材料研究方法最终

2014-2015学年秋季现代材料研究方法课程期终考试题姓名：田纪云学号：s20143070744一、名词解释（每小题2分，共10分）1.特征Χ射线：当原子内层电子打到外层或者使原子电离，外层电子落到内层发生跃迁，使原子多余能量作为Χ射线发射出来的叫做特征Χ射线。2.电子衍射：当电子波（具有一定能量的电子）落到晶体上时，被晶体中原子散射，各散射电子波之间产生互相干涉现象。3.二次电子：在入射电子束作用下被轰击出来并离开样品表面的样品原子的核外电子叫做二次电子。4.DSC热分析：在程序控制温度下，测量输入到试样和参比物的功率差与温度的关系。5.吸收光谱：材料在某一些频率上对电磁辐射的吸收所呈现的比率，与发射光谱相对。二、分析题（每小题6分，共30分）1.试分析Χ射线衍射与电子衍射的异同点，各自适用的范围。答：Χ射线衍射：利用晶体形成的Χ射线衍射，对物质进行内部原子在空间分布状况的结构分析方法。电子衍射：当电子波（具有一定能量的电子）落到晶体上时，被晶体中原子散射，各散射电子波之间产生互相干涉现象。异同点以及各自适用的范围：电子衍射的原理和Χ射线衍射相似，是以满足（或基本满足）布拉格方程作为产生衍射的必要条件。两种衍射技术所得到的衍射花样在几何特征上也大致相似。（1）电子波的波长比Χ射线短的多，在同样满足布拉格条件时，它的衍射角θ很小，约0.01rad；而Χ射线产生衍射时，其衍射角最大可接近90°。（2）在进行电子衍射操作时采用薄晶样品，薄样品的倒易阵点会沿着样品厚度方向延伸成杆状，因此，增加了倒易阵点和爱瓦尔德球相交截的机会，结果使略为偏离布拉格条件的电子束也能发生衍射。（3）因为电子波的波长短，采用爱瓦尔德球图解时，反射球德半径很大，在衍射角θ较小的范围内反射球的球面可以近似地看成是一个平面，从而也可以认为电子衍射产生的衍射斑点大致分布在一个二维倒易截面内。这个结果使晶体产生的衍射花样能比较直观的反映晶体内各晶面的位向，给分析带来不少方便。（4）原子对电子的散射能力远高于它对Χ射线的散射能力（约高出四个数量级），这使得二者要求试样尺寸大小不同，Χ射线样品线性大小为0.001cm，电子衍射样品则为10−6−10−5cm，且电子衍射束的强度较大，摄取衍射花样时曝光时间仅需数秒钟，而Χ射线以小时计。（5）Χ射线衍射强度和原子序数的平方（Z2）成正比，重原子的散射本领比轻原子大的多。用Χ射线进行研究时，如果物质中存在重原子，就会掩盖轻原子的存在。而电子散射的强度约与Z4/3（原子序数）成正比，重原子与轻原子的散射本领相差不十分明显，这使得电子衍射有可能发现轻原子。此外，电子衍射因子随散射教的增大而减小的趋势要比Χ射线迅速的多。（6）它们的穿透能力大不相同，电子射线的穿透能力比Χ射线弱的多。这是由于电子穿透能力有限，比较适合于用来研究微晶、表面、薄膜的晶体结构。由于物质对电子散射强，所以电子衍射束的强度有时几乎与透射束相当。所以电子衍射要考虑二次衍射和其他动力学效应；而Χ射线衍射中次级过程和动力学效应较弱，往往可以忽略。2.简述Χ射线衍射仪的主要结构，分析其衍射几何的特点。答：Χ射线衍射仪的主要结构：X射线发生器、测角仪、记录仪和水冷却系统组成。Χ射线衍射仪衍射几何的特点：衍射仪通常使用线焦Χ射线，线焦应与测角仪转动轴平行，而且线焦到衍射仪转动轴的距离与轴到接收狭缝的距离相等，平板试样的表面必须经过测角仪的轴线。按照这样的几何布置，当试样的转动角速度为探测器的角速度的1/2时，无论在任何角度，Χ射线交点、试样和接收狭缝都在一个圆上，而且试样被照射面总是与聚焦圆相切；试样表面的曲率与聚焦圆的半径随衍射角θ的变化而改变；采用面试样“半聚焦”方法衍射线不完全聚焦，出现宽化，特别是入射光束水平发散增大时更为明显；入射线和衍射线还存在着垂直发散。3.分析透射电镜与扫描电镜的异同点（工作原理，衬度来源，分辨率，试样要求，适用的工作等方面）。