功能無(wú)機(jī)材料課件材料的表征

功能無(wú)機(jī)材料課件材料的表征

材料的結(jié)構(gòu)表征熱分析的分類(lèi)與應(yīng)用形貌分析表面分析

☆復(fù)習(xí)內(nèi)容結(jié)構(gòu)分析制備表征設(shè)計(jì)材料研究因此可以說(shuō)，材料科學(xué)的進(jìn)展極大的依賴(lài)于對(duì)材料結(jié)構(gòu)分析表征的水平。熱分析材料制備的實(shí)際效果必須通過(guò)材料結(jié)構(gòu)分析的檢驗(yàn)材料設(shè)計(jì)的重要依據(jù)成分分析結(jié)構(gòu)測(cè)定形貌觀察10/17/202412:12AM什么就是材料測(cè)試方法？獲取有關(guān)材料得組成,結(jié)構(gòu)和性能等相關(guān)信息材料結(jié)構(gòu)與材料性能得關(guān)系材料測(cè)試材料分析材料表征＝＝

現(xiàn)代材料科學(xué)得發(fā)展在很大程度上依賴(lài)對(duì)材料性能和其成分結(jié)構(gòu)及微觀組織關(guān)系得理解分子結(jié)構(gòu)與聚集態(tài)結(jié)構(gòu)(XRD、IR、XPS、ASS)材料測(cè)試與表征表面與界面(SEM、TEM、AFMSPM)力學(xué)、流變性能萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)沖擊試驗(yàn)機(jī),流變儀熱性能(TGA,DSC)10/17/202412:12AM材料測(cè)試方法得概念與分類(lèi)材料測(cè)試方法如何分類(lèi)？從功能上講,可分為組成測(cè)試,結(jié)構(gòu)測(cè)試和性能測(cè)試三種方法從技術(shù)上講,材料測(cè)試方法可以分成兩類(lèi):主動(dòng)式和被動(dòng)式10/17/202412:12AM激發(fā)源(電磁波,粒子束,電場(chǎng),磁場(chǎng),熱,力等)主動(dòng)式(含激發(fā)源式材料測(cè)試方法)材料響應(yīng)得傳感與變換數(shù)據(jù)采集處理與組成,結(jié)構(gòu),性能等相關(guān)得某種響應(yīng)材料測(cè)試方法得概念與分類(lèi)10/17/202412:12AM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(dòng)情況等等;亦可根據(jù)材料物理、化學(xué)性能得差異間接推斷材料得組成和結(jié)構(gòu)信息,如色譜分析法、原子力顯微分析等。被動(dòng)式(無(wú)激發(fā)源式材料測(cè)試方法)材料測(cè)試方法得概念與分類(lèi)10/17/202412:12AM材料微觀分析技術(shù)緒論宏觀上得性能測(cè)試和微觀上得組成與結(jié)構(gòu)表征,這兩個(gè)方面構(gòu)成了材料得檢測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)材料設(shè)計(jì)得重要依據(jù)來(lái)源于對(duì)材料得微觀組成和結(jié)構(gòu)分析材料制備得實(shí)際效果必須通過(guò)材料微觀分析得檢驗(yàn)材料科學(xué)得進(jìn)展極大地依賴(lài)于對(duì)材料進(jìn)行微觀分析表征得技術(shù)水平材料研究與微觀分析技術(shù)10/17/202412:12AM回顧材料研究得四大要素？

現(xiàn)代材料科學(xué)得發(fā)展在很大程度上依賴(lài)對(duì)材料性能和其成分結(jié)構(gòu)及微觀組織關(guān)系得理解合成與加工固有性質(zhì)使用性能結(jié)構(gòu)和成分10/17/202412:12AM材料得性質(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(dòng)態(tài)力學(xué)性質(zhì)模量大家學(xué)習(xí)辛苦了，還是要堅(jiān)持繼續(xù)保持安靜10/17/202412:12AM結(jié)構(gòu)與性能得關(guān)系傳統(tǒng)得“炒菜”法電子結(jié)構(gòu),原子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵決定了材料得固有性質(zhì)新材料開(kāi)發(fā)方法材料設(shè)計(jì)發(fā)展方向所謂材料設(shè)計(jì),就就是根據(jù)對(duì)材料得組成、微結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系得認(rèn)識(shí)(“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(jì)”最佳得制備和加工方法。10/17/202412:12AM材料結(jié)構(gòu)表征得基本方法材料結(jié)構(gòu)得表征目得:成分分析,結(jié)構(gòu)測(cè)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)10/17/202412:12AM材料化學(xué)成分分析1元素組成分析方法傳統(tǒng)得化學(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10/17/202412:12AM材料化學(xué)成分分析2化合物組成分析方法傳統(tǒng)得化學(xué)分析技術(shù)分子吸收光譜(紫外—可見(jiàn)吸收光譜)分子振動(dòng)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10/17/202412:12AM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10/17/202412:12AM形貌分析得圖例昆蟲(chóng)標(biāo)本(500倍)螺旋形碳管(9,157倍)化學(xué)方法生長(zhǎng)得ZnO納米陣列(100,000倍)擔(dān)載Pt金屬顆粒得納米碳粒子(400,000倍)10/17/202412:12AM材料結(jié)構(gòu)分析高分辨透射電子顯微鏡(HTEM)場(chǎng)離子顯微鏡(FIM)掃描隧道顯微鏡(STM)原子力顯微鏡(SFM)X射線衍射分析(XRD)小角X射線衍射分析(SAXS)10/17/202412:12AM材料結(jié)構(gòu)分析—結(jié)果硅納米線得不同形貌

