材料测试期末总结

1材料测试期末总结2015/1/3绪论对材料的成分和结构进行精确表征是材料研究的基本要求材料分析的内容：表面和内部组织形貌、晶体的相结构、化学成分和价键（电子）结构、有机物的分子结构和官能团晶体：原子在空间呈有规则地周期性重复排列非晶体：没有规则的外形，各向同性，没有固定的熔点晶体的特性：均匀性、各向异性、固定熔点、规则外形、对称性晶面间距：一簇平行晶面中最邻近的两个晶面间的距离，称为晶面间距。没有两个不同的物质具有完全一样的所有晶面间距，因此局面间距可以看做结晶质物质的指纹特征。整个X射线衍射就是针对晶面间距进行的第一章X射线衍射分析（XRD）X射线的获得：产生自由电子；使自由电子作定向的高速运动；在其运动的路径上设置障碍物使电子运动骤然减速或停止，其能量以X射线形式释放X光管结构：-阴极——钨丝制成，通电后发出电子-阳极——靶，使电子突然减速，并发出X射线-窗口——X射线出射通道-高速电子转换成X射线的效率只有1%，其余都作为热而散发-焦点——阳极靶表面被电子轰击的一块面积X射线的性质：-电磁波，具有波粒二象性-呈直线传播，在电场和磁场中不发生偏转-原子和分子的距离正好落在X射线的波长范围内，所以物质（特别是晶体）对X射线的散射和衍射能够传递极为丰富的微观结构信息-可穿透较轻元素组成的物质，吸收程度与物质的组成、密度和厚度有关光电效应：光电子、二次荧光俄歇效应热效应X射线特征谱：-高能级电子回跳到低能级多余能量转换成电磁波-仅在特定波长处有特别强的峰-衍射分析用X射线与物质相互作用，关于能量部分有：散射、吸收、透过散射：光子与原子碰撞而干煸前进的方向-相干散射：方向改变，能量不变-不相干散射：方向改变，能量改变吸收：光电效应——以光子激发原子所发生的激发和辐射过程称为光电效应，被击出的2电子称为光电子。当一个具有足够能量的光子从原子内部击出一个K层电子时，即产生特征X射线荧光X射线：光电吸收后，原子处于高能激发态，内层出现了空位，这是外层电子往此空位跳，就会产生标识X射线，这种由X射线激发出的X射线成为荧光X射线（可用于确定物质元素的组分和含量）（重元素）俄歇电子：外层电子跃入内层空位时，其多余的能量不足以X射线的形式放出，而是传递给其他外层电子，使之脱离原子，这样的电子称为俄歇电子（轻元素）荧光X射线和俄歇电子发生的概率之和为1X射线衍射：当X射线被散射时，散射波波长等于入射波波长，因此会互相干涉，其结果是在一些特定的方向加强，产生衍射效应。晶体所产生的衍射花样都反映出晶体内部的原子分布规律。晶体产生衍射的方向决定于：晶胞类型、晶面间距、晶胞参数产生衍射的强度决定于：原子种类、数量、原子的位置推到劳厄方程、布拉格方程、倒空间衍射公式的三点假设：-入射线和衍射线都是平面波-晶胞中只有一个原子，即晶胞是简单的-原子尺寸忽略不计，原子中各电子发出的相干散射是由原子中心点发出的衍射强度：绝对强度、相对强度、积分强度；是被照射区所有物质原子核外电子散射波在衍射方向的干涉加强，是一种集合效应相对强度表达式中的各项因子：-结构因子：只与原子的种类和在原子晶胞中的位置有关，而不受晶胞形状和大小影响-由于FHKL=0而使衍射线消失的现象称为系统消光，分为点阵消光和结构消光-角因子-吸收因子：试样的形状各异，X射线在试样中穿越的路径不同，被吸收的程度也各异-温度因子：原子在晶体点阵附近作热运动-多重因子：同一晶面族（hkl）中，等同晶面数目X射线仪的主要构成：X射线发生器、X射线测角仪、辐射探测器、控制测量与记录系统X射线定性分析的基本原理：1）每种物质有自己独特的化学组成和结构2）晶体物质有自己独特的衍射花样（d/l）3）多种晶体物质混合或共生，他们的衍射花样也只是简单叠加，互不干扰，互相独立4）对所有已知的晶体物质进行X射线衍射，获得一套所有晶体物质的标准X射线衍射花样图谱，建立标准数据库哈氏索引和芬克索引将实验数据与数据库的数据比对3物相定性分析所应注意的问题：1）了解样品的性质2）d值比I/I1重要3）重视小角度区域的衍射线4）重视矿物的特征线5）晶体存在择优取向时会使某根线条的强度异常强或弱；强度异常还会来自表面氧化物、硫化物的影响等等6）强线比弱线重要7）在进行多物相混合试样检验时，应耐心细致进行检索，力求全部数据能合理解释8）结合其他分析方法*X射线衍射分析只能确定某相存在，而不能确定某相不存在。