答：1：透射电镜：工作原理：由电子枪发射出来的电子束，在真空通道中沿着镜体光轴穿越聚光镜，通过聚光镜将之会聚成一束尖细、明亮而又均匀的光斑，照射在样品室内的样品上；透过样品后的电子束携带有样品内部的结构信息，样品内致密处透过的电子量少，稀疏处透过的电子量多；经过物镜的会聚调焦和初级放大后，电子束进入下级的中间透镜和第1、第2投影镜进行综合放大成像，最终被放大了的电子影像投射在观察室内的荧光屏板上；荧光屏将电子影像转化为可见光影像以供使用者观察。衬度来源：复型和非晶态物质试样的衬度是质厚衬。1.两个晶粒的取向差异使它们偏离布拉格衍射的程度不同而形成的衬度；2.缺陷或应变场的存在，使晶体的局部产生畸变，从而使其布拉格条件改变而形成的衬度；3.微区元素的富集或第二相粒子的存在，有可能使其晶面间距发生变化，导致布拉格条件的改变从而形成衬度，还包括第二相由于结构因子的变化而显示衬度；4.等厚条纹，完整晶体中随厚度的变化而显示出来的衬度；5.等倾条纹，在完整晶体中，由于弯曲程度不同（偏离矢量不同）而引起的衬度分辨率：根据衍射理论推导，点光源通过透镜产生的Airy斑半径R0的表达式为：通常把两个Airy斑中心间距等于Airy斑半径时，物平面上相应的两个物点间距定义为透镜能分辨的最小间距，即透镜分辨率对于光学透镜，当n•sinα做到最大时（n≈1.5，α≈70-75°），。试样要求：透射电子显微镜成像时，电子束是透过样品成像。由于电子束的穿透能力比较低，用于透射电子显微镜分析的样品必须很薄。根据样品的原子序数大小不同，一般在50-500nm之间。适用的工作：样品内部组织形貌观察，原位的电子衍射分析，发展到还可以进行原位的成分分析、表面形貌观察和透射扫描像，可以针对同一微区位置进行形貌、晶体结构、成分（价态）的全面分析。还可以在加热状态、低温冷却状态和拉伸状态下观察样品动态的组织结构、成分的变化。2：扫描电镜：工作原理：以电子束作为照明源，把聚焦得很细的电子束以光栅状扫描方式照射到试样上，产生各种与试样性质有关的信息，然后加以收集和处理从而获得微观形貌放大像。衬度来源：表面形貌衬度是由于试样表面形貌差别而形成的衬度，原子序数衬度是由于试样表面物质原子序数（或化学成分）差别而形成的衬度。分辨率：分辨本领较高，二次电子像分辨本领可达1.0nm(场发射),3.0nm(钨灯丝)。试样要求：试样制备简单。只要将块状或粉末的、导电的或不导电的试样不加处理或稍加处理，就可直接放到SEM中进行观察。适用的工作：SEM装上波长色散X射线谱仪或能量色散X射线谱仪后，在观察扫描形貌图像的同时，可对试样微区进行元素分析，装上半导体样品座附件，可以直接观察晶体管或集成电路的p-n结及器件失效部位的情况，装上不同类型的试样台和检测器可以直接观察处于不同环境（加热、冷却、拉伸等）中的试样显微结构形态的动态变化过程（动态观察）。4.质厚衬度、衍射衬度和相位衬度是透射电子显微镜图像常见的三种衬度方式。请具体分析这三种衬度的来源以及电镜的工作模式和试样要求等方面的异同。答：1：厚度衬度：复型和非晶态物质试样的衬度是质厚衬度用AC纸或碳膜复制金相或断口的表面形貌。衍射衬度：1.两个晶粒的取向差异使它们偏离布拉格衍射的程度不同而形成的衬度；2.缺陷或应变场的存在，使晶体的局部产生畸变，从而使其布拉格条件改变而形成的衬度；3.微区元素的富集或第二相粒子的存在，有可能使其晶面间距发生变化，导致布拉格条件的改变从而形成衬度，还包括第二相由于结构因子的变化而显示衬度；4.等厚条纹，完整晶体中随厚度的变化而显示出来的衬度；5.等倾条纹，在完整晶体中，由于弯曲程度不同（偏离矢量不同）而引起的衬度在大块金属上切割薄片晶体经继续减薄(双喷,离子)制备。相位衬度：来源是晶体样品。试样厚度小于100nm，甚至小于30nm。三种衬度的工作方式都是显微图像。5.能谱仪和波谱仪都能做微区成分分析，试分析两种的工作原理上的区别和适用范围。答：能谱仪：特征X射线的产生是入射电子使内层电子激发而发生的现象。