《材料研究方法》期末总复习

总复习第五章-第八章第五章热分析重点复习内容热分析技术的分类DTA和DSC的基本原理及其主要应用TGA和DTA与材料失重机理的关系热膨胀和热机械分析种类（静态和动态）。基本概念热分析（ThermalAnalysis)：在程序控制温度下，测量物质的物理性质随温度变化的一类技术。DTA：在程序控制温度下测定物质和参比物之间的温度差和温度关系的一种技术。外延始点：指峰的起始边陡峭部分的切线与外延基线的交点。DSC：在程序控制温度下，测量输入到试样和参比物的能量差随温度或时间变化的一种技术。TGA：在程序控制温度下测量获得物质的质量与温度关系的一种技术。基本概念热膨胀分析：在程序控制温度下，测量物质在可忽视负荷下的尺寸随温度变化的一种技术。静态热机械分析（TMA）：在程序控温的条件下，分析物质承受拉、压、弯、剪、针入等力的作用下所发生的形变与温度的函数关系。动态热机械分析（DMA）：在程序控制温度下，测量物质在振荡负荷下的动态模量或阻尼随温度变化的一种技术。差热分析复习要点DTA原理差热曲线的表示外延始点差热分析的影响因素仪器因素、试样因素、实验条件DSC分析复习要点DSC分析原理、以及与DTA比较DSC分析的种类功率补偿型、热流型（热流式与热通量式）DSC曲线纵坐标：热流率dH/dt横坐标：温度或时间热重分析复习要点TGA原理热重曲线影响因素基线漂移、升温速率、炉内气氛、坩埚形式、热电偶位置、试样因素热膨胀与热机械分析复习要点热膨胀分析的种类静态热机械分析（TMA）的定义和分类动态热机械分析（DMA）的定义和分类热分析应用复习要点DTA与DSC谱图吸、放热峰的种类热分析技术在材料科学研究中的应用举例DTA与DSC谱图的解析典型的DTA谱图高分子材料的DTA和DSC模式曲线1.固-固一级转变，2.偏移的基线，3.熔融转变，4.降解或气化，5.二级转变或玻璃化转变，6.结晶，7.固化、氧化、化学反应或交联典型的DTA谱图高岭石Al2Si2O5(OH)4的DTA曲线第六章光谱分析重点复习内容UV紫外光谱的产生和应用，发色基团、助色基团和吸收带；IR产生条件，虎克定律与振动频率，分子振动形式，IR基团特征频率，影响IR基团频率的因素，简单IR谱图的识别与解析，IR的应用；Raman和IR的比较，应用。基本概念紫外光谱：为电子能谱，波长范围400-800nm，样品分子或原子吸收光子后，引起价电子能级跃迁。红外光谱（FTIR）：为分子振动转动光谱，由于分子振动能级的跃迁（同时伴随转动能级跃迁）而产生。振动光谱（Vibrationalspectroscopy）：由于分子振动能级的跃迁而产生的光谱。基本概念胡克定律（Hooke‘slaw）：反映振动频率与质量及键能的关系，特征基团（Characteristicgroup）：复杂分子中存在许多原子基团，各个原子基团（化学键）在分子被激发后，都会产生特征的振动。基团频率（GroupFrequencies）：与一定的结构单元相联系的振动频率。复习要点电磁波与物质的相互作用紫外光谱红外光谱核磁共振电磁波与物质的作用X射线：0.1-100Å，能量高，引起原子内层电子跃迁。紫外光：200-400nm，波长较短、能量较高，引起分子中价电子能级的跃迁。可见光：380-780nm，引起外层电子跃迁。红外光：0.75-1000μm，波长较长、能量稍低，引起分子中成键原子的振动和转动能级的跃迁。核滋共振波：无线电波1-1000m，能量更低，产生原子核自旋能级的跃迁。拉曼光谱：散射光谱，以特定能量光子同分子碰撞，产生光散射效应。紫外光谱复习要点紫外吸收光谱原理：由分子中价电子的跃迁而产生，与共轭体系的电子跃迁有关，紫外光谱可提供化合物中多重键和芳香共轭性方面的有关信息。