材料分析测试技术1

材料分析测试技术绪论一、本课程研究的内容:首先介绍材料科学的概念:材料科学是研究材料的化学组成、晶体结构、显微组织、使用性能四者之间关系的一门科学。绪论我们研究材料就是通过改变材料的组成、结构、组织，来达到提高和改善材料的使用性能的目的。我们可用材料四面体来形象的进行描述：使用性能化学组成晶体结构显微组织在材料四面体中，生产工艺决定晶体结构和显微组织。材料科学与材料工程的区别就在于：材料科学主要研究四组元之间的关系；而材料工程则研究如何利用这四组元间的关系来研究开发新材料、新产品。本课程的内容:研究生产硅酸盐材料的原料和制品的化学组成、显微结构以及生产工艺过程中的变化规律的研究方法。即用什么设备、仪器、如何研究？在材料研究中,做形貌和结构分析一般可根据分析目的选用下面的分析方法:分析目的分析方法形态学分析(即组织形貌分析)光学显微术(如金相、岩相等)透射电子显微术﹡扫描电子显微术﹡投影式或接触式X射线显微术显微自射线照相术相分分析各种常量化学分析微区分析X射线光谱和能谱术﹡各种电子能谱分析X射线衍射﹡电子衍射﹡红外光谱穆斯堡尔谱等结构分析1.化学组成分析：主要研究原料和制品的化学组成。化学组成分析也叫化学成分分析。常用的分析方法有：普通化学分析；仪器化学分析（包括ICP光谱、直读光谱、Ｘ射线荧光光谱、激光光谱等等）。化学分析本课程不介绍。因为化学分析的目的就是知道化学成分含量，不管用那个分析方法，只要能精确告诉我们结果就行。2.微观结构分析▲微观结构分析主要分析材料的微观晶体结构，即材料由哪几种晶体组成，晶体的晶胞尺寸如何，各种晶体的相对含量多少等。▲结构分析常用的方法有：ＸＲＤ法、TEM法、TG法、ＤＴＡ法、红外法等。这些方法以及所用的仪器设备是我们要学习的重点。3.显微组织分析•主要是分析材料的微观组织形貌。•显微组织分析常用的分析手段有：普通光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜（ＳＥM）、透射电子显微镜（ＴＥＭ）等。•本课程主要学习ＳＥＭ和ＴＥＭ的原理及分析方法。二、学习本课程的目的：•了解研究无机非金属材料的主要方法；•了解各种研究方法的基本原理、特点及用途。•为今后工作以及毕业论文的写作打下一定的基础。参考书：•《材料研究与测试方法》张国栋主编，冶金工业出版社•《材料近代分析测试方法》常铁钧邹欣主编哈工大版•《无机材料显微结构分析》周志超等编、浙大版•《材料现代分析方法》左演声等主编、北京工大版•《现代材料研究方法》王世中臧鑫士主编北京航空航天大学版•《材料分析方法》周玉主编，机械工业出版社第一章X射线衍射分析本章主要讲以下内容：●X射线的物理基础；●晶体的点阵结构（简介）；●X射线衍射几何条件（重点讲Bragg定律）；●X射线衍射束的强度；●多晶体的物相定性分析和定量分析；●X射线衍射仪（XRD）的原理、结构和应用；●晶粒度的测定及X射线衍射分析在其他方面的应用。第一章X射线衍射分析第一节：X射线的物理基础一、X射线的性质1、X射线的性质2、X射线的获得二、X射线谱1、定义2、分类三、X射线与物质的相互作用四、X射线的衰减一、X射线的性质1、X射线的性质肉眼看不见，但可使底片感光；沿直线传播，传播方向不受电磁场的影响；具有很强的穿透能力；穿过物质时，可被偏振化，并被物质吸收而使强度衰减；能使空气或其他气体电离；能杀伤生物细胞、对人体有害等。X射线的本质：属于电磁波波长：10-2—102埃之间，介于射线和紫外线之间2、X射线的强度定义：指单位时间内通过垂直X射线方向的单位面积上的光子数目（单位面积上的光子流率）单位：尔格/厘米2·秒（实际使用的单位是CPS表示每秒钟探测到光子数）X射线的强度用大写字母I表示，X射线的剂量表示光子的能量大小，单位用伦琴（R）表示。在X射线衍射分析中，用的是强度而不是剂量。3、X射线的发生在高压作用下，阴极灯丝产生的电子在真空中以极高的速度撞向阳极靶时，将产生X射线。