材料测试分析方法(究极版)

绪论3分析测试技术的发展的三个阶段？阶段一：分析化学学科的建立；主要以化学分析为主的阶段。阶段二：分析仪器开始快速发展的阶段阶段三：分析测试技术在快速、高灵敏、实时、连续、智能、信息化等方面迅速发展的阶段4现代材料分析的内容及四大类材料分析方法？表面和内部组织形貌。包括材料的外观形貌（如纳米线、断口、裂纹等）、晶粒大小与形态、各种相的尺寸与形态、含量与分布、界面（表面、相界、晶界）、位向关系（新相与母相、孪生相）、晶体缺陷（点缺陷、位错、层错）、夹杂物、内应力。晶体的相结构。各种相的结构，即晶体结构类型和晶体常数，和相组成。化学成分和价键（电子）结构。包括宏观和微区化学成份（不同相的成份、基体与析出相的成份）、同种元素的不同价键类型和化学环境。有机物的分子结构和官能团。形貌分析、物相分析、成分与价键分析与分子结构分析四大类方法四大分析：1图像分析：光学显微分析（透射光反射光），电子（扫描，透射），隧道扫描，原子力2物象：x射线衍射，电子衍射，中子衍射3化学4分子结构：红外，拉曼，荧光，核磁获取物质的组成含量结构形态形貌及变化过程的技术材料结构与性能的表征包括材料性能，微观性能，成分的测试与表征6.现代材料测试技术的共同之处在哪里？除了个别的测试手段（扫描探针显微镜）外，各种测试技术都是利用入射的电磁波或物质波（如X射线、高能电子束、可见光、红外线）与材料试样相互作用后产生的各种各样的物理信号（射线、高能电子束、可见光、红外线），探测这些出射的信号并进行分析处理，就课获得材料的显微结构、外观形貌、相组成、成分等信息。9.试总结衍射花样的背底来源，并提出一些防止和减少背底的措施衍射花样要素：衍射线的峰位、线形、强度答:(I)花材的选用影晌背底;(2)滤波片的作用影响到背底;(3)样品的制备对背底的影响措施：（1）选靶靶材产生的特征x射线（常用Kα射线）尽可能小的激发样品的荧光辐射，以降低衍射花样背底，使图像清晰。（2）滤波，k系特征辐射包括Ka和kβ射线，因两者波长不同，将使样品的产生两套方位不同得衍射花样;选择浪滋片材料，使λkβ靶λk滤λkα，Ka射线因因激发滤波片的荧光辐射而被吸收。(3)样品，样品晶粒为50μm左右，长时间研究，制样时尽量轻压，可减少背底。11.X射线的性质;x射线是一种电磁波，波长范围:0.01~1000ÀX射线的波长与晶体中的原子问距同数量级，所以晶体可以用作衍射光栅。用来研究晶体结构，常用波长为0.5~2.5À不同波长的x射线具有不同的用途。硬x射线:波长较短的硬x封线能量较高，穿透性较强，适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析。软x射线:波长较长的软x射线的能量较低，穿透性弱，可用干分析非金属的分析。用于金属探伤的x射线波长为0.05~0.1À当x射线与物质(原子、电子作用时，显示其粒子性，具有能量E＝h。产生光电效应和康普顿效应等当x射线与x射线相互作用时，主要表现出波动性。x射线的探测:荧光屏（ZnS），照相底片，探测器12标识X射线的产生相理?标识x射线谱的产生相理与阳极物质的原子内部结构紧密相关的。原子系统内的电子，按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级，在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出时，于是在低能级上出现空位，系统能量升高，处于不稳定激发态。较高能级上的电子向低能机上的空位跃，并以光子的形式射出标识x射线谱。13.莫塞菜(Moseley，N.G一J}定律待征x射线谱的频率只取决于阳极靶物质的原子能级结构，它是物质的固有特性。第一章2.连续X射线谱的特点1)V变化（升高）,i固定。I连=kiZU2效率=kZUI标/I连越大，连续造成的衍射背景越小①各种波长射线的相对强度（I）都相应地增高；②各曲线上都有短波极限λ0，且λ。逐渐变小；③各曲线的最高强度值(λm)的波长逐渐变小。