在紫外区域有吸收的主要为π→π*和n→π*发色基团、助色基团紫外光谱吸收带R、K、B、E吸收带红外光谱复习要点FTIR原理红外吸收光谱的产生条件（物质能吸收电磁辐射应满足的两个条件）：辐射应具有刚好能满足物质跃迁时所需的能量；辐射与物质之间有相互作用。分子吸收辐射光的能量是量子化的，只有当光子能量恰好等于两个能级之间的能量差时，才能被分子吸收。分子振动形式伸缩振动（对称、反对称）、变形与弯曲振动（面内、面外）胡克定律M增大时，振动频率降低；K值增大，即原子间键能越大，振动频率越高。化学键的振动波数与化学键的强度成正比，与原子的质量成反比。式中k为力常数，mA、mB分别为A、B原子的质量，定义为简化质量，c为光速，为振动频率。红外光谱复习要点影响基团频率位移的因素外因试样状态、测定条件、溶剂极性等的不同会引起吸收带位置。内因电效应（诱导效应、共轭效应）、氢键等有机基团特征基团频率X—H伸缩振动区，4000～2500cm-1，X=O、H、C、S在这个区域内主要包括O—H，N—H，C—H和S—H键的伸缩振动；叁键和累积双键区，2500～1900cm-1主要包括炔键-CC-，腈基一CN、丙二烯基—C＝C＝C—，烯酮基—C＝C＝O、异氰酸酯键基—N＝C＝O等的反对称伸缩振动；双键伸缩振动区，1900～1200cm-1主要包括C＝C、C＝O、C＝N、—NO2等的伸缩振动，芳环的骨架振动等；X—Y伸缩振动及X—H变形振动区，＜1650cm-1。这个区域的光谱比较复杂，主要包括C—H、N—H变形振动，C—O、C—X（卤素）等伸缩振动，以及C—C单键骨架振动等。红外光谱谱图解析一些常见的基团振动频率-OH（游离）：3650-3580cm-1-OH（碲合）：3400-3200-CH3反对称伸缩：2960-CH3对称伸缩：2870-CH2反对称伸缩：2930-CH2对称伸缩：2850C=C：1680-1620芳环中的C=C：1600、1580、1500、1450-CH3、-CH2反对称变形：1460-CH3对称变形：1380-1370C-(CH2)n-：n=1,770-785;n=2,743-734;n=3,729-726;n≥4,724-722红外光谱谱图解析C8H8O分子式推算：CmHnOqNrXs不饱和度计算：U＝m+1-(n-r+s)/2其中：m：化合价为4价的原子个数（主要是C原子），r：化合价为3价的原子个数（主要是N原子），n：化合价为1价的原子个数（主要是H原子），若：U=0：饱和链状；U=1：有一个双键、或一个环；U=2：有两个双键、或一个三键、或一个双键一个环、或两个环；U≥4：可能含有苯环。因此：UN=8+1-(8)/2=5，即可能含有苯环。红外光谱谱图解析C8H8O1363cm-1及1430cm-1处的吸收峰则分别为CH3的C—H对称及反对称变形振动。结论：烷、烯、炔、苯、醇等的区分烷、烯、炔、苯、醇等的区分红外光谱复习要点FTIR的应用分析与鉴别材料、定量测定高聚物的链结构、高聚物取向的研究、在无机材料方面的应用等。拉曼光谱复习要点Raman光谱原理散射光谱，利用一定能量的光子同分子碰撞所产生的光散射效应对材料结构进行鉴定分析。瑞利散射和拉曼散射斯托克斯线和反斯托克斯线、拉曼位移激光拉曼光谱基本原理瑞利散射：弹性碰撞；无能量交换，仅改变方向；拉曼散射：非弹性碰撞；方向改变且有能量交换；Rayleigh散射Raman散射E0基态，E1振动激发态；E0+h0，E1+h0激发虚态；获得能量后，跃迁到激发虚态.（1928年印度物理学家RamanCV发现；1960年快速发展）hE0E1V=1V=0h0h0h0h0+E1+h0E0+h0h(0-)激发虚态（2）拉曼散射斯托克斯线：拉曼散射中，光子与基态分子发生非弹性碰撞并使之激发，光子的部分能量传递给基态分子，自身能量降低，振动频率下降。反斯托克斯线：光子与激发态分子非弹性碰撞并使之回到基态，光子获得一定量的能量，振动频率增加。