材料研究分析方法1-本科生

1、材料測試技術(shù)材料測試技術(shù)（材料研究方法）（材料研究方法）一、材料研究的意義和內(nèi)容一、材料研究的意義和內(nèi)容材料科學(xué)的主要任務(wù)是研究材料材料科學(xué)的主要任務(wù)是研究材料 研究的內(nèi)容：組成研究的內(nèi)容：組成 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 性能性能第一講第一講 緒論緒論材料設(shè)計材料設(shè)計材料的性能決定于：材料的性能決定于： 組成組成 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 材料的組成結(jié)構(gòu)又取決于：材料的組成結(jié)構(gòu)又取決于： 材料的制備工藝材料的制備工藝 材料的使用條件材料的使用條件制備工藝對材料結(jié)構(gòu)性能的影響制備工藝對材料結(jié)構(gòu)性能的影響 舉例：舉例：金屬：澆鑄、軋制金屬：澆鑄、軋制 無機材料：水泥漿體的養(yǎng)護(hù)。無機材料：水泥漿體的養(yǎng)護(hù)。 聚合物：聚合物：PU橡膠

2、、纖維、塑料、涂料等橡膠、纖維、塑料、涂料等 性能 Property結(jié)構(gòu) Structure工藝 Technology原材料 Row Materials重要性:材料性能與其結(jié)構(gòu)及其隨時間的變化有關(guān) 復(fù)合材料復(fù)合材料重要性:材料性能與其結(jié)構(gòu)及其隨時間的變化有關(guān) 宏觀性能宏觀性能微觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)材料科學(xué)二要素關(guān)系示意圖材料科學(xué)二要素關(guān)系示意圖抗壓強度抗壓強度重要性:材料性能與其結(jié)構(gòu)及其隨時間的變化有關(guān) 組成與結(jié)構(gòu)組成與結(jié)構(gòu)性能性能合成與工藝制備合成與工藝制備材料科學(xué)三要素關(guān)系示意圖材料科學(xué)三要素關(guān)系示意圖 韌性韌性PVC/EVAc接枝共聚物 滾壓7.5min 滾壓15min 滾壓20min性能性能

3、合成與工藝制備合成與工藝制備n 使用效能使用效能組成與結(jié)構(gòu)組成與結(jié)構(gòu)材料科學(xué)四要素關(guān)系示意圖材料科學(xué)四要素關(guān)系示意圖重要性:材料性能與其結(jié)構(gòu)及其隨時間的變化有關(guān) n 使用效能使用效能環(huán)境協(xié)調(diào)性環(huán)境協(xié)調(diào)性組成與結(jié)構(gòu)組成與結(jié)構(gòu)性能性能合成與工藝制備合成與工藝制備材料科學(xué)五要素關(guān)系示意圖材料科學(xué)五要素關(guān)系示意圖 探明關(guān)系探明關(guān)系 指導(dǎo)工藝指導(dǎo)工藝 （制備或生產(chǎn)）（制備或生產(chǎn)） 開發(fā)材料開發(fā)材料 優(yōu)化材料優(yōu)化材料重要性:材料性能與其結(jié)構(gòu)及其隨時間的變化有關(guān) 材料研究方法定義材料研究方法定義廣義：包括廣義：包括 技術(shù)路線技術(shù)路線 實驗技術(shù)實驗技術(shù) 數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析 狹義：某一種測試方法，如：狹義：某一種

4、測試方法，如： X射線衍射方法射線衍射方法 電子顯微術(shù)電子顯微術(shù) 紅外光譜分析紅外光譜分析 核磁共振分析等核磁共振分析等實驗數(shù)據(jù)獲取和實驗數(shù)據(jù)獲取和 分析分析二、材料結(jié)構(gòu)和研究方法的分類二、材料結(jié)構(gòu)和研究方法的分類l 材料的組成和結(jié)構(gòu)的測試方法有多種，應(yīng)根據(jù)不同材料的組成和結(jié)構(gòu)的測試方法有多種，應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用場合選擇。其中顯微術(shù)的選擇又與材料的結(jié)構(gòu)的應(yīng)用場合選擇。其中顯微術(shù)的選擇又與材料的結(jié)構(gòu)及層次有關(guān)。及層次有關(guān)。l1 1、材料結(jié)構(gòu)及其層次、材料結(jié)構(gòu)及其層次l所謂結(jié)構(gòu)，是指材料系統(tǒng)內(nèi)各組成單元之間的相互聯(lián)所謂結(jié)構(gòu)，是指材料系統(tǒng)內(nèi)各組成單元之間的相互聯(lián)系和相互作用方式。系和相互作用方式。l材

