紫外光谱、荧光光谱在材料研究中的应用
1、分子内的电子跃迁有哪几种，分别属于什么吸收带，吸收最强的跃迁是什么跃
迁？
答：电子类型：形成单键的σ电子；形成双键的π电子；未成对的孤对电子n电子。
轨道类型：成键轨道σ、π；反键轨道σ*、π* ；非键轨道n。
σ-σ* 跃迁κmax≥104强吸收带
n-σ*跃迁实现这类跃迁所需要的能量较高
n →π*跃迁κmax＜100 平均寿命10-5~10-7sec R吸收带
π→π*跃迁κmax≥104 平均寿命10-7~10-9sec k S → T小K吸收带
PS:R、K、B、E四带
1）R 吸收带：n→π*跃迁，弱吸收，κ＜102
2）K 吸收带：π→π*跃迁，强吸收，共轭分子的特征吸收带，κ> 104
3）B吸收带：π→π*跃迁，中吸收，苯环及杂环的特征谱带；
4）E 吸收带：π→π*跃迁，强吸收，芳香族化合物的特征谱带
π-π*迁移跃迁产生的谱带强度最大， n-σ*跃迁产生的谱带强度次之，配位跃迁的谱带强度最小。
2、紫外可见吸收光谱在胶体的研究中有重要作用，请举出三个例子来说明，结合
散射现象来讨论二氧化钛胶体和粉末漫反射光谱的差异。
答：
1）、胶体具有稳定性，尤其是稀释后稳定性；
2）、胶粒对可见光的散射；
3）、测定消光（包括吸收、散射、漫反射等对光强度造成的损失）
4）、稀释条件下，胶粒尺寸小于光波长的1/20，瑞利散射可忽略。
4）、估算晶粒的大小。
例1：二氧化硅在紫外区也是透明的,为何其胶体在紫外区有吸收?
SiO2直径387nm，在300nm下被吸收因而发生了消光呈现透明的，而起溶胶颗粒会发生散射，因而使得在紫外区有吸收。
例2：TiO2溶胶从a-d进行稀释，我们可以看到起吸光度逐渐减少，这是由于稀释后散射减小所致，而由于溶胶的胶粒的散射使得其吸光度增大。
例3：CdSe, CdS等量子点不做TEM和HRTEM,依靠吸收光谱中尺寸效应的规律来判断晶粒尺寸大小。反应时间越长，颗粒尺寸越大。
差异：当测定二氧化钛的溶胶时，按晶粒尺寸的不同，分为两种情况：
1）当胶体很小，d＜λ/20时，瑞利散射可以忽略，吸收光谱与粉末的漫反射光谱接近。
2）当胶体较大，d＞λ/20时，散射就会十分明显，在可见光区有吸收，这样获得是一个消光光谱，而不是吸收光谱，无法测得λonset。
用积分球测试粉末漫反射光谱可以克服上述缺点，得到一个较好的吸收光谱。
3、什么是荧光、磷光、光致发光和化学发光？对应的英文名称分别是什么？
答：荧光(Fluorescence)：从激发态的最低振动能级返回到基态，不通过内部转换而是光辐射失活，则称为荧光。由于一部分能量通过振动能级变化以热能形式放出，所以发射光的波长比吸收光的波长长。
磷光(Phosphorescence)：在不同多重态之间发生的无辐射跃迁过程称为系间窜跃。由从激发态的多重态经过振动弛豫到低振动能级，再返回到基态的光辐射跃迁称为磷光。
光致发光(Photoluminescence, PL)：是物质吸收光能后发射冷光的现象，称为光致发光。
化学发光(Chemiluminescence)：利用化学能源如化学反应得到激发态分子，它在跃迁到基态时产生的发光现象称为化学发光。
4、荧光光谱的液体样品池与紫外可见吸收光谱的比色皿有何异同点？结合光的
吸收、透射、散射、测定时仪器光源的角度来讨论。
答：紫外比色皿两面透光，荧光比色皿四面透光
①从吸收的角度来说，主要是样品池的材料来讨论：吸收池都是石英材质。
②从光源的角度来说：紫外-可见分光光度计的吸收池两面透光
荧光分光光度计的样品池四面透光
具体可画图说明：
1、红外光谱图与紫外-可见光谱的异同？红外谱中纵、横坐标是什么？
答：相同：都是吸收光谱；
不同：
波长范围：红外2.5-25μm；紫外200-400nm
横-纵坐标：红外是坐标是吸光度（-lg(T)）或透光率（I/I0×100%），横坐标是波数（cm-1）紫外可见光谱纵坐标是吸光度或透光率，横坐标是波长；
波普来源：红外是分子振动与转动，紫外电子跃迁
解析作用：红外鉴定官能团，紫外共轭体系或羰基。
2、红外光谱图中峰的位置由什么决定？影响峰位置的因素有哪些？
答：官能团振动频率是由力常数和折合质量决定的，是官能团固有的特征；
官能团振动频率的改变，反映了官能团所处环境的不同；
影响官能团振动频率的因素有振动偶合、费米共振、电子诱导、氢键等。
3、从共混体系的红外光谱如何分析两组分的相互作用？
答：FTIR可以用来从分子水平的角度研究高分子共混相互作用，从红外光谱角度来看，共混物的相容性是指光谱中能否检测出相互作用的谱带。
若两种均聚物是相容的，则可观察到频率位移、强度变化、甚至峰的出现或消失。
如果均聚物是不相容的，共混物的光谱只不过是两种均聚物光谱的简单叠加。
“相互作用光谱”可以从共混物光谱中减去两种均聚物光谱得到。
