材料现代分析方法实验指导

材料现代分析方法实验指导梁伟编太原理工大学材料科学与工程学院2013.112依本年度实验条件，实验三和实验四的顺序略作调整目录实验一主要仪器及功能了解实验二材料的X射线衍射分析实验三材料扫描电子显微分析及X射线能谱分析实验四材料透射电子显微分析及样品制备附加电子背散射衍射分析1实验一主要仪器及功能了解一、实验目的初步认识各种主要的材料现代分析仪器，了解其主要功能和用途。二、各类典型仪器的外形、主要功能及用途1X射线衍射仪X射线衍射仪(XRD)是根据晶体对X射线衍射的原理，利用X射线照射样品并探测衍射线的空间分布方向和强度，从而实现晶体结构分析的仪器。其基本分析项目包括：物相定性分析和定量分析，点阵常数测定，一、二、三类应力测定，晶粒尺寸测定，单晶定向，非晶态结构分析等。图1(a)和(b)分别是Y-4Q型X射线衍射仪（丹东射线仪器公司）的主要部件和RigakuDmax2500型X射线衍射仪主机的外形图。2透射电子显微镜透射电子显微镜（简称透射电镜，英文缩写TEM）是以波长极短的电子束作照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种具有高分辨率、高放大倍数的电子光学仪器。目前透射电镜的分辨率已达0.1nm，放大倍数可从几十倍到一百多万倍（针对不同分析需要，透射电镜通常在几千到几十万倍的放大倍数下观察）。透射电镜在微观组织形貌观察的同时，利用其选区衍射、微衍射或会聚束衍射等功能可以进行微区（从m级到亚nm级尺度）的结构分析；在高分辨的情况下，可以直接观察到晶格像和结构像；利用拉伸样品台和加热样品台可实现原位拉伸和变温过程中微观组织结构演变的分析观察。此外，透射电镜可较方便地配备X射线能量分散谱仪（XEDS或EDS），使其在形貌观察、结构分析的同时能够方便地对微区的成分进行定性或定量分析。这些使得透射电镜成为材料微观结构分析的最强有力的工具之一。图2是两种型号的透射电镜的外形图。(b)(a)1423Y-4Q型X射线衍射仪的主要部件1X射线管；2样品台；3测角仪；4计数器。图1X射线衍射仪及其主要部件外形图(a)Y-4Q型X射线衍射仪的主要部件;(b)Dmax2500型X射线衍射仪主机的外形图23扫描电子显微镜扫描电镜利用细聚焦高能电子束在试样表面扫描而激发各种物理信号，通过对这些信息的接收、放大和显示成像实现对试样表面微区的分析。扫描电镜具有较高的分辨本领，放大倍数从近10倍至几十万倍连续可调，其很大的景深使其非常适合对粗糙表面的形貌观察，如断口形貌观察。扫描电镜可以很方便地配备X射线能量（或波长）分散谱仪以及近年来出现的背散射衍射仪（取向成像技术），从而方便地实现微区成分和晶体取向的分析。图3是KYKY-1000B型扫描电子显微镜（配TN-5400型X射线能谱仪）的外形图。图3KYKY-1000B型扫描电子显微镜分辨率：6nm；放大倍数：~30万倍H-800型透射电子显微镜点分辨率：0.35nm;加速电压：200kVJEOL-2010型透射电子显微镜点分辨率：0.19nm;加速电压：200kV图2透射电子显微镜外形照片34核磁共振仪核磁共振谱（NMR）法利用物质原子核本身性质的差异实现对化合物分子结构的分析，如确定有机、无机、金属有机、药物、生物等分子内部存在的基团及其相互的连接关系，立体构型与空间分布等静态构造，也广泛应用于跟踪化学反应、化学交换、分子内部运动等动态过程，进而了解这些过程的机理。除了可获取有关分子结构的大量信息外，还可得到化学键、热力学参数和反应动力学机理方面的信息。图4是AC-80型傅立叶变换核磁共振谱仪的外形图。主要技术指标1H共振频率：80MH分辨率：BC0.2Hz(10探头，80%苯样)1H0.2Hz(5探头，15%邻二氯苯)灵敏度：BC175:1(10探头)BC40:1(5C/H双探头)1H80:1(5C/H双探头)5红外光谱仪红外光谱仪主要用于鉴别化合物和确定物质分子结构，其范围涉及有机化学、高分子化学、金属有机化学、络合物化学、生物化学以及石油化工产品、食品、药物、半导体、环境污染物的分析等方面，此外也可应用在分子转动理论的研究及表面分析和化学动力学的研究。