材料研究方法与分析测试实验

本科生实验报告实验课程材料研究方法与分析测试实验学院名称材料与化学化工学院专业名称材料科学与工程(无机非金属方向)学生姓名学生学号指导教师实验地点实验成绩二〇一四年12月15日——二〇一五年12月19日填写说明1、适用于本科生所有的实验报告（印制实验报告册除外）；2、专业填写为专业全称，有专业方向的用小括号标明；3、格式要求：①用A4纸双面打印（封面双面打印）或在A4大小纸上用蓝黑色水笔书写。②打印排版：正文用宋体小四号，1.5倍行距，页边距采取默认形式（上下2.54cm，左右2.54cm，页眉1.5cm，页脚1.75cm）。字符间距为默认值（缩放100%，间距：标准）；页码用小五号字底端居中。③具体要求：题目（二号黑体居中）；摘要（“摘要”二字用小二号黑体居中，隔行书写摘要的文字部分，小4号宋体）；关键词（隔行顶格书写“关键词”三字，提炼3-5个关键词，用分号隔开，小4号黑体)；正文部分采用三级标题；第1章××(小二号黑体居中，段前0.5行)1.1×××××小三号黑体×××××（段前、段后0.5行）1.1.1小四号黑体（段前、段后0.5行）参考文献（黑体小二号居中，段前0.5行），参考文献用五号宋体，参照《参考文献著录规则（GB/T7714－2005）》。实验一扫描电镜实验（SEM）一、实验目的1、了解扫描电子显微镜的原理、结构；2、运用扫描电子显微镜进行样品微观形貌观察。二、实验原理扫描电镜（SEM）是用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像。试样为块状或粉末颗粒，成像信号可以是二次电子、背散射电子或吸收电子。其中二次电子是最主要的成像信号。由电子枪发射的电子，以其交叉斑作为电子源，经二级聚光镜及物镜的缩小形成具有一定能量、一定束流强度和束斑直径的微细电子束，在扫描线圈驱动下，于试样表面按一定时间、空间顺序作栅网式扫描。聚焦电子束与试样相互作用，产生二次电子发射以及背散射电子等物理信号，二次电子发射量随试样表面形貌而变化。二次电子信号被探测器收集转换成电讯号，经视频放大后输入到显像管栅极，调制与入射电子束同步扫描的显像管亮度，得到反映试样表面形貌的二次电子像。扫描电镜由下列五部分组成，如图1（a）所示。各部分主要作用简介如下：1.电子光学系统它由电子枪、电磁透镜、光阑、样品室等部件组成，如图1（b）所示。为了获得较高的信号强度和扫描像，由电子枪发射的扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。常用的电子枪有三种形式：普通热阴极三极电子枪、六硼化镧阴极电子枪和场发射电子枪，其性能如表1所示。前两种属于热发射电子枪，后一种则属于冷发射电子枪，也叫场发射电子枪。由表可以看出场发射电子枪的亮度最高、电子源直径最小，是高分辨本领扫描电镜的理想电子源。电磁透镜的功能是把电子枪的束斑逐级聚焦缩小，因照射到样品上的电子束斑越小，其分辨率就越高。扫描电镜通常有三个磁透镜，前两个是强透镜，缩小束斑，第三个透镜是弱透镜，焦距长，便于在样品室和聚光镜之间装入各种信号探测器。为了降低电子束的发散程度，每级磁透镜都装有光阑；为了消除像散，装有消像散器。样品室中有样品台和信号探测器，样品台还能使样品做平移运动。2、扫描系统扫描系统的作用是提供入射电子束在样品表面上以及阴极射线管电子束在荧光屏上的同步扫描信号。3、信号检测、放大系统样品在入射电子作用下会产生各种物理信号、有二次电子、背散射电子、特征X射线、阴极荧光和透射电子。不同的物理信号要用不同类型的检测系统。它大致可分为三大类，即电子检测器、阴极荧光检测器和X射线检测器。4、真空系统镜筒和样品室处于高真空下，一般不得高于1×10－2Pa，它由机械泵和分子涡轮泵来实现。开机后先由机械泵抽低真空，约20分钟后由分子涡轮泵抽真空，约几分钟后就能达到高真空度。此时才能放试样进行测试，在放试样或更换灯丝时，阀门会将镜筒部分、电子枪室和样品室分别分隔开，这样保持镜筒部分真空不被破坏。