(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)10/17/202412:12AM材料結(jié)構(gòu)分析-直接法硅納米線得顯微結(jié)構(gòu)高分辨電子顯微像(HTEM)(a)［111］帶軸得硅納米線得單晶結(jié)構(gòu),她得生長(zhǎng)方向?yàn)椋?12］(b)存在高階孿晶得硅納米線(c)具有堆垛層錯(cuò)和孿晶等缺陷得硅納米線10/17/202412:12AM材料結(jié)構(gòu)分析-直接法五次對(duì)稱(chēng)性鎳鈦準(zhǔn)晶得高分辨電子顯微像10/17/202412:12AM材料結(jié)構(gòu)分析-直接法掃描隧道顯微分析拍攝得硅片上得單個(gè)原子圖像10/17/202412:12AM材料結(jié)構(gòu)分析-間接法材料結(jié)構(gòu)分析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(TG、TA、DSC)10/17/202412:12AM材料結(jié)構(gòu)分析-間接法五次對(duì)稱(chēng)性鎳鈦準(zhǔn)晶得高分辨電子顯微像與電子衍射斑點(diǎn)10/17/202412:12AM材料結(jié)構(gòu)分析-間接法CVD方法制備得氧化鎵納米帶(A)與納米片(B)得透射電鏡與選區(qū)電子衍射分析電子衍射證實(shí)了這些納米相為單斜晶系得Ga2O3單晶10/17/202412:12AM材料微觀分析技術(shù)得選擇10/17/202412:12AM3、材料微觀分析技術(shù)得選擇10/17/202412:12AM3、材料微觀分析技術(shù)得選擇10/17/202412:12AM3、材料結(jié)構(gòu)分析-電子顯微固體試樣電子束透射電子相干散射電子背散射電子（成份）二次電子（SEM）俄歇電子陰極熒光特征X射線nA吸收電子10/17/202412:12AM材料微觀分析技術(shù)得應(yīng)用水晶or水晶玻璃？真,假鉆石？可口可樂(lè)配方？“勇氣”號(hào)探測(cè)車(chē)得火星巖石分析？10/17/202412:12AM材料微觀分析技術(shù)得應(yīng)用“勇氣”號(hào)機(jī)械臂上得四大法寶1、巖石磨損工具2、顯微成像儀3、穆斯堡爾分光光度計(jì)4、阿爾法粒子Ｘ射線分光計(jì)10/17/202412:12AM材料微觀分析技術(shù)得應(yīng)用10/17/202412:12AM材料微觀分析技術(shù)得應(yīng)用10/17/202412:12AM材料微觀分析技術(shù)得應(yīng)用10/17/202412:12AM材料微觀分析技術(shù)得應(yīng)用10/17/202412:12AM材料微觀分析技術(shù)得應(yīng)用10/17/202412:12AM材料微觀分析技術(shù)得應(yīng)用10/17/202412:12AM材料微觀分析技術(shù)得應(yīng)用10/17/202412:12AM材料微觀分析技術(shù)得應(yīng)用10/17/202412:12AM材料微觀分析技術(shù)得應(yīng)用整理如何對(duì)材料進(jìn)行表征？表征要有目得性,不就是全部得表征都要做要有選擇得去表征,以節(jié)省資源和時(shí)間表征要分順序,有急緩之分表征要跟合成和性能測(cè)試相結(jié)合基本順序就是:先定物相、再定組成、然后就是形貌和結(jié)構(gòu)分析。當(dāng)然性能測(cè)試也可能放在前面。下面就較常用得幾種材料表征方法向大家介紹同步輻射光源熱分析透射電子顯微鏡掃描電子顯微鏡X射線衍射儀X射線光電子能譜衰減全反射紅外光譜第一節(jié)熱分析技術(shù)什么就是熱分析技術(shù)？熱分析:在程序控制溫度條件下,測(cè)量材料物理性質(zhì)與溫度之間關(guān)系得一種技術(shù)。從宏觀性能得測(cè)試來(lái)判斷材料結(jié)構(gòu)得方法。熱分析得重要意義:通過(guò)熱分析技術(shù),了解合成過(guò)程中得材料及前驅(qū)體得物理性質(zhì)與溫度之間得關(guān)系。從而為材料合成提供必要得溫度和時(shí)間參數(shù)。例如:高溫固相法合成磷酸鐵鋰電極材料,溫度對(duì)材料得結(jié)構(gòu)和形貌有重要得影響。凡就是與熱現(xiàn)象有關(guān)得任何物理和化學(xué)變化都可以采取熱分析方法進(jìn)行研究。如材料得固相轉(zhuǎn)變、熔融、分解甚至材料得制備等。直接測(cè)量出這些變化過(guò)程中所吸收或放出得能量,如熔融熱、結(jié)晶熱、反應(yīng)熱、分解熱、吸附或解吸熱、比熱容、活化能、轉(zhuǎn)變熵、固態(tài)轉(zhuǎn)變能等。熱分析技術(shù)得應(yīng)用熱重法(TG)差熱分析(DTA)差示掃描量熱法(DSC)一、熱重法(TG)在程序控制溫度條件下,測(cè)量物質(zhì)得質(zhì)量與溫度關(guān)系得一種熱分析方法。等溫?zé)嶂胤ǎ吭诤銣叵聹y(cè)量物質(zhì)質(zhì)量變化與時(shí)間得關(guān)系非等溫?zé)嶂胤?？在程序升溫下測(cè)量質(zhì)量變化與溫度得關(guān)系熱重法通常有下列兩種類(lèi)型:進(jìn)行熱重分析得基本儀器為熱天平,她包括天平、爐子、程序控溫系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)等幾個(gè)部分。由熱重法記錄得質(zhì)量變化對(duì)溫度得關(guān)系曲線稱(chēng)為熱重曲線(TG曲線)。1—熱重曲線TG2—微分熱重曲線DTG表征了試樣在不同得溫度范圍內(nèi)發(fā)生得揮發(fā)性組分得揮發(fā)以及發(fā)生得分解產(chǎn)物得揮發(fā)從而可以得到試樣得組成、熱穩(wěn)定性、熱分解溫度、熱分解產(chǎn)物和熱分解動(dòng)力學(xué)等有關(guān)數(shù)據(jù)。同時(shí)還可獲得試樣得質(zhì)量變化率與溫度關(guān)系曲線,即微分熱重曲線(DTG曲線),她就是TG曲線對(duì)溫度得一階導(dǎo)數(shù)。以物質(zhì)得質(zhì)量變化速率dm/dt對(duì)溫度T作圖,所得得曲線。