红外吸收光谱分析方法主要是依据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息进行测定，其主要部件包括：光源、干涉仪和检测器。图5是FTIR1730型傅立叶变换红外光谱仪（美国P-E公司）的外形图。主要技术指标：波长范围：4000cm-1450cm-1分辨率：1cm-164cm-16气相色谱-质谱连用仪(GC-MS)气相色谱是很好的分离装置，但不能对化合物定性；质谱仪是很好的定性分析仪器，但要求纯样品。将色谱与质谱联合起来，就可以使分离和鉴定同时进行，对于混合物的分析是一种比较理想的仪器，目前已普遍应用到化学、化工、环境、食品等领域，如可以对药品、涂料、化工产品进行成分分析。图4AC-80型傅立叶变换核磁共振谱仪图5FTIR1730型傅立叶变换红外光谱仪4气相色谱-质谱连用仪主要由色谱部分、质谱部分和数据处理系统3部分组成。图6是HP-5988AGC-MS色-质联用仪(美国惠谱公司)的外形图。主要技术指标质量范围：10~1000(2000)aum分辨本领：2500灵敏度：EI0.5ngCI+50pg离子源：EI/CI谱图检索：130000张标准图谱用于自动检索7等离子发射光谱仪在原子发射光谱中占主要地位的是电感耦合等离子体光源。电感耦合等离子体光谱法具有测量精度好、检出限低、体积效应小、可快速进行多元素同时测定等特点，主要用于低含量无机元素定量分析。图7是ICP8410型电感耦合等离子发射光谱仪(澳大利亚立伯公司)的外形图。主要技术指标波长范围：170~820nm分辨率：0.01nm线色散：0.37nm检测限：ppb三、对实验报告的要求简述各类仪器的主要功能及用途紫外可见光谱仪分析实验目的：设备型号：样品：操作步骤：实验结果及分析：图6HP-5988AGC-MS色-质联用仪图7ICP8410型电感耦合等离子发射光谱仪5实验二材料的X射线衍射分析一、实验目的了解X射线衍射仪的构造及使用掌握简单物质衍射谱的指标化和物相定性分析的方法。二、X射线衍射仪介绍进行X射线衍射分析的样品通常有粉末样品和块体样品两种。样品架通常由玻璃（有时由金属）制成，分通孔和盲孔两种，如图所示。对粉末样品,用玻璃板将其在样品架孔内压实,确保表面平整并与样品架前面平齐。当粉末样品的量较少时可选用盲孔样品架。对块体样品，待分析表面应足够大，并使其与样品架前面平齐。X射线衍射仪的核心部件有：X射线管、X射线测角仪、辐射探测器(记数器)及计算机控制部分。右图是目前常用的热电子密封式X射线管的示意图。阴极由钨丝饶成螺线形，工作时通电至白热状态。在阴阳极间施加几千伏的电压，热电子高速撞击阳极靶面。为防止灯丝氧化并保证电子流稳定，管内抽成优于1.3310-3Pa的高真空。为使电子束集中，在灯丝外设有聚焦罩。阳极靶由熔点高导热性好的铜制成，靶面上涂一层纯金属。常用的金属材料为Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、W等。当高速电子撞击阳极靶面时，电子的部分动能转化为X射线，而绝大部分(约99%)转变为热。为了保护阳极靶面，X射线管工作时需用水强制冷却。X射线管有相当厚的金属管套，使X射线只能从窗口射出。窗口由吸收系数较低的Be片制成(操作过程中应避免触及Be片,一则因其有毒，一则因其较薄易损坏)。结构分析X射线管通常有四个对称的窗口。罢免上被电子轰击的范围称为焦点，它是发射X射线的源泉。用螺线形灯丝时，焦点的形状为长方形（面积为110mm2）。窗口位置的设计，使得射出的X射线与靶面成6。从长方形短边上的窗口所看到的焦点为1mm2的正方形，称点焦点，在另一方向则得到线焦点。一般的照相多采用点焦点，而线焦点则多用在衍射仪上。靶材与滤片的选择见教材《材料现代分析方法》第六章P88。