拉曼位移ANTI-STOKES0-RayleighSTOKES0+0h(0+)E0E1V=1V=0E1+h0E2+h0hh0h(0-)拉曼光谱与红外光谱的比较解析方法相同——解析三要素(吸收频率、强度和峰形)两者均适用。信息提供的相近——两者频率区域相近，具互补性。信息提供的不同——非极性官能团的拉曼散射谱带较强烈——极性官能团的红外谱带较强烈。拉曼光谱的应用分子基团结构研究、高分子构象、红外二向色性研究等。第七章核磁共振重点复习内容NMR基本原理，自旋偶合和自旋分裂，屏蔽效应和化学位移，NMR谱上信号峰强度的表示方法及其意义，NMR应用基本概念NMR：由具有磁矩的原子核。受电磁波辐射而发生跃迁所形成的吸收光谱。弛豫：由高能态回复到低能态而不发射原来所吸收能量的过程。屏蔽作用：核周围的电子对抗外加磁场强度所起的作用。化学位移：某一质子吸收峰与标准物质质子吸收峰出现的位置之间的差异。自旋-自旋偶合：核自旋与核自旋间相互作用的现象。自旋-自旋裂分：由自旋偶合引起的谱线增多的现象。氢核在磁场中的自旋自旋取向数：2I+1。磁量子数mm=+1/2：与外磁场同向平行，能量较低。m=-1/2：与外磁场逆向平行，能量较高。拉摩尔进动核磁共振复习要点NMR原理质子的自旋能级核磁共振方法扫频和扫场对于不同的原子核，由于磁旋比不同，发生共振的条件不同，即发生共振时的ν0与H0相对值不同。在相同的磁场中，不同原子核发生共振时的频率各不相同，根据这一点可以鉴别各种元素及同位素。例如用核磁共振方法测定重水中的H2O的含量，D2O和H2O的化学性质十分相似，但两者的核磁共振频率却相差极大。因此核磁共振法是一种十分敏感而准确的方法。200H发生核磁共振时的条件ν0：发生共振时射电频率H0：磁场强度：核的磁旋比0002H进动频率：对于同一种核，磁旋比值一定。当外加磁场一定时，共振频率也一定；当磁场强度改变时，共振频率也随着改变。如氢核在1.409T的磁场中，共振频率为60MHz，而在2.350T时，则为100MHz。即发生共振的频率ν0与磁旋比和外加磁场有关。hH002发生核磁共振时的条件ν0：发生共振时射电频率H0：磁场强度：核的磁矩h：普朗克常数6.63×10-34J·s弛豫低能态核能量仅比高能态核稍多0.001%左右，无法通过发射谱线形式释放能量。自旋晶格弛豫（纵向弛豫）：处于高能态的氢核，把能量转移给周围的分子变成热运动，回到低能态。气、液体的自旋晶格弛豫时间约1秒左右，固体和高粘度的液体可达数小时。自旋—自旋弛豫（横向弛豫）：两个进动频率相同、进动取向不同的磁性核，互相交换能量，改变进动方向，磁性核的总能量未变。气、液体的自旋—自旋弛豫时间1秒左右。固体及高粘度试样弛豫时间极小。核磁共振分析中固体试样应先配成溶液。核磁共振复习要点核磁共振复习要点自旋偶合和自旋分裂CH3CH2I的NMR谱偶合裂分与分子的许多物理因素有关，包括碳原子杂化状态、键角、取代基电负性等，可帮助鉴定分子中的基团及其排列次序。自旋偶合和自旋分裂自旋分裂现象，对氢核来说一般有n+1规律，即有n个相邻氢，就出现n+1个分裂峰，且分裂峰面积比为1:1（双峰）；1:2:1（三峰）；1:3:3:1（四重峰）；…即为(a+b)n式展开后各项的系数（n-相邻氢的个数）。一组相同的磁性核所具有的裂分峰数目，是由邻近的磁核数目n决定的。对质子而言，裂分数等于相邻碳上相连的H总数的（n+1），而裂解后多重峰的强度比为（a+b)n展开式各项的系数。核磁共振复习要点屏蔽效应和化学位移质子周围的电子云密度越高，屏蔽效应越大，在较高的磁场强度处发生核磁共振；反之，屏蔽效应越小，在较低的磁场强度处发生核磁共振。标准物质：四甲基硅烷(TMS)(CH3)4Si核磁共振复习要点NMR谱图解析核磁共振图谱信息：化学位移、偶合裂分