功能无机材料课件 材料的表征

1第三章材料的表征讲授：赵宏滨2材料的结构表征热分析的分类与应用形貌分析表面分析☆复习内容结构分析3制备表征设计材料研究因此可以说，材料科学的进展极大的依赖于对材料结构分析表征的水平。热分析材料制备的实际效果必须通过材料结构分析的检验材料设计的重要依据成分分析结构测定形貌观察49/24/202010:02PM什么是材料测试方法？获取有关材料的组成，结构和性能等相关信息材料结构与材料性能的关系材料测试材料分析材料表征＝＝现代材料科学的发展在很大程度上依赖对材料性能和其成分结构及微观组织关系的理解5分子结构与聚集态结构(XRD、IR、XPS、ASS)材料测试与表征表面与界面(SEM、TEM、AFMSPM)力学、流变性能万能材料试验机冲击试验机，流变仪热性能(TGA,DSC)69/24/202010:02PM材料测试方法的概念与分类材料测试方法如何分类？从功能上讲，可分为组成测试，结构测试和性能测试三种方法从技术上讲，材料测试方法可以分成两类：主动式和被动式79/24/202010:02PM激发源（电磁波，粒子束，电场，磁场，热，力等）主动式（含激发源式材料测试方法）材料响应的传感与变换数据采集处理与组成，结构，性能等相关的某种响应材料测试方法的概念与分类89/24/202010:02PMA.直接获得有关材料物理、化学性能等固有信息，如尺寸大小、状态、重（质）量、颜色、形状、运动情况等等；B.亦可根据材料物理、化学性能的差异间接推断材料的组成和结构信息，如色谱分析法、原子力显微分析等。被动式（无激发源式材料测试方法）材料测试方法的概念与分类99/24/202010:02PM材料微观分析技术绪论宏观上的性能测试和微观上的组成与结构表征，这两个方面构成了材料的检测评价技术材料设计的重要依据来源于对材料的微观组成和结构分析材料制备的实际效果必须通过材料微观分析的检验材料科学的进展极大地依赖于对材料进行微观分析表征的技术水平材料研究与微观分析技术109/24/202010:02PM回顾材料研究的四大要素？现代材料科学的发展在很大程度上依赖对材料性能和其成分结构及微观组织关系的理解合成与加工固有性质使用性能结构和成分119/24/202010:02PM材料的性质物理性质力学性质化学性质化学组成微观结构相结构晶粒尺寸及分布耐腐蚀性杂质含量结晶度分子量及分布立体结构晶体结构空隙度熔点热性质磁性质光学性质电学性质重力性质拉伸性韧性延展性疲劳度硬度蠕变性延伸性抗冲击性压缩性动态力学性质模量129/24/202010:02PM结构与性能的关系传统的“炒菜”法电子结构，原子结构和化学键决定了材料的固有性质新材料开发方法材料设计发展方向所谓材料设计，就是根据对材料的组成、微结构与性能关系的认识（“炒菜”经验＋材料微观分析），按指定性能“定做”新材料，按生产要求“设计”最佳的制备和加工方法。139/24/202010:02PM材料结构表征的基本方法材料结构的表征目的:成分分析,结构测定和形貌观察材料组成分析（化学成分分析）1.元素组成2.化合物组成材料亚微观结构分析（形貌分析）微米或亚微米尺度，相层次结构材料微观结构分析0.1nm尺度，原子及原子组合层次结构149/24/202010:02PM材料化学成分分析1元素组成分析方法传统的化学分析技术电子探针X射线能谱显微分析原子光谱（吸收、发射、荧光）质谱与二次离子质谱核磁共振电子自旋共振光电子与俄歇电子能谱159/24/202010:02PM材料化学成分分析2化合物组成分析方法传统的化学分析技术分子吸收光谱（紫外—可见吸收光谱）分子振动光谱（红外、拉曼光谱）分子发射光谱（荧光光谱）气相、液相、凝胶色谱169/24/202010:02PM材料形貌分析光学显微镜光学干涉仪激光散射谱扫描电子显微镜透射电子显微镜179/24/202010:02PM形貌分析的图例昆虫标本（500倍）螺旋形碳管（9，157倍）化学方法生长的ZnO纳米阵列（100