材料近代測(cè)試與技術(shù)-第一章緒論 - L

劉成偉chanliu87@163.co料近代測(cè)試與分析熱分析方法的基本原理及應(yīng)用分析主要內(nèi)容1X射線衍射分析及其應(yīng)用2表面分析能譜3電子顯微鏡及其在材料研究中應(yīng)用4其他用于分析的儀器與設(shè)備

56緒論課程學(xué)習(xí)內(nèi)容、材料發(fā)展史、晶體學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)熱重分析、差熱分析和差示掃描量熱法X射線物理基礎(chǔ)、X射線衍射原理、儀器及測(cè)試結(jié)果分析X射線光電子能譜(XPS)和俄歇電子能譜(AES)及測(cè)試結(jié)果分析電子光學(xué)基礎(chǔ)、透射電鏡和掃描電鏡儀及測(cè)試結(jié)果分析掃描隧道電子顯微鏡、原子力顯微鏡等及其結(jié)果分析教學(xué)目的及要求、學(xué)習(xí)方法與課程考核材料近代測(cè)試與分析是一門技術(shù)性實(shí)驗(yàn)方法課程。以高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、無(wú)機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)、材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料物理等課程為基礎(chǔ),同時(shí)，材料近代測(cè)試與技術(shù)主要為后續(xù)課題開(kāi)展，特別是實(shí)驗(yàn)結(jié)果的測(cè)試分析以及今后從事相關(guān)專業(yè)技術(shù)工作等打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)目的及要求:使學(xué)生系統(tǒng)地了解材料分析測(cè)試方法的基本原理、儀器結(jié)構(gòu)、制樣技術(shù)和譜圖結(jié)果分析，掌握常見(jiàn)材料測(cè)試技術(shù)對(duì)所獲信息進(jìn)行解釋和分析的方法，培養(yǎng)學(xué)生使用分析測(cè)試方法服務(wù)課題研究和自我學(xué)習(xí)的能力。最終使學(xué)生能夠獨(dú)立地進(jìn)行材料的分析和研究工作。學(xué)習(xí)方法清楚明了方法原理，弄懂記著基本概念；知曉分清儀器裝置，著重熟悉關(guān)鍵部件；理解方法理論用途。學(xué)習(xí)考核考查：以上課、回答問(wèn)題、作業(yè)完成和出勤等情況為依據(jù)進(jìn)行考查，平時(shí)成績(jī)占30%，考查合格者方能參加考試。考試：暫定為閉卷筆試，期末考試成績(jī)占70%?？偝煽?jī)=30%平時(shí)成績(jī)+70%期末考試。說(shuō)明:若有下列情況之一者，考核成績(jī)按不及格計(jì)！

1.若有三次無(wú)故不上課者；2.作業(yè)不交者；希望您做到…√

不遲到，不喧嘩√按時(shí)交作業(yè)

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若有特殊事情，請(qǐng)舉手。。。第一章緒論材料與材料科學(xué)

材料、新材料、材料科學(xué)和材料發(fā)展史基礎(chǔ)知識(shí)晶體、晶胞、晶面、晶向、晶面間距等等

推薦參考書★材料現(xiàn)代分析與測(cè)試技術(shù)王曉春主編(2010.1)

國(guó)防工業(yè)出版社★材料表面現(xiàn)代分析方法賈賢(2010.1)

