材料結構表征及應用(緒論)

材料結構表征及應用吳剛主編化學工業(yè)出版社任課教師：高慶張金枝李草telmail:gaoqing1969@126.com主要內容第1章紅外光譜及激光拉曼光譜第2章核磁共振波譜第3章紫外光譜第4章質譜第5章電子顯微技術第6章X射線衍射分析第7章X射線光電子能譜分析第8章材料熱分析重點：學會譜圖分析材料現(xiàn)代分析測試方法王富恥主編北京理工大學出版社現(xiàn)代材料分析方法張銳主編化學工業(yè)出版社有機結構波譜分析李潤卿主編天津大學出版社波譜原理及解析常建華主編科學出版社聚合物近代儀器分析汪昆華主編清華大學出版社本課程特點：（三多一少）敘述性原理、規(guī)律多需要記憶的概念術語多課程內容頭緒多理論計算少相關學科多（物理學、化學、熱力學、光學以及高分子學等）作為一門應用學科，基礎理論知識要掌握，在理解的基礎上加強記憶，注意理論聯(lián)系實踐要學以致用，本課程與材料的結構和表征緊密聯(lián)系，善于歸納總結，用本學科的基本原理分析、解釋生產(chǎn)中的問題和實驗結果重視課程的實踐性環(huán)節(jié)學習方法：什么是材料？

材料，是指人類能用來制作有用物件的物質；材料有那些呢？按照材料的物質組成的不同，主要分為：新材料主要有——金屬材料，無機非金屬材料，有機高分子材料，復合材料，生物材料，光電子材料等。材料與材料科學材料就是用以制造有用物件的（凝聚態(tài)）物質材料的發(fā)明與使用是人類進步里程的重要標志之一材料、信息與能源為當代文明的三大支柱新材料、信息技術和生物技術是新技術革命的主要標志材料科學，一門多學科交叉的新興學科材料？材料發(fā)展與人類文明的關系：新材料是人類文明進步的標志！1：遠古文明：發(fā)現(xiàn)與使用自然界材料（石器）2：現(xiàn)代文明：自由地合成和設計材料（自然界不存在的各種新材料）3：未來文明：賦予材料類似生命體功能？青銅器，鐵器人類文明進步與材料發(fā)展的關系示意圖材料研究步驟樣品分離—結構檢測—性能測試

—材料分子設計—合成方法確定

—合成—結構確定—性能測試

—配比、工藝確定2/4/202310:32AM什么是材料測試方法？獲取有關材料的組成，結構和性能等相關信息材料結構與材料性能的關系材料測試材料分析材料表征＝＝

現(xiàn)代材料科學的發(fā)展在很大程度上依賴對材料性能和其成分結構及微觀組織關系的理解2/4/202310:32AM材料測試方法的概念與分類材料測試方法如何分類？從功能上講，可分為組成測試，結構測試和性能測試三種方法從技術上講，材料測試方法可以分成兩類：主動式和被動式2/4/202310:32AM激發(fā)源（電磁波，粒子束，電場，磁場，熱，力等）主動式（含激發(fā)源式材料測試方法）材料響應的傳感與變換數(shù)據(jù)采集處理與組成，結構，性能等相關的某種響應材料測試方法的概念與分類2/4/202310:32AM直接獲得有關材料物理、化學性能等固有信息，如尺寸大小、狀態(tài)、重（質）量、顏色、形狀、運動情況等等；亦可根據(jù)材料物理、化學性能的差異間接推斷材料的組成和結構信息，如色譜分析法、原子力顯微分析等。被動式（無激發(fā)源式材料測試方法）材料測試方法的概念與分類2/4/202310:32AM宏觀上的性能測試和微觀上的組成與結構表征，這兩個方面構成了材料的檢測評價技術材料設計的重要依據(jù)來源于對材料的微觀組成和結構分析材料制備的實際效果必須通過材料微觀分析的檢驗材料科學的進展極大地依賴于對材料進行微觀分析表征的技術水平材料研究與微觀分析技術2/4/202310:32AM材料研究的四大要素

