现代测试分析技术讲稿

现代测试分析技术课程内容X射线衍射分析电子显微分析热分析基本原理和方法及应用第一部分X射线衍射分析一、X射线物理学基础1.X射线的发现2.X射线的本质波长很短的电磁波3.X射线的特性波动性：以一定的频率和波长在空间传播，反映了物质运动的连续性；=c/(nm)（0.001~10nm)X射线晶体结构分析0.25~0.05nm微粒性：以光子形式辐射和吸收时具有一定质量、能量和动量，反映了物质运动的分立性。能量：=h=hc/动量：p=mc=h/4.X射线强度在单位时间内，通过垂直于传播方向的单位截面的能量大小强度的平均值与波的振幅平方成正比；强度是通过单位截面的光（量）子流率，即单位时间内通过与X射线传播方向相垂直的单位面积上的光（量）子数目与光（量）子能量的乘积5.X射线谱X射线产生连续X射线谱特征X射线谱特征X射线谱的频率和波长只取决于阳极靶物质，它是物质的固有特征。（1/）1/2=c(z-)（莫塞莱定律）6.X射线与物质的相互作用(1)X射线的散射相干散射（经典散射）非相干散射（量子散射）（康-吴效应）相干散射是X射线在晶体中产生衍射现象的基础(2)X射线的吸收（真吸收）X射线能量在通过物质时转变为其它形式能量光电效应与荧光（二次）特征辐射俄歇效应(3)X射线的衰减X射线透过物质时，产生散射和真吸收（多数情况下是主要的）强度将被衰减。l为线吸收系数（表征沿穿越方向单位长度上X射线强度衰减的程度，它与X射线的波长、吸收物质及其物理状态有关）ttlleIIeII00/质量吸收系数单质元素—吸收体物质的密度m—质量吸收系数（cm2•g-1),表示单位重量物质对X射线的吸收程度，对于波长一定的X射线和一定物质，其为一定值。lm几种元素组成:式中Wi—各元素重量百分数实验公式：式中k—常数；—波长；z—原子序数但在光电效应发生处，m突增iniillmW1)(33zkm7.X射线的安全防护安全剂量重金属铅可强烈吸收X射线二、X射线衍射的基本原理和方法1.X射线衍射的实质大量的原子相干散射波互相干涉的结果2.衍射花样的特征衍射方向：衍射线在空间的分布规律由晶胞的大小、形状和位向决定衍射线强度：取决于原子种类及原子在晶胞中的位置3.布拉格方程—入射X射线波长;2—衍射角;d—晶面间距X射线衍射与可见光反射主要区别：所有原子散射波干涉的结果；在若干个特殊角度可见；X射线衍射强度很小。布拉格方程的应用已知d，测，计算，确定靶材组成元素、含量——X射线光谱分析；已知，测，计算d，确定晶体周期结构——晶体结构分析4.衍射方向与晶体结构的关系如简单立方：简单四方晶系：衍射线分布规律由晶胞的形状和大小决定aLKHdSinLKHad2)(2)(2/12222/1222aLcaKHdSin2))/((22/122225.X射线衍射强度X射线衍射强度：单位时间内通过与衍射方向相垂直的单位面积上的X射线光量子数目多晶体积分强度F2HKL—结构因素；Phkl—多重性因素；()—角因素；e-2M—温度因素；R（)—吸收因素)()()/()32/()/(22234240RePFvVRcmeIIMhklHKLF2hkl—结构因数，反映一个晶胞中各原子散射波的合成强度，即晶胞的散射能力；反映了晶胞中原子种类、原子数目及原子位置对（HKL)晶面衍射方向上衍射强度的影响21212)](2[)](2[LwKvHuSinfLwKvHuCosfFjjjnjjjjjnjjHKL晶体结构与消光规律晶体结构结构消光（FHKL=0）条件简单主体无结构消光体心立方H+K+L=奇数面心立方H、K、L奇偶混合体心正方H+K+L=奇数金刚石立方（Ge、Si）H、K、L奇偶混合，或H、K、L全偶但H+K+L4n密排六方（-T、Zr、Mg等）H+2K=3n及L=奇数6.X射线衍射方法德拜法德拜－谢乐法照相法聚焦法多晶体衍射方法针孔法衍射仪法劳埃（Laue）法单晶体衍射方法周转晶体法四圆衍射仪X射线衍射仪是以特征X射线照射多晶体样品，并以辐射探测器记录衍射信息的衍射实验装置。X射线衍射仪由X射线发生器、X射线测角仪、辐射探测器和辐射探测电路4个基本部分组成，现代X射线衍射仪还包括控制操作和运行软件的计算机系统。测角仪是X射线衍射仪的核心部分。X射线衍射仪计数测量方法分为连续扫描和步进(阶梯)扫描两种三、物相分析1.物相定性分析鉴别待测样由哪些物相组成（1）原理物相—晶体结构—X射线衍射花样多相物质的衍射花样是各相衍射花样的机械叠加，彼此独立无关（2）方法摄取X射线衍射花样计算各反射面的面间距，测量衍射线的强度查索引与PDF卡片比较当找出第一物相后，可将其剔除，并将留下线条的强度重新归一化，再检索2.物相定量分析确定物质(样品)中各组成相的相对含量。（1）原理：设样品中任意一相为j，密度j，其某(HKL)衍射线强度为Ij，其重量分数为wj，样品(混合物)质量吸收系数为m；定量分析的基本依据是：mjjjjwkI（2）方法外标法(单线条法)内标法K值法（基体冲洗法）直接比较法X射线分析方法在材料学领域的其它应用固溶分析：确定固溶类型，测定溶质含量等。晶粒大小测定测定晶粒的平均大小。