4、在材料研究中，哪些情况下需用红外光谱的衰减全反射 (Attenuated Total
Reflectance, ATR)附件。
答：ATR的优势：无需制样，反映样品本身特性，穿透深度固定与样品厚度无关（获得表面信息，0.1倍的波长厚度：0.25-2.5微米)
固体样品检测：收集普通红外无法测量的厚度0.1mm以内的塑料、高聚物、橡胶和纸张等样品表面。
液体样品检测：生物样品、注射剂、汤剂和葡萄酒等。
5、红外光谱分析有哪些主要制样方法？
答：压片法（适用于能磨成粉的样品）
涂膜法（适用于能溶解的样品）
溶液法（适用于能溶解的样品）
薄膜法（溶液成膜，热压成膜，超薄切片）
全反射法（适用表面涂层、薄膜等样品）
1. 拉曼光谱与红外光谱的本质区别是什么？
答：红外光谱是分子吸收红外光引起振动和转动能级跃迁而产生的吸收信号，与分子偶极矩变化有关，是吸收光谱。
拉曼光谱是分子对可见光的散射所产生的光谱，与分子的极化率变化有关，是散射光谱。
拉曼光谱适于表征对称性高而电子云密度变化大的振动（C-C骨架），而红外光谱则适于表征对称性低而偶极矩改变大的振动（极性侧基）。它们互补，测出分子结构。
2. 为什么拉曼光谱技术通常只检测stokes线？反stokes线可以提供什么信息？
介绍：拉曼散射有两种情况，设入射光频率为ν0，一种是斯托克斯线，它是跃迁到受激到虚态的分子不跃回到基态E0，而是跃至基态的某一振动激发态Em上，因此释放出的光子能量为h(ν0-νm)，产生的散射光波长大于入射光波长。另一种是反斯托克斯线，它是分子开始处于基态中的激发态Em上，受能量为hν0的入射光激发后，跃迁至受激到虚态后，跃回至基态E0，发射出的光子能量为ｈ(ν0+νm)，产生的散射光波长小于入射光波长。
答：根据波尔滋曼理论，在室温下，分子绝大多数处于振动能级基态，处于基态上的粒子数远大于处于振动激发态上的粒子数，而反斯托克斯线的分子都是处于激发态上的，同时由于振动能级间距还是比较大的，因此，stokes线的强度远远大于anti-stokes线（几个数量级）。所以拉曼光谱通常只测stokes线。
反stocks线对应了分子第一激发态跃迁到基态。反Stocks线强度越大，反应试样中处于激发态的分子越多，光子从与分子碰撞中获得能量的概率越高。（有问题）
stokes线提供的信息
拉曼频率的确认――物质的组成
拉曼峰位的变化――张力/应力
拉曼偏振――晶体对称性和取向
拉曼峰宽――晶体质量
拉曼峰强度――物质总量
3. 与红外光谱相比，拉曼光谱的优越性有什么？
1）适于分子骨架的定性定量分析，无需样品准备；
2）不受水的干扰；
3）覆盖范围广（50-4000cm-1），可对有机物及无机物进行分析；
4）重叠带较少，谱峰清晰尖锐，更适合精确研究；
5）使用激光作为光源，易测微量和小面积样品；
6）共振拉曼效应可以用来有选择性地增强大生物分子特定发色基团的振动，能增强103-104倍。
4、拉曼光谱与荧光光谱的本质区别是什么？如何消除荧光对拉曼光谱的影响？答：荧光光谱是发射光谱（或激发光谱），是分子吸收能量后由于撞击释放能量，产生光子形成荧光。
拉曼光谱是散射光谱，是光子与分子碰撞，产生能量交换发生频率反射后改变；
消除：荧光通常是一种量子效率更高的过程，甚至很少量不纯物质的荧光也可以导致显著的拉曼信号降低。控制激光以较小的强度照射到样品上（1-2mW）可以抑制荧光的产生；使用更长的波长例如：785nm 或1064nm 的激发光可使荧光效应显著减弱。
5、如何提高拉曼光谱技术的检测灵敏度？
答：拉曼谱最主要的干扰来自于荧光，样品的热效应和基质或样品自身的吸收。
在喇曼光谱实验中，为了得到高质量的谱图，除了选用性能优异的谱仪外，准确地使用光谱仪，控制和提高仪器分辨率和信噪比是很重要的。
（1 ）狭缝：入射、出射狭缝的主要功能是控制仪器分辨率，中间狭缝主要是用来抑制杂散光。（2 ）孔径角的匹配：注意把散射光正确地聚焦到入射狭缝上，否则不但降低了分辨率也影响了信号灵敏度。
（3 ）激发功率：提高激发光强度或增加缝宽能够提高信噪比，但在进行低波数测量时这样做常常会因增加了杂散光而适得其反。
（4 ）激发波长：由于长波长激光对仪器内少量灰尘或试样中缺陷的散射弱；另一方面由于狭缝宽度一样时，不同波长的光由出射狭缝出射时所包含的谱带宽度不一样。所以一般用长波长的激光谱线作为激发光，对获得高质量的谱图有利。
（5 ）防止局部过热：样品过热易分解常使激光焦点和样品的表面做相对运动，还能提高分析的灵敏度。
还可采用以下技术来提高灵敏度：
采用表面增强拉曼光谱技术；
激光共振拉曼光谱技术；
激光扫描共聚焦显微术；
纤维光学拉曼技术；
固体光声拉曼技术等手段。（有问题）
核磁共振和光散射技术与材料研究