DTG曲線得峰頂即失重速率得最大值,她與TG曲線得拐點(diǎn)相對(duì)應(yīng),即樣品失重在TG曲線形成得每一個(gè)拐點(diǎn),在DTG曲線上都有對(duì)應(yīng)得峰。并且DTG曲線上得峰數(shù)目和TG曲線得臺(tái)階數(shù)目相等。由于DTG曲線上得峰面積與樣品得失重成正比,因此可以從DTG得峰面積計(jì)算出樣品得失重量。參比物:在測(cè)定條件下不產(chǎn)生任何熱效應(yīng)得惰性物質(zhì)。如α-Al2O3、石英、硅油等。二、差熱分析(DTA)在程序控制溫度下測(cè)定物質(zhì)和參比物之間得溫度差和溫度關(guān)系得一種熱分析技術(shù)。1、加熱爐,2、試樣,3、參比物,4、測(cè)溫?zé)犭娕?5、溫差熱電偶,6、測(cè)溫元件,7、溫控元件。當(dāng)試樣發(fā)生任何物理或化學(xué)變化時(shí),所釋放或吸收得熱量使樣品溫度高于或低于參比物得溫度,從而在相應(yīng)得差熱曲線上得到放熱或吸熱峰。吸熱峰向下,放熱峰向上。應(yīng)用:材料得鑒別和成分分析材料相態(tài)結(jié)構(gòu)得變化材料得篩選玻璃微晶化熱處理玻璃得析晶活化能得測(cè)定聚合物熱降解分析應(yīng)用DTA對(duì)材料進(jìn)行鑒別:根據(jù)物質(zhì)得相變(包括熔融、升華和晶型轉(zhuǎn)變)和化學(xué)反應(yīng)(包括脫水、分解和氧化還原等)所產(chǎn)生得特征吸熱和放熱峰。有些材料常具有比較復(fù)雜得DTA曲線,雖然有時(shí)不能對(duì)DTA曲線上所有得峰作出解釋,但就是她們像“指紋”一樣表征著材料得種類(lèi)。例如:根據(jù)石英得相態(tài)轉(zhuǎn)變得DTA峰溫可用于檢測(cè)天然石英和人造石英之間得差異三、差示掃描量熱法(DSC)在程序控制溫度下,測(cè)量輸給試樣與參比物得功率差與溫度之間關(guān)系得一種技術(shù)。 根據(jù)測(cè)量方法得不同,又分為功率補(bǔ)償型DSC和熱流型DSC兩種類(lèi)型。DSC主要特點(diǎn):使用得溫度范圍(-175℃-725℃)比較寬,分辨能力高,靈敏度高。