化學(xué)工業(yè)出版社★材料科學(xué)基礎(chǔ)潘金生仝健民田民波(2011.1)清華大化學(xué)工業(yè)學(xué)出版社（一）材料與材料科學(xué)什么是材料？材料是經(jīng)過(guò)某種加工，具有一定結(jié)構(gòu)、組分和性能，并可用于一定用途的物質(zhì)。材料特性：具有一定性能（performance）或者功能（fuction）,從而為人們所使用。新材料是新近發(fā)展的或正在研發(fā)的，具有比傳統(tǒng)材料更為優(yōu)異的性能的材料。（-）材料與材料科學(xué)材料發(fā)展史20世紀(jì)70年代，能源、信息和材料被稱為被稱為現(xiàn)代文明的三大支柱，而材料又是開(kāi)發(fā)、提煉、儲(chǔ)運(yùn)和轉(zhuǎn)化能源以及傳播、利用、控制信息的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。80年代以高薪技術(shù)群為代表的新技術(shù)革命，把新材料、信息技術(shù)和生物技術(shù)列為新技術(shù)革命的重要標(biāo)志。材料在人類文明發(fā)展過(guò)程中具有非常重要的歷史意義歷史學(xué)家以使用的材料來(lái)劃分歷史時(shí)代，如：石器時(shí)代——石頭堅(jiān)硬,人類用石頭制作工具；青銅時(shí)代——人類利用能源還原了銅和錫，用硬而韌的青銅來(lái)制作工具；鐵器時(shí)代——人類在更高的溫度還原了鐵,用性能更優(yōu)、價(jià)格更低的鐵來(lái)制作工具；電子時(shí)代——人類發(fā)現(xiàn)了硅、砷化鎵的半導(dǎo)體特性，制造大規(guī)模集成電路。大約25000年前，人類就學(xué)會(huì)使用材料。自然界中大量存在，人類可以直接從自然中獲取，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的加工就可為人類所用。主要是竹、木、骨、牙、皮、毛、石等天然材料，并進(jìn)行粗糙加工，除此之外別無(wú)他物。天然材料竹筷骨針石制品皮毛制品石刀石斧石針典型天然材料—石器為了生存，特別是應(yīng)對(duì)野獸和戰(zhàn)爭(zhēng)，人們選用各種石頭，加工出刀、斧、針各種器具，用于

日常生產(chǎn)、生活和戰(zhàn)爭(zhēng)。陶器—無(wú)機(jī)非金屬材料據(jù)考古學(xué)家分析，陶器出現(xiàn)在一萬(wàn)多年以前。陶器是用粘土或以粘土、長(zhǎng)石、石英為主的混合物，經(jīng)成型、干燥、燒制（燒制溫度低于1200℃）而成。陶是人類創(chuàng)造的第一種“人造材料”，由于高溫?zé)飘a(chǎn)生物理化學(xué)變化，得到和粘土不一樣的新物質(zhì)。新石器時(shí)代晚期(公元前3000

一前2800年)黑陶豆；陶體的黑色是因?yàn)闈B入了碳。聞名于世的秦始皇兵馬俑是典型的陶制品；著名的唐三彩創(chuàng)始于唐高宗時(shí)期，用白粘土作胎，以Cu、Fe、Co等礦物作釉的著色劑，兩次燒制后成為絢麗多彩的陶器精品；江蘇宜興紫砂壺(紫砂泥由粘土、云母、赤鐵礦等組成，其中Fe2O3含量約7％-10％，TiO2＞1％)制造技術(shù)精湛，色澤淳樸，造型獨(dú)特，別具一格。

兵馬俑

唐三彩馬

方韻紫砂壺陶向瓷的過(guò)渡3000多年前的商、周時(shí)期，發(fā)明了釉瓷。爐窯溫度達(dá)到1200℃，能將金屬氧化物燒制成釉瓷，用途更為廣泛，質(zhì)地比陶更為細(xì)膩，外觀美觀。商朝釉瓷宋五大名窯之一：哥窯瓷器青花瓷瓷器的輝煌江西景德鎮(zhèn)的薄胎瓷器被贊為潔如玉、明如鏡、薄如紙、聲如磐。瓷器作為中華文明象征，大量流傳。9世紀(jì)傳至阿拉伯國(guó)家，13世紀(jì)傳到日本，15世紀(jì)傳到歐洲，以其福美絕倫征服了西方。景德鎮(zhèn)四大名瓷：青花玲瓏顏色釉粉彩青銅—金屬材料

