(gòu)等的特征關(guān)系。采用不同測量信號（相應(yīng)地具有于材料的不同特征關(guān)系）形成了各種不同的材料分析方法。入射線衍射線I: 強度d(2)：位置XRD譜試樣(晶體)？X射線X射線晶體結(jié)構(gòu)衍射規(guī)律;應(yīng)用與特點分析（結(jié)構(gòu)）材料分析原理(以XRD分析為例)相關(guān)知識尺度：埃量級核外電子結(jié)構(gòu)；微米級的晶粒度。尺度更大的孔隙、裂紋等結(jié)構(gòu)（或組織結(jié)構(gòu)）（廣義）包括從原子結(jié)構(gòu)到肉眼能觀察到的宏觀結(jié)構(gòu)各個層次的構(gòu)造狀況的通稱。原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、電疇結(jié)構(gòu)等。微觀結(jié)構(gòu)：原子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、缺陷等原子、分子水平上的構(gòu)造狀況。顯微結(jié)構(gòu)：材料內(nèi)部不同的晶相、玻璃相及氣孔的形態(tài)、大

3、小、取向、分布等結(jié)構(gòu)狀況。從尺度范圍上來講一般電子顯微鏡及光學(xué)顯微鏡所觀察到的范圍。結(jié) 構(gòu)緒論(二)材料的組織結(jié)構(gòu)與性能顯微組織結(jié)構(gòu)的內(nèi)容：顯微化學(xué)成分(不同相成分，基體與析出相的成分、偏析等)、晶體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷、晶粒大小與形態(tài)、相（成分、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、含量及分布）、界面?zhèn)鹘y(tǒng)的顯微組織結(jié)構(gòu)與成分分析測試方法 光學(xué)顯微鏡：100nm, 表面形態(tài)，難以實現(xiàn)同位微區(qū)分析 化學(xué)分析：平均成分，不能給出元素分布X射線衍射與電子顯微分析 XRD:晶體結(jié)構(gòu)、晶胞參數(shù)、晶體缺陷、相等。 局限性：無法形貌觀察與晶體結(jié)構(gòu)分析微觀同位結(jié) 合；微米、納米級選擇性分析電子顯微鏡(EM,Electron Microsco

4、pe)：用高能電子束作光源，用磁場作透鏡，高分辨率和高放大倍數(shù) TEM：微觀組織形態(tài)與晶體結(jié)構(gòu)鑒定（同位分析）；10-1nm,106 SEM:表面形貌，1nm, 2x105, 表面的成分分布 EPMA：SEM、EPMA結(jié)合，達到微觀形貌與化學(xué)成分的同位分析 STEM：SEM+TEM雙重功能，+EPMA， 組織形貌觀察、晶體結(jié)構(gòu)鑒定及化學(xué)成分測試三位一體的同位分析表4-1 X射線衍射分析方法的應(yīng)用表4-2 X射線衍射與電子衍射分析方法比較表4-3 電子衍射分析方法應(yīng)用表4-4 光譜分析方法的應(yīng)用T4-1 紅外分光光度計結(jié)構(gòu)示意圖T4-2 X射線熒光波譜儀示意圖T4-3 核磁共振譜儀示意圖T4-4

5、 激光拉曼譜儀T4-5 質(zhì)譜儀表4-5 電子能譜分析方法表4-7 電子顯微分析方法表4-7 電子顯微分析方法(續(xù))表 7 電子顯微分析方法元素成份分析（AAS，AES，XRF，EDX）化學(xué)價鍵分析（IR，LRS）結(jié)構(gòu)分析（XRD，ED）形貌分析（SEM,TEM,AFM,STM）表面與界面分析（XPS，AES，SIMS）材料表征（本課程的）主要內(nèi)容本課程內(nèi)容與要求X射線衍射、電子顯微分析（重點掌握） 其它 X射線光電子能譜（XPS）、俄歇電子能譜（AES）、掃描隧道顯微鏡（STM）、原子力顯微鏡（AFM）等要求與目標 正確選擇方法、制訂方案、分析結(jié)果 為以后掌握新方法打基礎(chǔ)課程安排： 目標與閱讀

