材料近代测试与技术第一章绪论-L

LogoAddYourCompanySlogan刘成伟[e-mail]13163123371材料近代测试与分析热分析方法的基本原理及应用分析主要内容1X射线衍射分析及其应用2表面分析能谱3电子显微镜及其在材料研究中应用4其他用于分析的仪器与设备56绪论课程学习内容、材料发展史、晶体学基础知识热重分析、差热分析和差示扫描量热法X射线物理基础、X射线衍射原理、仪器及测试结果分析X射线光电子能谱(XPS)和俄歇电子能谱(AES)及测试结果分析电子光学基础、透射电镜和扫描电镜仪及测试结果分析扫描隧道电子显微镜、原子力显微镜等及其结果分析教学目的及要求、学习方法与课程考核材料近代测试与分析是一门技术性实验方法课程。以高等数学、大学物理、无机化学、分析化学、物理化学、材料科学基础、材料物理等课程为基础,同时，材料近代测试与技术主要为后续课题开展，特别是实验结果的测试分析以及今后从事相关专业技术工作等打下坚实基础。学习目的及要求:使学生系统地了解材料分析测试方法的基本原理、仪器结构、制样技术和谱图结果分析，掌握常见材料测试技术对所获信息进行解释和分析的方法，培养学生使用分析测试方法服务课题研究和自我学习的能力。最终使学生能够独立地进行材料的分析和研究工作。学习方法清楚明了方法原理，弄懂记着基本概念；知晓分清仪器装置，着重熟悉关键部件；理解方法理论用途。学习考核考查：以上课、回答问题、作业完成和出勤等情况为依据进行考查，平时成绩占30%，考查合格者方能参加考试。考试：暂定为闭卷笔试，期末考试成绩占70%。总成绩=30%平时成绩+70%期末考试。说明:若有下列情况之一者，考核成绩按不及格计！1.若有三次无故不上课者；2.作业不交者；希望您做到…√不迟到，不喧哗√按时交作业√手机请调振动或关闭。。。√若有特殊事情，请举手。。。第一章绪论•材料与材料科学材料、新材料、材料科学和材料发展史•基础知识晶体、晶胞、晶面、晶向、晶面间距等等推荐参考书★材料现代分析与测试技术王晓春主编(2010.1)国防工业出版社★材料表面现代分析方法贾贤(2010.1)化学工业出版社★材料科学基础潘金生仝健民田民波(2011.1)清华大化学工业学出版社（一）材料与材料科学•什么是材料？•材料是经过某种加工，具有一定结构、组分和性能，并可用于一定用途的物质。•材料特性：具有一定性能（performance）或者功能（fuction）,从而为人们所使用。•新材料是新近发展的或正在研发的，具有比传统材料更为优异的性能的材料。（-）材料与材料科学•材料发展史•20世纪70年代，能源、信息和材料被称为被称为现代文明的三大支柱，而材料又是开发、提炼、储运和转化能源以及传播、利用、控制信息的重要物质基础。•80年代以高薪技术群为代表的新技术革命，把新材料、信息技术和生物技术列为新技术革命的重要标志。材料在人类文明发展过程中具有非常重要的历史意义历史学家以使用的材料来划分历史时代，如：•石器时代——石头坚硬,人类用石头制作工具；•青铜时代——人类利用能源还原了铜和锡，用硬而韧的青铜来制作工具；•铁器时代——人类在更高的温度还原了铁,用性能更优、价格更低的铁来制作工具；•电子时代——人类发现了硅、砷化镓的半导体特性，制造大规模集成电路。•大约25000年前，人类就学会使用材料。•自然界中大量存在，人类可以直接从自然中获取，经过简单的加工就可为人类所用。•主要是竹、木、骨、牙、皮、毛、石等天然材料，并进行粗糙加工，除此之外别无他物。天然材料竹筷骨针石制品皮毛制品石刀石斧石针典型天然材料—石器•为了生存，特别是应对野兽和战争，人们选用各种石头，加工出刀、斧、针各种器具，用于日常生产、生活和战争。陶器—无机非金属材料•据考古学家分析，陶器出现在一万多年以前。•陶器是用粘土或以粘土、长石、石英为主的混合物，经成型、干燥、烧制（烧制温度低于1200℃）而成。•陶是人类创造的第一种“人造材料”，由于高温烧制产生物理化学变化，得到和粘土不一样的新物质。