5、料的結(jié)構(gòu)從存在形式來講，無非是晶體結(jié)構(gòu)、非晶材料的結(jié)構(gòu)從存在形式來講，無非是晶體結(jié)構(gòu)、非晶體結(jié)構(gòu)、孔結(jié)構(gòu)及它們不同形式且錯綜復(fù)雜的組合或體結(jié)構(gòu)、孔結(jié)構(gòu)及它們不同形式且錯綜復(fù)雜的組合或復(fù)合。復(fù)合。材料結(jié)構(gòu)的層次材料結(jié)構(gòu)的層次（按照觀察用具或設(shè)備的分辨能力來劃分）（按照觀察用具或設(shè)備的分辨能力來劃分） 宏觀結(jié)構(gòu)宏觀結(jié)構(gòu) 顯微結(jié)構(gòu)顯微結(jié)構(gòu) 亞微觀結(jié)構(gòu)亞微觀結(jié)構(gòu) 微觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)肉眼的分辨率肉眼的分辨率光學(xué)顯微鏡的分辨率光學(xué)顯微鏡的分辨率普通掃描電子顯微鏡普通掃描電子顯微鏡的分辨率的分辨率從尺度上講，又分為微觀結(jié)構(gòu)、亞微觀結(jié)構(gòu)、顯從尺度上講，又分為微觀結(jié)構(gòu)、亞微觀結(jié)構(gòu)、顯微結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)等四個不同的層

6、次。微結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)等四個不同的層次。結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)層次層次物體物體尺寸尺寸研究對象研究對象舉例舉例研究方法研究方法宏觀宏觀結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 100 100 m m大晶粒、大晶粒、顆粒集團(tuán)顆粒集團(tuán)斷面結(jié)構(gòu)、外觀缺陷、斷面結(jié)構(gòu)、外觀缺陷、裂紋、空洞裂紋、空洞肉眼、放大鏡、肉眼、放大鏡、實體顯微鏡實體顯微鏡顯微顯微結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)0.2-0.2-100100 m m晶粒晶粒多相集團(tuán)多相集團(tuán)物相的形狀、光學(xué)性質(zhì)物相的形狀、光學(xué)性質(zhì)大小、取向分布和結(jié)構(gòu)大小、取向分布和結(jié)構(gòu)物相的光學(xué)性質(zhì)物相的光學(xué)性質(zhì)偏光顯微鏡偏光顯微鏡反光顯微鏡反光顯微鏡干涉顯微鏡干涉顯微鏡亞顯亞顯微結(jié)微結(jié)構(gòu)構(gòu)10-10-200nm200nm微晶集團(tuán)微晶集

7、團(tuán)界面形貌界面形貌晶體構(gòu)造的位錯缺陷晶體構(gòu)造的位錯缺陷掃描電鏡掃描電鏡電子顯微鏡電子顯微鏡微觀微觀結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 10 10 nmnm晶格點陣晶格點陣晶格點陣晶格點陣掃描隧道電鏡掃描隧道電鏡場離子顯微鏡場離子顯微鏡高分辨電鏡高分辨電鏡材料結(jié)構(gòu)的層次材料結(jié)構(gòu)的層次 聚集態(tài)結(jié)構(gòu)聚集態(tài)結(jié)構(gòu) 氣、液、固。固態(tài)中有晶態(tài)和非晶態(tài)。氣、液、固。固態(tài)中有晶態(tài)和非晶態(tài)。 物相結(jié)構(gòu)：混合物、晶態(tài)、非晶態(tài)物相結(jié)構(gòu)：混合物、晶態(tài)、非晶態(tài) 顯微結(jié)構(gòu)：取向顯微結(jié)構(gòu)：取向 空間位置分布：多組分、多相材料的均勻性空間位置分布：多組分、多相材料的均勻性 分子與晶體結(jié)構(gòu)分子與晶體結(jié)構(gòu) 基團(tuán)結(jié)構(gòu)基團(tuán)結(jié)構(gòu) 分子結(jié)構(gòu)：相對分子量、相對分子質(zhì)