我國(guó)青銅的冶煉已可追溯到公元前3600年。晚于埃及和西亞民族（伊朗、伊拉克）。發(fā)展快、水平高。到殷、西周時(shí)期已經(jīng)發(fā)展到較高水平。牛首獸面紋鼎—西周，器形端莊，文飾在商代基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展，是今已知我國(guó)最大青銅器之一。

司母戊鼎曾侯乙編鐘青銅面具鐵器—金屬材料鐵是地球上第三大元素（前兩位為硅、鋁），來(lái)源于大型恒星的聚變。中國(guó)同埃及、美索不達(dá)米亞等古國(guó)一樣，對(duì)鐵的認(rèn)識(shí)都是從隕鐵開(kāi)始的。隕鐵世界最早的鐵器赫梯鐵器鐵比銅強(qiáng)度和硬度都高，更加耐用；且鐵來(lái)源廣泛，價(jià)格便宜，迅速占領(lǐng)生產(chǎn)資料市場(chǎng)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有更大的促進(jìn)作用。鐵比銅輕，鐵制鎧甲增加戰(zhàn)士的靈活性；鐵制兵器比銅制兵器輕巧、鋒利和耐用，因而鐵制裝備大大提高軍隊(duì)的戰(zhàn)斗力，迅速占領(lǐng)軍備材料市場(chǎng)。鐵戈鐵農(nóng)具合金及復(fù)合材料19世紀(jì)前半期之前，人類始終生活在“鐵器時(shí)代”。鋼：含碳量在P-E之間的鐵碳合金；現(xiàn)代煉鋼起始于1856年英國(guó)人H．Bessemer發(fā)明的酸性底吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法，該法首次解決大規(guī)模生產(chǎn)液態(tài)鋼的問(wèn)題，奠定近代煉鋼工藝方法的基礎(chǔ)。Al合金材料復(fù)合材料：金屬、非金屬、無(wú)機(jī)、高分子材料等之間的復(fù)合。艾菲爾鐵塔鋁合金航空材料銅襯電路板金屬/無(wú)機(jī)復(fù)合材料-景泰藍(lán)材料發(fā)展小結(jié)20世紀(jì)前，材料進(jìn)步主要依靠人們經(jīng)驗(yàn)積累和技巧，發(fā)展緩慢在于人們還沒(méi)能對(duì)材料有深刻的認(rèn)識(shí)和理解，缺乏科學(xué)對(duì)材料發(fā)展的指導(dǎo)。20世紀(jì)科學(xué)成功揭示了微觀世界的基本規(guī)律，加深了人們對(duì)電、磁、聲、光、熱等物理現(xiàn)象以及材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，這既促使多種新材料的誕生，也開(kāi)辟了一系列重大科學(xué)技術(shù)突破。科學(xué)引導(dǎo)和高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展推動(dòng)的雙重作用，誕生了各種各樣的新材料，構(gòu)成21世紀(jì)人類文明的基礎(chǔ)。材料科學(xué)1957年蘇聯(lián)成功發(fā)射了地球衛(wèi)星，引起美國(guó)的極大震驚，于是在美國(guó)許多大學(xué)相繼成立了材料科學(xué)研究中心。至此“材料科學(xué)”這一名詞被廣泛引用。材料科學(xué)定義研究各種材料的組成與結(jié)構(gòu)、合成與制備的加工工藝、性能以及材料在服役過(guò)程中的表現(xiàn)（使用效能）四個(gè)方面之間相互關(guān)系的科學(xué)。人們將上述四方面稱為材料的“四要素”，即為材料科學(xué)的研究?jī)?nèi)容。（一）材料與材料科學(xué)四要素結(jié)構(gòu)—包括用肉眼或低倍放大鏡觀察到的宏觀組織，用光學(xué)或電子顯微鏡觀察到的微觀組織，用場(chǎng)離子顯微鏡觀察到的原子象，以及原子的電子結(jié)構(gòu)。性能—包括力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能，以及冶金和加工性能等工藝性能。加工—是指包括材料的制備、加工、后處理（再循環(huán)處理）在內(nèi)的各種生產(chǎn)工藝。使用—是指材料的應(yīng)用效果和反響。四要素之間的關(guān)系中，結(jié)構(gòu)和性能是最基本的關(guān)系四要素關(guān)系圖材料的結(jié)構(gòu)與性能：金剛石和石墨金剛石石墨結(jié)構(gòu)決定性能材料結(jié)構(gòu)與性能：富勒烯結(jié)構(gòu)決定性能改性富勒烯應(yīng)用在聚合物太陽(yáng)能電池(ACSAppl.Mater.Interfaces,

