湘潭大學(xué)材料分析課件之0緒論

材料分析測試技術(shù)湘潭大學(xué)材料與光電物理學(xué)院MaterialsCharacterization龔倫軍電話電郵：ljgong@材料與光電物理學(xué)院第二教學(xué)樓322室黃仁料與光電物理學(xué)院研究生研一2023/2/43緒論材料，材料科學(xué)與工程；《材料分析測試技術(shù)》開設(shè)的意義；材料分析測試技術(shù)的主要內(nèi)容；本課程的學(xué)習(xí)主要參考書目。2023/2/44材料2023/2/45材料按物態(tài)劃分：氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。按組成和結(jié)合健性質(zhì)：金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料和復(fù)合材料。材料的功能：結(jié)構(gòu)材料、功能材料。按使用領(lǐng)域：建筑材料、電子材料、醫(yī)用材料、儀表材料、能源材料等。2023/2/46

價(jià)鍵四面體材料2023/2/47金屬材料2023/2/48黑色金屬(鋼和鑄鐵)鋼：碳素鋼和合金鋼(按成分)；普通鋼、優(yōu)質(zhì)鋼和高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼(按品質(zhì))；平爐鋼、轉(zhuǎn)爐鋼、電爐鋼和奧氏體鋼(按冶煉法)；結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊鋼及專用鋼(按用途)。

鑄鐵：灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵和特殊性能鑄鐵等。

有色金屬(非鐵材料)輕金屬(密度﹤5)、重金屬(密度﹥5)、貴金屬、類金屬和稀有金屬，如A1、Cu、Zn、Sn、Pb、Mg、Ni、Ti及其合金。在工程上占有重要地位。金屬材料2023/2/49金屬材料結(jié)合鍵為金屬鍵；熔點(diǎn)較高；具有金屬光澤；范性、展性、延性大；強(qiáng)度較高；結(jié)構(gòu)中存在自由電子，導(dǎo)熱和導(dǎo)電性好；在空氣中易被氧化。金屬材料的基本屬性：2023/2/410高分子材料2023/2/411高分子材料以C、H、N、O元素為基礎(chǔ)，由大量結(jié)構(gòu)相同的小單元聚合組成，分子量大，并在某一范圍內(nèi)變化。一般分為天然和合成的兩類；按使用性質(zhì)：塑料、橡膠、纖維、粘合劑、涂料等；按鏈結(jié)構(gòu)：碳鏈、雜鏈、元素高聚物；按熱性質(zhì)：熱塑性、熱固性及熱穩(wěn)定性高聚物；按用途：結(jié)構(gòu)材料、電絕緣材料、耐高溫材料、導(dǎo)電高分子、

高分子建筑材料、生物醫(yī)用高分子材料、高分子催化劑、包裝材料等。塑料是重要的高分子材料。高分子材料2023/2/412高分子材料的基本屬性高分子材料結(jié)合健主要為共價(jià)健，部分范德華鍵；分子量大，無明顯的熔點(diǎn)，有玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、粘流溫度；力學(xué)狀態(tài)有玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)；強(qiáng)度較高；質(zhì)量輕；良好的絕緣性；優(yōu)越的化學(xué)穩(wěn)定性。2023/2/413無機(jī)非金屬材料2023/2/414無機(jī)非金屬材料主要包括晶體、陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。按性能和用途：傳統(tǒng)陶瓷和特種陶瓷。特種陶瓷也稱精細(xì)陶瓷(FineCeramics)

高技術(shù)陶瓷(HighTechnicalCeramics)

