材料現(xiàn)代分析與測試技術-各種原理及應用

PGE\*MERGEFORMTPGE\*MERGEFORMT1材料現(xiàn)代分析與測試技術-各種原理及應用XRD：

1.X射線產(chǎn)生機理：

（1）連續(xù)X射線的產(chǎn)生：任何高速運動的帶電粒子突然減速時，都會產(chǎn)生電磁輻射。①在X射線管中，從陰極發(fā)出的帶負電荷的電子在高電壓的作用下以極大的速度向陽極運動，當撞到陽極突然減速，其大部分動能變?yōu)闊崮芏紦p耗掉了，而一部分動能以電磁輻射—X射線的形式放射出來。

②由于撞到陽極上的電子極多，碰撞的時間、次數(shù)及其他條件各不相同，導致產(chǎn)生的X射線具有不同波長，即構成連續(xù)X射線譜。

（2）特征X射線：根本原因是原子內層電子的躍遷。

①陰極發(fā)出的熱電子在高電壓作用下高速撞擊陽極；

②若管電壓超過某一臨界值Vk，電子的動能（eVk）就大到足以將陽極物質原子中的K層電子撞擊出來，于是在K層形成一個空位，這一過程稱為激發(fā)。Vk稱為K系激發(fā)電壓。③按照能量最低原理，電子具有盡量往低能級跑的趨勢。當K層出現(xiàn)空位后，L、M、N……外層電子就會躍入此空位，同時將它們多余的能量以X射線光子的形式釋放出來。

④K系：L,M,N,...─→K，產(chǎn)生Kα、Kβ、Kr...標識X射線

L系：M,N,O,...─→L，產(chǎn)生Lα、Lβ...標識X射線特征X射線譜M系:N,O,....─→M，產(chǎn)生Mα...標識X射線特征譜Moseley定律2)(1

αλ-?=ZZ:原子序數(shù)，、α：常數(shù)

2.X射線與物質相互作用的三個效應

（1）光電效應

?當X射線的波長足夠短時，X射線光子的能量就足夠大，以至能把原子中處于某一能級上的電子打出來，

?X射線光子本身被汲取，它的能量傳給該電子，使之成為具有一定能量的光電子，并使原子處于高能的激發(fā)態(tài)。

（2）熒光效應

①外層電子填補空位將多余能量ΔE輻射次級特征X射線，由X射線激發(fā)出的X射線稱為熒光X射線。

②衍射工作中，熒光X射線增加衍射花樣背影，是有害因素

③熒光X射線的波長只取決于物質中原子的種類(由Moseley定律決定)，利用熒光X射線的波長和強度，可確定物質元素的組分及含量，這是X射線熒光分析的基本原理。

（3）俄歇效應

俄歇效應是外層電子躍遷到空位時將多余能量ΔE激發(fā)另一個核外電子，使之脫離原子。這樣脫離的電子稱為俄歇電子。3.衍射理論

（1）衍射幾何條件：

Brgg公式+光學反射定律=Brgg定律

Brgg公式：2dSinθ=nλn——整數(shù)，稱為衍射級數(shù)

d——晶面間距，與晶體結構有關

θ——Brgg角或半衍射角

2θ衍射角(入射線與衍射線夾角)

光學反射定律：當一束X射線照耀到晶體上時,發(fā)生鏡面反射散射線、入射線與晶面法線共面，且在法線兩側散射線與晶面的交角等于入射線與晶面的交角。

（2）衍射強度：I相對=F、P、θ分別為結構因數(shù)、重復因數(shù)、布拉格角4.應用

在無機非金屬材料研究中的一些常規(guī)分析測試中的主要應用方面：（1）物相分析（2）晶胞參數(shù)測定（3）晶體試樣中晶粒大小、應力和應變測定（4）相圖或固溶度測定（5）單晶材料：推斷晶體對稱性和晶體取向方位、觀察晶體缺陷、研究晶體完整性TEM