2015,

7

(30),pp16676–16685)

材料結(jié)構(gòu)與性能：石墨烯石墨烯手機(jī)（石墨烯用于觸摸屏、電池和導(dǎo)熱膜）石墨烯電池石墨烯：2004年發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)決定性能英國(guó)曼徹斯特大學(xué)安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫石墨烯：C原子按蜂窩狀結(jié)構(gòu)排在一個(gè)平面內(nèi)2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

（二）材料的基礎(chǔ)知識(shí)-晶體學(xué)基礎(chǔ)回顧：什么是晶體？

晶體—是指組成物質(zhì)的分子、原子或離子在空間不同方向上有規(guī)則的排列，形成一種周期性重復(fù)結(jié)構(gòu)的固態(tài)物質(zhì)。晶體特征：

均一性

各向異性對(duì)稱性

自范性

最小內(nèi)能

NaCl晶體結(jié)構(gòu)

石英晶體(晶體)石英玻璃（非晶體）主要內(nèi)容基礎(chǔ)知識(shí)

晶面指數(shù)晶向指數(shù)

晶面族晶向族晶面間距

晶體結(jié)構(gòu)

晶體結(jié)構(gòu)：基元、空間點(diǎn)陣和結(jié)點(diǎn)晶體—是指組成物質(zhì)的分子、原子或離子在空間不同方向上有規(guī)則的排列，形成一種周期性重復(fù)結(jié)構(gòu)的固態(tài)物質(zhì)?；嚎梢詾樵樱部梢詾樵尤夯蚍肿尤?。

點(diǎn)陣(lattice)

點(diǎn)陣（空間點(diǎn)陣）晶體中基元這種周期性規(guī)律，可以在空間上用一些有規(guī)律分布的幾何點(diǎn)來(lái)表示，這樣幾何點(diǎn)的集合構(gòu)成了點(diǎn)陣，即空間點(diǎn)陣。每個(gè)幾何點(diǎn)即為點(diǎn)陣的結(jié)點(diǎn)。結(jié)點(diǎn)空間點(diǎn)陣可描述晶體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)：晶胞晶胞—代表晶體結(jié)構(gòu)排列規(guī)律的最小幾何單元。

黑色球組成的為該晶體的晶胞晶體結(jié)構(gòu)：晶格常數(shù)（大小和方向）大?。壕О睦膺呴L(zhǎng)度a、b、c（稱為點(diǎn)陣或晶格常數(shù))；方向：棱邊的夾角為α、β、γ（稱為晶軸間夾角，也稱為點(diǎn)陣或晶格常數(shù)）。ruvw晶胞abcbgxyzO點(diǎn)陣矢量7個(gè)晶系90%以上的金屬具有立方晶系和六方晶系14種晶格點(diǎn)陣簡(jiǎn)單立方體心立方面心立方簡(jiǎn)單四方體心四方簡(jiǎn)單六方簡(jiǎn)單菱形簡(jiǎn)單正交底心正交體心正交面心正交簡(jiǎn)單單斜底心單斜簡(jiǎn)單三斜四方Tetrahedral簡(jiǎn)單四方

(10)體心四方

(11)四方簡(jiǎn)單立方

(12)體心立方(13)面心立方(14)立方

Cubic立方晶胞選取三原則能反映點(diǎn)陣的周期性Diagram2將晶胞沿三軸方向無(wú)限重復(fù)堆積或平移，能得出整個(gè)點(diǎn)陣。