6、報告要求： 本課程目的是使同學(xué)對材料的各種現(xiàn)代物理分析方法有一個初步的較全面的了解和認識，以期能夠結(jié)合實際情況正確選擇分析方法、制訂或商討分析方案和分析較復(fù)雜的測試結(jié)果。按論文格式；閱讀20篇以上，精讀3-5篇（高質(zhì)量的外文雜志的文章），簡介原理與樣品制備含三種或以上表征方法，或?qū)δ骋环N展開深入的分析、總結(jié)，能夠得出課本中沒有的一些新意：新穎性、心得.從文獻閱讀中了解、體會相關(guān)表征技術(shù)的特點、應(yīng)用和技術(shù)水平（發(fā)展?fàn)顩r）提高：總結(jié)文獻，圍繞問題，怎樣綜合相關(guān)分析手段，達到求真，探知問題的本質(zhì)注意：圍繞表征技術(shù)來闡述、總結(jié)；不是所選讀文獻的思路。提示：選取一篇含多種表征技術(shù)的高質(zhì)量的文獻作為主線，

7、再針對某一種、幾種方法或圍繞某個問題，選擇其它文獻進行綜合。PPT：為閱讀報告打基礎(chǔ)1.1 引言1.2 X射線的本質(zhì)1.3 X射線的產(chǎn)生及X射線管1.4 X射線譜1.5 X射線與固體物質(zhì)相互作用 第一章 X射線的性質(zhì)1.1 引言1895， （德，物）倫琴發(fā)現(xiàn)X射線1912，（德，物）勞厄發(fā)現(xiàn)X射線在晶體 中的衍射 X射線：電磁波 晶體：格子構(gòu)造； 研究晶體材料開辟道 路第一章 X射線的性質(zhì)X射線衍射（XRD）的應(yīng)用單晶材料：晶體結(jié)構(gòu)；對稱性和取向方位金屬、陶瓷：物相分析（定性、定量）測定相圖或固溶度（定量、晶格常數(shù)隨固溶度的變化）多晶試樣中晶粒大小、應(yīng)力和應(yīng)變情況Structural anal

8、ysis for materials research and crystallographyX-ray powder diffractometry (XRPD) is a valuable tool for the research and development of advanced materials. It can be used for investigation of the following properties:Identification of the phase(s) present: is it a pure phase or does the material co

9、ntain impurities as a result of the production process? Quantification of mixtures of phasesDegree of crystallinity of the phase(s)Crystallographic structure of the material: space group determination and indexing, structure refinement and ultimately structure solvingDegree of orientation of the cry

10、stallites: texture analysis. Deformation of the crystallites as a result of the production process: residual stress analysis Influence of non-ambient conditions on these properties All these investigations can be carried out on samples of varying dimensions: Powders, from bulk samples to very small

11、amounts Solid materials of varying shapes and size, such as machined metallic or ceramic components or pills Well plates for combinatorial analysis入射線衍射線XRD譜I:強度d(2)：位置試樣(晶體)？X射線X射線晶體結(jié)構(gòu)衍射規(guī)律分析（結(jié)構(gòu)）XRD分析X射線物理基礎(chǔ)、晶體結(jié)構(gòu)XRD部分安排X射線衍射基本理論（衍射幾何、強度）單晶、多晶衍射、衍射儀法應(yīng)用：物相分析T1-1電磁波譜1.2 X射線的本質(zhì)電磁波：振動電磁場的傳播，可用交變振動著的電場強度向

12、量和磁場強度向量來表征；它們以相同的位相在兩個互相垂直的平面上振動，而其傳播方向與電場、磁場向量方向垂直，并為右手螺旋法則所確定，真空中的傳播速度為3x108m/sX射線具波粒二象性作為光子流：用光子的能量E及動量P來表征；經(jīng)驗公式波矢，方向為沿波的傳播方向。X射線作為一種電磁波，在其傳播的過程中是攜帶一定的能量的，即表示其強弱的程度。通常以單位時間內(nèi)，通過垂直于X射線傳播方向的單位面積上的能量來表示。當(dāng)X射線當(dāng)作波時，根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)，其強度I與電場強度向量的振幅E0的平方成正比。當(dāng)將X射線看作光子流時，則其強度為光子密度和每個光子的能量的乘積。1.3 X射線的產(chǎn)生及X射線管1.3 X射線的產(chǎn)

