材料研究分析方法(研究生)-第1-2讲

材料测试技术材料分析方法材料研究方法祁景玉编著X射线结构分析同济大学出版社2003马礼敦编著近代X射线多晶体衍射—实验技术与数据处理化学工业出版社2004材料分析研究方法（绪论）晶体几何学X射线衍射方向与强度X射线衍射物相分析计算机在多晶体衍射中的应用亚晶粒大小和显微畸变的测定Rietveld全谱拟合及应用X射线多晶体衍射的主要应用主要内容一、材料研究的意义和内容材料科学的主要任务是研究材料研究的内容：性能组成结构第1讲材料分析研究方法材料设计材料的性能决定于：组成结构材料的组成结构又取决于：材料的制备工艺材料的使用过程性能Property结构Structure工艺Technology原材料RawMaterials重要性:材料性能与其结构及其随时间的变化有关复合材料重要性:材料性能与其结构及其随时间的变化有关宏观性能微观结构材料科学二要素关系示意图抗压强度重要性:材料性能与其结构及其随时间的变化有关组成与结构性能合成与工艺制备材料科学三要素关系示意图韧性PVC/EVAc接枝共聚物滚压7.5min滚压15min滚压20min性能合成与工艺制备使用效能组成与结构材料科学四要素关系示意图重要性:材料性能与其结构及其随时间的变化有关使用效能环境协调性组成与结构性能合成与工艺制备材料科学五要素关系示意图探明关系指导工艺（制备或生产）开发材料优化材料重要性:材料性能与其结构及其随时间的变化有关材料研究方法定义广义：包括技术路线实验技术数据分析狭义：某一种测试方法，如：X射线衍射方法电子显微术红外光谱分析核磁共振分析等实验数据获取和分析二、材料结构和研究方法的分类材料的组成和结构的测试方法有多种，应根据不同的应用场合选择。其中显微术的选择又与材料的结构及层次有关。1、材料结构及其层次所谓结构，是指材料系统内各组成单元之间的相互联系和相互作用方式。材料的结构从存在形式来讲，无非是晶体结构、非晶体结构、孔结构及它们不同形式且错综复杂的组合或复合。材料结构的层次（按照观察用具或设备的分辨能力来划分）宏观结构显微结构亚微观结构微观结构肉眼的分辨率光学显微镜的分辨率普通扫描电子显微镜的分辨率从尺度上讲，又分为微观结构、亚微观结构、显微结构和宏观结构等四个不同的层次。结构层次物体尺寸研究对象举例研究方法宏观结构100m大晶粒、颗粒集团断面结构、外观缺陷、裂纹、空洞肉眼、放大镜、实体显微镜显微结构0.2-100m晶粒多相集团物相的形状、光学性质大小、取向分布和结构物相的光学性质偏光显微镜反光显微镜干涉显微镜亚显微结构10-200nm微晶集团界面形貌晶体构造的位错缺陷扫描电镜电子显微镜微观结构10nm晶格点阵晶格点阵扫描隧道电镜场离子显微镜高分辨电镜材料结构的层次2、研究方法的种类光学显微分析偏光显微镜差热分析差示扫描量热分析热机械分析热重分析FTIRUVRaman•NMR扫描电镜电子探针透射电镜X射线衍射分析材料测试研究平台结构形貌热效应成分红外/紫外光谱凝胶渗透色谱仪X射线衍射仪激光粒度分析仪比表面分析仪核磁共振激光拉曼光谱仪综合热分析多通道量热计原子力显微镜数字图像分析仪低真空扫描电镜环境扫描电镜透射电镜X射线荧光光谱仪X射线光电子能谱仪等离子体发射光谱聚氯乙烯分子结构建筑结构水泥浆体显微结构内容:内容:研究材料的(亚)显微结构:物相的种类、大小、形状和分布聚氯乙烯分子结构水泥浆体显微结构化学组成晶体结构形状内容:研究材料的(亚)显微结构:物相的种类、大小、形状和分布骨料水泥浆体宏观结构显微结构水泥混凝土化学组成晶体结构形状内容:研究材料的(亚)显微结构:物相的种类、大小、形状和分布骨料水泥浆体宏观结构水泥混凝土化学组成晶体结构形状内容:研究材料的(亚)显微结构:物相的种类、大小、形状和分布骨料水泥浆体宏观结构水泥混凝土化学组成晶体结构形状内容:研究材料的(亚)显微结构:物相的种类、大小、形状和分布骨料水泥浆体宏观结构水泥混凝土化学组成晶体结构形状内