應(yīng)用范圍:除不能測(cè)量腐蝕性材料外,DSC不僅可以涵蓋DTA得一般功能,而且還可定量測(cè)定各種熱力學(xué)參數(shù),如熱焓、熵和比熱等。差示掃描量熱儀典型得DSC曲線差示掃描量熱測(cè)定時(shí)記錄得譜圖稱(chēng)之為DSC曲線,其縱坐標(biāo)就是試樣與參比物得功率差dH/dt,也稱(chēng)作熱流率,單位為毫瓦(mW),代表試樣放熱或吸熱得速度。橫坐標(biāo)為溫度(T)或時(shí)間(t)。當(dāng)樣品無(wú)變化時(shí),她與參比物之間得溫差為零,DSC曲線顯示水平線段,稱(chēng)為基線。曲線離開(kāi)基線得位移,代表樣品吸熱或放熱得速率,正峰為放熱,負(fù)峰為吸熱。DSC曲線上得峰數(shù)目:發(fā)生相變或化學(xué)變化得次數(shù)。峰得位置對(duì)應(yīng)著樣品發(fā)生變化得溫度,曲線中得峰或谷所包圍得面積,代表熱量得變化。DSC可以直接可以測(cè)量試樣在發(fā)生變化時(shí)得熱效應(yīng)。下圖就是CaC2O4?H2O得TG曲線,由圖可以發(fā)現(xiàn)CaC2O4?H2O得熱分解過(guò)程:CaC2O4?H2O

CaC2O4CaCO3CaO－H2O100－226°C－CO346－420°C－CO2660－846°CCaC2O4CaCO3CaOCaC2O4、H2O差熱分析(DTA)就是在試樣與參比物處于控制速率下進(jìn)行加熱或冷卻得環(huán)境中,在相同得溫度條件時(shí),記錄兩者之間得溫度差隨時(shí)間或溫度得變化,差示掃描量熱分析(DSC)記錄得則就是在二者之間建立零溫度差所需得能量隨時(shí)間或溫度得變化。典型的DTA曲線和DSC曲線CaC2O4·H2O熱分解時(shí)發(fā)生了三個(gè)吸熱反應(yīng)。其中,TG曲線顯示得就是試樣得質(zhì)量隨溫度得升高而發(fā)生得變化。DSC(或DTA)反映得就是所測(cè)試樣在不同得溫度范圍內(nèi)發(fā)生得一系列伴隨著熱現(xiàn)象得物理或化學(xué)變化。

第二節(jié)、顯微技術(shù)顯微技術(shù)就是一種直觀表征材料微觀外貌得方法,顯微鏡就是主要得材料分析手段之一。最常用得顯微鏡有:光學(xué)顯微鏡透射電子顯微鏡掃描電子顯微鏡顯微鏡可以觀察某一材料得表面或斷面,有時(shí)也可以就是專(zhuān)門(mén)得制樣,如切片等。光學(xué)顯微鏡分辨率大于200nm,可觀察到材料得裂紋、裂縫、氣泡、生物組織等。電子顯微鏡具有更高得分辨率,能得到材料得立體表面形態(tài)圖像、結(jié)晶現(xiàn)象。一、透射電子顯微鏡(TEM)透射電子顯微鏡就是由電子槍發(fā)射電子束,穿過(guò)被研究得樣品,經(jīng)電子透鏡聚焦放大,在熒光屏上顯示出高度放大得物像,還可作攝片記錄得電子光學(xué)儀器。TEM她就是材料科學(xué)研究得重要手段,能提供極微細(xì)材料得組織結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分等方面信息。透射電鏡得分辨率為0、1～0、2nm,放大倍數(shù)為幾萬(wàn)～幾十萬(wàn)倍。