2)i变化（升高）,U固定。①各种波长射线的相对强度（I）都相应地增高；②各曲线上都有短波极限λ0和最高强度值λm，且λ0和λm保持不变；4.特征（标识）X射线的特点,结构I标=ki(U-Uk)n是在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的谱线，它和可见光中的单色相似，亦称单色X射线当电压达到临界电压时，标识谱线的波长不再变，强度随电压增加。如钼靶K系标识X射线有两个强度高峰为Kα和Kβ，波长分别为0.71A和0.63A5.光电效应与俄歇效应光电效应：入射的X射线（光子）的能量足够高时，同样可以将物质原子的内层电子击出成为自由电子，并在内层产生空位，使原子处于激发状态，外层电子自发回迁填补空位，降低原子能量，产生辐射（X射线），这种由X射线（入射光子）激发原子产生辐射的过程称为光电效应。俄歇效：应原子中K层的一个电子被打出后，它就处于K激发状态，其能量为EK。的一个空位被L层的两个空位所代替，这种现如果一个L层电子来填充这个空位，K电离就变成L电离，其能量由EK变成EL，此时将释放EK-EL的能量。释放出的能量，可能产生荧光X射线，也可能给予L层的电子，使其脱离原子产生二次电离。即K层象称俄歇效应.6.x射线衍射分析的应用：1物相分析，定性和定量，已知化学求性质。2晶体结构分析。3单晶取向及多晶结构的测定。4测定晶粒的大小、应力、应变5测试相图，固溶体第二章4.吸收限?μm产生突变的不连续处称为吸收限。相应的波长为吸收限波长入。吸收限对应的波长为λa，对应的能量就是轨道能量。对于K系：吸收限为λK=hc/Ek原子序数愈低，对应的Ek愈小，则λK愈大衍射实质：大量原子散射波相互干涉5.阳极靶的选择?x-ray衍射分析中，希望不产生k系荧光辐射，且试样对x-ray的吸收要小。针对试样的原子序数，可以调整靶材料。A．λkα(靶)λk(样),根据样品成分选择靶材的原则是：Z靶≤Z样+1B．λkα(靶)《λk(样),则Z靶》Z样C.λkβ(靶)λk(样)λkα(说)，Z靶=Z样+1D.多元素的样品，原则上以主组元中Z最小的元素选择靶材。入射波长的影响:由干:sinΘ≤1，而满足衍射时d≥λ/2,因此λ越长产生的衍射条越少。6.衍射线在空间的方位取决于什么？而衍射线的强度又取决于什么?答:衍射线在空间的方位主要取决于晶体的面网间距，或者晶胞的大小。衍射线的强度主要取决于晶体中原子的种类和它们在晶胞中的相对位置。7.实验中选择X射线管以及滤波片的原则是十么?已知一个以Fe为主要成分的样品，试选择合适的X射线管和合适的滤波片答:实睑中选择X射线管的原则是为避免或减少产生荧光辐射，应当避免使用比样品中主元素的原子序数大2-6(尤其是2)的材料作靶材的X射线管。选择滤波片的原则是X射线分析中，在X射线管与样品之间一个滤波片，以滤掉kp线。滤波片的材料依靶的材料而定，一般采用比靶材的原子序数小1或2的材料，以分析以铁为主的样品，应该选用Co或Fe靶的X射线管，同时选用Fe和Mn为滤波片。8．试述x射线衍射物相分析步骤？及其鉴定时应注意问题？(1)计算或查找出衍射图谱上每根峰的d值与I值；(2)利用I值最大的三根强线的对应d值查找索引，找出基本符合的物相名称及卡片号；(3)将实侧的d,I值与卡片上的数据一一对照，若基本符合，就可定为该物相。鉴定时应注意的问题:(1)d的数据比I/I0数据重要。(2)低角度线的数据比高角度线的数据重要。(3)强线比弱线重要，特别要重视d值大的强线.(4)应重视特征线.(5)应尽可能地先利用其他分析、.鉴定手段，初步确定出样品可能是什么物相，将他局限于一定的范围内。9试比较衍射仪法与德拜法的优缺点：1简便快捷2分辨能力强3直接获得强度数据4）低角度区的2θ测量范围大5）样品用量大6）设备较复杂，成本高第三章原子核对入射电子为弹性，核外电子对为非弹例题：光子束入射固体样品表面会激发哪些信号?它们有哪些特点和用途?答：主要有六种：1)背散射电子:能量高；来自样品表面几百nm深度范围；其产额随原子序数增大而增多.