13、生及X射線管同步輻射光源： 同步輻射光源是在同步輻射加速器中產(chǎn)生的高強度光源，是高能帶電粒子加速運動產(chǎn)生的副產(chǎn)物 ur負電子對撞機/uPC)： 通過高能加速器加速正負電子，利用高速正負電子的對撞研究高能物理的基本過程；同時高能帶電粒子加速運動產(chǎn)生的副產(chǎn)物同步輻射可提供真空紫外線至硬X光波段的高強度光源，可用來開展各領(lǐng)域的研究工作。 北京同步輻射裝置(BSRF)簡介北京同步輻射裝置(BSRF)是利用同步輻射光源進行科學(xué)研究的裝置，對社會開放的大型公用科學(xué)設(shè)施，是我國凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、化學(xué)、生命科學(xué)、資源環(huán)境及微電子等交叉學(xué)科開展科學(xué)研究的重要基地。 1.3 X射線的產(chǎn)生及X射線管1.3 X射

14、線的產(chǎn)生及X射線管1.3 X射線的產(chǎn)生及X射線管X射線的產(chǎn)生：高速運動著的帶電（或不帶電）粒子與某種物質(zhì)相撞擊后猝然減速，且與該物質(zhì)中的內(nèi)層電子相作用此外，還有旋轉(zhuǎn)陽極X射線管、細聚焦X射線管T2-13 連續(xù)X射線譜及管電壓對連續(xù)譜影響 I連積分公式1.4 X射線譜（連續(xù)X射線、特征X射線)曲線連續(xù)變化0連續(xù)輻射特征輻射短波極限 eV=hmax =hc/0 0 =1.24/V (nm) V(kV)T2-15 特征X射線譜及管電壓對特征譜的影響在X射線譜中某個波長處出現(xiàn)強度峰，峰窄而尖銳；此波長放映了物質(zhì)的原子序數(shù)特征-特征X射線特征X射線產(chǎn)生：能量閾值激發(fā)-躍遷-能量降低輻射出來的光子能量激發(fā)

15、所需能量-與原子核的結(jié)合能EkeVk =-Ek=Wk特征X射線產(chǎn)生224特征X射線產(chǎn)生原子能級結(jié)構(gòu)莫塞萊定律X射線熒光光譜分析和電子探針微區(qū)成分分析的理論基礎(chǔ)T2-16 K射線的雙重線K波長=？加權(quán)平均W靶: 0.0709nm 0.0714nm產(chǎn)生特征（標識）X射線的根本原因：內(nèi)層電子的躍遷激發(fā)源：高速電子、質(zhì)子、中子、 X射線;每種元素都有特定波長的標識X射線：X射線光譜分析的原理1.5 X射線與固體物質(zhì)相互作用內(nèi)層電子外層電子、價電子、自由電子真吸收T2-18 X射線衰減X射線的吸收1. X射線的吸收與吸收系數(shù)X射線衰減規(guī)律Itm = / cm2/g 質(zhì)量吸收系數(shù)：物質(zhì)固有值物理意義：單位

16、質(zhì)量物質(zhì)對X射線的衰減量。與物質(zhì)密度和物質(zhì)狀態(tài)無關(guān)。:線吸收系數(shù)。意義：在X射線傳播方向上，單位長度上的X射線強度衰減程度cm-1.與物質(zhì)種類、密度、X射線波長有關(guān)。m K3Z3含多種元素物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)m為各元素的質(zhì)量百分比生物體透視工業(yè)產(chǎn)品探傷應(yīng)用：圖64 質(zhì)量吸收系數(shù)(jm)與 波長(A)關(guān)系示意圖m = /m K3Z3吸收限：（光電吸收）K系激發(fā)限：光電效應(yīng)2.二次特征輻射 hc/ eVk=1.24/Vk= khWk = eVk逸出功光子能量3. 俄歇（Auger）效應(yīng)kk- LIIk- LII- LIIKLL俄歇電子能量取決于原子能級結(jié)構(gòu)：元素特征值能量低：幾百電子伏特表面分析物質(zhì)