阳极靶的材料一般用重元素如：Cr、Fe、Co、Cu、Mo、Au、W等，常规实验使用Cu靶。X射线低压高压阴极阳极电子+—二、X射线谱1、定义：X射线强度随波长变化的曲线。2、分类（1）连续的X射线谱（2）特征的X射线谱IKαKβ（1）连续的X射线谱具有从某个最短波长（短波极限λ0）开始的连续的各种波长的X射线（即：波长范围为λ0~λ∝）。由高速运动的带电粒子受阳极靶阻碍（突然减速）而产生。I连续射线的总强度与管电压、管电流及阳极材料（一般为钨靶）的原子序数有下列关系：I连续=kiZVmVIm0（2）特征的X射线谱由若干条特定波长的谱线构成。当管电压超过一定的数值（激发电压V激）时产生。这种谱线的波长与X射线管电压、管电流等工作条件无关，只决定于阳极材料，不同元素的阳极材料发出不同波长的X射线。因此叫特征X射线。老Bragg发现了X射线的特征谱,莫塞莱(Moseley）对其进行了研究，并推导出了Kα射线的波长λKα的计算公式为：λKα=4/[3R（Z–σ）2]式中：Z——阳极靶的原子序数；R——常数；σ——屏蔽系数。该式就是著名的莫塞莱定律，表示K系特征X射线的波长与阳极靶的原子序数的平方近似成反比关系。Kα射线的强度大约是Kβ射线强度的5倍，因此，在实验中均采用Kα射线。实验中发现Cu靶的Kα谱线的强度大约是连续谱线及临近射线强度的90倍。Kα谱线又可分为Kα1和Kα2，Kα1的强度是Kα2强度的2倍，且Kα1和Kα2射线的波长非常接近，仅相差0.004Å左右，通常无法分辨，因此，一般用Kα来表示。但在实际实验中有可能会出现两者分开的情况。特征X射线谱产生的原因：原子内层电子的跃迁。三、X射线与物质的相互作用入射X射线透过X射线热能散射X射线电子荧光X射线入射X射线散射X射线电子荧光X射线相干的非相干的光电子俄歇电子光电效应俄歇效应康普顿效应热透过X射线1、散射现象相干（经典散射）与原子内紧束缚电子刚性碰撞波长与入射波相同有一定的位相关系相互干涉产生衍射条纹非相干与自由电子或原子内紧束缚电子非刚性碰撞波长与入射波不同不互相干涉由于散射于各个方向，强度很低，形成连续的背景2、光电吸收（即光电效应）内层电子吸收X射线光子的能量，使之成为具有一定能量的光电子，原子处于高能激发态，X射线光子被吸收，这种过程叫光电吸收或光电效应。（1）、荧光X射线：是由X射线激发出的二次X射线，不同的元素被激发的荧光X射线波长不同。X射线荧光光谱仪就是据此进行元素成分分析的。（2）、俄歇效应：用俄歇效应可分析试样的成分和表面状态等很多信息。现在也有专门的俄歇谱仪以及与电子显微镜联用的俄歇分析仪。四、X射线的衰减X射线的衰减（吸收）：当X射线穿过物质时，因受到散射、光电效应等的影响，强度减弱的现象。1、强度衰减规律I=I0e-1xI0——原始强度线吸收系数1：单位厚度物质对X射线的吸收能力。对于一定的物质1是常数。实验证明1与物质的密度成正比即：1=mm：质量系数系数（只与吸收体的原子序数Z和X射线的波长有关）。线吸收系数1和质量系数系数m都是物质的固有特性。穿过物体后的强度可表示如下：I=I0e-mx多种元素组成的吸收体其质量吸收系数是其组成元素的质量吸收系数的加权平均值：m=1m1+2m2+3m3+····1、2、3：吸收体中各元素的质量百分数。元素的质量系数与入射波长有以下关系mm=Z33系数限kL1L2L3吸收限形成的原因：与光电吸收有关。结论：在二个相邻的突变点之间的区域，有以下关系：m=Z33即：波长愈短，吸收体原子愈轻，透过率愈大。吸收限两边吸收系数相差悬殊。2、X射线滤波片KKmX射线滤波片作用：产生单色光，由于K光强度大，一般采用K单色光。X射线滤波片的选择：当Z靶≤40时，Z滤=Z靶-1；当Z靶40时，Z滤=Z靶-2.阳极靶的选择在X射线衍射实验中，若入射X射线在试样上产生荧光X射线，则增加衍射花样的背景，对衍射分析不利。