8、量分布、分子結(jié)構(gòu)：相對分子量、相對分子質(zhì)量分布、 支化度、交聯(lián)度支化度、交聯(lián)度 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 構(gòu)型與構(gòu)象構(gòu)型與構(gòu)象 電子結(jié)構(gòu)電子結(jié)構(gòu)n“構(gòu)造構(gòu)造”是用來描述構(gòu)成材料的組成礦物在空間分是用來描述構(gòu)成材料的組成礦物在空間分布排列關(guān)系；布排列關(guān)系；n“織構(gòu)織構(gòu)”則是指組成礦物在空間做定向排列，使物則是指組成礦物在空間做定向排列，使物質(zhì)具有特種性能的一類特殊的顯微結(jié)構(gòu)；質(zhì)具有特種性能的一類特殊的顯微結(jié)構(gòu)；n“細(xì)微結(jié)構(gòu)細(xì)微結(jié)構(gòu)”是礦物晶體顆粒自身的各項結(jié)構(gòu)特征；是礦物晶體顆粒自身的各項結(jié)構(gòu)特征；n“形貌形貌”是指組成相的形狀、大小和分布。是指組成相的形狀、大小和分布。2 2、研究方法的種類、研究方法

9、的種類偏光顯微鏡偏光顯微鏡 熱分析熱分析差熱分析差熱分析差示掃描量熱分析差示掃描量熱分析熱機械分析熱機械分析熱重分析熱重分析FTIRUVRaman NMR掃描電鏡掃描電鏡 電子探針電子探針透射電鏡透射電鏡X射線衍射分析射線衍射分析材料測試研究平臺結(jié)構(gòu)形貌熱效應(yīng)成分宏觀紅外紅外/ /紫外光譜紫外光譜 凝膠滲透色譜儀凝膠滲透色譜儀 X X射線衍射儀射線衍射儀 激光粒度分析儀激光粒度分析儀 壓汞儀壓汞儀 比表面分析儀比表面分析儀綜合熱分析綜合熱分析 多通道量熱計多通道量熱計 原子力顯微鏡原子力顯微鏡 數(shù)字圖像分析儀數(shù)字圖像分析儀 低真空掃描電鏡低真空掃描電鏡 環(huán)境掃描電鏡環(huán)境掃描電鏡 透射電鏡透射電

10、鏡 流變儀 凍融循環(huán)儀 人工氣候箱 聲發(fā)射測定儀 紅外熱像儀 萬能實驗機 X射線熒光光譜儀材料測試研究平臺宏觀流變儀 凍融循環(huán)儀 人工氣候箱 聲發(fā)射測定儀 紅外熱像儀 萬能實驗機 材料測試研究平臺結(jié)構(gòu)形貌熱效應(yīng)成分綜合熱分析綜合熱分析 多通道量熱計多通道量熱計 原子力顯微鏡原子力顯微鏡 數(shù)字圖像分析儀數(shù)字圖像分析儀 低真空掃描電鏡低真空掃描電鏡 環(huán)境掃描電鏡環(huán)境掃描電鏡 透射電鏡透射電鏡 X X射線熒光光譜儀射線熒光光譜儀 X X射線光電子能譜儀射線光電子能譜儀 等離子體發(fā)射光譜等離子體發(fā)射光譜 材料測試研究平臺結(jié)構(gòu)形貌熱效應(yīng)成分宏觀紅外紅外/ /紫外光譜紫外光譜 凝膠滲透色譜儀凝膠滲透色譜儀

11、 X X射線衍射儀射線衍射儀 激光粒度分析儀激光粒度分析儀 壓汞儀壓汞儀 比表面分析儀比表面分析儀 核磁共振核磁共振 激光拉曼光譜儀激光拉曼光譜儀 綜合熱分析綜合熱分析 多通道量熱計多通道量熱計 原子力顯微鏡原子力顯微鏡 數(shù)字圖像分析儀數(shù)字圖像分析儀 低真空掃描電鏡低真空掃描電鏡 環(huán)境掃描電鏡環(huán)境掃描電鏡 透射電鏡透射電鏡 流變儀 凍融循環(huán)儀 人工氣候箱 聲發(fā)射測定儀 紅外熱像儀 萬能實驗機 材料測試研究平臺結(jié)構(gòu)形貌熱效應(yīng)成分宏觀紅外紅外/ /紫外光譜紫外光譜 凝膠滲透色譜儀凝膠滲透色譜儀 X X射線衍射儀射線衍射儀 激光粒度分析儀激光粒度分析儀 壓汞儀壓汞儀 比表面分析儀比表面分析儀 核磁共

