材料基本表征方法

1、化學(xué)化工學(xué)院材料化學(xué)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：材料基本表征方法年級(jí)： 2010級(jí) 日期： 2012912 姓名： 學(xué)號(hào)： 同組人： 一、預(yù)習(xí)部分1、材料的表征方法：1.1 X一射線(xiàn)衍射物相分析 粉末X射線(xiàn)衍射法，除了用于對(duì)固體樣品進(jìn)行物相分析外，還可用來(lái)測(cè)定晶體結(jié)構(gòu)的晶胞參數(shù)、點(diǎn)陣型式及簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的原子坐標(biāo)。X射線(xiàn)衍射分析用于物相分析的原理是:由各衍射峰的角度位置所確定的晶面間距d以及它們的相對(duì)強(qiáng)度Ilh是物質(zhì)的固有特征。而每種物質(zhì)都有特定的晶胞尺寸和晶體結(jié)構(gòu)，這些又都與衍射強(qiáng)度和衍射角有著對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，可以根據(jù)衍射數(shù)據(jù)來(lái)鑒別晶體結(jié)構(gòu)。此外，依據(jù)XRD衍射圖，利用Schercr公式: 式中p為衍射

2、峰的半高寬所對(duì)應(yīng)的弧度值;K為形態(tài)常數(shù)，可取0.94或0.89;為X射線(xiàn)波長(zhǎng)，當(dāng)使用銅靶時(shí)，又1.54187 A; L為粒度大小或一致衍射晶疇大小；e為布拉格衍射角。用衍射峰的半高寬FWHM和位置(2a)可以計(jì)算納米粒子的粒徑。1.2熱分析表征 熱分析技術(shù)應(yīng)用于固體催化劑方面的研究，主要是利用熱分析跟蹤氧化物制備過(guò)程中的重量變化、熱變化和狀態(tài)變化。.1.3掃描隧道顯微鏡 掃描隧道顯微鏡有原子量級(jí)的高分辨率，其平行和垂直于表面方向的分辨率分別為0.1 nm和0.01nm，即能夠分辨出單個(gè)原子，因此可直接觀(guān)察晶體表面的近原子像;其次是能得到表面的三維圖像，可用于測(cè)量具有周期性或不具備周期性的表面結(jié)

3、構(gòu)。通過(guò)探針可以操縱和移動(dòng)單個(gè)分子或原子，按照人們的意愿排布分子和原子，以及實(shí)現(xiàn)對(duì)表面進(jìn)行納米尺度的微加工，同時(shí)，在測(cè)量樣品表面形貌時(shí)，可以得到表面的掃描隧道譜，用以研究表面電子結(jié)構(gòu)。1.4透射電子顯微鏡 透射電鏡可用于觀(guān)測(cè)微粒的尺寸、形態(tài)、粒徑大小、分布狀況、粒徑分布范圍等，并用統(tǒng)計(jì)平均方法計(jì)算粒徑，一般的電鏡觀(guān)察的是產(chǎn)物粒子的顆粒度而不是晶粒度。高分辨電子顯微鏡(HRTEM)可直接觀(guān)察微晶結(jié)構(gòu)，尤其是為界面原子結(jié)構(gòu)分析提供了有效手段，它可以觀(guān)察到微小顆粒的固體外觀(guān)，根據(jù)晶體形貌和相應(yīng)的衍射花樣、高分辨像可以研究晶體的生長(zhǎng)方向。1.5 X射線(xiàn)能量彌散譜儀 每一種元素都有它自己的特征X射線(xiàn)，根

4、據(jù)特征X射線(xiàn)的波長(zhǎng)和強(qiáng)度就能得出定性和定量的分析結(jié)果，這是用X射線(xiàn)做成分分析的理論依據(jù)。EDS分析的元素范圍Be4-U9a，一般的測(cè)量限度是0.01%，最小的分析區(qū)域在550A，分析時(shí)間幾分鐘即可。X射線(xiàn)能譜儀是一種微區(qū)微量分析儀。用譜儀做微區(qū)成分分析的最小區(qū)域不僅與電子束直徑有關(guān)，還與特征X射線(xiàn)激發(fā)范圍有關(guān)，通常此區(qū)域范圍為約1. X射線(xiàn)譜儀的分析方法包括點(diǎn)分析、線(xiàn)分析和面分析。1.6傅里葉一紅外光譜儀 傅里葉一紅外光譜儀可檢驗(yàn)金屬離子與非金屬離子成鍵、金屬離子的配位等化學(xué)環(huán)境情況及變化。1.7拉曼光譜 拉曼光譜是一種研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要方法，特別是對(duì)于研究低維納米材料，它已經(jīng)成為首選方法之一