1、产生核磁共振的条件是什么？
答：(1)核有自旋(磁性核，磁旋比γ；质量数和原子序数均为偶数，自旋量子数I=0
不能产生核磁共振);
(2) 外磁场B0,能级裂分；
(3) 照射的电磁波频率ω=γB0
2、何谓化学位移，化学位移是如何产生的？
答：化学位移：分子中同类原子核因化学环境不同而产生的共振频率的变化量。
由于核外电子云存在的屏蔽作用，原子核实际感受到的磁场: B = B0 -Be = B0 - σB0 =(1-σ) B0（σ称为屏蔽常数）原子核产生共振的电磁波频率为：ω= γB= γ(1-σ) B0，同一种核在同一磁场下，由于在分子中所处的化学环境不同，因而在不同的电磁波频率下产生共振——NMR分析的主要依据。
3、从核磁共振氢谱图上能获得哪些信息？
答：（1）化学位移值（δ）：确认氢原子所处的化学环境，即属于何种基团。
（2）谱峰裂分数和偶合常数（J）：推断相邻氢原子的关系与结构。
（3）谱峰面积：确定分子中各类氢原子的数量比。
4、如何通过核磁共振实验来区分分子链中不同种类的碳？
答：用DEPT 方法区分不同种类的碳原子
DEPT45：季碳不出峰，其余的CH3、CH2和CH都出峰，并皆为正峰；
DEPT90：除CH出正峰外，其余的碳均不出峰；
DEPT135：CH3和CH出正峰，CH2出负峰，季碳不出峰。
可根据化合物的结构，选择测得其中的一种或几种DEPT碳谱，并结合质子宽带去偶谱来确定分子中各碳原子的级数。
5、列举5 个核磁共振波谱分析法在材料科学研究中的应用方向。
答：NMR可测定聚合物分子量（绝对分子量）
共聚物组成分析
无规共聚物序列结构分布分析
聚合物立构序列结构分布分析
聚合物共混物组成分析
聚合反应
分析聚合物的结晶结构
固体NMR研究聚合物分子链之间的相互作用
二氧化硅表面改性的固体NMR表征
无机/有机核壳复合粒子的固体NMR表征
用固体NMR鉴别真假彩棉
TEM/SEM研究材料的微观结构
晶面：一个（hkl）；一组﹛hkl﹜；晶向:一个[uvw]；一组﹤uvw﹥
1、分别画出简单立方、面心立方和体心立方[112]取向的电子衍射图。
2、假定衍射斑点形成正方形，对下面的衍射图进行标定。面心立方体心立方简
单立方。
面心立方体心立方简单立方
3、Al, fcc, a = 4.4049, RA= RB= 16.2，Rc = 26.5，( RA RB) = 70.50，( RA
RC) = 35.50。求A、B、C等的指数及[UVW]，Ll及误差。
DSC 在材料研究中的应用
1、简述差示扫描量热法（DSC ）的原理，列举DSC 在材料研究中的应用，玻璃化转变温度如何获得？
答：在相同的程控温度变化下，用补偿器测量样品与参比物之间的温差保持为零所需热量对温度T 的依赖关系，它在定量分析方面的性能明显优于DTA 。DSC 谱图的纵坐标为单位质量的功率(mW/g)。DSC 测定的是维持样品与参比物处于相同温度所需要的能量差⊿W,反映了样品热焓的变化。 DSC 在材料研究中的应用
● 聚合物玻璃化转变的研究(Tg) ● 聚合物熔融/结晶转变的研究(Tm&Tc)
● 聚合材料结构特征与交联的研究（高于临界浓度，大分子链发生缠结，Tg 较高） ● 共混聚合物相容性的研究（不相容会出现两个Tg 峰） ● 与氢键相互作用的研究（H 键约多，Tg 越大） ● 结晶温度及结晶度、和结晶动力学研究
Avrami 方程式
2、 DSC 测试对样品的要求？影响测试结果的因素有哪些？
答：因为样品尺寸是测试结果的影响因素，所以样品的粒度要尽可能小且均匀（块状样品传热慢），样品量为5——15mg 。 影响因数：
1）样品量
样品量少使峰尖锐，分辨率高；样品多则造成峰大而宽，相邻峰发生重叠，峰位向高温漂移，灵敏度差。 2）升温速率
升温速率过快，造成数据偏向高温；升温速率过慢降低测试效率，这又造成高聚物链的热转变和松弛缓慢而使热转变不太明显，特别是玻璃化转变。通常是10℃/min 的升温速率。 3）试样尺寸
样品的粘度对表面反应或受扩散控制的反应影响较大，粘度小使峰移向低温。因此最好剪碎样品。
4）样品中的水分子及小分子
样品中残留的水分及小分子（增塑剂）有利于高聚物分子链的松弛，使测定的Tg 偏低。 5）气氛
通常采用30ml/min 的氮气流，避免样品的热氧化。
()())
ex p(1n t T k t x -=
-
3、MDSC相对DSC的优势是什么？
答：（1）在常规的线性升温的基础上，叠加了正弦振荡波升温曲线,样品的温度随时间的变化不再是线性增长；
（2）以缓慢的基础升温速率提高了分辨率，同时以快速的瞬时升温速率提高了灵敏度；（3）将可逆和不可逆效应区分开来，在检测微弱转变、多相转变、测定初始结晶度等方面显示出不可比拟的优势。
（4）MDSC能将过程中与热容相关的热流（可逆）从总热流中分离出来，使各转变更加清晰。