新石器时代晚期(公元前3000一前2800年)黑陶豆；陶体的黑色是因为渗入了碳。•闻名于世的秦始皇兵马俑是典型的陶制品；•著名的唐三彩创始于唐高宗时期，用白粘土作胎，以Cu、Fe、Co等矿物作釉的着色剂，两次烧制后成为绚丽多彩的陶器精品；•江苏宜兴紫砂壶(紫砂泥由粘土、云母、赤铁矿等组成，其中Fe2O3含量约7％-10％，TiO2＞1％)制造技术精湛，色泽淳朴，造型独特，别具一格。兵马俑唐三彩马方韵紫砂壶陶向瓷的过渡•3000多年前的商、周时期，发明了釉瓷。•炉窑温度达到1200℃，能将金属氧化物烧制成釉瓷，用途更为广泛，质地比陶更为细腻，外观美观。商朝釉瓷宋五大名窑之一：哥窑瓷器青花瓷瓷器的辉煌•江西景德镇的薄胎瓷器被赞为洁如玉、明如镜、薄如纸、声如磐。•瓷器作为中华文明象征，大量流传。9世纪传至阿拉伯国家，13世纪传到日本，15世纪传到欧洲，以其福美绝伦征服了西方。景德镇四大名瓷：青花玲珑颜色釉粉彩青铜—金属材料•我国青铜的冶炼已可追溯到公元前3600年。•晚于埃及和西亚民族（伊朗、伊拉克）。•发展快、水平高。•到殷、西周时期已经发展到较高水平。•牛首兽面纹鼎—西周，器形端庄，文饰在商代基础上进一步发展，是今已知我国最大青铜器之一。司母戊鼎曾侯乙编钟青铜面具铁器—金属材料•铁是地球上第三大元素（前两位为硅、铝），来源于大型恒星的聚变。•中国同埃及、美索不达米亚等古国一样，对铁的认识都是从陨铁开始的。陨铁世界最早的铁器赫梯铁器•铁比铜强度和硬度都高，更加耐用；且铁来源广泛，价格便宜，迅速占领生产资料市场，对农业生产有更大的促进作用。•铁比铜轻，铁制铠甲增加战士的灵活性；铁制兵器比铜制兵器轻巧、锋利和耐用，因而铁制装备大大提高军队的战斗力，迅速占领军备材料市场。铁戈铁农具合金及复合材料•19世纪前半期之前，人类始终生活在“铁器时代”。•钢：含碳量在P-E之间的铁碳合金；•现代炼钢起始于1856年英国人H．Bessemer发明的酸性底吹转炉炼钢法，该法首次解决大规模生产液态钢的问题，奠定近代炼钢工艺方法的基础。•Al合金材料•复合材料：金属、非金属、无机、高分子材料等之间的复合。艾菲尔铁塔铝合金航空材料铜衬电路板金属/无机复合材料-景泰蓝材料发展小结•20世纪前，材料进步主要依靠人们经验积累和技巧，发展缓慢在于人们还没能对材料有深刻的认识和理解，缺乏科学对材料发展的指导。•20世纪科学成功揭示了微观世界的基本规律，加深了人们对电、磁、声、光、热等物理现象以及材料内部结构的认识，这既促使多种新材料的诞生，也开辟了一系列重大科学技术突破。•科学引导和高技术产业发展推动的双重作用，诞生了各种各样的新材料，构成21世纪人类文明的基础。•材料科学•1957年苏联成功发射了地球卫星，引起美国的极大震惊，于是在美国许多大学相继成立了材料科学研究中心。至此“材料科学”这一名词被广泛引用。•材料科学定义研究各种材料的组成与结构、合成与制备的加工工艺、性能以及材料在服役过程中的表现（使用效能）四个方面之间相互关系的科学。人们将上述四方面称为材料的“四要素”，即为材料科学的研究内容。（一）材料与材料科学四要素•结构—包括用肉眼或低倍放大镜观察到的宏观组织，用光学或电子显微镜观察到的微观组织，用场离子显微镜观察到的原子象，以及原子的电子结构。•性能—包括力学性能、物理性能、化学性能，以及冶金和加工性能等工艺性能。•加工—是指包括材料的制备、加工、后处理（再循环处理）在内的各种生产工艺。•使用—是指材料的应用效果和反响。四要素之间的关系中，结构和性能是最基本的关系四要素关系图材料的结构与性能：金刚石和石墨金刚石石墨结构决定性能材料结构与性能：富勒烯结构决定性能改性富勒烯应用在聚合物太阳能电池(ACSAppl.Mater.Interfaces,2015,7(30),pp16676–16685)材料结构与性能：石墨烯石墨烯手机（石墨烯用于触摸屏、电池和导热膜）石墨烯电池石墨烯：2004年发现结构决定性能英国曼彻斯特大学安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫石墨烯：C原子按蜂窝状结构排在一个平面内2010年诺贝尔物理学奖（二）材料的基础知识-晶体学基础回顾：•什么是晶体？