物相定量分析（质量分数）基本原理：物相衍射线的强度或相对强度与物相在样品中的含量相关-外标法：以外部试样为标样的方法，常以待测物相的纯物相试样为标样-内标法：在试样中加进一定质量的标准物之后，根据待测相与标准相的衍射线强度比来确定两者的含量比-基体冲洗法（K值法）应注意的问题：定量分析的基础公式中，假设了被测物相中晶粒尺寸非常细小，各相混合均匀，无择优取向；实际情况存在一定的不同，在试样制备及标样选择时，避免重压，减少择优取向第二章电子显微分析（扫描电子显微分析、透射电子显微分析、电子探针）利用聚焦电子束与试样物质相作用而产生各种物理信号，来分析物质试样的微区形貌、晶体结构和化学组成的一种技术原理：光学显微镜——利用透镜使光线聚焦成像电子显微镜——利用电场和磁场使电子束聚焦成像，电场和磁场起电子透镜的作用高速运动的电子具有波动性和粒子性。电子可以凭借轴对称的非均匀电场、磁场的力使其汇聚或发散，从而达到成像的目的。由静电场制成的透镜——静电透镜由磁场制成的透镜——磁透镜电子透镜的聚焦成像要求电子的速度完全相同以及透镜电磁场具有理想的轴对称性。但是，实际情况与理想条件的偏离，造成了电子透镜的各种像差。-球差：由于电磁透镜磁场的近轴区和远轴区对电子束的会聚能力不同而造成的。一般远轴区对电子束的汇聚能力比近轴区大，叫正球差。-色差：加速电压的波动以及阴极逸出电子能量的起伏，使得成像电子的波长不完全相同，使透镜的焦距发生变化-轴上像散：因制作透镜的材料中存在着微量的纯度缺陷，加工精度限制等，透镜产生的磁场不可能呈现绝对理想的轴对称。非理想对称的透镜磁场或电场使得透镜在不同方向上的焦距不相同4-畸变-电磁透镜的分辨本领具有一定能量的电子，当其照射固体样品时，将与样品内原子核和核外电子发生弹性和非弹性散射过程，激发固体样品产生多种物理信号1，背散射电子入射电子进入试样，受到表层原子的弹性散射和非弹性散射后从试样表面逸出的电子。背散射电子约等于入射电子的能量，与试样的平均原子序数有关。2，二次电子入射电子与原子核外电子碰撞，将核外电子激发到真空能级或脱离原子核成为二次电子。电子束倾斜入射会使二次电子发射产额增大。由于电子束与各微观面的相对角度不同，扫描成像时各个面的亮度就不同，从而得到层次很丰富的样哦表面外貌图像。3，吸收电子随着样品中原子核或核外电子发生非弹性散射次数的增多，其能量和活动能力不断降低以致最后被样品所吸收的入射电子。与样品的厚度、密度、原子序数成正比。4，透射电子入射束的电子透过样品而得到的电子，取决于样品的微区成分、厚度、晶体结构和位向。（透射电子显微镜TEM）5，特征X射线原子的内层电子受到激发之后，在能级跃迁过程中直接释放的具有特征能量和波长的一种电磁波辐射6，俄歇电子外层电子跃迁到内层电子空位的同时，将多余的能量传给另一外层电子，使其脱离原子系统，成为俄歇电子（二次电子）。其产生过程为双电子跃迁过程。透射电子显微分析（TEM）透射电镜是以电子束透过样品经过聚焦与放大后所产生的物像，投射到荧光屏的照相底片上进行观察的技术。透射电子显微镜的结构：电子光学系统、真空系统、电器部分、数据处理系统电子枪的类型：-热发射的电子枪：通过加热来使整个枪体来发射电子。钨和六硼化镧；枪体的发射表面比较大并且发射电流难以控制-场发射的电子枪：通过外加电场将电子从枪尖拉出来。通过调节外加电压可控制发射电流和发射表面。