5、电源系统由稳压、稳流及相应的安全保护电路所组成，提供扫描电镜各部分所需要的电源。三、实验步骤1、样品的制备（1）要求干净，干燥的块状或粉末样品，尺寸不大于φ20×10mm；（2）金属断口样品：要求是干净、新鲜的表面；如果是金相样品须进行深腐蚀；（3）非金属样品须在真空镀膜机中喷镀金、铝或碳，以保证样品导电性良好。2、仪器的基本操作（1）开启稳压器及水循环系统；（2）开启扫描电镜及能谱仪控制系统；（3）样品室放气，将已处理好的待测样品放入样品支架上；（4）当真空度达到要求后，在一定的加速电压下进行微观形貌的观察。四、实验数据处理图1图2分析：从图一中可以看到材料呈现出块状，间隙多的形貌，并且棱边为多层次。从图二中可以看到纤维状材料结构，但是每束有许多细丝构成。实验二XRD实验一、实验目的1.了解X射线衍射仪的基本结构及工作原理;2.了解X射线衍射仪的测试分析范围及样品制备要求。3.了解X射线衍射数据处理的程序与方法。4.掌握依据X射线衍射进行物相鉴定的原理与方法。二、实验原理1、X射线衍射基本原理当一束单色X射线照射到某一结晶物质上，由于晶体中原子的排列具有周期性，当某一层原子面的晶面间距d与X射线入射角之间满足布拉格(Bragg)方程：2dsinθ=nλ(λ为入射X射线的波长)时，就会产生衍射现象，如图2.1所示。X射线物相分析就是指通过比较结晶物质的X射线衍射花样来分析待测试样中含有何种或哪几种结晶物质(物相)。任何一种结晶物质都有自己特定的结构参数，即点阵类型、晶胞大小、晶胞中原子或离子的数目、位置等等。这些结构参数与X射线的衍射角θ和衍射强度I有着对应关系，结构参数不同则X射线衍射花样也各不相同。因此，当X射线被晶体衍射时，每一种结晶物质都有自己独特的衍射花样，不存在两种衍射花样完全相同的物质。通常用表征衍射线位置的晶面间距d（或衍射角θ）和衍射线相对强度I的数据来代表衍射花样，即以晶面间距d为横坐标，衍射相对强度I为纵坐标绘制X射线衍射图谱。目前已知的结晶物质有成千上万种。事先在一定的规范条件下对所有已知的结晶物质进行X射线衍射，获得一套所有结晶物质的标准X射线衍射图谱（即d-I数据），建立成数据库。当对某种材料进行物相分析时，只需要将其X射线衍射图谱与数据库中的标准X射线衍射图谱进行比对，就可以确定材料的物相。2、测角仪的工作原理测角仪是X射线衍射仪的核心组成部分。试样台位于测角仪中心，试样台的中心轴与测角仪的中心轴(垂直图面)垂直。试样台既可以绕测角仪中心轴转动，又可以绕自身的中心轴转动；试样表面严格地与测角仪中心轴重合，入射线从X射线管焦点出发，经入射束光阑系统投射到试样表面产生衍射，衍射线经衍射束光阑系统进入计数器。X射线管焦点和探测器光阑位于同一圆周上，把这个圆周称为测角仪圆，测角仪圆所在的平面称为测角仪平面。试样台和计数器分别固定在两个同轴的圆盘上，由两个步进马达驱动。在衍射测量时，试样绕测角仪中心轴转动，不断地改变入射线与试样表面的夹角θ，与此同时计数器沿测角仪圆运动，接收各衍射角2θ所对应的衍射强度。根据需要θ角和2θ角可以单独驱动，也可以自动匹配，使θ角和2θ角以1:2的角速度联合驱动，其结构图如图2.2。当多种结晶物质同时产生衍射时，其衍射花样也是各种物质自身衍射花样的机械叠加——它们相互独立，不会相互干涉。逐一比较就可以在重叠的衍射花样中剥离出各自的衍射花样，分析标定后即可鉴别出各自物相。3、衍射仪的应用X射线衍射仪可在大气中无损分析样品，进行物质的定性分析、晶格常数确定和应力测定等。可通过峰面积计算进行定量分析，通过半高宽、峰形等进行粒径、结晶度、结构解析等各种分析。4、物相分析的程序（1）一般程序○1X射线衍射测试；○2X射线衍射数据处理，计算面间距d值和测定相对强度I/I1值(I1为最强线的强度)；○3检索PDF卡片；○4最后判定。（2）利用计算机程序进行物相检索熟悉常用X射线衍射分析软件的操作界面；学会使用X射线衍射分析软件进行简单的单物相定性分析。