结构表征

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材料结构表征

• X射线衍射
  • 产生X射线衍射条件
    • 1.产生自由电子（阴极钨） 2.使得电子做高速运动（高压电场） 3.在电子运动的路径上设置一个使其突然减速或者停止的装置（阳极靶）
  • 入射材料
    • X射线
  • 原理
    • 一束单色X射线入射晶体时，不同原子散射的X射线相互干渉，在某些特殊方向上产生强X射线衍射，衍射线在空间分布的方位和强度，和晶体结构密切相关。
    • 结果：衍射花样。 两个特征：①衍射线在空间的分布规律，由晶胞大小、形状和位向决定 ②衍射线强度，由原子种类及它在晶胞的位置决定。
      • 衍射花样
        • 单晶：斑点状
        • 多晶：同心圆
        • 非晶：圆斑
  • 应用：①物相分析：金属中用的多，定性和定量均有。定性是把材料的点阵晶面间 距及衍射强度和标准物相的相比。 定量是格局衍射花样的强度，确定各相的含量。 ②测结晶度。由结晶相的衍射图谱面积和非晶相衍射图谱面积确定。 ③测点阵参数。 ④测纳米材料平均粒径。用x射线衍射线线框法。（谢乐法） ⑤应力测试。 应力影响应变，应变影响晶面间距。
  • 制样
    • 块状
      • 非断口的金属：平整光滑清洁，除去氧化膜，除去表面应变层。
      • 薄膜：表面平整
      • 片状、圆柱状：有严重择优取向，故测试时合理选择响应方向平面
      • 断口、裂纹：端口平整比提供断口所含元素
    • 粉末状
      • 晶粒大小要320目粒度
  • 物相分析
    • 定性：①通过衍射数据，得到三条强线的晶面间距， ②检索PDF卡片， ③比对，确定待测物相。
    • 定量：建立起待测物衍射强度与标准物质参考强度的比值和待测相含量的关系。 三种方法：外标法（和外标物比） 内标法（样品中加入） k值法
• 电子衍射
  • 扫描电镜SEM
    • 入射材料
      • 电子束
    • 信号及其用途
      • 二次电子
        • 形貌分析（高分辨率）
      • 背散射电子
        • 形貌分析（低分辨率）＋成分分析
      • 特征x射线
        • 元素分析
    • 构造
      • 电子光学系统
      • 信号收集及显示系统
      • 真空和电源系统
    • 原理：
      • 电子枪发射电子束（电磁透镜），高能入射电子轰击样品表面，逐点扫描，被激发区域会产生二次电子，背散射电子、特征X射线等信号。 通过对信号的接收、放大和在荧光屏上显示成像，可以观察到样品表面特征，进而分析形貌、结构、成分。
    • 应用：
      • ①观察纳米材料，颗粒或微晶尺寸。
      • ②分析材料断口。景深大，3D图像
      • ③观察生物材料。电子照射面发生式样损伤和污染程度小
      • ④动态观察。观察相变，断裂，即原位分析。
    • 制样;取样，清洗，粘样，镀膜
      • 块状：洗涤剂和有机溶剂超声清洗
        • 导电样品;尺寸合适，用导电胶黏在样品座
        • 非导电：在其表面镀膜，增加样品导电性，防止样品热损伤
      • 粉末状：样品座上粘一层导电胶，将粉末均匀撒在上面，洗耳球吹去粉末
        • 导电：直接观察
        • 不导电：喷金处理后观察
    • 使用步骤
  • 透射电镜
    • 原理
      • 电子束通过聚光镜，汇聚成尖细、明亮而均匀的光斑，照在样品上。
      • 透过样品的电子束带有样品内部的结构信息，样品内致密处透过的电子少，稀疏处透过的电子多。
      • 经过物镜的会聚调焦和初级放大后，电子束进入中间透镜和投影镜综合放大成像，最终电子影像投射在观察室里的荧光屏板上，荧光屏吧电子影像转为可见光影像。
        • 放大两次
      • 使用者观察
    • 应用：①形貌观察。利用质厚衬度 ②物相分析。确定物相，晶系 ③确定晶体结构。高分辨电子显微可以直接看到晶体中原子或原子团在特定方向上结构投影。 ④确定缺陷。 ⑤样品微区化学成分 进行分析。 ⑥原位观察变形、断裂。要利用附加装置：加热装置、应变装置。
    • 制样：要求很薄
      • 样品种类之一薄膜样品制备方法
        • 实物上切割薄片
        • 样品薄片预先减薄，机械法或者化学法
        • 最终减薄
    • 使用步骤
  • 扫描透射电子显微镜
  • 电子背散射衍射EBSD
