材料测试分析方法(究极版)

绪论1分析测试技术？获取物质的组成、含量、结构、形态、形貌以及变化过程的技术和方法。2材料分析测试的思路从宏观到微观形貌（借助显微放大技术）从外部到内在结构（借助X射线衍射技术）从片段到整体（借助红外，紫外，核磁，X射线光谱，光电子能谱等）3分析测试技术的发展的三个阶段？阶段一：分析化学学科的建立；主要以化学分析为主的阶段。阶段二：分析仪器开始快速发展的阶段阶段三：分析测试技术在快速、高灵敏、实时、连续、智能、信息化等方面迅速发展的阶段4现代材料分析的内容及四大类材料分析方法？表面和内部组织形貌。包括材料的外观形貌（如纳米线、断口、裂纹等）、晶粒大小与形态、各种相的尺寸与形态、含量与分布、界面（表面、相界、晶界）、位向关系（新相与母相、孪生相）、晶体缺陷（点缺陷、位错、层错）、夹杂物、内应力。晶体的相结构。各种相的结构，即晶体结构类型和晶体常数，和相组成。化学成分和价键（电子）结构。包括宏观和微区化学成份（不同相的成份、基体与析出相的成份）、同种元素的不同价键类型和化学环境。有机物的分子结构和官能团。形貌分析、物相分析、成分与价键分析与分子结构分析四大类方法。5化学成分分析所用的仪器？化学成分的表征包括元素成分分析和微区成分分析。所用仪器包括：光谱（紫外光谱、红外光谱、荧光光谱、激光拉曼光谱等）色谱（气相色谱、液相色谱、凝胶色谱等）。热谱（差热分析、热重分析、示差扫描量热分析等）。表面分析谱（X射线光电子能谱、俄歇电子能谱、电子探针、原子探针、离子探针、激光探针等）。原子吸收光谱、质谱、核磁共振谱、穆斯堡尔谱等。6.现代材料测试技术的共同之处在哪里？除了个别的测试手段（扫描探针显微镜）外，各种测试技术都是利用入射的电磁波或物质波（如X射线、高能电子束、可见光、红外线）与材料试样相互作用后产生的各种各样的物理信号（射线、高能电子束、可见光、红外线），探测这些出射的信号并进行分析处理，就课获得材料的显微结构、外观形貌、相组成、成分等信息。7.x射线、连续x射线谱和标识x射线x射线:波长为0.01~1000A之间D的电磁波。连续X射线：具有连续波长的x射线，构成连续x射线诺，它和可见光相似，亦称多色x射线标识x射线:只有当管电压超过一定的数值时才会产生，且波长与x射线管电流等工作条件无关，只决定于定于阳极材料，这种X射线称为标识X射线.8.x射线衍射的几何条件是d,θ、I必须满足什么公式?写出数学表达式，并说明d，θ，λ的意义。答:x射线衍射的几何条件是d,、l必须满足布拉格公式。其数学表达式:dsinθ=λ(或2dsinθ=nλ)其中d是晶体的晶面间距。θ是布拉格角，即入射线与晶面间距的交角。λ是入射x射线的波长。9.试总结衍射花样的背底来源，并提出一些防止和减少背底的措施答:(I)花材的选用影晌背底;(2)滤波片的作用影响到背底;(3)样品的制备对背底的影响措施：（1）选靶靶材产生的特征x射线（常用Kα射线）尽可能小的激发样品的荧光辐射，以降低衍射花样背底，使图像清晰。（2）滤波，k系特征辐射包括Ka和kβ射线，因两者波长不同，将使样品的产生两套方位不同得衍射花样;选择浪滋片材料，使λkβ靶λk滤λkα，Ka射线因因激发滤波片的荧光辐射而被吸收。(3)样品，样品晶粒为50μm左右，长时间研究，制样时尽量轻压，可减少背底。10.x射线产生必须具备的三个基本条件?(l)产主并发射自由电子（如加热钨灯丝亥射热电子);（2）在真空中迫使电子朝一定方向加速运动，以获得尽可能高的速度;(3)在高速电子流的运动路线上设置一障碍物（阳祝靶)，使高速运动的电子突然受阻而停止下来。11.X射线的性质;x射线是一种电磁波，波长范围:0.01~100ÀX射线的波长与晶体中的原子问距同数量级，所以晶体可以用作衍射光栅。用来研究晶体结构，常用波长为0.5~2.5À不同波长的x射线具有不同的用途。硬x射线:波长较短的硬x封线能量较高，穿透性较强，适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析。软x射线:波长较长的软x射线的能量较低，穿透性弱，可用干分析非金属的分析。