1.工作原理：

（1）聚焦電子束作照明光源：電子槍產(chǎn)生的電子束，經(jīng)1-2級聚光鏡會聚后，均勻地照耀試樣上的某一待觀察的微小區(qū)域上。

（2）透射電子作為成像信號：電子束與試樣作用，試樣很薄——透射電子——其強度分布

與試樣的形貌、組成、結構對應。（3）透射出的電子經(jīng)一系列透鏡放大投射到熒光屏上。

（4）熒光屏把電子強度分布轉變?yōu)榭梢姽鈴姸确植肌獔D像（陰極射線發(fā)光過程）工作過程概括：①電子槍發(fā)出電子束→②經(jīng)會聚透鏡會聚→③照耀并穿透試樣→④經(jīng)物鏡成像→⑤中間鏡投影鏡放大→⑥電子顯微像(屏或底片)

2.應用

在無機材料中的應用：

（1）納米材料：確定粉末顆粒的外形輪廓、輪廓清楚度、顆粒尺寸大小和厚薄、粒度分布和聚焦或準疊狀態(tài)

（2）薄膜形貌：表面形貌及結構

（3）陶瓷材料：研究陶瓷材料晶粒、晶界及斷口形貌

（4）晶體缺陷觀察：晶界位錯及其他界面，表面結構的TEM觀察，在高壓電鏡中晶體缺陷的動態(tài)觀察和晶體缺陷的精細結構研究

（5）靜態(tài)及晶格結構的確定

3.影響因素

（1）試樣SEM

1.工作原理：

(1)電子槍→電子束（交叉斑為電子源）→聚焦→微細電子束（一定能量、束流強度、束斑直徑）；

(2)在試樣表面掃描（時間、空間順序柵XX式掃描）

(3)產(chǎn)生二次電子、背散射電子、汲取電子、特征X射線及其它物理信號；

(3)探測器收集背散射電子、二次電子等信號→電訊號→視頻放大→顯像管成像。

2

3

220220001()()32()2:

::MeIIeVmcRVSVIVλθπθμλθ-=????=式中符號意義:入射X光束強度,為非偏振光入射X的波長;

R:觀察點與試樣之間的距離（衍射儀半徑）;晶胞體積;

e,m,c分別為電子的電荷、質量；光速;,F,P分別為布拉格角、結構因數(shù)、重復因數(shù);S、V:受X光照耀θ-2M的試樣面積和體積;(),e分別為汲取因數(shù)、溫度因數(shù);

2.應用

（1）粉末顆粒觀察：確定粉末顆粒的外形輪廓、輪廓清楚度、顆粒尺寸大小和厚薄、粒度分布和聚焦或準疊狀態(tài)

（2）薄膜形貌觀察

（3）陶瓷斷口形貌觀察

（4）缺陷觀察

DSC

1.工作原理

功率補償型DSC：在試樣和參比物容器下各裝有一組補償。

當出現(xiàn)溫差（ΔT）時：

試樣吸熱，補償放大器使試樣熱絲電流增大；至ΔT=0

試樣放熱，則使參比物熱絲電流增大，至ΔT=0。

DSC常與DT組裝在一起，用更換樣品桿和增加功率補償單元達到既可作DSC，又可作DT。

2.應用

(1)玻璃化轉變溫度的測定

(2)熔融和結晶溫度的測定

(3)確定水在化合物中的存在狀態(tài)

(4)轉變點的測定

(5)潔凈度的測定

(6)二元相圖的測繪

3.影響因素

（1）試樣特性：樣品用量、粒度、試樣幾何形狀

（2）實驗條件：升溫速率、氣體性質

IR

1.工作原理

物質因受光的作用，引起分子或原子基團的共振，從而產(chǎn)生對光的汲取。

如果將透過物質的光輻射用單色器加以色散，使波長按長短依次排列，同時測量在不同波長處的輻射強度，得到的是振動光譜，又叫汲取光譜。

（1）如果用的光源是紅外光波，即0.76～1000μm，就是紅外汲取光譜。

（2）如果用的是強單色光，例如激光，產(chǎn)生的是激光拉曼光譜。

2.應用

無機：（1）物質化學組成的分析：

①定性分析：根據(jù)譜的汲取頻率的位置和形狀來推斷定未知物；

②定量分析：按其汲取的強度來測定它們的含量。

（2）作分子結構的基礎研究：測定分子的鍵長、鍵角大小，并推斷分子的立體構型；或根據(jù)所得的力常數(shù)，間接得知化學鍵的強弱；也可以從正則振動頻率來計算熱力學函數(shù)等。

3.影響因素

（1）試樣制備：純度、穩(wěn)定性、含水量

（2）測試條件對紅外光譜的影響：

1）物理狀態(tài)：對