MDSC对相容性和结晶特性的研究更准确；MDSC能区别起始结晶和升温过程结晶。
DMA的分析测试和应用
1、DMA的原理是什么？对样品的要求？
答：动态力学分析（DMA）的原理：
指在程控温度下，测量材料在一定频率振动负荷下的动态模量和力学损耗与温度的关系。
●DMA测量的温度范围低至液氮冷却温度-170℃，最高温度可达到500-600℃。
●DMA加载模式多样：根据不同式样尺寸和特性而选择三点弯曲、压缩、拉伸、剪切、
扭转等多种测量方式。
样品要求：
（1）试样均匀、无气泡、有固定的形状，尺寸要准确测量。
（2）对试样施加的应变量要适当，较硬的材料位移要小些（1-5%），较软的材料位移要大些（5-10%）。
2、从DMA图谱如何体现共混物的相容性？
答：
共混物不相容：存在两个内耗峰tanδ，各组分的峰值保持不变，同时显现出来；
部分相容：存在两个内耗峰tanδ，组分中较低峰向高温移动，原来较高峰值向低温移动；
完全相容：只有一个内耗峰tanδ。
3、DMA损耗峰的宽窄表示相态结构的什么特点？
答：DMA损耗峰窄：表示结晶区与无定形区的无过渡边界明显，相容性不好。
DMA损耗峰宽：表示结晶区与无定形区有过渡区域，边界不明显，共混物的相容性越好。
4、影响DMA测试的因素有哪些？
答：频率和升温速率是影响DMA测试结果的因素。
?频率太高，高分子链的运动赶不上，纯在延迟，使得Tg偏高。在频率为1Hz的扭摆振动
测试时由峰所对应的Tg与DSC测定的Tg（mid）接近，当频率提高1个数量级时，Tg 提升约7℃。
?要得到动态信息，DMA的升温速率通常要低于DSC，2℃-5℃mi n-1。
由DMA谱求取Tg，可以由突变处的切线交点或和峰顶所对应的温度作为Tg。
5、对流体的动态力学分析能获得什么信息？
答：借助Maxwell方程描述流体的动态力学行为
均匀流体在末短区应符合这样的关系，偏离这一关系意味流体的非均匀结构存在！！
材料的力学性能与服役性能
1、叙述变形在材料加工和使用过程中给我们带来哪些益处和问题？
答：益处：变形使材料易于成型。另外，金属材料可以通过变形达到硬化和强化。
问题：变形使制品形状发生变化，限制了其使用期限，也使其力学性能受到一定影响
2、材料的强化方法有哪些？举出一种金属、陶瓷和高分子三种材料通用的强化方法。
答：固溶强化，沉淀强化，分散强化，热处理强化、结晶强化，形变强化，相变强化，纤维强化，综合强化
金属材料的强化途径，主要有以下几个方面；
(1)结晶强化结晶强化就是通过控制结晶条件，在凝固结晶以后获得良好的宏观组织和显微组织，从而提高金属材料的性能。它包括：细化晶粒和提纯强化。
(2)形变强化金属材料经冷加工塑性变形可以提高其强度。这是由于材料在塑性变形后位错运动的阻力增加所致。
(3)固溶强化通过合金化(加入合金元素)组成固溶体，使金属材料得到强化称为固溶强化。
(4)相变强化合金化的金属材料，通过热处理等手段发生固态相变，获得需要的组织结构，使金属材料得到强化。相变强化可以分为两类：沉淀强化(或称弥散强化和马氏体强化。
(5)晶界强化晶界部位的自由能较高，而且存在着大量的缺陷和空穴，在低温时，晶界阻碍了位错的运动，因而晶界强度高于晶粒本身；但在高温时，沿晶界的扩散速度比晶内扩散速度大得多，晶界强度显著降低。因此强化晶界对提高钢的热强性是很有效的。
(6)综合强化在实际生产上，强化金属材料大都是同时采用几种强化方法的综合强化，以充分发挥强化能力。
实际生产上，强化金属材料大多同时采用几种强化方法综合强化，以充分发挥强化能力。对工程材料来说，一般是通过综合的强化效应以达到较好的综合性能,这些方法往往是共存的。形变强化对金属、陶瓷和高分子三种材料都适用。
形变强化实质：塑性变形消除了部分容易运动的位错，再塑性变形需要更大的力驱使更难运动的位错开始运动。（有问题）
3、MSP小样品试验法可以测试哪些力学性能？请列举出3种。
答：MSP系统可以测试材料性能：
MSP强度（屈服和断裂）、弹性模量、疲劳强度及剩余寿命。（常温）
MSP高温强度、脆韧转变温度和蠕变性能参数。（高温）
力电耦合场下的断裂强度、疲劳强度。（电场）
4、什么是韦伯系数？它在产品的质量保证范畴内有何实际意义？
5.0
5.5
6.0 6.5
7.0
-4
-3
-2
-1
1
2
468 MPa
μ = 377 MPa
320 MPa
y = 9.3022x - 55.6883
l
n
l
n
(
1
/
(
1
-
S
)
)
lnσ
纵坐标lnln(1/(1-S))，S为承载的负荷，lnσ为平均强度，S↑,σ↑，其斜率为韦伯系数在一定的破坏几率下，当破坏强度为一定时，平均强度与韦伯系数存在如下关系：韦伯系数越高所需平均强度就越低,但提高稳定性！!