聚光镜：增强电子束密度和再一次将发散的电子会聚起来，投射在下面的样品上试样室：透射电镜样品非常薄，约100-200nm，用铜网支撑物镜：将来自试样不同点同方向同相位的弹性散射束会聚于其后焦面上，构成含有试样结构信息的散射花样或衍射花样镜筒内部处于高真空状态，原因：1）避免电子与气体分子相碰撞而散射，保证在整个通道中只与试样发生相互作用2）避免电子枪高压放电，并可延长灯丝寿命（免氧化）3）避免试样被污染衬度原理：图像上明暗（或黑白）的差异称为图像的衬度。1）质厚衬度：由于试样的质量和厚度不同，各部分对入射电子产生的吸收与散射程度不同，而使得透射电子束的强度分布不同，形成反差。反应试样各部分散射能力的差异。适用于非晶态或晶粒非常小的试样。5-Z越大，散射强，越暗，反之越亮-反应样品的厚度。暗的部位试样厚，亮的部位试样薄-密度。2）衍射衬度：由于晶体试样满足布拉格反射条件程度的差异而形成电子图像的反差-电子衍射只适于材料表层或薄膜样品的结构分析-衍射明场像：采用物镜光栏将衍射束挡掉，只让透射束通过而得到图像衬度的方法-衍射暗场像：用物镜光栏挡住透射束，而只让一束强衍射束通过光栏参与成像的方法3）相位差衬度：透射束与散射束互相干涉引起的点分辨率：电子图像上刚能分辨开相邻两点在试样上的距离线分辨率：电子图像中能分辨出的最小晶面间距扫描电子显微分析利用电子枪射出的高能电子束，在试样表面作帧扫描，激发出各种物理信号，信号经放大后由显示器给出反映试样表面特征的扫描电子图像。逐点扫描成像。二次电子像：分辨率最高，取决于样品表面起伏状况，主要反映样品表面的形貌特征背散射电子像：与样品原子序数有关，兼备样品表面平均原子序数分布和形貌特征，分辨率较低制样：-固体样品：将样品用双面胶带或导电胶固定于样品台-粉末样品：将样品均匀洒落在贴有双面胶带的样品台上，用洗耳球吹去未粘牢的颗粒-非导体样品：用离子溅射仪或真空镀膜仪喷镀上一层厚约10nm的金或铂导电层，以消除荷电现象电子探针EPMA基本原理：利用一束细聚焦电子束轰击样品，产生二次电子、背散射电子、特征X射线等各种信号，并据此研究微米级区域样品的表面形貌、化学元素的定性定量及其分布分析等。二次电子、背散射电子信号——表面形貌观察特征X射线的信号——根据波长进行元素的定性分析，强度进行定量分析波谱仪（WDS）：被激发的特征X射线照射到连续转动的分光晶体上实现分光，即不同波长的X射线将在各自瞒住布拉格方程的方向上被检测器接受。对波长的分辨率高。能谱仪（EDS）：每个X光子能量被硅晶体吸收将在晶体内产生电子空穴对。不同能量的X光子将产生不同的电子空穴对数。知道了电子空穴对数就可以求出相应的X光子能量分析方法：-点分析（定性及定量分析）——测定样品上某个特定点的化学成分，即对样品表面选定微区作定点的全谱扫描，进行元素的定性或定量分析-线分析（定性分析）——测定某种元素沿给定直线分布的情况。将WDS、EDS固6定在所要测量的某元素特征X射线信号（波长或能量）的位置上，把电子束沿着指定的方向做直线扫描，便可得到该元素沿直线特征X射线强度的变化，从而反映该元素沿直线的浓度分布情况-面分析（定性分析）——测定某种元素的面分布情况。将WDS、EDS固定在信号位置上，电子束在样品表现做二维光栅扫描，以特定元素的X射线信号强度调制阴极射线管荧光屏的亮度，便可得到该元素质量分数的面分布图像特点：-微区分析能力-分析准确度高-样品的无损性-多元素同时检测-可以进行选区分析-对轻元素不利制样：-仅限于固体样品（表面要求平整）-不应该放出气体，能保证真空度-可以蒸镀碳，作导电层第三章热分析热分析：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客观物质基础：在目前热分析可以达到的温度范围内，任何两种物质的所有物理、化学性质是不完全相同的，因此热分析的各种曲线具有物质“指纹图”的性质晶体中水的存在形式：-吸附水：H2O，不参与晶格，存在于表面或毛细管内，失水温度100-130°C-结晶水：H2O，参与晶格,存在于结构中，不与其他单元形成化学键；失水温度100-300°C-结构水：OH-,参与晶格；存在于结构中，与其他单元