应力测定测定宏观、微观和局域的内应力及原子间结合力晶体取向测定第二部分电子显微分析主要内容透射电子显微镜（TransmissionElectronMicroscope,TEM)扫描电子显微镜(ScanningElectronMicroscope,SEM)电子探针显微分析仪(ElectronProbeMicroanalyzer,EPMA)其它显微分析方法简介X射线衍射仪电子探针仪扫描电镜X射线二次电子入射电子背散射电子阴极荧光吸收电子俄歇电子试样透射电子俄歇电子能谱透射电子显微镜电子与物质相互作用产生的信息及相应仪器电子波电磁透镜电磁透镜是变焦距或变倍率的会聚透镜景深大、焦长长电磁透镜的像差和分辨本领球差、像散、色差电磁透镜的分辨本领决定于像差和衍射透射电子显微镜一、结构聚光镜光阑：位置：在双聚光镜系统中，光阑常装在第二聚光镜的下方。光阑孔的直径为20-400m。作一般分析观察时，聚光镜的光阑孔直径可用200-300m。作用：限制照明孔径角。物镜光阑（衬度光阑）：位置：物镜的后焦面上作用：*限制孔径角大小，提高衬度和分辨率；常用物镜光阑孔的直径是20-120m范围。电子束通过薄膜样品后会产生散射和衍射散射角(或衍射角)较大的电子被光阑挡住，不能继续进入镜筒成像，从而就会在像平面上形成具有一定衬度的图像。使物镜孔径角减小，减小像差，提高分辨率*形成暗场像套取衍射束的斑点成像选区光阑（视场光阑、场限光阑）：位置：放像平面上作用：挡掉大角度散射电子，提高衬度；作选区衍射一般选区光阑孔的直径位于20—400m。放大倍数：物镜和投影镜属于强透镜，其放大倍数均为100倍左右，而中间镜属于弱透镜，其放大倍数为0~20倍。三级成像的总放大倍数为：MT=MOMIMP其中MT、MO、MI和MP分别是透射电镜、物镜、中间镜和投影的放大倍数。二、电子衍射1电子衍射花样2.电子衍射特点（1）在同样满足布拉格条件时，衍射角很小；（2）略为偏离布拉格条件的电子束也能发生衍（3）可以认为电子衍射产生的衍射斑点大致分布在一个二维倒易截面内。这个结果使晶体产生的衍射花样能比较直观地反映晶体内各晶面的位向；（4）电子衍射束的强度较大，摄取衍射花样时限光时间仅需数秒钟。3电子衍射原理布拉格定律2.倒易点阵与爱瓦尔德作球图解法倒易矢量在倒易点阵中．由原点O*指向任意坐标为(h,k,l)的阵点的矢量ghkl(倒易矢量)为：hkl为正点阵中的晶面指数。sin2HKLdlckbhaghkl倒易矢量ghkl垂直于正点阵中相应的(hkl)晶面，或平行于它的法向Nhkl。倒易点阵中的一个点代表的是正点阵中的一组晶面。倒易矢量的长度等于正点阵中相应晶面间距的倒数，即：hklhkldg/13.产生衍射的条件：1）符合布拉格条件或倒易杆在爱瓦尔德球上；2）结构振幅不等于零单晶电子衍射花样有许多斑点的原因：1）倒易杆的存在；2）电子束波长很短，使爱瓦而德球再小角度范围内球面接近平面；3）加速电压波动，使爱瓦尔德球有一定的厚度；4）电子束有一定的发散度4.电子衍射基本公式衍射斑点的矢量R就是产生这一斑点的晶面组倒易矢量g的放大，衍射花样相当于倒易点阵被爱瓦尔德球所截的二维倒易面放大投影，放大倍数即K；已知k，测R，可求出d，从而确定物质结构LRdKgRKRd5.选区电子衍射6.简单电子衍射花样的标定程序7.晶体薄膜样品制备8.电子衍衬像的运动学原理质厚衬度由于试样的质量和厚度不同，各部分对入射电子发生相互作用，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，称为质-厚衬度。衍射衬度衍射衬度主要是由于晶体试样满足布拉格反射条件程度差异以及结构振幅不同而形成电子图象反差。它仅属于晶体结构物质，对于非晶体试样是不存在的。扫描电子显微镜1.基本原理入射电子束→细聚焦电子束→在样品上作光栅扫描→激发各种物理信号→电信号→显象管栅极调制显象管亮度扫描线圈与显象管偏转线圈电流同步→试样每点上信息强度与荧光屏相应点亮度对应电子束逐点扫描→荧光屏逐点成像2.结构3.主要性能放大倍数分辨率主要决定于入射电子束直径电子束在样品中的扩散效应scAAM4.扫描电镜像衬度二次电子像表面形貌衬度背反射电子像成分衬度形貌衬度5.样品制备6.SEM在材料研究中的应用1.断口分析(1)沿晶断口（2）韧窝断口（3）解理断口（4）纤维增强复合材料断口2.形貌观察（1）烧结体烧结自然表面观察（2）金相表面组织观察3.动态观察Flowerwithabugwithnofixation(BSE)Penicilliumoryzaewithoutfixation(BSE)MiteTyrophagusPutrescentiaewithoutfixation(BSE)PowderymildewofBabysbreathOidiumsp.withoutfixation(BSE)Redbloodcellwithfixationandcoating(SE)其它显微分析方法热分析热分析:在程序控制温度下，测量物质的物理性质与温度关系的一类技术F=f（T）其中F是一个物理量，T是物质的温度。热分析方法:差热分析、差示扫描量热法、热重法、热机械分析等。热分析仪器组成：温控、物性测量、显示和气氛控制