材料結(jié)構(gòu)表征及應(yīng)用(緒論)

材料結(jié)構(gòu)表征及應(yīng)用吳剛主編化學(xué)工業(yè)出版社任課教師：高慶張金枝李草telmail:gaoqing1969@126.com主要內(nèi)容第1章紅外光譜及激光拉曼光譜第2章核磁共振波譜第3章紫外光譜第4章質(zhì)譜第5章電子顯微技術(shù)第6章X射線衍射分析第7章X射線光電子能譜分析第8章材料熱分析重點(diǎn)：學(xué)會譜圖分析材料現(xiàn)代分析測試方法王富恥主編北京理工大學(xué)出版社現(xiàn)代材料分析方法張銳主編化學(xué)工業(yè)出版社有機(jī)結(jié)構(gòu)波譜分析李潤卿主編天津大學(xué)出版社波譜原理及解析常建華主編科學(xué)出版社聚合物近代儀器分析汪昆華主編清華大學(xué)出版社本課程特點(diǎn)：（三多一少）敘述性原理、規(guī)律多需要記憶的概念術(shù)語多課程內(nèi)容頭緒多理論計算少相關(guān)學(xué)科多（物理學(xué)、化學(xué)、熱力學(xué)、光學(xué)以及高分子學(xué)等）作為一門應(yīng)用學(xué)科，基礎(chǔ)理論知識要掌握，在理解的基礎(chǔ)上加強(qiáng)記憶，注意理論聯(lián)系實(shí)踐要學(xué)以致用，本課程與材料的結(jié)構(gòu)和表征緊密聯(lián)系，善于歸納總結(jié)，用本學(xué)科的基本原理分析、解釋生產(chǎn)中的問題和實(shí)驗(yàn)結(jié)果重視課程的實(shí)踐性環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)方法：什么是材料？

材料，是指人類能用來制作有用物件的物質(zhì)；材料有那些呢？按照材料的物質(zhì)組成的不同，主要分為：新材料主要有——金屬材料，無機(jī)非金屬材料，有機(jī)高分子材料，復(fù)合材料，生物材料，光電子材料等。材料與材料科學(xué)材料就是用以制造有用物件的（凝聚態(tài)）物質(zhì)材料的發(fā)明與使用是人類進(jìn)步里程的重要標(biāo)志之一材料、信息與能源為當(dāng)代文明的三大支柱新材料、信息技術(shù)和生物技術(shù)是新技術(shù)革命的主要標(biāo)志材料科學(xué)，一門多學(xué)科交叉的新興學(xué)科材料？材料發(fā)展與人類文明的關(guān)系：新材料是人類文明進(jìn)步的標(biāo)志！1：遠(yuǎn)古文明：發(fā)現(xiàn)與使用自然界材料（石器）2：現(xiàn)代文明：自由地合成和設(shè)計材料（自然界不存在的各種新材料）3：未來文明：賦予材料類似生命體功能？青銅器，鐵器人類文明進(jìn)步與材料發(fā)展的關(guān)系示意圖材料研究步驟樣品分離—結(jié)構(gòu)檢測—性能測試

—材料分子設(shè)計—合成方法確定

—合成—結(jié)構(gòu)確定—性能測試

—配比、工藝確定2/4/202310:32AM什么是材料測試方法？獲取有關(guān)材料的組成，結(jié)構(gòu)和性能等相關(guān)信息材料結(jié)構(gòu)與材料性能的關(guān)系材料測試材料分析材料表征＝＝

現(xiàn)代材料科學(xué)的發(fā)展在很大程度上依賴對材料性能和其成分結(jié)構(gòu)及微觀組織關(guān)系的理解2/4/202310:32AM材料測試方法的概念與分類材料測試方法如何分類？從功能上講，可分為組成測試，結(jié)構(gòu)測試和性能測試三種方法從技術(shù)上講，材料測試方法可以分成兩類：主動式和被動式2/4/202310:32AM激發(fā)源（電磁波，粒子束，電場，磁場，熱，力等）主動式（含激發(fā)源式材料測試方法）材料響應(yīng)的傳感與變換數(shù)據(jù)采集處理與組成，結(jié)構(gòu)，性能等相關(guān)的某種響應(yīng)材料測試方法的概念與分類2/4/202310:32AM直接獲得有關(guān)材料物理、化學(xué)性能等固有信息，如尺寸大小、狀態(tài)、重（質(zhì)）量、顏色、形狀、運(yùn)動情況等等；亦可根據(jù)材料物理、化學(xué)性能的差異間接推斷材料的組成和結(jié)構(gòu)信息，如色譜分析法、原子力顯微分析等。被動式（無激發(fā)源式材料測試方法）材料測試方法的概念與分類2/4/202310:32AM宏觀上的性能測試和微觀上的組成與結(jié)構(gòu)表征，這兩個方面構(gòu)成了材料的檢測評價技術(shù)材料設(shè)計的重要依據(jù)來源于對材料的微觀組成和結(jié)構(gòu)分析材料制備的實(shí)際效果必須通過材料微觀分析的檢驗(yàn)材料科學(xué)的進(jìn)展極大地依賴于對材料進(jìn)行微觀分析表征的技術(shù)水平材料研究與微觀分析技術(shù)2/4/202310:32AM材料研究的四大要素