用于金属探伤的x射线波长为0.05~0.1À当x射线与物质(原子、电子作用时，显示其粒子性，具有能量E＝h。产生光电效应和康普顿效应等当x射线与x射线相互作用时，主要表现出波动性。x射线的探测:荧光屏（ZnS），照相底片，探测器12标识X射线的产生相理?标识x射线谱的产生相理与阳极物质的原子内部结构紧密相关的。原子系统内的电子，按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级，在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出时，于是在低能级上出现空位，系统能量升高，处于不稳定激发态。较高能级上的电子向低能机上的空位跃，并以光子的形式射出标识x射线谱。13.莫塞菜(Moseley，N.G一J}定律待征x射线谱的频率只取决于阳极靶物质的原子能级结构，它是物质的固有特性。第一章1.X射线的波－粒二象性X射线的本质是电磁辐射，与可见光完全相同，仅是波长短而已，因此具有波粒二像性。波粒二相性波动方程：A＝A0cos(-t)波粒二相性：E＝h=hc/P=h/=h/c2.连续X射线谱的特点1)V变化（升高）,i固定。①各种波长射线的相对强度（I）都相应地增高；②各曲线上都有短波极限λ0，且λ。逐渐变小；③各曲线的最高强度值(λm)的波长逐渐变小。2)i变化（升高）,U固定。①各种波长射线的相对强度（I）都相应地增高；②各曲线上都有短波极限λ0和最高强度值λm，且λ0和λm保持不变；3.X射线产生的基本条件与基本性质高速运动的电子与物体碰撞时，发生能量转换，电子的运动受阻失去动能，其中一小部分（1％左右）能量转变为X射线，而绝大部分（99％左右）能量转变成热能使物体温度升高。产生条件（1）产生自由电子；（2）.使电子作定向的高速运动;（3）在其运动的路径上设置一个障碍物使电子突然减速或停止。4.特征（标识）X射线的特点,结构是在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的谱线，它和可见光中的单色相似，亦称单色X射线当电压达到临界电压时，标识谱线的波长不再变，强度随电压增加。如钼靶K系标识X射线有两个强度高峰为Kα和Kβ，波长分别为0.71A和0.63A标识X射线谱的产生相理与阳极物质的原子内部结构紧密相关的。原子系统内的电子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级。在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出时，于是在低能级上出现空位，系统能量升高，处于不稳定激发态。较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式辐射出标识X射线谱。5.光电效应与俄歇效应光电效应：入射的X射线（光子）的能量足够高时，同样可以将物质原子的内层电子击出成为自由电子，并在内层产生空位，使原子处于激发状态，外层电子自发回迁填补空位，降低原子能量，产生辐射（X射线），这种由X射线（入射光子）激发原子产生辐射的过程称为光电效应。俄歇效：应原子中K层的一个电子被打出后，它就处于K激发状态，其能量为EK。的一个空位被L层的两个空位所代替，这种现如果一个L层电子来填充这个空位，K电离就变成L电离，其能量由EK变成EL，此时将释放EK-EL的能量。释放出的能量，可能产生荧光X射线，也可能给予L层的电子，使其脱离原子产生二次电离。即K层象称俄歇效应.6.相干散射与非相干散射想干散射：由于散射线与入射线的波长和频率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干条件，故称为相干散射。非相干散射：X射线经束缚力不大的电子（如轻原子中的电子）或自由电子散射后，可以得到波长比入射X射线长的X射线，且波长随散射方向不同而改变。7.什么叫特征X射线激发电压V激？当管电压超过某临界值时，特征谱才会出现，该临界电压称激发电压。第二章1.X射线的衰减x射线穿过物质之后，强度会衰减。