5、。拉曼光譜是分子的非彈性光散射現(xiàn)象所產(chǎn)生，非彈性光散射現(xiàn)象是指光子與物質(zhì)分析發(fā)生相互碰撞后，在光子運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變的同時(shí)還發(fā)生能量的交換(非彈性碰撞)。拉曼光譜產(chǎn)生的條件是某一簡(jiǎn)諧振動(dòng)對(duì)應(yīng)于分子的感生極化率變化不為零時(shí)，拉曼頻移與物質(zhì)分子的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)能級(jí)有關(guān)，不同物質(zhì)有不同的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，同時(shí)產(chǎn)生不同拉曼頻移拉曼光譜具有靈敏度高、不破壞樣品、方便快速等優(yōu)點(diǎn)。1.8 N:吸附脫附等溫線(xiàn)分析和孔徑分析 N2吸附平衡等溫線(xiàn)是以恒溫條件下吸附質(zhì)在吸附劑上的吸附量為縱坐標(biāo)，以壓力為橫坐標(biāo)的曲線(xiàn)。通常用相對(duì)壓力P/P。表示壓力;P為氣體的真實(shí)壓力;尸。為氣體在測(cè)量溫度下的飽和蒸汽壓。吸附平衡等溫線(xiàn)分為吸

6、附和脫附兩部分。平衡等溫線(xiàn)的形狀與材料的孔組織結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。1.9 X射線(xiàn)光電子能譜X射線(xiàn)光電子能譜(XPS )就是用X射線(xiàn)照射樣品表面，使其原子或分子的電子受激而發(fā)射出來(lái)，測(cè)量這些光電子的能量分布，從而獲得所需的信息。X射線(xiàn)光電子能譜理論依據(jù)就是愛(ài)因斯坦的光電子發(fā)散公式。根據(jù)Einstein的能量關(guān)系式有: by=Eb+Ek式中，入射光子能量by是已知的，借助光電子能譜儀可以測(cè)出光電過(guò)程中被入射光子所激發(fā)出的光電子能量Ek，從而可求出內(nèi)層電子的軌道結(jié)合能Eb。由于各種原子都有一定結(jié)構(gòu)，所以知道Eb值后，即能夠?qū)悠愤M(jìn)行元素分析鑒定。2、 X一射線(xiàn)衍射物相分析介紹X射線(xiàn)是一種電磁波，其波

7、長(zhǎng)范圍在0.001-10nm，常用波段為0.01-2nm。它是原子內(nèi)層電子在高速運(yùn)動(dòng)電子的沖擊下產(chǎn)生躍遷而發(fā)射的輻射。當(dāng)X射線(xiàn)與晶面所呈的入射角為時(shí)，則與該晶面平行的晶體內(nèi)的原子排列面的反射會(huì)受到干涉，因此，只有符合所規(guī)定的入射角的方向，才能看到X射線(xiàn)衍射。晶體內(nèi)原子的排列，隨著物質(zhì)種類(lèi)不同，可以具有各種不同的待征。每種物質(zhì)都有其特定的晶格類(lèi)型、晶胞尺寸，晶胞中的原子數(shù)及各原子的位置也是一定的，因而任何多晶體物質(zhì)都有其特定的X 射線(xiàn)衍射譜。X 射線(xiàn)衍射圖譜中各線(xiàn)條的角度位置所確定的晶面間距以及它們的相對(duì)強(qiáng)度I/I1(I1 是最強(qiáng)線(xiàn)的強(qiáng)度)是該多晶體的固有特性，即使該物質(zhì)處在混合物中也不會(huì)改變。