，000倍）担载Pt金属颗粒的纳米碳粒子（400，000倍）189/24/202010:02PM材料结构分析高分辨透射电子显微镜（HTEM）场离子显微镜（FIM）扫描隧道显微镜（STM）原子力显微镜（SFM）X射线衍射分析（XRD）小角X射线衍射分析（SAXS）199/24/202010:02PM材料结构分析—结果硅纳米线的不同形貌(a)呈直线或弯曲状态，(b)呈螺旋结构，(c)呈辫子结构209/24/202010:02PM材料结构分析-直接法硅纳米线的显微结构高分辨电子显微像（HTEM）(a)［111］带轴的硅纳米线的单晶结构，它的生长方向为［112］(b)存在高阶孪晶的硅纳米线(c)具有堆垛层错和孪晶等缺陷的硅纳米线219/24/202010:02PM材料结构分析-直接法五次对称性镍钛准晶的高分辨电子显微像229/24/202010:02PM材料结构分析-直接法扫描隧道显微分析拍摄的硅片上的单个原子图像239/24/202010:02PM材料结构分析-间接法材料结构分析X射线衍射电子衍射中子衍射γ射线衍射穆斯堡尔谱扩展X射线吸收谱（EXAFS）热分析（TG、TA、DSC）249/24/202010:02PM材料结构分析-间接法五次对称性镍钛准晶的高分辨电子显微像与电子衍射斑点259/24/202010:02PM材料结构分析-间接法CVD方法制备的氧化镓纳米带（A）与纳米片（B）的透射电镜与选区电子衍射分析电子衍射证实了这些纳米相为单斜晶系的Ga2O3单晶269/24/202010:02PM材料微观分析技术的选择279/24/202010:02PM3.材料微观分析技术的选择289/24/202010:02PM3.材料微观分析技术的选择299/24/202010:02PM3.材料结构分析-电子显微固体试样电子束透射电子相干散射电子背散射电子（成份）二次电子（SEM）俄歇电子阴极荧光特征X射线nA吸收电子309/24/202010:02PM材料微观分析技术的应用水晶or水晶玻璃？真，假钻石？可口可乐配方？“勇气”号探测车的火星岩石分析？319/24/202010:02PM材料微观分析技术的应用“勇气”号机械臂上的四大法宝1.岩石磨损工具2.显微成像仪3.穆斯堡尔分光光度计4.阿尔法粒子Ｘ射线分光计329/24/202010:02PM材料微观分析技术的应用339/24/202010:02PM材料微观分析技术的应用349/24/202010:02PM材料微观分析技术的应用359/24/202010:02PM材料微观分析技术的应用369/24/202010:02PM材料微观分析技术的应用379/24/202010:02PM材料微观分析技术的应用389/24/202010:02PM材料微观分析技术的应用399/24/202010:02PM材料微观分析技术的应用409/24/202010:02PM材料微观分析技术的应用41整理如何对材料进行表征？表征要有目的性，不是全部的表征都要做要有选择的去表征，以节省资源和时间表征要分顺序，有急缓之分表征要跟合成和性能测试相结合基本顺序是：先定物相、再定组成、然后是形貌和结构分析。当然性能测试也可能放在前面。42下面就较常用的几种材料表征方法向大家介绍同步辐射光源热分析透射电子显微镜扫描电子显微镜X射线衍射仪X射线光电子能谱衰减全反射红外光谱43第一节热分析技术什么是热分析技术？热分析：在程序控制温度条件下，测量材料物理性质与温度之间关系的一种技术。从宏观性能的测试来判断材料结构的方法。热分析的重要意义：通过热分析技术，了解合成过程中的材料及前驱体的物理性质与温度之间的关系。从而为材料合成提供必要的温度和时间参数。例如：高温固相法合成磷酸铁锂电极材料，温度对材料的结构和形貌有重要的影响。44凡是与热现象有关的任何物理和化学变化都可以采取热分析方法进行研究。如材料的固相转变、熔融、分解甚至材料的制备等。