17、對X射線的吸收方式1.漫散射式：原子對X射線的漫散射，向四周發(fā)散；極少一部分2. 真吸收：電子在原子內(nèi)的遷移所引起的， 是一個很大的能量轉(zhuǎn)換過程（見前圖）。這兩種吸收構(gòu)成由質(zhì)量吸收系數(shù)表征的全吸收。圖65 按樣品的化學(xué)成分選靶（a）Z靶60O區(qū)域內(nèi)盡可能出現(xiàn)較多、強度較高衍射線點陣常數(shù)的精確測定2.實驗中誤差 系統(tǒng)誤差：由實驗條件所決定，隨某一函數(shù)有規(guī)則變化 偶然誤差：由于測量者的主觀判斷錯誤及測量儀表的偶然波動或干擾引起，無固定變化規(guī)律。多次測量降至最小。點陣常數(shù)的確測定的兩個基本問題：研究實驗過程中各系統(tǒng)誤差的來源及其性質(zhì)，并加以修正；關(guān)注高角度衍射線的測量點陣常數(shù)的精確測定二、德拜-謝樂

18、法中系統(tǒng)誤差的來源相機半徑誤差底片收縮誤差試樣偏心誤差試樣對X射線吸收誤差X射線折射誤差點陣常數(shù)的精確測定二、德拜-謝樂法的誤差誤差校正方法1.采用精密實驗技術(shù)2.應(yīng)用數(shù)學(xué)處理方法圖解外推法最小二乘法4.5 點陣常數(shù)的精確測定圖解外推法 分析德拜-謝樂法中相機半徑誤差、底片收縮誤差、試樣偏心誤差和試樣對X射線吸收誤差可，知其綜合誤差為（同一底片中各衍射線的各種誤差來源相同）4.5 點陣常數(shù)的精確測定圖解外推法 對立方晶系物質(zhì)注意，欲得到較好的結(jié)果，需：1.在=6090O之間有數(shù)目多、分布均勻的衍射線2.至少有一個很可靠的衍射線在80O以上。在滿足以上條件且角測量精度優(yōu)于0.01度時，測量精度可

19、達二萬分之一。P78,題8題： 在德拜圖形上獲得了某簡單立方物質(zhì)的如下四條衍射線，所給出的sin2數(shù)值均為CuK1衍射的結(jié)果。試用“a-cos2”圖解外推法確定晶格常數(shù)，有效數(shù)字為4位。P78,題8系統(tǒng)誤差偶然誤差： 最佳直線的技巧2. 最小二乘法誤差平方和最小。2. 最小二乘法誤差平方和最小。2. 最小二乘法誤差平方和最小。2. 最小二乘法誤差平方和最小。2. 最小二乘法誤差平方和最小。1.將n組實驗值的x和y代入關(guān)系式，得到含常數(shù)a和b的n個方程；2.將a的系數(shù)乘n個方程后相加，得第一正則方程；3.將b的系數(shù)乘n個方程后相加，得第二正則方程；2. 最小二乘法誤差平方和最小。2. 最小二乘法

20、誤差平方和最小。2. 最小二乘法誤差平方和最小。2. 最小二乘法誤差平方和最小。2. 最小二乘法誤差平方和最小。2. 最小二乘法誤差平方和最小。第五章 X射線衍射物相分析物相：材料中一種結(jié)晶物質(zhì)稱為一個相（廣義，包括均勻非晶態(tài)物質(zhì)）物相分析原理：衍射線位置：晶胞形狀與大?。╠hkl）; 強度：晶胞內(nèi)原子的種類、數(shù)目及排列方式每種晶態(tài)物質(zhì)有其特有的結(jié)構(gòu)，因而有其獨特的衍射花樣試樣含多種物相時，其衍射花樣同時出現(xiàn)，不會相互干涉混合物中某相的衍射強度取決于其試樣中的相對含量（CuK1、 CuK2的波長分別為0.154051nm、0.154433 nm） 定性分析步驟：獲得XRD譜，得到d, I；查閱索引；核對卡片索引：卡片：JCPDS(The Joint Committee on Powder Diffraction Standards)：104字順索引(Alphabetical Index)Hanawalt MethodFink MethodCAR定性分析過程中注意事項面間距d值比相對強度重要（擇優(yōu)取向）低角度所得的d值誤差大一些多相混合的衍射線條可能會有重疊現(xiàn)象（低角度線條比高角度重疊機會較少）混合物中某相含量很少或其