?電子光學(xué)系統(tǒng)?真空系統(tǒng)?電器系統(tǒng)1、電子照明部分2、試樣室3、成像放大部分4、圖象記錄裝置電子光學(xué)系統(tǒng)就是電子顯微鏡得核心部分(一)電子光學(xué)系統(tǒng)(二)真空系統(tǒng)空氣會(huì)使電子強(qiáng)烈得散射,因此,整個(gè)電子通道從電子槍至照相底板盒都必須置于真空系統(tǒng)之內(nèi),一般真空度為10-4-10-7毫米汞柱。(三)電器系統(tǒng)透射電鏡需要兩部分電源:一就是供給電子槍得高壓部分,二就是供給電磁透鏡得低壓穩(wěn)流部分。介孔碳Pt/MWCNTs催化劑得TEM照片TEM得應(yīng)用:透射電子顯微鏡主要用于材料形貌觀察,晶體結(jié)構(gòu)分析。請(qǐng)通過(guò)視頻進(jìn)行直觀了解二、掃描電子顯微鏡(SEM)1、原理:SEM得工作原理就是用一束極細(xì)得電子束在樣品表面按順序逐行掃描,在樣品表面激發(fā)出二級(jí)電子、背散射電子、特征x射線和連續(xù)譜X射線、俄歇電子、透射電子,以及在可見(jiàn)、紫外、紅外光區(qū)域產(chǎn)生得電磁輻射。二次電子:用于觀察物質(zhì)表面微觀形貌。背散射電子:可以反映成份信息。EDS:進(jìn)行元素成份分析。電子光學(xué)系統(tǒng)(電子槍、電磁透鏡、掃描線圈和樣品室)信號(hào)收集處理、圖像顯示和記錄系統(tǒng)(二次電子采用閃爍計(jì)數(shù)器)真空系統(tǒng)(1、33×10-2-1、33×10-3Pa)2、構(gòu)造3、特點(diǎn)①分辨率比較高,二次電子成像5-10nm②放大倍數(shù)連續(xù)可調(diào),幾十倍到二十萬(wàn)倍③景深大,立體感強(qiáng)④試樣制備簡(jiǎn)單⑤一機(jī)多用掃描電子顯微鏡可以進(jìn)行如下基本分析:

(1)三維形貌得觀察和分析;

(2)在觀察形貌得同時(shí),進(jìn)行微區(qū)得成分分析。4、應(yīng)用①觀察納米材料具有納米孔陣列結(jié)構(gòu)得氧化鋁薄膜②材料斷口得分析

注射針頭得掃描電鏡照片③直接觀察大試樣得原始表面

(a)陶瓷燒結(jié)體得表面圖像(b)多孔硅得剖面圖④觀察厚試樣并能得到最真實(shí)得形貌。多孔氧化鋁模板制備得金納米線得形貌(a)低倍像(b)高倍像⑤觀察生物試樣

果蠅:不同倍率得掃描電鏡照片巨噬細(xì)胞吞噬細(xì)菌得電子顯微鏡圖像人體寄生蟲(chóng)第三節(jié)X-射線衍射技術(shù)X射線衍射分析(X-raydiffraction,簡(jiǎn)稱(chēng)XRD),就是利用X射線在晶體中所產(chǎn)生得衍射現(xiàn)象來(lái)分析材料得晶體結(jié)構(gòu)、晶格參數(shù)、晶體缺陷、不同結(jié)構(gòu)相得含量及內(nèi)應(yīng)力得方法。X射線衍射分析分為:粉末法X射線衍射分析單晶法X射線衍射分析一、原理

當(dāng)一束X射線照到晶體上時(shí),原子或離子中得電子受迫振動(dòng),振動(dòng)頻率與入射X射線得頻率相同。并向四周各方向發(fā)射與入射X射線相同頻率得電磁波,稱(chēng)為X射線散射波。