現(xiàn)代材料科學(xué)的發(fā)展在很大程度上依賴對材料性能和其成分結(jié)構(gòu)及微觀組織關(guān)系的理解合成與加工固有性質(zhì)使用性能結(jié)構(gòu)和成分2/4/202310:32AM材料的性質(zhì)物理性質(zhì)力學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)化學(xué)組成微觀結(jié)構(gòu)相結(jié)構(gòu)晶粒尺寸及分布耐腐蝕性雜質(zhì)含量結(jié)晶度分子量及分布立體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)空隙度熔點(diǎn)熱性質(zhì)磁性質(zhì)光學(xué)性質(zhì)電學(xué)性質(zhì)重力性質(zhì)拉伸性韌性延展性疲勞度硬度蠕變性延伸性抗沖擊性壓縮性動態(tài)力學(xué)性質(zhì)模量2/4/202310:32AM結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系傳統(tǒng)的“炒菜”法電子結(jié)構(gòu)，原子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵決定了材料的固有性質(zhì)新材料開發(fā)方法材料設(shè)計發(fā)展方向所謂材料設(shè)計，就是根據(jù)對材料的組成、微結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的認(rèn)識（“炒菜”經(jīng)驗(yàn)＋材料微觀分析），按指定性能“定做”新材料，按生產(chǎn)要求“設(shè)計”最佳的制備和加工方法。2/4/202310:32AM材料結(jié)構(gòu)表征的基本方法材料結(jié)構(gòu)的表征任務(wù):成分分析,結(jié)構(gòu)測定和形貌觀察材料組成分析（化學(xué)成分分析）

1.元素組成

2.化合物組成材料亞微觀結(jié)構(gòu)分析（形貌分析）

微米或亞微米尺度，相層次結(jié)構(gòu)材料微觀結(jié)構(gòu)分析

0.1nm尺度，原子及原子組合層次結(jié)構(gòu)2/4/202310:32AM材料化學(xué)成分分析元素組成分析方法傳統(tǒng)的化學(xué)分析技術(shù)電子探針X射線能譜顯微分析原子光譜（吸收、發(fā)射、熒光）質(zhì)譜與二次離子質(zhì)譜核磁共振電子自旋共振光電子與俄歇電子能譜2/4/202310:32AM材料化學(xué)成分分析化合物組成分析方法傳統(tǒng)的化學(xué)分析技術(shù)分子吸收光譜（紫外—可見吸收光譜）分子振動光譜（紅外、拉曼光譜）分子發(fā)射光譜（熒光光譜）氣相、液相、凝膠色譜2/4/202310:32AM材料形貌分析光學(xué)顯微鏡光學(xué)干涉儀激光散射譜掃描電子顯微鏡透射電子顯微鏡2/4/202310:32AM形貌分析的圖例昆蟲標(biāo)本（500倍）螺旋形碳管（9，157倍）化學(xué)方法生長的ZnO納米陣列（100，000倍）擔(dān)載Pt金屬顆粒的納米碳粒子（400，000倍）2/4/202310:32AM材料結(jié)構(gòu)分析高分辨透射電子顯微鏡（HTEM）場離子顯微鏡（FIM）掃描隧道顯微鏡（STM）原子力顯微鏡（SFM）2/4/202310:32AM材料結(jié)構(gòu)分析—結(jié)果硅納米線的不同形貌

(a)呈直線或彎曲狀態(tài)，(b)呈螺旋結(jié)構(gòu)，(c)呈辮子結(jié)構(gòu)2/4/202310:32AM材料結(jié)構(gòu)分析-直接法硅納米線的顯微結(jié)構(gòu)高分辨電子顯微像（HTEM）(a)［110］帶軸的硅納米線的單晶結(jié)構(gòu)，它的生長方向?yàn)椋?12］(b)存在高階孿晶的硅納米線(c)具有堆垛層錯和孿晶等缺陷的硅納米線2/4/202310:32AM材料結(jié)構(gòu)分析-直接法五次對稱性鎳鈦準(zhǔn)晶的高分辨電子顯微像2/4/202310:32AM材料結(jié)構(gòu)分析-直接法掃描隧道顯微分析拍攝的硅片上的單個原子圖像2/4/202310:32AM材料結(jié)構(gòu)分析-間接法X射線衍射電子衍射中子衍射γ射線衍射穆斯堡爾譜擴(kuò)展X射線吸收譜（EXAFS）熱分析（差熱、差動、熱重）2/4/202310:32AM材料結(jié)構(gòu)分析-間接法五次對稱性鎳鈦準(zhǔn)晶的高分辨電子顯微像與電子衍射斑點(diǎn)2/4/202310:32AM材料微觀分析技術(shù)的選擇--成分分析

2/4/202310:32AM材料微觀分析技術(shù)的選擇—結(jié)構(gòu)分析2/4/202310:32AM材料微觀分析技術(shù)的選擇—形貌分析粘土/聚合物納米復(fù)合材料（蒙脫土）成分分析：紅外（硅氧鍵、有機(jī)分子及相互作用）結(jié)構(gòu)測定：X射線衍射（層間距、夾角）形貌觀察：透射電鏡（層狀結(jié)構(gòu)及改變）掃描隧道顯微鏡（晶層厚度、