12、振核磁共振 激光拉曼光譜儀激光拉曼光譜儀 綜合熱分析綜合熱分析 多通道量熱計多通道量熱計 原子力顯微鏡原子力顯微鏡 數(shù)字圖像分析儀數(shù)字圖像分析儀 低真空掃描電鏡低真空掃描電鏡 環(huán)境掃描電鏡環(huán)境掃描電鏡 透射電鏡透射電鏡 流變儀凍融循環(huán)儀 人工氣候箱 聲發(fā)射測定儀 紅外熱像儀 萬能實驗機 X射線熒光光譜儀 X射線光電子能譜儀 等離子體發(fā)射光譜 聚氯乙烯分子結(jié)構(gòu)聚氯乙烯分子結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)水泥漿體顯微結(jié)構(gòu)水泥漿體顯微結(jié)構(gòu)內(nèi)容:內(nèi)容:研究材料的(亞)顯微結(jié)構(gòu): 物相的種類、大小、形狀和分布聚氯乙烯分子結(jié)構(gòu)聚氯乙烯分子結(jié)構(gòu)水泥漿體顯微結(jié)構(gòu)水泥漿體顯微結(jié)構(gòu)化學(xué)組成化學(xué)組成 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 形狀形狀

13、內(nèi)容:研究材料的(亞)顯微結(jié)構(gòu): 物相的種類、大小、形狀和分布骨料水泥漿體宏觀結(jié)構(gòu)顯微結(jié)構(gòu)水泥混凝土化學(xué)組成化學(xué)組成 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 形狀形狀內(nèi)容:研究材料的(亞)顯微結(jié)構(gòu): 物相的種類、大小、形狀和分布骨料水泥漿體宏觀結(jié)構(gòu)水泥混凝土化學(xué)組成化學(xué)組成 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 形狀形狀內(nèi)容:研究材料的(亞)顯微結(jié)構(gòu): 物相的種類、大小、形狀和分布骨料水泥漿體宏觀結(jié)構(gòu)水泥混凝土化學(xué)組成化學(xué)組成 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 形狀形狀內(nèi)容:研究材料的(亞)顯微結(jié)構(gòu): 物相的種類、大小、形狀和分布骨料水泥漿體宏觀結(jié)構(gòu)水泥混凝土化學(xué)組成化學(xué)組成 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 形狀形狀內(nèi)容:研究材料的(亞)顯微結(jié)構(gòu): 物相的種類、大

14、小、形狀和分布骨料水泥漿體宏觀結(jié)構(gòu)水泥混凝土化學(xué)組成化學(xué)組成 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 形狀形狀內(nèi)容:研究材料的(亞)顯微結(jié)構(gòu): 物相的種類、大小、形狀和分布骨料水泥漿體宏觀結(jié)構(gòu)水泥混凝土化學(xué)組成化學(xué)組成 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 形狀形狀內(nèi)容:研究材料的(亞)顯微結(jié)構(gòu): 物相的種類、大小、形狀和分布骨料水泥漿體宏觀結(jié)構(gòu)水泥混凝土化學(xué)組成化學(xué)組成 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 形狀形狀 4000 3600 3200 2800 2400 2000 1600 1200 800 400Wavenumber (cm-1)45 40 35 30 25 20 15Transmittance (%)內(nèi)容:研究材料的(亞)顯微結(jié)構(gòu): 物相的種類、大小、形狀和分布骨料水泥漿體宏觀結(jié)構(gòu)水泥混凝土化學(xué)組成化學(xué)組成 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 形狀形狀物相定性分析: 骨料 水泥漿體:未水化水泥熟料殘核(晶相,有缺陷) 水化產(chǎn)物: 氫氧鈣石(晶體) 水化鋁酸鈣(晶體) 鈣礬石(晶體) 低硫型水化硫鋁酸鈣(晶體) 水化硅酸鈣(非晶體) 氣孔(氣相)