在一個(gè)原子系統(tǒng)中所有電子得散射波都可以近似地看作就是由原子中心發(fā)出得,因此,可以把晶體中每個(gè)原子都看成就是一個(gè)新波源。這些散射波之間可以相互干涉,并在空間某些方向上波得相位相同,始終保持相互疊加,于就是在這個(gè)方向上可以觀察到散射波干涉產(chǎn)生得衍射線。面中點(diǎn)陣散射波干涉散射波干涉包括面間點(diǎn)陣散射波干涉入射X射線鏡面反射方向平面法線q掠射角i入射角任一平面上得點(diǎn)陣在X射線照射到的原子面中，所有原子的散射波在原子面的反射方向的相位是相同的，是干涉加強(qiáng)的方向。1、面中點(diǎn)陣散射波干涉由于X射線得波長(zhǎng)短,穿透能力強(qiáng),所以她不僅可以使晶體表面得原子成為散射波源,而且還能使晶體內(nèi)部得原子成為散射波源。在這種情況下,衍射線應(yīng)被看成就是許多平行原子面散射波振幅疊加得結(jié)果。原子面間干涉加強(qiáng)得條件就是必須滿足布喇格定律:2dsinθ=nλd—相鄰晶面得垂直距離θ—入射X射線與晶面得夾角(布喇格角)n—正整數(shù)λ—波長(zhǎng)只有θ滿足此方程時(shí),才能在相應(yīng)得反射角方向上產(chǎn)生衍射。2、面間點(diǎn)陣散射波得干涉lX射線qqABCidl入射角掠射角求出相鄰晶面距離為d的兩反射光相長(zhǎng)干涉條件sincos+dACCB2di2dq層間兩反射光的光程差sin2dqln(),...21n,布喇格定律相長(zhǎng)干涉得亮點(diǎn)的條件第一組晶面族,晶格常數(shù)為d1第二組晶面族,晶格常數(shù)為d2第三組晶面族,晶格常數(shù)為d3…在一種晶體內(nèi)有多組晶面族,即沿不同得方向,可劃分出不同間距d

得晶面。

對(duì)任何一種方向得晶面,只要滿足布喇格公式,則在該晶面得反射方向上,將會(huì)發(fā)生散射光得衍射。根據(jù)研究對(duì)象得不同可以分為粉末法和單晶法。粉末法:可以用來(lái)確定立方晶得晶體結(jié)構(gòu)得點(diǎn)陣形式、晶胞參數(shù)等。單晶法可以精確給出晶胞參數(shù),晶體中成鍵原子得鍵長(zhǎng)、鍵角等重要得結(jié)構(gòu)化學(xué)數(shù)據(jù)。二、粉末法X射線衍射分析1、實(shí)驗(yàn)條件:單色得X射線、粉末樣品或多晶樣品2、粉末衍射圖得獲得照相法照相法以德拜法應(yīng)用最為普遍,以一束準(zhǔn)直得特征X射線照射到小塊粉末樣品上,用卷成圓柱狀并與樣品同軸安裝得窄條底片記錄衍射信息。照相法獲得得衍射圖就是一些衍射弧,照相法就是比較原始得方法。NaCl單晶的X射線衍射斑點(diǎn)石英(SiO2)的X射線衍射斑點(diǎn)衍射儀法衍射儀法得到得衍射圖譜給出一系列峰,如圖所示,橫坐標(biāo)就是2θ,縱坐標(biāo)就是衍射強(qiáng)度。衍射圖譜可以提供三種晶體結(jié)構(gòu)信息:衍射線位置(角度)、強(qiáng)度和形狀(寬度)、

3、粉末衍射得應(yīng)用(1)物相分析即固體由哪幾種物質(zhì)構(gòu)成

XRD就是晶體得“指紋”,不同得物質(zhì)具有不同得XRD特征峰值(峰位置、相對(duì)強(qiáng)度和掃描范圍內(nèi)得峰數(shù))。樣品中如果存在多個(gè)相,樣品得衍射譜就是各相衍射譜得簡(jiǎn)單疊加。目前常用衍射儀法得到衍射圖譜,用“粉末衍射標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合會(huì)(JCPDS)”負(fù)責(zé)編輯出版得“粉末衍射卡片(PDF卡片)”進(jìn)行物相分析。其特點(diǎn)就是:能確定元素所處得化學(xué)狀態(tài)例如:(FeO,Fe2O3,Fe3O4)能區(qū)別同分異構(gòu)體:C60、石墨、碳管能區(qū)別就是混合物還就是固溶體:混合物衍射峰疊加;固溶體就是新相形成對(duì)各種組分進(jìn)行定量分析(根據(jù)各相衍射得強(qiáng)度正比于該組分存在得量)(2)衍射圖得指標(biāo)化利用粉末樣品衍射圖確定相應(yīng)晶面得米勒指數(shù)就稱(chēng)為指標(biāo)化。當(dāng)晶胞參數(shù)未知時(shí),指標(biāo)化只有對(duì)立方晶系就是可能得。立方晶系a=b=c,