PS:在进行产品设计时，如何提高产品质量的稳定性对提高产品的盈利至关重要！如果通过质量管理能够使产品的韦伯系数维持在一个高位，就可以选用具有较低强度的低廉材质而不影响产品的寿命。
这是一种新产品设计的理念，符合当今低碳经济的潮流。所以，在现代企业管理中质量至上并不是要用最好的材料，而是要创造出最稳定的生产工艺，这才是我们材料工作者的使命！
5、材料的服役特性曲线分几个阶段？说明各阶段的特征。
产品在服役过程中随时间的推移其故障一般可分为三大类，初期故障、偶发故障和磨耗故障。初期故障：通过简单的全数的初期检验来去除不合格产品。
偶发故障：通过故障率试验，确认故障率是否小于设计标准，提高产品稳定性来减少偶发故障。磨耗故障：通过寿命试验(耐久性试验)来测得，产品的最终寿命，避免造成故障发生。
三条规律：
（1）温度一定时，材料的寿命与承载的负荷呈直线关系，当承载负荷低时材料表现出高的耐久寿命，随着承载负荷提高其耐久寿命降低。
（2）承载的负荷一定时，材料的寿命（对数）与温度的倒数呈直线关系，当使用温度越低，耐久寿命越长。
（3）材料或产品随着其使用期限的增加会发生疲劳，从而使其性能降低。因此，在产品结构设计中要考虑安全系数！
材料的电性能（导电、介电）
1、四探针法测电导率的原理？σ=1/ρ
答：其测量范围为10-3~104Ω*cm
优点：测量时材料是非破坏性的。
距离探针r处电流密度为
J=
2
2r
I
π
由微分欧姆定律可得距离探针r处的电场强度E为E=ρJ
由于E=－dV/dr，且r→∞时，V→0，则在距离探针r处的电势V为
半导体内各点的电势应为四探针在该点形成的电势的矢量和（右图）。推导得：
I
V
C
r
r
r
r
I
V
23
1
34
13
24
12
23)
1
1
1
1
(
2=
+
-
-
?
=-
π
ρ
其中
1
34
13
24
12
)
1
1
1
1
(
2-
+
-
-
=
r
r
r
r
Cπ，C为探针系数，单位为cm。
r12、r24、r13、r34分别为相应探针间的距离。
若四探针在同一平面的同一直线上，其间距分别为S1、S2、S3，且S1=S2=S3=S 时，则
S
I
V
S
S
S
S
S
S
I
V
π
π
ρ2
)
1
1
1
1
(
223
1
3
3
2
2
1
1
23=
+
+
-
+
-
?
=-
这就是常见的直流等间距四探针法测电阻率的公式。
2、测量液体电介质介电常数的原理?