必要條件

(2)和(3)至少滿足一條

Diagram2晶胞的體積最小能反映點(diǎn)陣的對(duì)稱性(1)(2)(3)得出兩種選取方法：a保證對(duì)稱性;b保證晶胞體積最小通常選用方法：

a

保證對(duì)稱性晶體結(jié)構(gòu)和空間點(diǎn)陣的區(qū)別空間點(diǎn)陣是晶體中質(zhì)點(diǎn)排列的幾何學(xué)抽象，用以描述和分析晶體結(jié)構(gòu)的周期性和對(duì)稱性，由于各陣點(diǎn)的周圍環(huán)境相同，它只能有14種類型晶體結(jié)構(gòu)則是晶體中實(shí)際質(zhì)點(diǎn)（原子、離子或分子）的具體排列情況，它們能組成各種類型的排列，因此，實(shí)際存在的晶體結(jié)構(gòu)是無(wú)限的。晶體結(jié)構(gòu)=空間點(diǎn)陣+基元簡(jiǎn)單立方SC-CsCl體心立方BCC-VCsClV復(fù)式點(diǎn)陣CuNaClCaF2面心立方FCC晶面指數(shù)和晶向指數(shù)由一系列原子所組成的平面稱為晶面。原子在空間排列的方向稱為晶向。CrystalplaneCrystalorientation晶面指數(shù)和晶向指數(shù)Orientationindex

crystallographicplaneindexLogo國(guó)際上通用密勒指數(shù)來(lái)統(tǒng)一標(biāo)定晶向指數(shù)和晶面指數(shù)確定步驟：A：確定原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，過(guò)原點(diǎn)作所求晶向的平行線，B：求直線上任一點(diǎn)的坐標(biāo)值并按比例化為最小整數(shù)，加方括弧，形式為[uvw]。Logo

Example1：已知某過(guò)原點(diǎn)晶向上一點(diǎn)的坐標(biāo)為1、1、1，求該直線的晶向指數(shù)。Example3：已知晶向指數(shù)為[110],畫出該晶向。將三坐標(biāo)值加方括弧得[111]。將三坐標(biāo)值化為最小整數(shù)加方括弧得[234]。Example2：已知某過(guò)原點(diǎn)晶向上一點(diǎn)的坐標(biāo)為1、1.5、2，求該直線的晶向指數(shù)。[111][234][110]找出1、1、0坐標(biāo)點(diǎn),連接原點(diǎn)與該點(diǎn)的直線即所求晶向。需要指出說(shuō)明的是：1.一個(gè)晶向指數(shù)代表著所有相互平行、方向一致的晶向；2.若兩晶向平行但方向相反，則晶向指數(shù)的數(shù)字相同，而符號(hào)相反；3.只有對(duì)于立方結(jié)構(gòu)的晶體，改變晶向指數(shù)的順序，所表示的晶向上的原子排列情況完全相同，而對(duì)于其它結(jié)構(gòu)的晶體則不適用。[110]--[110][011]確定步驟：A：確定原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，求出所求晶面在三個(gè)坐標(biāo)軸上的截距，B：取三個(gè)截距值的倒數(shù)，并按比例化為最小整數(shù)，加圓括弧，形式為（hkl）。確定步驟：A：確定原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，求出所求晶面在三個(gè)坐標(biāo)軸上的截距，B：取三個(gè)截距值的倒數(shù)，并按比例化為最小整數(shù)，加圓括弧，形式為（hkl）。XYZExample1.求截距為、1、晶面的指數(shù)截距值取倒數(shù)為0、1、0，加圓括弧得（010）Example2.求截距為1、1、晶面的指數(shù)取倒數(shù)為1、1、0,化為最小整數(shù)加圓括弧得（110）需要指出說(shuō)明：晶面指數(shù)(hkl)