現(xiàn)代材料科學的發(fā)展在很大程度上依賴對材料性能和其成分結構及微觀組織關系的理解合成與加工固有性質使用性能結構和成分2/4/202310:32AM材料的性質物理性質力學性質化學性質化學組成微觀結構相結構晶粒尺寸及分布耐腐蝕性雜質含量結晶度分子量及分布立體結構晶體結構空隙度熔點熱性質磁性質光學性質電學性質重力性質拉伸性韌性延展性疲勞度硬度蠕變性延伸性抗沖擊性壓縮性動態(tài)力學性質模量2/4/202310:32AM結構與性能的關系傳統(tǒng)的“炒菜”法電子結構，原子結構和化學鍵決定了材料的固有性質新材料開發(fā)方法材料設計發(fā)展方向所謂材料設計，就是根據(jù)對材料的組成、微結構與性能關系的認識（“炒菜”經(jīng)驗＋材料微觀分析），按指定性能“定做”新材料，按生產(chǎn)要求“設計”最佳的制備和加工方法。2/4/202310:32AM材料結構表征的基本方法材料結構的表征任務:成分分析,結構測定和形貌觀察材料組成分析（化學成分分析）

1.元素組成

2.化合物組成材料亞微觀結構分析（形貌分析）

微米或亞微米尺度，相層次結構材料微觀結構分析

0.1nm尺度，原子及原子組合層次結構2/4/202310:32AM材料化學成分分析元素組成分析方法傳統(tǒng)的化學分析技術電子探針X射線能譜顯微分析原子光譜（吸收、發(fā)射、熒光）質譜與二次離子質譜核磁共振電子自旋共振光電子與俄歇電子能譜2/4/202310:32AM材料化學成分分析化合物組成分析方法傳統(tǒng)的化學分析技術分子吸收光譜（紫外—可見吸收光譜）分子振動光譜（紅外、拉曼光譜）分子發(fā)射光譜（熒光光譜）氣相、液相、凝膠色譜2/4/202310:32AM材料形貌分析光學顯微鏡光學干涉儀激光散射譜掃描電子顯微鏡透射電子顯微鏡2/4/202310:32AM形貌分析的圖例昆蟲標本（500倍）螺旋形碳管（9，157倍）化學方法生長的ZnO納米陣列（100，000倍）擔載Pt金屬顆粒的納米碳粒子（400，000倍）2/4/202310:32AM材料結構分析高分辨透射電子顯微鏡（HTEM）場離子顯微鏡（FIM）掃描隧道顯微鏡（STM）原子力顯微鏡（SFM）2/4/202310:32AM材料結構分析—結果硅納米線的不同形貌

(a)呈直線或彎曲狀態(tài)，(b)呈螺旋結構，(c)呈辮子結構2/4/202310:32AM材料結構分析-直接法硅納米線的顯微結構高分辨電子顯微像（HTEM）(a)［110］帶軸的硅納米線的單晶結構，它的生長方向為［112］(b)存在高階孿晶的硅納米線(c)具有堆垛層錯和孿晶等缺陷的硅納米線2/4/202310:32AM材料結構分析-直接法五次對稱性鎳鈦準晶的高分辨電子顯微像2/4/202310:32AM材料結構分析-直接法掃描隧道顯微分析拍攝的硅片上的單個原子圖像2/4/202310:32AM材料結構分析-間接法X射線衍射電子衍射中子衍射γ射線衍射穆斯堡爾譜擴展X射線吸收譜（EXAFS）熱分析（差熱、差動、熱重）2/4/202310:32AM材料結構分析-間接法五次對稱性鎳鈦準晶的高分辨電子顯微像與電子衍射斑點2/4/202310:32AM材料微觀分析技術的選擇--成分分析

2/4/202310:32AM材料微觀分析技術的選擇—結構分析2/4/202310:32AM材料微觀分析技術的選擇—形貌分析粘土/聚合物納米復合材料（蒙脫土）成分分析：紅外（硅氧鍵、有機分子及相互作用）結構測定：X射線衍射（層間距、夾角）形貌觀察：透射電鏡（層狀結構及改變）掃描隧道顯微鏡（晶層厚度、