频率法：测试装置示意图如下；
所用电极为两个电容量不等、并联在一起的空气电容，电极在空气中电容分别为C01和C02。介电常数测试仪内部的电感L和被测试电容C构成LC振荡回路。振荡频率为
其中C0为电容器两极板为空气介质时的电容；C分为测量引线及测量系统等引起的分布电容之和；电感L一定，k为常数，频率仅随电容C的变化而变化；当电极在空气中分别接入电容C01，C02，相应振荡频率为f01，f02；有：
r
2
I
E
2
π
ρ
=
r
2
I
V
π
ρ
=
ρ
E/
J=
则有：
电极在液体中时，相应有
得液体介电常数：
3 、电化学测试中，3电极体系是什么？它和2电极体系的区别？如何将3电极体系变成2电极？
答：3电极指工作电极、参比电极、辅助电极。
工作电极：研究反应在该电极上发生；
参比电极：指一个已知电势的接近于理想不极化的电极，为测量过程提供一个稳定的电极电位。该电极上基本无电流通过，用于测定工作电极（相对于参比电极）的电极电势；
辅助电极：又称对电极，与工作电极构成回路，使工作电极电流畅通，以保证所研究的反应在工作电极上发生，但必须无任何方式限制电池观测的响应。
与2电极区别：2电极体系只有工作电极和辅助电极，无参比电极。3电极体系因为参比电极的作用能够精确的控制电势差，减少误差。另外，2电极法操作简单，比较适用于恒电流沉积。3电极稍微复杂，但适于恒电位，恒电流，循环伏安，脉冲等等各种电化学沉积。
3电极体系变成2电极：将参比电极（RE ）与辅助电极（CE ）连接起来，三电极体系就变成2电极体系了。
2
01
2
20220102f k f k C C -=-21
2
2220102r f k f k )C C (ε-=-201
2022
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材料研究方法复习 X射线,SEM（扫描电子显微镜）,TA,DTA,DSC,TG,红外,拉曼 1．X射线的本质是什么？是谁首先发现了X射线，谁揭示了X射线的本质？ 本质是一种波长很短的电磁波，其波长介于0.01-1000A。1895年由德国物理学家伦琴首先发现了X射线，1912年由德国物理学家laue揭示了X射线本质。 2．试计算波长0.071nm（Mo-Kα）和0.154A（Cu-Kα）的X射线束，其频率和每个量子的能量？ E=hν=hc/λ 3．试述连续X射线谱与特征X射线谱产生的机理 连续X射线谱:从阴极发出的电子经高压加速到达阳极靶材时，由于单位时间内到达的电子数目极大，而且达到靶材的时间和条件各不相同，并且大多数电子要经过多次碰撞，能量逐步损失掉，因而出现连续变化的波长谱。 特征X射线谱: 从阴极发出的电子在高压加速后，如果电子的能量足够大而将阳极靶原子中内层电子击出留下空位，原子中其他层电子就会跃迁以填补该空位，同时将多余的能量以X射线光子的形式释放出来，结果得到具有固定能量，频率或固定波长的特征X射线。 4. 连续X射线谱强度随管电压、管电流和阳极材料原子序数的变化规律？ 发生管中的总光子数(即连续X射线的强度)与: 1 阳极原子数Z成正比; 2 与灯丝电流i成正比; 3 与电压V二次方成正比: I 正比于i Z V2 可见，连续X射线的总能量随管电流、阳极靶原子序数和管电压的增加而增大 5. Kα线和Kβ线相比，谁的波长短？谁的强度高？
Kβ线比Kα线的波长短，强度弱 6．实验中选择X射线管以及滤波片的原则是什么？已知一个以Fe为主要成分的样品，试选择合适的X射线管和合适的滤波片？ 实验中选择X射线管要避免样品强烈吸收入射X射线产生荧光幅射，对分析结果产生干扰。必须根据所测样品的化学成分选用不同靶材的X射线管。 其选择原则是： Z靶≤Z样品+1 应当避免使用比样品中的主元素的原子序数大2－6（尤其是2）的材料作靶材。 滤波片材料选择规律是： Z靶＜40时： Z滤＝Z靶－1 Z靶＞40时： Z滤＝Z靶－2 例如: 铁为主的样品，选用Co或Fe靶,不选用Ni或Cu靶；对应滤波片选择Mn 7. X射线与物质的如何相互作用的，产生那些物理现象？ X射线与物质的作用是通过X射线光子与物质的电子相互碰撞而实现的。 与物质作用后会产生X射线的散射（弹性散射和非弹性散射），X射线的吸收，光电效应与荧光辐射等现象 8. X射线强度衰减规律是什么？质量吸收系数的计算？ X射线通过整个物质厚度的衰减规律： I/I0 = exp(-μx) 式中I/I0称为X射线穿透系数，I/I0 ＜1。I/I0愈小,表示x射线被衰减的程度愈大。μ为线性吸收系数 μm表示，μm＝μ/ρ 如果材料中含多种元素，则μm＝Σμmi w i其中w i为质量分数 9．下列哪些晶面属于[111]晶带？ （111）、（3 21）、（231）、（211）、（101）、（101）、（133），（-1-10），（1-12）， （1- 32），（0-11），（212），为什么？