=

=

=90

由立方晶系中晶面間距公式和布拉格方程可容易推得下式:因?yàn)樵诹⒎骄礫λ/(2a)]2為一個(gè)常數(shù),任意兩條衍射線得sin2θ之比等于h2+k2+l2之比。因此有:sin2θ1:sin2θ2:sin2θ3:…、sin2θk=h12+k12+l12:h22+k22+l22:h32+k32+l32:…、hk2+kk2+lk2只要求出每條衍射線得sin2θ值,就可得出這些衍射線得平方和得比值,并求出這些比值得簡(jiǎn)單整數(shù)比,從而就可以將每條衍射線指標(biāo)化。依照粉末線(θ由小到大)得順序,sin2θ值得比例(即h2+k2+l2)必有如下規(guī)律:P:1:2:3:4:5:6:8:9…(缺7,15,23等)I:1:2:3:4:5:6:7:8:9…(不缺)F:3:4:8:11:12:16:19:20…(出現(xiàn)二密一稀得規(guī)律)(3)點(diǎn)陣常數(shù)得精確測(cè)定

點(diǎn)陣常數(shù)就是晶體物質(zhì)得基本結(jié)構(gòu)參數(shù),點(diǎn)陣常數(shù)得精確測(cè)定,可用于晶體缺陷及固溶體得研究、測(cè)量膨脹系數(shù)及物質(zhì)得真實(shí)密度。步驟:根據(jù)衍射線得角位置計(jì)算晶面間距d標(biāo)定個(gè)衍射線條得指數(shù)hkl(指標(biāo)化)由d和相應(yīng)得hkl計(jì)算點(diǎn)陣常數(shù)(a、b、c等)消除誤差得到精確得點(diǎn)陣常數(shù)(4)晶粒尺寸和點(diǎn)陣畸變得測(cè)定1918年謝樂(lè)(Scherrer

)首先提出得小晶粒平均尺寸(D)與衍射線真實(shí)寬度之間得數(shù)學(xué)關(guān)系:Scherrer方程:D=Kλ/B1/2cosθ

式中,D為晶粒得平均尺寸,K為常數(shù)(約等于0、89),B1/2為衍射線剖面得半高寬。物質(zhì)狀態(tài)得鑒別不同得物質(zhì)狀態(tài)對(duì)X射線得衍射作用就是不相同得,因此可以利用X射線衍射譜來(lái)區(qū)別晶態(tài)和非晶態(tài)。不同材料狀態(tài)以及相應(yīng)得XRD譜示意圖三、單晶法X射線衍射分析單晶X射線衍射分析得對(duì)象就是單晶樣品,一般為直徑0、1-1mm得完整晶粒。單晶法X射線衍射分析能提供晶體內(nèi)部三維空間得電子云密布,晶體中分子得立體構(gòu)型、構(gòu)象、化學(xué)鍵類(lèi)型、鍵長(zhǎng)、鍵角、分子間距離和配合物配位等。分子結(jié)構(gòu)透視圖

晶胞圖小角X射線衍射分析-SAXS小角度得X射線衍射峰可以用來(lái)研究納米介孔材料得介孔結(jié)構(gòu)。這就是目前測(cè)定納米介孔材料結(jié)構(gòu)最有效得方法之一由于介孔材料可以形成很規(guī)整得孔,所以可以把她看做周期性結(jié)構(gòu),樣品在小角區(qū)得衍射峰反映了孔洞周期得大小對(duì)于孔排列不規(guī)整得介孔材料,此方法不能獲得其孔經(jīng)周期得信息介孔結(jié)構(gòu)測(cè)定-SAXS六方孔形MCM-41密堆積排列示意圖

合成產(chǎn)物得XRD圖譜

表面分析就是對(duì)固體表面或界面上只有幾個(gè)原子層厚得薄層進(jìn)行組分、結(jié)構(gòu)和能態(tài)等分析得材料物理試驗(yàn)。也就是一種利用分析手段,揭示材料及其制品得表面形貌、成分、結(jié)構(gòu)或狀態(tài)得技術(shù)。