容:研究材料的(亚)显微结构:物相的种类、大小、形状和分布骨料水泥浆体宏观结构水泥混凝土化学组成晶体结构形状内容:研究材料的(亚)显微结构:物相的种类、大小、形状和分布骨料水泥浆体宏观结构水泥混凝土化学组成晶体结构形状内容:研究材料的(亚)显微结构:物相的种类、大小、形状和分布骨料水泥浆体宏观结构水泥混凝土化学组成晶体结构形状40003600320028002400200016001200800400Wavenumber(cm-1)45403530252015Transmittance(%)内容:研究材料的(亚)显微结构:物相的种类、大小、形状和分布骨料水泥浆体宏观结构水泥混凝土化学组成晶体结构形状物相定性分析:骨料水泥浆体:未水化水泥熟料残核(晶相,有缺陷)水化产物:氢氧钙石(晶体)水化铝酸钙(晶体)钙矾石(晶体)低硫型水化硫铝酸钙(晶体)水化硅酸钙(非晶体)气孔(气相)孔液(液相)内容:研究材料的(亚)显微结构:物相的种类、大小、形状和分布骨料水泥浆体物相定性分析:骨料水泥浆体:未水化水泥熟料残核(晶相,有缺陷)…电子探针,晶格像水化产物:氢氧钙石(晶体)…………电子探针,热分析水化铝酸钙(晶体)…………电子探针,x射线衍射钙矾石(晶体)………………电子探针,x射线衍射低硫型水化硫铝酸钙(晶体)电子探针,x射线衍射水化硅酸钙(非晶体)………电子探针,核磁共振气孔(气相)………………………….形貌像孔液(液相)位置关系分数组织形貌光学显微技术扫描电子显微镜扫描探针显微分析技术扫描隧道显微镜(STM)原子力显微技术(AFM)其他扫描探针显微技术其他探针显微技术磁力显微技术(MFM)力调制显微技术(FMM)相位检测显微技术(PDM)静电力显微技术(EFM)扫描电容显微技术(SCM)热扫描显微技术(TSM)近场扫描光学显微镜(NSOM)晶体物相分析X射线衍射中子衍射电子衍射低能电子衍射(LEED)高能电子衍射(HEED)成分和价键(电子)结构分析X射线光谱分析X射线光电子能谱分析(XPS)俄歇电子能谱(AES)电子探针仪(EPMA)能谱仪(EDS)波谱仪(WDS)分子结构分析红外吸收光谱(IR)拉曼散射光谱(Raman)核磁共振光谱(NMR)第2讲晶体几何学晶体是由原子、分子或原子集团在三维空间内呈周期规则排列而构成的固体。只讨论有关原子在晶体中的排列方式和晶体形状特点，不涉及产生这种现象物理本质的学科，称为晶体几何学。§1.正空间点阵晶体结构和点阵结构在晶体中，原子、分子或原子集团的排列规律，称为晶体结构（晶体的原子结构）非晶体(石英玻璃)：没有规则的外形，各向同性，没有固定的熔点。石英晶体晶体中原子排列的作用原子排列研究固态物质的内部结构，即原子排列和分布规律是了解掌握材料性能的基础，才能从内部找到改善和发展新材料的途径。组织性能14种布拉菲点阵根据6个点阵参数间的相互关系，可将全部空间点阵归属于7种类型，即7个晶系。按照“每个阵点的周围环境相同“的要求，布拉菲（BravaisA．）用数学方法推导出能够反映空间点阵全部特征的单位平行六面体只有14种，这14种空间点阵也称布拉菲点阵。体心阵胞000,½½½面心阵胞000,½½0,½0½,0½½底心阵胞000,½½0简单阵胞000点阵胞只有以上讨论的四种类型：简单阵胞（初基阵胞）和复杂阵胞（非初基阵胞）——底心、体心、面心阵胞。将7种晶系与四种阵胞组合起来，应有28种组合。但是由法国晶体学家布拉菲研究证明，它们中间只有14种组合是独立存在的，这就是所谓的14种布拉菲点阵。晶体结构和空间点阵的区别空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽象，用以描述和分析晶体结构的周期性和对称性，由于各阵点的周围环境相同，它只能有14种类型晶体结构则是晶体中实际质点（原子、离子或分子）的具体排列情况，它们能组成各种类型的排列，因此，实际存在的晶体结构是无限的。