这是因为x射线同物质相互作用时经历各种复杂的物理、化学过程，从而引起各种效应转化了入射线的部分能量。假如入射线的强度为R，通过厚度dx的吸收体后，由于在吸收体内受到“毁灭性”的相互作用，强度必然减少，减少dR显然正比于吸收体的厚度dx，也正比于束流的强度R，若定义μ为x射线通过单位厚度时被吸收的比率，则有-dR=μRdx考虑边界条件并进行积分，则得:R0=Re-μx透射率T=R/R0,则得：T=e-μx或InT=-μx式中“μ称为线衰减系数。x为试样厚度，我们知道，衰减至少应被视为物质对入射线的散射和吸收的结果，系数μ应该是这两部分作用之和。但由于因散射而引起的衰减远小于因吸收而引起的衰减，故通常直接称μ为线吸收系数，而忽略散射的部分。对于给定物质，吸收系数μ一般随λ增大，但有一些突变点，该点波长分别成为该元素的K,L,M等吸收限。2.衍射产生的充分必要条件是：满足布拉格方程：2dsinθ=nλ结构因子不为0：lFhkll2≠03.连续x射线谱的总强度和特征x射线谱的总强度?而x射线谱强度与阳极的原子序数Z、管电压U和管电流I有下列关系:I连=kiIZU2式中ki为常数。因此.当实脸工作需要强的连续谱时，应选用原子序数较高的材料为X管靶面。标识x射线的强度随管压，管流的加大而增加，其变化规律可用下式表示I标=ci(U-Uk)n式中c为比例常数，i为电流强度，U为管压，Uk为阳极物质k系标识x射线的激发电压，对于k系，n常取1.5，一般在U/Uk=3~5时，能获I标/I连的最大值。4.吸收限?μm产生突变的不连续处称为吸收限。相应的波长为吸收限波长入。吸收限对应的波长为λa，对应的能量就是轨道能量。对于K系：吸收限为λK=hc/Ek原子序数愈低，对应的Ek愈小，则λK愈大5.阳极靶的选择?x-ray衍射分析中，希望不产生k系荧光辐射，且试样对x-ray的吸收要小。针对试样的原子序数，可以调整靶材料。A．λkα(靶)λk(样),根据样品成分选择靶材的原则是：Z靶≤Z样+1B．λkα(靶)《λk(样),则Z靶》Z样C.λkβ(靶)λk(样)λkα(说)，Z靶=Z样+1D.多元素的样品，原则上以主组元中Z最小的元素选择靶材。入射波长的影响:由干:sinΘ≤1，而满足衍射时d≥λ/2,因此λ越长产生的衍射条越少。6.衍射线在空间的方位取决于什么？而衍射线的强度又取决于什么?答:衍射线在空间的方位主要取决于晶体的面网间距，或者晶胞的大小。衍射线的强度主要取决于晶体中原子的种类和它们在晶胞中的相对位置。7.实验中选择X射线管以及滤波片的原则是十么?已知一个以Fe为主要成分的样品，试选择合适的X射线管和合适的滤波片答:实睑中选择X射线管的原则是为避免或减少产生荧光辐射，应当避免使用比样品中主元素的原子序数大2-6(尤其是2)的材料作靶材的X射线管。选择滤波片的原则是X射线分析中，在X射线管与样品之间一个滤波片，以滤掉kp线。滤波片的材料依靶的材料而定，一般采用比靶材的原子序数小1或2的材料，以分析以铁为主的样品，应该选用Co或Fe靶的X射线管，同时选用Fe和Mn为滤波片。8．试述x射线衍射物相分析步骤？及其鉴定时应注意问题？(1)计算或查找出衍射图谱上每根峰的d值与I值；(2)利用I值最大的三根强线的对应d值查找索引，找出基本符合的物相名称及卡片号；(3)将实侧的d,I值与卡片上的数据一一对照，若基本符合，就可定为该物相。鉴定时应注意的问题:(1)d的数据比I/I0数据重要。(2)低角度线的数据比高角度线的数据重要。(3)强线比弱线重要，特别要重视d值大的强线.(4)应重视特征线.(5)应尽可能地先利用其他分析、.鉴定手段，初步确定出样品可能是什么物相，将他局限于一定的范围内。第三章2.薄膜样品的基本要求是什么?样品制备的工艺过程如何?双喷减薄与离子减薄各适用于制备什么样品?答：样品的基本要求：1）薄膜样品的组织结构必须和大块样品相同，在制备过程中，组织结构不变化；2）样品相对于电子束必须有足够的透明度；3）薄膜样品应有一定强度和刚度，在制备、夹持和操作过程中不会引起变形和损坏；4）在样品制备过程中不允许表面产生氧化和腐蚀。