即内壳层电子被轰击后跳到比费米能高的能级上，电子轨道内出现的空位被外壳层轨道的电子填入时，作为多余的能量放出的就是特征X射线。高能级的电子落入空位时，要遵从所谓的选择规则,只允许满足轨道量子数的变化Δl＝±1的特定跃迁。特征X射线具有元素固有的能量，所以，将它们展开成能谱后，根据它的能量值就可以确定元素的种类，而且根据谱的强度分析就可以确定其含量。波谱仪：根据布拉格方程2dsinθ=λ,从试样激发出的X射线经适当的晶体分光，波长不同的特征X射线将有不同的衍射角2θ。适用范围：波谱仪可以测量铍(Be)-铀(U)之间的所有元素，而能谱仪中Si(Li)检测器的铍窗口吸收超轻元素的X射线，只能分析纳（Na）以上的元素。三、应用题（每小题30分，共60分）1：结合自己的课题工作，设计一个如何利用现代物理测试方法开展自己有关材料科研工作的详细方案。答：我的课题任务是高地隙喷雾机的喷杆设计。在喷杆的设计中，有一项重要的任务就是喷杆中的喷嘴的选择，喷嘴的寿命取决于喷嘴的材料、药液的理化性质、喷雾压力、剂型等多种因素。喷嘴磨损及损伤以后会导致流量，喷雾角度，雾滴大小都要发生变化。所以我选择分析的材料就是喷嘴的材料分析。喷雾器喷嘴的材质一般有铜、尼龙、不锈钢、刚玉瓷、陶瓷等。喷嘴的材质决定了喷嘴寿命，一般铜喷嘴寿命100小时，尼龙200小时，刚玉瓷300小时，不锈钢、陶瓷、聚合材料400小时。最终综合成本以及性能选择碳化硼陶瓷的喷嘴。碳化硼具有一系列优良的性能：如密度低，理论密度仅为2520kg/m3；硬度高，是仅次于金刚石和立方BN的最硬材料；化学性质稳定，是化学性质最稳定的化合物之一；同时碳化硼还具有很好的力学稳定性和很低的热膨胀系数。基于这些优良的特性，碳化硼在许多领域得到了广泛的应用。碳化硼的一个重要用途是通过粉末冶金技术制取耐腐蚀、耐摩擦的碳化硼器件，以适应各种苛刻条件下对设备结构器件耐磨抗蚀性能的要求。在进行选择喷嘴前，需要对喷嘴的性能进一步确定，研究其是否能够满足要求。选择试样热压碳化硼材料，实验采用Nano-Scope型AFM/FEM原子力/摩擦力显微镜，该仪器能同时测得表面形貌和摩擦力。扫描采用Si3N4探针，其针尖半径约为30nm。Si3N4探针的自由端与试样表面接触。在AFM/FEM测量过程中，平行于探针运动方向的扫描速率为200nm/s，垂直于探针运动方向的扫描速率为2nm/s。纳米摩擦测量时的扫描范围为测量时5μm*5μm，扫描范围的选择是随机的。通过观察碳化硼表面形貌来判断材料材质是否均匀致密，样品表面是否平整等要求，最后得出总体是否满足喷头的要求。2.在材料研究中可以采用的分析测试方法是多种多样的。自己拟定一个材料测试问题，设计一个多途径（不少于两种手段）的测试方案，分析各测试方法的优缺点，并指出自己的优选方案，并给出理由。答：对一种材料的组织和结构进行分析，可以选择用SEM与TEM两种分析方法来进行分析。下面就针对这两种方案来进行分析，优缺点以及最终选择的方案。SEM是扫描电镜，所加电压比较低，只是扫描用的，相当于高倍的显微镜TEM是透射电镜，所加电压高，可以打透样品。TEM是做材料微观组织分析，比如说孪晶啊、马氏体啊、位错啊等等，材料微观组织、晶体结构分析。SEM一般是做面扫描，也可以配能谱仪进行能谱分析，比如说断面形貌，组织观察，元素百分比等等，主要用于表面形貌观察，亦可通过能谱检测局部元素组成与含量。TEM的放大倍数要比SEM的高，当然两者的成像原理也是不同的，如果需要观察纳米颗粒在聚合物中的分散情况，就必须选择TEM来观察啦，SEM通常看材料的缺口断面，当然还有许多其他的应用；SEM是电子书激发出来表面次级电子，而TEM是穿透试样，而电子束穿透能力很弱，所以TEM样品要求很薄，只有几十纳米，TEM一般放大能力几百万倍，而SEM只有几万倍；SEM通常用在一些端口观察分析，外加一个能谱仪，可以进行能谱扫描。其放大倍数相对较低，操作方便，样品制作简单，对于高聚物，必须