先進(jìn)陶瓷(AdvancedCeramics)特種陶瓷是以人工合成化合物為原料制備，用于技術(shù)和工程領(lǐng)域，如電子信息、能源、機(jī)械、化工、動(dòng)力、生物、航天航空和其它高新技術(shù)領(lǐng)域。2023/2/415無機(jī)非金屬材料無機(jī)非金屬材料的基本屬性化學(xué)健主要是離于鍵、共價(jià)健以及它們的混合鍵；硬而脆、韌性低、抗壓不抗拉、對(duì)缺陷敏感；熔點(diǎn)高，具有優(yōu)良的耐高溫和化學(xué)穩(wěn)定性；一般自由電子數(shù)目少、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性較小；耐化學(xué)腐蝕性好；耐磨損。2023/2/416材料科學(xué)是從事對(duì)材料本質(zhì)的發(fā)現(xiàn)、分析、認(rèn)識(shí)、設(shè)計(jì)及控制方面的理論體系。其目的在于揭示材料的行為，給予材料屬性的描述或建立模型，以及解釋組成結(jié)構(gòu)與性能間的聯(lián)系。材料科學(xué)與工程2023/2/417

材料科學(xué)與工程的內(nèi)涵材料科學(xué)與工程效能，使用性能成份組織結(jié)構(gòu)性質(zhì)理論及材料與工藝設(shè)計(jì)合成/制備受環(huán)境影響(氣氛、溫度和受力狀態(tài)等)2023/2/418高溫?zé)啥嗑Р牧希禾沾?、水泥等直拉法、區(qū)熔法單晶材料：單晶硅、SiO2壓電單晶等高溫熔制玻璃材料：平板玻璃、通信光纖等低溫濕化學(xué)合成納米氧化硅粉體、高表面微孔材料等有機(jī)合成:

有機(jī)硅材料等14SiSilicon材料科學(xué)與工程2023/2/419材料科學(xué)與工程材料科學(xué)的核心:通過過程現(xiàn)象揭示材料組成-工藝-結(jié)構(gòu)-性能的關(guān)聯(lián)。過程是理解結(jié)構(gòu)和性能的重要環(huán)節(jié)。結(jié)構(gòu)決定性能，組成與工藝決定結(jié)構(gòu)的形成。結(jié)構(gòu)因素包括：組成基元、排列、結(jié)合類型和運(yùn)動(dòng)方式。結(jié)構(gòu)的層次：原子結(jié)構(gòu)、原子排列、相結(jié)構(gòu)、顯微組織、結(jié)構(gòu)缺陷等。2023/2/420材料科學(xué)與材料工程的關(guān)系●

材料科學(xué)具有“研究為什么”的性質(zhì)。核心是建立結(jié)構(gòu)－

性能的關(guān)系。●

材料工程具有“解決怎樣做”的性質(zhì)。是能為社會(huì)所接受

地獲得材料的結(jié)構(gòu)、性能和形狀。(要考慮5個(gè)判據(jù)：

經(jīng)濟(jì)、質(zhì)量、資源、環(huán)保、能源)●

材料科學(xué)為材料工程提供設(shè)計(jì)依據(jù)，為更好地選擇材料、使用材料、發(fā)展新材料提供理論基礎(chǔ)。

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材料工程為材料科學(xué)提供豐富的研究課題和物質(zhì)基礎(chǔ)。

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材料科學(xué)和材料工程緊密聯(lián)系，它們之間沒有明顯的界線。在解決實(shí)際問題中，不能將科學(xué)因素和工程因素獨(dú)立考慮。因此，人們常將二者合稱為材料科學(xué)與工程。材料科學(xué)與工程2023/2/421材料科學(xué)與工程現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱－－能源、材料、信息，其中材料是基礎(chǔ)。材料的研究、開發(fā)與應(yīng)用反映著一個(gè)國家的科學(xué)技術(shù)與工業(yè)水平，關(guān)系著國家的綜合國力與安全。世界各國把材料放在重要地位來發(fā)展。我國在1978年的科學(xué)大會(huì)上將材料科學(xué)技術(shù)列為8大科技領(lǐng)域之一，此后各個(gè)五年計(jì)劃，一直作為一直作為重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域。2023/2/422通過各種方法，表征材料的如下信息：材料的組成，即材料所含的元素種類；結(jié)構(gòu)，包括原子、分子、晶體、相和結(jié)構(gòu)缺陷等各層結(jié)構(gòu)；材料幾何特征，如形貌、尺寸等；材料的性能，包括材料的力、熱、光、電、磁及其耦合性能。材料分析測試技術(shù)2023/2/423分析方法的發(fā)展-結(jié)構(gòu)分析降解——將分子分解成碎片，從碎片分析結(jié)構(gòu)化學(xué)方法：取代和降解取代——用已知基團(tuán)取代分子中某些原子或原子團(tuán),通過產(chǎn)物分析結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)：需要大量原料，制備和分離困難，許多化合物難 以憑借上述方法分離和識(shí)別例：CH4

CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4例：CaCO3CaO+CO2材料分析測試技術(shù)2023/2/424早期物理方法包括：物理方法利用光、電、磁等各種場和物質(zhì)發(fā)生相互作用，引起物質(zhì)內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)或狀態(tài)發(fā)生變化，并以能量形式表現(xiàn)出來。測量這種能量變化情況，可以推測物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。介電常數(shù)折射率磁化率材料分析測試技術(shù)2023/2/425現(xiàn)代物理方法用各種形式的電磁波(含光、電、磁、微波、射頻、電子束)照射被測對(duì)象，作用以后電磁波強(qiáng)度和頻率的關(guān)系構(gòu)成譜。研究譜和物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間關(guān)系的學(xué)科就是譜學(xué)。材料分析測試技術(shù)2023/2/426現(xiàn)代物理方法材料分析測試技術(shù)2023/2/427各種現(xiàn)代分析方法：質(zhì)譜電子能譜(X射線光電子能譜、紫外光電子能譜、俄歇電子能譜)光譜(原子分子、紅外和拉曼、熒光光譜、紫外和可見吸收光譜)色譜(氣相色譜、液相色譜、凝膠色譜等)熱譜(差熱分析、熱重分析、示差掃描量熱分析等)磁共振譜(核磁共振譜、電子順磁共振)衍射分析(X射線、電子束、中子束)圖像分析(光學(xué)顯微分析、電子顯微分析、掃描探針類)材料分析測試技術(shù)2023/2/428

材料分析測試技術(shù)貫穿與材料的實(shí)驗(yàn)研究密不可分。效能，使用性能成份組織結(jié)構(gòu)性質(zhì)理論及材料與工藝設(shè)計(jì)合成/制備受環(huán)境影響(氣氛、溫度和受力狀態(tài)等)材料分析測試技術(shù)2023/2/429

材料結(jié)構(gòu)層次SiO2的結(jié)構(gòu)形貌

分析方法的適應(yīng)性材料分析測試技術(shù)2023/2/430結(jié)構(gòu)測定包括晶體結(jié)構(gòu)、表面結(jié)構(gòu)分析等X射線衍射分析：晶體結(jié)構(gòu)分析選區(qū)電子衍射：選區(qū)晶體結(jié)構(gòu)分析中子衍射：晶體結(jié)構(gòu)分析等低能電子衍射：表面結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)的測定Fig.2.(a)ZnO晶體的XRD圖;(b)ZnO梳狀納米結(jié)構(gòu)的TEM形貌圖和選區(qū)電子衍射(SAED)圖分析方法的適應(yīng)性材料分析測試技術(shù)2023/2/431——晶體學(xué)基礎(chǔ)(第一章)——X射線衍射分析(第二至四章)——透射電子顯微分析(第五至七章)——掃描電子顯微鏡與電子探針(第八章)——光電子能譜等(第九章)——熱分析技術(shù)(第十章)——光譜分析(第十一章)講解分析有關(guān)材料的組成、結(jié)構(gòu)和形貌的現(xiàn)代材料分析測試技術(shù)，主要包括：課程的主要內(nèi)容2023/2/432基本要求:理解本課程的重要性；掌握材料結(jié)構(gòu)、性能的各項(xiàng)測試原理，測試方法；理解影響材料測試、分析結(jié)果的各項(xiàng)因素；考核與評(píng)分：考試(70%)，平時(shí)成績(30%)，平時(shí)成績根據(jù)作業(yè)和考勤來定。本課程的學(xué)習(xí)2023/2/433王培銘等，材料研究方法，科學(xué)出版社。楊南如，無機(jī)非金屬材料測試方法，武漢工業(yè)大學(xué)出版社。鐵軍等，材料近代分析測試方法，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版