三、实验仪器（一）多功能X射线衍射仪1、型号：DX-27002、主要技术指标：○1标定功率：4kW○2测角仪结构：样品水平θ—θ○3衍射圆半径：185mm○4角扫描范围：θs：-15—80˚、θd：-5—80˚○5测量范围：-3—160˚○6扫描速度：0.006°—96°/min连续设定（二）探测器1、正比（PC）或闪烁（SC）2、最大线性记数率：5×105CPS（带有漏计数补偿功能）3、能量分辨率：≤25%（PC）、≤50%（SC）4、计数方式：微分或是积分方式、自动PHA、死时间校正5.系统测量稳定度：≤0.01%6、散射线计量：≤1μSv/h(X射线防护罩外)（三）X射线管1、Cu、Fe、Co、Cr、Mo等；2、功率：2kW、2.4kW3、焦点尺寸：1×10mm2或是0.4×10mm2四、实验步骤1、试样制备衍射仪一般采用块状平面试样，它可以是整块的多晶体，亦可用粉末压制。金属样可从大块中切割出合适的大小（例如20mmx15mm），经砂轮、砂纸磨平再进行适当的浸蚀而得。分析氧化层时表面一般不作处理，而化学热处理层的处理方法须视实际情况进行（例如可用细砂纸轻磨去氧化皮）。粉末样品应有一定的粒度要求，这与德拜相机的要求基本相同（颗粒大小约在1一10μm）数量级。粉末过200一325目筛子即合乎要求），不过由于在衍射仪上摄照面积较大，故允许采用稍粗的颗粒。根据粉末的数量可压在的深框或浅框中。压制时一般不加粘结剂，所加压力以使粉末样品压平为限，压力过大可能导致颗粒的择优取向。当粉末数量很少时，可在平玻璃片上抹上一层凡士林，再将粉末均匀撒上。2、测量衍射图谱（1）开机前的准备和检查将制备好的试样插入衍射仪样品台，盖上顶盖关闭防护罩；开启水龙头，使冷却水流通；X光管窗口应关闭，管电流管电压表指示应在最小位置；接通总电源，接通稳压电源。（2）开机操作开启衍射仪总电源，启动循环水泵；待数分钟后，接通X光管电源。缓慢升高管电压、管电流至需要值。打开计算机X射线衍射仪应用软件，设置合适的衍射条件及参数，开始样品测试。工作电压设定为3～5倍的靶材临界激发电压。选择管电流时功率不能超过X射线管额定功率，较低的管电流可以延长X射线管的寿命。X射线管经常使用的负荷(管压和管流的乘积)选为最大允许负荷的80％左右。但是，当管压超过激发电压5倍以上时，强度的增加率将下降。所以，在相同负荷下产生X射线时，在管压约为激发电压5倍以内时要优先考虑管压，在更高的管压下其负荷可用管流来调节。靶元素的原子序数越大，激发电压就越高。由于连续X射线的强度与管压的平方呈正比，特征X射线与连续X射线的强度之比，随着管压的增加接（3）停机操作测量完毕，缓慢降低管电流、管电压至最小值，关闭X光管电源；取出试样；15分钟后关闭循环水泵,关闭水源；关闭衍射仪总电源、稳压电源及线路总电源。五、数据处理经过与PDF标准衍射图谱比较，可以确定里面含有Ti和CoTi这两相。但可能含有其他相，只是含量很小，通过Xray衍射实验不能识别出。六、思考题1、X射线在晶体上产生衍射的条件是什么？答：由Bragg公式2dsinθ=nλ,可以知道，n最小取1，因而2d=λ,也就是说满足2d=λ时，X射线在晶体上产生衍射。3、不平行表面的晶面有无衍射产生？答：对于不平行于表面的晶面有衍射产生，只是不被接受器接受到，因而实验中观测不到。实验三XRF实验一、实验目的1、学习和掌握x射线荧光光谱仪各单元的作用及使用的基本操作规定；2、学习使用x射线荧光光谱仪进行定性半定量分析测定。二实验原理X射线荧光光谱分析（XRF）是一种非破坏性的仪器分析方法，他是由X射线管发出的一次X射线激发样品，使样品所含元素辐射特征荧光X射线，也就是二次X射线，根据谱线的波长和强度对被测样品中的元素进行定性和定量分析，X射线荧光光谱法也被称为X射线二次发射光谱1、定性分析原理波长色散X射线荧光光谱法的定性分析首先对样品进行激发，样品受激发后发射散色的X射线光谱进入分光晶体，利用测角仪扫描进行谱线分析辨别。探测器接收晶体衍射的波谱，记