有关测角仪和探测器的结构和原理见教材《材料现代分析方法》第六章的衍射仪法（P94）部分，其外形图见本指导书图1(a)。通过计算机可设置各种所需的扫描模式和参数，并可实现图谱的多种分析，如自动寻峰、光滑谱线、标定峰高和强度等。此外，计算机中可存储绝大多数已知的物相的数据库，并设有无机、有机、合金、矿物等多个分库。指出测试时所使用的靶材，扫描范围，实验误差范围估计，试样的元素信息，计算机系统可进行自动检索匹配，给出试样物相分析的冷却水窗口阴极(灯丝)聚焦罩玻璃壳阳极(靶)金属管套X射线管构造示意图盲孔样品架通孔样品架6定性和定量结果。三、X射线衍射图分析劳埃方程或布拉格方程给出了可能发生X射线衍射的方向，但是否在这些方向产生衍射、强度如何还需计算相应的结构因数以及相的含量、多重性因素、角因素、温度因素等。原则上讲，目前衍射仪的计算机系统可自动完成对衍射谱图的分析，相关原理可参见教材《材料现代分析方法》第六章和第七章。但在一些情况下仍需要人工分析，如一种新相的衍射谱的分析或某种已知相但由于成分、温度、应力等的影响与标准卡片的参数将发生不同程度的偏离，另外也往往需要对计算机的结果进行核实。例如，已知-TiAl具有有序正方结构。-TiAl中的原子排列类似于面心立方结构，其差别在于(002)面上为同类原子,分别由Ti原子和Al原子构成的(002)面沿[001]方向交替堆垛,使得[001]方向的单胞矢量长度比其他两个方向的略长，通常c/a=1.01~1.03,a0.4nm,依Ti、Al含量的比值与其化学当量比的偏离程度而变化。为此，成分不同的-TiAl其单胞常数与标准卡片可能有所偏离，需要人工核实。下图是-TiAl的X射线衍射图，计算或核实其相关单胞参数的具体步骤包括：1.根据已知的晶体结构,计算其结构因数,以确定可能产生的衍射峰;2.根据布拉格公式计算这些衍射峰可能出现的位置(2值);3.与实测衍射谱对照,将其指标化;4.根据实测的衍射峰2值,计算出相应的面间距；5.按照晶面间距公式反推出有关单胞参数。（注：一般情况下，当测角仪精度一定后，高角度所测得的晶面间距的精度比低角度的高。故在处理涉及晶面间距精度的问题时，尽量选用高角度的测量结果。）如：已知测角仪精度为0.1，试将图中已标2度数的衍射峰指标化，计算其单胞矢量长度和c/a值并给出误差估计。四、对实验报告的要求1.简述X射线衍射仪的构造2.说明本次实验所用样品的材料类型、X射线衍射仪型号、实验参数的选择、实验结果及分析。38.731.644.445.365.366.069.32()7实验三材料扫描电子显微分析及X射线能谱分析一、实验目的1．了解扫描电镜的结构、成像原理及样品制备方法2．初步掌握X射线能谱分析二、扫描电镜的基本结构和原理扫描电镜由电子光学系统、扫描系统、信号收集处理显示系统、真空系统、供电控制系统和冷却系统等六部分组成。其原理及各部分的的主要作用见教材《材料现代分析方法》（北京工业大学出版社，2000年）168~170页。三、电子探针X射线显微分析电子探针是目前较为理想的一种微区化学成分分析手段，包括能谱仪和波谱仪两类。其中，能谱仪由于其结构紧凑、分析效率高已被广泛用作为透射电镜和扫描电镜进行微区成分分析的附件。其工作原理和性能特点见教材《材料现代分析方法》（北京工业大学出版社，2000年）178~180页。四、实验方法与步骤1样品制备扫描电镜观察的样品必须是固体，在真空条件下能长时间保持稳定。块状样品直径一般为10~15mm，厚度约为5~10mm。导电性好的样品可直接切取并用导电粘胶直接粘在铜或铝质样品座上，直接放入扫描电镜观察。导电性不好的样品用导电粘胶粘在样品座上后，需在离子溅射镀膜仪或真空镀膜仪中喷一层厚度约为100的金、铝或铜镀膜层，再放入观察。粉末样品的制备包括收集、固定和定位等环节，对导电性不好的材料同样需要溅射金属镀膜层。2扫描电镜的操作(1)开机：接通电源，打开冷却水；抽真空；加高压；加灯丝束流；接通显示器、扫描系统电源。(2)电子束合轴：灯丝电流饱和点调整和电子束对中调整。(3)更