材料近代測試與技術(shù)-第一章緒論 - L

劉成偉chanliu87@163.co料近代測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試與分析是一門技術(shù)性實驗方法課程。以高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、無機化學(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，材料近代測試與技術(shù)主要為后續(xù)課題開展，特別是實驗結(jié)果的測試分析以及今后從事相關(guān)專業(yè)技術(shù)工作等打下堅實基礎(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，掌握常見材料測試技術(shù)對所獲信息進行解釋和分析的方法，培養(yǎng)學(xué)生使用分析測試方法服務(wù)課題研究和自我學(xué)習(xí)的能力。最終使學(xué)生能夠獨立地進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、回答問題、作業(yè)完成和出勤等情況為依據(jù)進行考查，平時成績占30%，考查合格者方能參加考試?？荚嚕簳憾殚]卷筆試，期末考試成績占70%?？偝煽?30%平時成績+70%期末考試。說明:若有下列情況之一者，考核成績按不及格計！

1.若有三次無故不上課者；2.作業(yè)不交者；希望您做到…√

不遲到，不喧嘩√按時交作業(yè)

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若有特殊事情，請舉手。。。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)代分析與測試技術(shù)王曉春主編(2010.1)

國防工業(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，而材料又是開發(fā)、提煉、儲運和轉(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)家以使用的材料來劃分歷史時代，如：石器時代——石頭堅硬,人類用石頭制作工具；青銅時代——人類利用能源還原了銅和錫，用硬而韌的青銅來制作工具；鐵器時代——人類在更高的溫度還原了鐵,用性能更優(yōu)、價格更低的鐵來制作工具；電子時代——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)過簡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，并進行粗糙加工，除此之外別無他物。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)對野獸和戰(zhàn)爭，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。陶器—無機非金屬材料據(jù)考古學(xué)家分析，陶器出現(xiàn)在一萬多年以前。陶器是用粘土或以粘土、長石、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)。新石器時代晚期(公元前3000

一前2800年)黑陶豆；陶體的黑色是因為滲入了碳。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，造型獨特，別具一格。

兵馬俑

唐三彩馬

方韻紫砂壺陶向瓷的過渡3000多年前的商、周時期，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)上進一步發(fā)展，是今已知我國最大青銅器之一。

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），來源于大型恒星的聚變。中國同埃及、美索不達(dá)米亞等古國一樣，對鐵的認(rèn)識都是從隕鐵開始的。隕鐵世界最早的鐵器赫梯鐵器鐵比銅強度和硬度都高，更加耐用；且鐵來源廣泛，價格便宜，迅速占領(lǐng)生產(chǎn)資料市場，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有更大的促進作用。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的戰(zhàn)斗力，迅速占領(lǐng)軍備材料市場。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、無機、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/無機復(fù)合材料-景泰藍(lán)材料發(fā)展小結(jié)20世紀(jì)前，材料進步主要依靠人們經(jīng)驗積累和技巧，發(fā)展緩慢在于人們還沒能對材料有深刻的認(rèn)識和理解，缺乏科學(xué)對材料發(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，這既促使多種新材料的誕生，也開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，引起美國的極大震驚，于是在美國許多大學(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程中的表現(xiàn)（使用效能）四個方面之間相互關(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)的研究內(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（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)排在一個平面內(nèi)2010年諾貝爾物理學(xué)獎

（二）材料的基礎(chǔ)知識-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

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、空間點陣和結(jié)點晶體—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?。

點陣(lattice)

點陣（空間點陣）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)律分布的幾何點來表示，這樣幾何點的集合構(gòu)成了點陣，即空間點陣。每個幾何點即為點陣的結(jié)點。結(jié)點空間點陣可描述晶體內(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度a、b、c（稱為點陣或晶格常數(shù))；方向：棱邊的夾角為α、β、γ（稱為晶軸間夾角，也稱為點陣或晶格常數(shù)）。ruvw晶胞abcbgxyzO點陣矢量7個晶系90%以上的金屬具有立方晶系和六方晶系14種晶格點陣簡單立方體心立方面心立方簡單四方體心四方簡單六方簡單菱形簡單正交底心正交體心正交面心正交簡單單斜底心單斜簡單三斜四方Tetrahedral簡單四方

(10)體心四方

(11)四方簡單立方

(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陣的周期性Diagram2將晶胞沿三軸方向無限重復(fù)堆積或平移，能得出整個點陣。

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陣的對稱性(1)(2)(3)得出兩種選取方法：a保證對稱性;b保證晶胞體積最小通常選用方法：

a

保證對稱性晶體結(jié)構(gòu)和空間點陣的區(qū)別空間點陣是晶體中質(zhì)點排列的幾何學(xué)抽象，用以描述和分析晶體結(jié)構(gòu)的周期性和對稱性，由于各陣點的周圍環(huán)境相同，它只能有14種類型晶體結(jié)構(gòu)則是晶體中實際質(zhì)點（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，實際存在的晶體結(jié)構(gòu)是無限的。晶體結(jié)構(gòu)=空間點陣+基元簡單立方SC-CsCl體心立方BCC-VCsClV復(fù)式點陣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國際上通用密勒指數(shù)來統(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，建立坐標(biāo)系，過原點作所求晶向的平行線，B：求直線上任一點的坐標(biāo)值并按比例化為最小整數(shù)，加方括弧，形式為[uvw]。Logo

Example1：已知某過原點晶向上一點的坐標(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：已知某過原點晶向上一點的坐標(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,連接原點與該點的直線即所求晶向。需要指出說明的是：1.一個晶向指數(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，而符號相反；3.只有對于立方結(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，建立坐標(biāo)系，求出所求晶面在三個坐標(biāo)軸上的截距，B：取三個截距值的倒數(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，建立坐標(biāo)系，求出所求晶面在三個坐標(biāo)軸上的截距，B：取三個截距值的倒數(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）需要指出說明：晶面指數(shù)(hkl)