若针对试样的原子序数调整靶材的种类，即可避免产生荧光X射线。选择阳极靶的经验公式：Z靶≤Z试样+1作业1、大功率转靶衍射仪与普通衍射仪相比，在哪两方面有其优越性？2、何为特征X射线谱？特征X射线的波长与（）、（）无关，只与（）有关。3、什么是Kα射线？在X射线衍射仪中使用的是什么类型的X射线？4、Al是面心立方点阵，点阵常数a=4.049Å，试求（111）和（200）晶面的面间距。5、说说不相干散射对于衍射分析是否有利？为什么？6、在X射线衍射分析中，为何要选用滤波片滤掉Kβ射线？说说滤波片材料的选取原则。实验中，分别用Cu靶和Mo靶，若请你选滤波片，分别选什么材料？第二节：晶体的点阵结构关于晶体的基本知识，在“材料科学基础”中已经学过，因此，本节我们共同复习一下有关晶体的一些概念，包括晶体和非晶体、点阵和单位点阵（单胞）、点阵参数和密勒指数（晶面指数）、晶系和布拉菲点阵、多重性因子与晶面族、点阵中的晶向和晶面间距等。晶体材料是X射线衍射分析的主要对象。晶体是内部质点在三维空间成周期性排列的固体，或者说晶体是具有格子构造的固体。也可定义为具有各向异性物理化学性质的均匀物质.非晶体的物质内部在三维空间不做规律排列，即不具格子构造。如玻璃、塑料、沥青等。晶体和非晶体在一定条件下是可以转化的。由非晶向晶体的转化叫晶化或脱玻璃化；由晶体向非晶的转变叫非晶化或玻璃化。1.2.1晶体和非晶体1.2.2点阵和单位点阵（单胞）♣晶体中各周期重复单位中的等同代表点叫节点;连接晶体中的各节点可形成平行六面体形的格子,叫点阵。♣连接晶体中相临节点而形成的单位平行六面体，称为单位点阵（单胞）。单位点阵可有许多选取方式。常见的单胞有面心点阵、体心点阵等。1.2.3点阵参数和密勒指数（晶面指数）♣平行于单胞棱线的三个轴称为晶轴，单胞的三个轴长a0、b0、c0极其轴间夹角α、β、γ称为点阵参数或点阵常数。♣所有节点都能够放在一组相互平行的等间距平面上，这些平面称为晶面。若离坐标原点距离最近的面在晶轴上的截距分别为a/h、b/k、c/l时，用（hkl）来表示这组晶面，（hkl）就称为密勒指数或晶面指数。晶系（7种）晶轴布拉菲点阵和记号（14种）阵点坐标单胞中的原子数立方晶系cubica=b=cα=β=γ=900简单立方P体心立方I面心立方F000000,000,124正方晶系tetragonala=b≠cα=β=γ=900简单正方P体心正方I000000，.12斜方晶系orthorhombica≠b≠cα=β=γ=900简单斜方P体心斜方I底心斜方C面心斜方E000000，000，000，1224菱方晶系rhombohedrala=b=cα=β=γ≠900简单菱方P0001六方晶系hexagonala=b≠cα=β=900γ＝1200简单六方P0001单斜晶系monoclinica≠b≠cα=γ=900≠β简单单斜P底心单斜C000000，12三斜晶系triclinica≠b≠cα≠β≠γ≠900简单三斜P00011.2.4晶系和布拉菲点阵1.2.5多重性因子与晶面族♣在一个单胞中，有若干组以对称性相联系的等效晶面，叫晶面族。如立方晶系中（100）、（010）、（001）、（¯100）、（0¯10）、（00¯1）六个晶面均为等效晶面，用{100}来代表，表示上述六个晶面同属于{100}晶面族。♣把属于某一晶面族的等效晶面的数目叫做多重性因子。用字母P表示。1.2.6点阵中的晶向和晶面间距♣点阵中的晶向通过原点的直线作代表，用该直线上的任意一个节点的坐标[uvw]（叫晶向指数）来表示。♣一组指数为（hkl）的晶面是以等间距排列的，称这个间距为晶面间距，用dhkl简写为d表示。P17表1-3给出了各个晶系计算晶面间距dhkl的公式。二、晶面间距和晶面夹角的计算利用倒易点阵与正格子间的关系导出晶面间距和晶面夹角。dh1h2h3=2/|kh1h2h3|两边开平方，将kh1h2h3=h1b1+h2b2+h3b3及P14（1—26）到