晶体结构和空间点阵的区别Cu3Au,simplecubicabcg-Fe,fcc点阵方向与点阵平面在点阵中任一阵点的位置可以用它的坐标来表示。阵点坐标可以用U、V、W表示表示阵点位置亦可以通过一个矢量来表示，此矢量称为位矢。位矢的表达式位：)(作为三基矢、、cbacWbVaUr晶向：晶体中原子的位置、原子列的方向晶面：原子构成的平面Miller（密勒）指数统一标定晶向指数和晶面指数•晶向指数晶向指数：[uvw]任意阵点P的位置可以用矢量或者坐标来表示。OP=u+v+wabc晶向指数的确定步骤1)以晶胞的某一阵点O为原点，过原点O的晶轴为坐标轴x,y,z,以晶胞点阵矢量的长度作为坐标轴的长度单位。2)过原点O作一直线OP，使其平行于待定晶向。3)在直线OP上选取距原点O最近的一个阵点P，确定P点的3个坐标值。4)将这3个坐标值化为最小整数u，v，w，加以方括号，[uvw]即为待定晶向的晶向指数。晶向指数的例子正交晶系一些重要晶向的晶向指数晶向指数的意义晶向指数表示着所有相互平行、方向一致的晶向；所指方向相反，则晶向指数的数字相同，但符号相反；晶体中因对称关系而等同的各组晶向可归并为一个晶向族，用uvw表示由于晶体具有对称性，则点阵方向之间也有对称关系。由对称性互相联系的，并在此方向线上阵点分布完全相同的所有点阵叫做方向族。表示这一方向时，在其中的某一方向指数外边加上一个尖括号。例如立方点阵的四个对角线[111]、[111]、[111]、[111]，就可以用一个111来表示，它们是以四次旋转轴[001]联系起来的。晶面指数标定步骤：1)在点阵中设定参考坐标系，设置方法与确定晶向指数时相同；2)求得待定晶面在三个晶轴上的截距，若该晶面与某轴平行，则在此轴上截距为无穷大；若该晶面与某轴负方向相截，则在此轴上截距为一负值；3)取各截距的倒数；4)将三倒数化为互质的整数比，并加上圆括号，即表示该晶面的指数，记为(hkl)。晶面指数例如：轴长a=4Ab=8Ac=3A截距：2A6A3A分数截距：1/23/41米氏符号：24/31(643)任何点阵中的任一点阵面，都有一组等距离分布的点阵面和它平行，并且其中之一将通过原点，根据milller指数的定义可以看出，（hkl）所指的点阵面应是这一组平行并等间距分布的点阵面中距原点最近的那个面。晶面指数的例子XZYXZYXZYXZYXZYXZY正交点阵中一些晶面的面指数（010）（100）（120）（102）（111）（321）晶面指数的意义在晶体内凡晶面间距和晶面上原子的分布完全相同，只是空间位向不同的晶面可以归并为同一晶面族，以{hkl}表示，它代表由对称性相联系的若干组等效晶面的总和。晶面指数所代表的不仅是某一晶面，而是代表着一组相互平行的晶面。•立方晶系中，相同指数的晶向和晶面垂直；•立方晶系中，晶面族{111}表示正八面体的面；•立方晶系中，晶面族{110}表示正十二面体的面；六方晶系指数六方晶系的晶向指数和晶面指数同样可以应用上述方法标定，这时取a1，a2，c为晶轴，而a1轴与a2轴的夹角为120度，c轴与a1，a2轴相垂直。但这种方法标定的晶面指数和晶向指数，不能显示六方晶系的对称性，同类型晶面和晶向，其指数却不相雷同，往往看不出他们的等同关系。六方晶系晶面指数标定根据六方晶系的对称特点，对六方晶系采用a1，a2，a3及c四个晶轴，a1，a2，a3之间的夹角均为120度，这样，其晶面指数就以(hkil）四个指数来表示。根据几何学可知，三维空间独立的坐标轴最多不超过三个。前三个指数中只有两个是独立的，它们之间存在以下关系：i=-(h+k)。六方晶系一些晶面的指数六方晶系晶向指数标定六方晶系晶向指数的表示方法(c轴与图面垂直)采用4轴坐标时，晶向指数的确定原则仍同前述晶向指数可用｛uvtw｝来表示，这里u+v=-t。六方晶系中，三轴指数和四轴指数的相互转化三轴晶向指数(UVW)四轴晶向指数(uvtw)三轴晶面指数(hkl)四轴晶面指数(hkil)