第三節(jié)材料得表面分析技術(shù)一、衰減全反射紅外光譜紅外光譜就是化合物結(jié)構(gòu)定性分析得主要手段之一,典型得紅外光譜就是通過(guò)材料樣品對(duì)透射紅外光得特征吸收來(lái)得到所要求得信息。然而,相當(dāng)多得材料對(duì)紅外光就是不透明得,無(wú)法采用典型得方法進(jìn)行紅外分析檢測(cè)。采用衰減全反射紅外光譜法(ATR)分析就可以方便地克服這些困難。該方法應(yīng)用范圍廣泛、制樣簡(jiǎn)單、無(wú)需前處理、不破壞樣品就可以直接進(jìn)行紅外分析,所測(cè)得得紅外光譜與透射光譜得譜帶位置、形狀完全一致。衰減全反射原理:當(dāng)一束紅外光經(jīng)過(guò)棱鏡照射到樣品上時(shí),棱鏡得折光率就是n1,樣品得折射率就是n2,n1>n2,當(dāng)入射角大于臨界角時(shí),即sinα〉n2/n1,產(chǎn)生全反射現(xiàn)象。全反射并非在樣品得表面上直接反射,而就是入射光進(jìn)入到樣品得一定深度之后再返回表面反射。進(jìn)入樣品得光,同樣帶有特征吸收得信息,在樣品有吸收得頻率范圍內(nèi)光線會(huì)被樣品吸收而強(qiáng)度衰減,在樣品無(wú)吸收得頻率范圍內(nèi)光線被全部反射,產(chǎn)生象透射光譜一樣得效果。樣品樣品多次反射ATR元件無(wú)機(jī)化合物得基團(tuán)振動(dòng)頻率無(wú)機(jī)化合物在中紅外區(qū)得吸收,主要就是由陰離子(團(tuán))得晶格振動(dòng)引起得,與陽(yáng)離子關(guān)系較小,通常當(dāng)陽(yáng)離子得原子序數(shù)增大時(shí),陰離子團(tuán)得吸收位置將向低波數(shù)方向作微小得位移。著重于陰離子團(tuán)得振動(dòng)頻率。氫氧化物中無(wú)水堿性氫氧化物中OH-得伸縮振動(dòng)頻率都在3550-3720cm-1范圍內(nèi)、碳酸鹽離子CO32-和SO42-、PO43-或OH-都具有強(qiáng)得共價(jià)鍵,力常數(shù)較高未受微擾得碳酸根離子就是平面三角形對(duì)稱(chēng)型(D3h),她得簡(jiǎn)正振動(dòng)模式有對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)1064cm-1,非對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)1415cm-1,面內(nèi)彎曲振動(dòng)680cm-1,面外彎曲振動(dòng)879cm-1、MO化合物這類(lèi)氧化物大部分具有NaCl結(jié)構(gòu),所以她只有一個(gè)三重簡(jiǎn)并得紅外活性振動(dòng)模式,如MgO、NiO、CoO分別在400、465、400cm-1有吸收譜帶。M2O3

化合物有Al2O3、Cr2O3、Fe2O3等,她們得振動(dòng)頻率低且譜帶寬,在700-200cm-1。其中Fe2O3得振動(dòng)頻率低于相應(yīng)得Cr2O3。AB2O4尖晶石結(jié)構(gòu)化合物,在700-400cm-1有兩個(gè)大而寬得吸收譜帶,就是B3+-O得振動(dòng)引起二、激光拉曼物相分析當(dāng)一束激發(fā)光得光子與作為散射中心得分子發(fā)生相互作用時(shí),大部分光子僅就是改變了方向,發(fā)生散射,而光得頻率仍與激發(fā)光源一致,稱(chēng)為瑞利散射但也存在很微量得光子不僅改變了光得傳播方向,而且也改變了光波得頻率,這種散射稱(chēng)為拉曼散射。其散射光得強(qiáng)度約占總散射光強(qiáng)度得10－6～10－10。拉曼散射得產(chǎn)生原因就是光子與分子之間發(fā)生了能量交換,改變了光子得能量。Raman光譜可獲得得信息Raman特征頻率材料得組成Raman譜峰得改變加壓/拉伸狀態(tài)Raman偏振峰晶體得對(duì)稱(chēng)性和取向Raman峰寬晶體得質(zhì)量三、X射線光電子能譜分析1、原理將一定能量得X光照射到樣品表面,與待測(cè)物質(zhì)發(fā)生作用,可以使待測(cè)物質(zhì)原子中得電子脫離原子成為自由電子。該過(guò)程可用下式表示:hv=Ek+Eb+Φ

式中:hv:X光子得能量;Ek:光電子得能量;Eb:電子得結(jié)合能;

Φ:功函數(shù)。各種原子,分子得軌道電子結(jié)合能就是一定得。因此,通過(guò)對(duì)樣品產(chǎn)生得光子能量得測(cè)定,就可以了解樣品中元素得組成。確定元素所處得狀態(tài)。

X光電子能譜法就是一種表面分析方法,提供得就是樣品表面得元素含量與形態(tài),而不就是樣品整體得成分。其信息深度約為3-5nm。儀器材料得功函數(shù)