    • 原理：背散射电子中，满足布拉格衍射条件的电子会发生衍射，利用这些电子衍射得到一系列菊池花样。
      • 菊池花样得出晶面间距d和晶面之间的夹角---利用排除法却抵挡晶粒晶体结构。
    • 应用:在扫描电镜中获得晶体学信息。晶体取向、物相。晶界取向差。对样品表面特征进行进一步分析。
    • 具体应用：1物相分析.衍射花样里晶体结构信息，可以鉴定物相种类。 2织构分析 3取向分析 4应变分析 5晶粒尺寸测量 6晶界性质分析。
    • 实际例子：分析钛合金的形变孪晶
    • 制样（要求表面平整＋无大应变）
      • 金属:研磨＋抛光 陶瓷：抛光 金属基复合材料：离子束刻蚀
  • 电子探针EPMA
    • 原理
      • 轰击者：高能电子
      • 产生结果：特征X射线
      • 具体：入射电子把原子内部电子高能（低能级）轰击出来，高能级的电子取代被轰击出来的电子，高能级向低能级跃迁的过程中能量会损失。这部分顺势的能量就以X射线的形式发出，即特征X射线。
        • 定性
          • 测出特征X射线的波长，确定元素原子序数——波谱仪 WDS 测出特征X射线的能量，确定原子序数——能谱仪EDS
        • 定量
          • 测特征X强度（与元素在样品中的浓度成正比），计算相对含量
    • 常作为附件安装在扫描电镜和透射电镜上
    • 应用：①基体构成分布（点线面分析）。分析基体相微观特征、化学组成和分布，晶界扩散 ②基体相晶粒定量测试
    • 制样
      • 粉体
        • 撒＋压＋吹
          • 样品洒在样品座的双面碳导电胶上，平物体表面压紧，洗耳球吹去颗粒。
      • 块状
        • 研磨和抛光。若不导电，要镀金或者碳等导电膜。
    • 使用步骤
  • 附录：电子和样品作用产生的信号
    • ①背散射电子：本质是入射电子，是被原子核反弹回来的一部分入射电子，分为弹性和非弹性背散射电子。非弹性背散射电子方向和能量均改变
    • ②二次电子：本质是样品的核外电子，是被入射电子轰击出来并且离开样品表面的的电子
    • 扫描电镜使用
    • ③透射电子：本质是入射电子，是由于样品很薄，入射电子穿过样品而产生的。
    • ④特征x射线：是外层电子向内层跃迁时候，多余的能量以x射线的形式释放出来。外层电子能量＞内层电子。（内层电子离开是因为被入射电子激发或者电离了）
    • ⑤俄歇电子：本质是样品原子里空位层的电子，是外层电子向内层电子跃迁时候，多余的能量不以x射线的形式释放，而是用于吧空位层的另一个电子发射出去，那么这个电子就是ex电子。
    • ⑥吸收电子：本质是入射电子。是入射电子经过多次非弹性散射，能量损失完，就被样品吸收了。
• 材料热分析法
  • 差热分析 DTA
    • 样品温度与参比物温差-温度
      • 影响因素； ①升温速率，越低分辨率越高 ②式样：用量，粒度，形状，装填密度。式样量小分辨率高，但是太小可能测不出来很小的峰 ③压力和气氛。a-氧化铝
  • 差示扫描量热法 DSC
    • 样品与参比物热量差（准确的说 是热流率）-温度
  • 热重分析 TG DTG
    • 样品质量-温度 质量对时间的一阶导数-温度
• 光谱分析
  • 总原理
    • 电磁辐射信号和材料组成及结构
  • 振动光谱
    • 红外光谱（对极性分子敏感）
      • 原理：当红外区辐射光子所具有的能量和分子振动跃迁所需要的能量相当时，分子振动从基态跃迁到高能态，在震动时伴随有偶极矩的改变者就吸收红外光子，形成红外吸收光谱（有特征峰）。 是振动光谱，吸收光谱，反对称震动是红外活性的。
      • 400到4000波数，中红外区
      • 制样：要研磨制成压片
      • 应用：基团测定（特征峰）
    • 拉曼光谱（非极性敏感）
  • 应用：
  • 制样
  • 使用步骤
• 化学位移。
  • 有机化合物中，各种氢核 周围的电子云密度不同（结构中不同位置）共振频率有差异，即引起共振吸收峰的位移，这种现象称为
• 材料结构表征(应用版)
  • 分子结构分析
    • 紫外可见吸收光谱
    • 红外光谱（震动光谱）
  • 材料热分析法
    • 差热分析 DTA
    • 差示扫描量热法 DSC
    • 热重分析 TG DTG
  • 成分和价键结构分析
    • x射线光谱分析 电子探针仪EPMA
    • x射线光电子能谱
  • 物相分析
    • 主要是：X射线衍射
    • 透射电镜
  • 组织形貌分析
    • 扫描电镜
    • 透射电镜
    • 光学显微镜
    • 扫描探针显微镜