8、這就是X 光能作物相分析的依據(jù)。物相分析按作用目的不同分為定性相分析和定量相分析。前者確定試樣中不同組成相分，后者在確定相成分的基礎(chǔ)上再計(jì)算各相的相對(duì)含量。物相鑒定的依據(jù)是衍射線(xiàn)方向和衍射強(qiáng)度，在衍射圖譜上即為衍射峰的位置及峰高，利用X衍射儀、可以直接測(cè)定和記錄晶體所產(chǎn)生衍射線(xiàn)的方向和強(qiáng)度I。通常用d（晶面間距表征衍射線(xiàn)位置）和I（衍射線(xiàn)相對(duì)強(qiáng)度）的數(shù)據(jù)代表衍射花樣。用d-I數(shù)據(jù)作為定性相分析的基本判據(jù)。定性相分析方法是將由試樣測(cè)得的d-I數(shù)據(jù)組與已知結(jié)構(gòu)物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)d-I數(shù)據(jù)組（PDF卡片）進(jìn)行對(duì)比，以鑒定出試樣中存在的物相。通常我們只要辨認(rèn)出樣品的粉末衍射圖譜分別和哪些已知晶體的粉末衍射圖“

9、相關(guān)”，就可以判定該樣品是由哪些晶體混和組成的。二、實(shí)驗(yàn)部分實(shí)驗(yàn)原理：X射線(xiàn)衍射分析用于物相分析的原理是:由各衍射峰的角度位置所確定的晶面間距d以及它們的相對(duì)強(qiáng)度Ilh是物質(zhì)的固有特征。而每種物質(zhì)都有特定的晶胞尺寸和晶體結(jié)構(gòu)，這些又都與衍射強(qiáng)度和衍射角有著對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，可以根據(jù)衍射數(shù)據(jù)來(lái)鑒別晶體結(jié)構(gòu)。此外，依據(jù)XRD衍射圖，利用Schercr公式: D為粉末平均粒徑(nm);=0.154 nm,為X射線(xiàn)波長(zhǎng);為2所對(duì)應(yīng)的衍射峰的半高寬（FWHM）；為半衍射角。三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 XRD圖譜(文件夾072)400溫度的500溫度的600溫度的通過(guò)對(duì)照PDF卡片可知：銳鈦礦相的特征峰出現(xiàn)在2= 2

10、5.33，48.07，37.84，金紅石相的特征峰出現(xiàn)在2= 27.46，54.36,36.10。將測(cè)得的譜圖與標(biāo)準(zhǔn)譜圖比較可知：400得到的為純度不是很好銳鈦礦相二氧化鈦，已有少部分銳鈦礦相開(kāi)始轉(zhuǎn)化為金紅石相，500時(shí)較大部分的銳鈦礦相已經(jīng)轉(zhuǎn)化為金紅石相，600得到的為純度較好的金紅石相二氧化鈦。X射線(xiàn)衍射表征的結(jié)果說(shuō)明納米二氧化鈦粉體經(jīng)過(guò)不同溫度的處理所得粉體呈現(xiàn)不同的結(jié)晶狀態(tài)。四、思考題：1.、簡(jiǎn)述XRD物相鑒定的依據(jù)。物相鑒定的依據(jù)是衍射線(xiàn)方向和衍射強(qiáng)度，在衍射圖譜上即為衍射峰的位置及峰高，利用X衍射儀、可以直接測(cè)定和記錄晶體所產(chǎn)生衍射線(xiàn)的方向和強(qiáng)度I。通常用d（晶面間距表征衍射線(xiàn)位置）和I（衍射線(xiàn)相對(duì)強(qiáng)度）的數(shù)據(jù)代表衍射花樣。用d-I數(shù)據(jù)作為定性相分析的基本判據(jù)。定性相分析方法是將由試樣測(cè)得的d-I數(shù)據(jù)組與已知結(jié)構(gòu)物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)d-I數(shù)據(jù)組（PDF卡片）進(jìn)行對(duì)比，以鑒定出試樣中存在的物相。通常我們只要辨認(rèn)出樣品的粉末衍射圖譜分別和哪些已知晶體的粉末衍射圖“相關(guān)”，就可以判定該樣品是由哪些晶體混和組成的。2、簡(jiǎn)述物相分析過(guò)程X射線(xiàn)是