用作形貌分析、成分分析以及结构分析。2)二次电子:能量较低；来自表层5-10nm深度范围；对样品表面化状态十分敏感。不能进行成分分析.主要用于分析样品表面形貌。3)吸收电子:其衬度恰好和SE或BE信号调制图像衬度相反;与背散射电子的衬度互补。吸收电子能产生原子序数衬度，即可用来进行定性的微区成分分析.4)透射电子：透射电子信号由微区的厚度、成分和晶体结构决定.可进行微区成分分析。5)特征X射线:用特征值进行成分分析，来自样品较深的区域。6)俄歇电子:各元素的俄歇电子能量值很低；来自样品表面1-2nm范围。它适合做表面分析电子显微技术透射电子显微镜（TEM）扫描电子显微镜（SEM）X-射线能谱（EDS）原子力显微镜（AFM）扫描隧道显微镜（STM）2.薄膜样品的基本要求是什么?样品制备的工艺过程如何?双喷减薄与离子减薄各适用于制备什么样品?答：样品的基本要求：1）薄膜样品的组织结构必须和大块样品相同，在制备过程中，组织结构不变化；2）样品相对于电子束必须有足够的透明度；3）薄膜样品应有一定强度和刚度，在制备、夹持和操作过程中不会引起变形和损坏；4）在样品制备过程中不允许表面产生氧化和腐蚀。样品制备的工艺过程：1)切薄片样品；2)预减薄；3)终减薄。离子减薄：1）不导电的陶瓷样品；2）要求质量高的金属样品；3）不宜双喷电解的金属与合金样品。双喷电解减薄：1）不易于腐蚀的裂纹端试样；2）非粉末冶金试样；3）组织中各相电解性能相差不大的材料；4）不易于脆断、不能清洗的试样4tem电子显微分析特点？解：1、不破坏样品，直接用陶瓷等多晶材料。2、是一种微区分析方法，了解成分-结构的微区变化。3、灵敏度高，成像分辨率高，为0.2-0.3nm，能进行nm尺度的晶体结构及化学组成分析。4、各种电子显微分析仪器日益向多功能、综合性发展，可以进行形貌、物相、晶体结构和化学组成等的综合分析。。7什么是双光束衍射？电子衍衬分析时，为什么要求在近似双光束条件下进行？答案：双光束衍射:倾转样品，使晶体中只有一个晶面满足Bragg条件，从而产生衍射，其它晶面均远离Bragg位置，衍射花样中几乎只存在大的透射斑点和一个强衍射斑点。原因：在近似双光束条件下，产生强衍射，有利于对样品的分析8振幅衬度和相位衬度？振幅衬度。质量－厚度衬度：是由于材料的质量厚度差异造成的透射束强度的差异而产生的衬度（主要用于非晶材料）。衍射衬度：由于试样各部分满足布拉格条件的程度不同以及结构振幅不同而产生的（主要用于晶体材料）。相位衬度。试样内部各点对入射电子作用不同，导致它们在试样出口表面上相位不一，经放大让它们重新组合，使相位差转换成强度差而形成的。。蓝移:当物质的结构或存在的环境发生变化时，其吸收带的最大吸收波长（最大）向短波方向移动，这种现象称为紫移或蓝移（或向蓝）。红移:当物质的结构或存在的环境发生变化时，其吸收带的最大吸收峰波长（最大）向长波长方向移动，这种现象称为红移（或称为“向红”）。9TEM的主要发展方向？（1）高电压。增加电子穿透试样的能力，可观察较厚、较具代表性的试样，增加分辨率等。(2)高分辨率。最佳解像能力为点与点间0.18nm、线与线间0.14nm（3)多功能分析装置。(4)场发射电子光源。11透射电镜对样品的要求？试样最大尺寸，直径不超过3mm；2样品厚度足够薄，使电子束可以通过，一般厚度为20－200nm；3样品不含水、易挥发性物质及酸碱等腐蚀性物质；4样品具有足够的强度和稳定性；在电子轰击下不致损坏或变化。5清洁无污染。12TEM中的支持膜材料必须具备的条件？①无结构，对电子束的吸收不大；②颗粒度小，以提高样品分辨率；③有一定的力学强度和刚度，能承受电子束的照射而不变形、破裂。电子衍射与x射线衍射相比，优1电子λ短，θ小，入射束、衍射束近乎与衍射晶面平行。使电子衍射分析过程更为简单，其晶体几何关系的研究比x射线衍射要简单、直观。2物质对电子的散射作用很强，电子束穿透物质的能力下降。电子衍射只适于材料表层或薄膜样品的结构分析。3能够在同一试样上把形貌观察与结构分析