晶体—是指组成物质的分子、原子或离子在空间不同方向上有规则的排列，形成一种周期性重复结构的固态物质。•晶体特征：均一性各向异性对称性自范性最小内能NaCl晶体结构石英晶体(晶体)石英玻璃（非晶体）主要内容基础知识晶面指数晶向指数晶面族晶向族晶面间距晶体结构晶体结构：基元、空间点阵和结点•晶体—是指组成物质的分子、原子或离子在空间不同方向上有规则的排列，形成一种周期性重复结构的固态物质。基元：可以为原子，也可以为原子群或分子群。点阵(lattice)点阵（空间点阵）晶体中基元这种周期性规律，可以在空间上用一些有规律分布的几何点来表示，这样几何点的集合构成了点阵，即空间点阵。每个几何点即为点阵的结点。结点空间点阵可描述晶体内部的结构晶体结构：晶胞•晶胞—代表晶体结构排列规律的最小几何单元。黑色球组成的为该晶体的晶胞晶体结构：晶格常数（大小和方向）大小：晶胞的棱边长度a、b、c（称为点阵或晶格常数)；方向：棱边的夹角为α、β、γ（称为晶轴间夹角，也称为点阵或晶格常数）。ruvw晶胞abcbgxyzOuvwruavbwc点阵矢量7个晶系90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系14种晶格点阵简单立方体心立方面心立方简单四方体心四方简单六方简单菱形简单正交底心正交体心正交面心正交简单单斜底心单斜简单三斜四方Tetrahedral简单四方(10)体心四方(11),90oabcbg,90oabcbg四方简单立方(12)体心立方(13)面心立方(14),90oabcbg立方Cubic,90oabcbgabc立方晶胞选取三原则能反映点阵的周期性Diagram2将晶胞沿三轴方向无限重复堆积或平移，能得出整个点阵。必要条件(2)和(3)至少满足一条Diagram2晶胞的体积最小能反映点阵的对称性(1)(2)(3)得出两种选取方法：a保证对称性;b保证晶胞体积最小通常选用方法：a保证对称性晶体结构和空间点阵的区别空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽象，用以描述和分析晶体结构的周期性和对称性，由于各阵点的周围环境相同，它只能有14种类型晶体结构则是晶体中实际质点（原子、离子或分子）的具体排列情况，它们能组成各种类型的排列，因此，实际存在的晶体结构是无限的。晶体结构=空间点阵+基元简单立方SC-CsCl体心立方BCC-VCsClV复式点阵CuNaClCaF2面心立方FCC晶面指数和晶向指数由一系列原子所组成的平面称为晶面。原子在空间排列的方向称为晶向。CrystalplaneCrystalorientation晶面指数和晶向指数OrientationindexcrystallographicplaneindexLogo国际上通用密勒指数来统一标定晶向指数和晶面指数确定步骤：A：确定原点，建立坐标系，过原点作所求晶向的平行线，B：求直线上任一点的坐标值并按比例化为最小整数，加方括弧，形式为[uvw]。LogoExample1：已知某过原点晶向上一点的坐标为1、1、1，求该直线的晶向指数。Example3：已知晶向指数为[110],画出该晶向。•将三坐标值加方括弧得[111]。•将三坐标值化为最小整数加方括弧得[234]。Example2：已知某过原点晶向上一点的坐标为1、1.5、2，求该直线的晶向指数。[111][234][110]•找出1、1、0坐标点,连接原点与该点的直线即所求晶向。需要指出说明的是：1.一个晶向指数代表着所有相互平行、方向一致的晶向；2.若两晶向平行但方向相反，则晶向指数的数字相同，而符号相反；3.只有对于立方结构的晶体，改变晶向指数的顺序，所表示的晶向上的原子排列情况完全相同，而对于其它结构的晶体则不适用。[110]