直接测量出这些变化过程中所吸收或放出的能量，如熔融热、结晶热、反应热、分解热、吸附或解吸热、比热容、活化能、转变熵、固态转变能等。热分析技术的应用45热重法(TG)差热分析（DTA）差示扫描量热法（DSC）46一、热重法(TG)在程序控制温度条件下，测量物质的质量与温度关系的一种热分析方法。等温热重法？在恒温下测量物质质量变化与时间的关系非等温热重法？在程序升温下测量质量变化与温度的关系热重法通常有下列两种类型：47进行热重分析的基本仪器为热天平，它包括天平、炉子、程序控温系统、记录系统等几个部分。48由热重法记录的质量变化对温度的关系曲线称为热重曲线(TG曲线)。1—热重曲线TG2—微分热重曲线DTG表征了试样在不同的温度范围内发生的挥发性组分的挥发以及发生的分解产物的挥发从而可以得到试样的组成、热稳定性、热分解温度、热分解产物和热分解动力学等有关数据。49同时还可获得试样的质量变化率与温度关系曲线，即微分热重曲线(DTG曲线)，它是TG曲线对温度的一阶导数。以物质的质量变化速率dm/dt对温度T作图，所得的曲线。50DTG曲线的峰顶即失重速率的最大值，它与TG曲线的拐点相对应，即样品失重在TG曲线形成的每一个拐点，在DTG曲线上都有对应的峰。并且DTG曲线上的峰数目和TG曲线的台阶数目相等。由于DTG曲线上的峰面积与样品的失重成正比，因此可以从DTG的峰面积计算出样品的失重量。51参比物：在测定条件下不产生任何热效应的惰性物质。如α-Al2O3、石英、硅油等。二、差热分析（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热分析技术。521.加热炉，2.试样，3.参比物，4.测温热电偶，5.温差热电偶，6.测温元件，7.温控元件。53当试样发生任何物理或化学变化时，所释放或吸收的热量使样品温度高于或低于参比物的温度，从而在相应的差热曲线上得到放热或吸热峰。吸热峰向下，放热峰向上。54应用：•材料的鉴别和成分分析•材料相态结构的变化•材料的筛选•玻璃微晶化热处理•玻璃的析晶活化能的测定•聚合物热降解分析55应用DTA对材料进行鉴别:根据物质的相变（包括熔融、升华和晶型转变）和化学反应（包括脱水、分解和氧化还原等）所产生的特征吸热和放热峰。有些材料常具有比较复杂的DTA曲线，虽然有时不能对DTA曲线上所有的峰作出解释，但是它们像“指纹”一样表征着材料的种类。例如：根据石英的相态转变的DTA峰温可用于检测天然石英和人造石英之间的差异56三、差示扫描量热法（DSC）在程序控制温度下，测量输给试样与参比物的功率差与温度之间关系的一种技术。根据测量方法的不同，又分为功率补偿型DSC和热流型DSC两种类型。DSC主要特点：使用的温度范围(-175℃-725℃)比较宽，分辨能力高，灵敏度高。应用范围：除不能测量腐蚀性材料外，DSC不仅可以涵盖DTA的一般功能，而且还可定量测定各种热力学参数，如热焓、熵和比热等。57差示扫描量热仪58典型的DSC曲线差示扫描量热测定时记录的谱图称之为DSC曲线，其纵坐标是试样与参比物的功率差dH/dt，也称作热流率，单位为毫瓦(mW)，代表试样放热或吸热的速度。横坐标为温度(T)或时间(t)。59当样品无变化时，它与参比物之间的温差为零，DSC曲线显示水平线段，称为基线。曲线离开基线的位移，代表样品吸热或放热的速率，正峰为放热，负峰为吸热。DSC曲线上的峰数目：发生相变或化学变化的次数。峰的位置对应着样品发生变化的温度，曲线中的峰或谷所包围的面积，代表热量的变化。DSC可以直接可以测量试样在发生变化时的热效应。60下图是CaC2O4•H2O的TG曲线，由图可以发现CaC2O4•H2O的热分解过程：CaC2O4•H2OCaC2O4CaCO3CaO－H2O100－226°C－CO346－420°C－CO2660－846°CCaC2O4CaCO3CaOCaC2O4.H2O61差热分析(DTA)是在试样与参比物处于控制速率下进行加热或冷却的环境中，在相同的温度条