XRD： ●所有的衍射峰都有一定的宽度是因为：1.晶体不是严格的晶体；2.X射线不是严格的单 色光；3.仪器设计造成。 ●XRD用途：1.精确测定晶胞参数——可反映晶体内部成分、受力状态等的变化，可用 于鉴别固溶体类型、测量固溶度、测定物质的真实密度等等。 2.物相定性分析——各衍射峰的角度位置所确定的晶面间距d以及它们的相对强度I/Io 是物质的固有特性。因而呢过用于五物相分析。 3.物相的（半）定量分析——外标法（物相数=2）；内标法（物相数>2）；基体冲洗法（修 正了内标法由于引入参比物导致的误差） 4.纳米物质平均粒度分析——当粒度小于200nm的时候，衍射线会发生宽化（相干散射 的不完全所致），测定待测样品的衍射峰的半高宽和标准物质的衍射峰的半高宽，用公式即可以得出纳米颗粒的平均粒度。 电镜： 电镜的缺陷：其实际分辨率达不到理论值 原因：电磁透镜存在像差（几何像差和色差） 几何像差：由透镜磁场几何形状上的缺陷而造成的，包括球差和像散。 球差：由于电磁透镜中心区域和边缘区域磁场强度的差异，从而造成对电子会聚能力不 同而造成的。 像散：由于透镜的磁场轴向不对称所引起的一种像差。 色差：由于成像电子的能量或波长不同而引起的一种像差。 像差的存在使同一物点散射的具有不同能量的电子经透镜后不再会聚于一点，而是在像 面上形成一漫射圆斑。 ●透射电镜（TEM）：1.观察水泥及其原料颗粒表面及聚集体的状态，揭示水泥熟料的微 细结构，研究水泥浆体的断面结构，观察其水化产物、未水化产物及孔的大小、形状和分布 2.黏土矿物的形态和结晶习性对陶瓷至关重要，可用TEM观察陶瓷的显微结构、点阵 缺陷和畸变。 3.TEM广泛应用于金相分析和金属断口分析。 4.TEM可以观察高分子粒子的形状、大小及分布。 ●扫描电镜（SEM）：用于形貌分析（观察粉体表面形貌、材料断面、材料表面形貌）●电子探针（EPMA 配合波谱仪或能谱仪使用）：主要用于材料表面层成分的定性和定 量分析 能谱仪（EDS） 优点：1.分析速度快；2.灵敏度高；3.谱线重复性好 缺点：1.能量分辨率低，峰背比低；2.使用条件苛刻 波谱仪（WDS） 优点：波长分辨率高 缺点：1.为了有足够的色散率，聚焦圆半径需足够大。导致X射线光子收集率低，使其对X射线利用率低 2.X光经衍射后，强度损失大，难以在低束流和低激发强度下使用 热分析 具体的研究内容有：熔化、凝固、升华、蒸发、吸附、解吸、裂解、氧化还原、相图制
《近代材料研究方法1》实验教学大纲 课程名称：《近代材料研究方法》课程编码：050231037 课程类别：专业基础课课程性质：必修 适用专业：无机非金属材料工程、粉体工程 课程总学时：48 实验（上机）计划学时：8 开课单位：材料科学与工程学院 一、大纲编写依据 1、无机非金属材料工程2017版教学计划； 2、无机非金属材料工程专业《近代材料研究方法》理论教学大纲对实验环节的要求； 3、近年来《近代材料研究方法》实验教学经验。 二、实验课程地位及相关课程的联系 1、《近代材料研究方法》是无机非金属材料工程重要的专业基础课程； 2、本实验项目是《近代材料研究方法Ⅲ》课程综合知识的运用； 3、本实验是一门实践性很强的课程，在现代材料研究中，掌握先进的分析仪器和分析手段是非常重要的，可以提高学生分析解决问题能力，动手实验能力，增加学生就业竞争力。 4、本实验以《无机材料科学基础》、《物理化学》、《大学物理》为先修课。 5、本实验对毕业论文等工作具有指导意义。 三、本课程实验目的和任务 1、主要掌握X射线衍射仪、扫描电镜、电子探针、热分析法的基本理论， 2、掌握X射线衍射仪、扫描电镜、电子探针、热分析仪几种仪器的结构和实验方法，了解几种仪器的功能和使用范围，使学生正确选用仪器，获得必要信息。 3、培养学生观察问题、分析问题和独立解决问题的能力。 4、熟悉X射线衍射仪；进行立方晶系物质的指标化和晶格常数的计算。 5、能够对X射线衍射图谱进行标定，能够利用粉末衍射卡片对单相物质进行物相鉴定。 6、了解扫描电镜、电子探针的结构，学会观察二次电子及背反射电子像，掌握电子探针的点、线、面三种分析方法，通过设计性实验训练，使学生初步掌握根据需要选择合适的分析方法。 7、了解热分析仪的基本结构，能够对热分析曲线进行分析与标定。 8、培养正确记录实验数据和现象，正确处理实验数据和分析实验结果的能力以及正确书写实验报告的能力。 四、实验基本要求 1、实验项目的选定依据教学计划对学生工程实践能力培养的要求； 2、巩固和加深学生对X射线衍射、扫描电镜等基础知识的理解，提高学生综合运用所学知识的能力； 3、实验项目要求学生综合掌握本课程基本知识，并运用相关知识自行设计实验方案； 4、通过实验，要求学生做到： 学会根据需要选择分析检测手段； 能够预习实验，自行设计实验方案并撰写实验报告；
材料研究方法作业答案
材料研究方法
第二章思考题与习题 一、判断题 √1．紫外—可见吸收光谱是由于分子中价电子跃迁产生的。 ×2．紫外—可见吸收光谱适合于所有有机化合物的分析。 ×3．摩尔吸收系数的值随着入射波光长的增加而减少。×4．分光光度法中所用的参比溶液总是采用不含待测物质和显色剂的空白溶液。 ×5．人眼能感觉到的光称为可见光，其波长范围是200~400nm。 ×6．分光光度法的测量误差随透射率变化而存在极大值。 √7．引起偏离朗伯—比尔定律的因素主要有化学因素和物理因素，当测量样品的浓度极大时，偏离朗伯—比尔定律的现象较明显。 √8．分光光度法既可用于单组分，也可用于多组分同时测定。 ×9．符合朗伯—比尔定律的有色溶液稀释时，其最大吸
收波长的波长位置向长波方向移动。 ×10．有色物质的最大吸收波长仅与溶液本身的性质有关。 ×11．在分光光度法中，根据在测定条件下吸光度与浓度成正比的比耳定律的结论，被测定溶液浓度越大，吸光度也越大，测定的结果也越准确。（） √12．有机化合物在紫外—可见区的吸收特性，取决于分子可能发生的电子跃迁类型，以及分子结构对这种跃迁的影响。（） ×13．不同波长的电磁波，具有不同的能量，其大小顺序为：微波＞红外光＞可见光＞紫外光＞X射线。（）×14．在紫外光谱中，生色团指的是有颜色并在近紫外和可见区域有特征吸收的基团。（） ×15．区分一化合物究竟是醛还是酮的最好方法是紫外光谱分析。（） ×16．有色化合物溶液的摩尔吸光系数随其浓度的变化而改变。（） ×17．由共轭体系π→π*跃迁产生的吸收带称为K吸收带。（） √18．红外光谱不仅包括振动能级的跃迁，也包括转动能级的跃迁，故又称为振转光谱。（） √19．由于振动能级受分子中其他振动的影响，因此红
一、X 射线谱（连续和特征）X 射线与物质相互作用 1、吸收限及其应用 定义：吸收系数发生突变的波长 激发K 系荧光辐射，光子的能量至少等于激出一个K 层电子所作的功W k h νk = Wk= hc/λk 只有 ν > νk 才能产生光电效应。 所以： λk 从激发荧光辐射角度称为激发限。从吸收角度看称为吸收限。 吸收限λk 的应用 （1）滤波片的选择 主要目的去除k β 原理：选择滤波片物质的λk 介于λ k α 和λk β之间。即Z 滤=Z 靶-1(Z 靶<40) Z 滤=Z 靶-2 (Z 靶>40) （2）阳极靶的选择 (1) Z 靶< Z 试样 (2) 自动滤波 Z 靶＝ Z 试样+1 或 ＋2 (3) Z 靶>> Z 试样最忌Z 靶+1或＋2＝Z 试样 2、X 射线与物质相互作用产生那些信息。 X 射线通过物质，一部分被散射，一部分被吸收，一部分透射。 3、衰减公式I=I 0e -μm ρH 1、衰减公式 相对衰减： μ：线衰减系数负号厚度↑ I ↓ 积分： 为穿透系数 2、衰减系数 1) 线衰减系数 I ：单位时间通过单位面积的能量 μ的物理意义：通过单位体积的相对衰减。 2) 质量衰减系数 X 射线的衰减与物质的密度有关，因此每克物质引起的相对衰减为 μ/ρ= μm H H m e I I ρμ-=0 3) 复杂物质的衰减系数 w ：重量百分比 μm = w 1μm1+ w 2 μm2 + w 3 μm3 +….+ w n μmn 4) μm 与λ、Z 的关系 μm ≈k λ3Z 3 λ<λk 时k=0.007 λ>λk 时 k=0.009 二、晶体学内容 7种晶系、倒易点阵。 晶系 点阵常数间的关系和特点 实例 三斜 单斜 斜方(正交) 正方 立方 六方 菱方 a ≠ b ≠c,α≠β≠γ≠90° a ≠b ≠c,α=β=90°≠γ(第一种) α=γ=90°≠β二种 a ≠b ≠c,α=β=γ=90° a=b ≠c α=β=γ=90° a=b=c α=β=γ=90° a=b ≠c α=β=90γ=120 a=b=c α=β=γ≠ 90° K2CrO7 β-S CaSO 42H 2O Fe 3C TiO 2 NaCl Ni-As Sb,Bi 倒易点阵的定义 若正点阵的基矢为a 、b 、c 。如果假设有一点阵其基矢为a*、b*、c*。两种基矢间存在如下关系： a*·a = b*·b = c*·c =1 a*·b = a*·c = b*·a =b*·c =c*·a =c*·b =0 则称基矢a*、b*、c*所确定的点阵为基矢a 、b 、c 所确定的点阵的倒易点阵。 倒易点阵也可用另一数学公式表达： 晶体点阵中晶包体积为 v =c·(a ?b) 因为:c*·c = 1= v/v 所以：c*·c = c·(a ?b)/v 即：c* =(a ?b)/v 同理：a* =(b ? c)/v b* =(c ? a)/v 任意倒易矢量 g=ha*+kb*+lc*必然垂直于正点阵中的（hkl ）面。 证明：g·AB =g·(OB-OA)=[ha*+kb*+lc*]·(b/k - a/h)=0 所以 g 垂直AB 同理：g 垂直BC 和CA 所以 g 垂直于（hkl ）面。 晶带、晶带轴、晶带面。 dx I dI I I I x x x dx x x ∝=-+dx I dI μ-=??-=H I I dx I dI H 00μH H H e I I H I I μμ-=?-=00 ln H H e I I μ-=0Idx dI -=μ
《近代材料研究方法2 》课程教学大纲课程代码：050332025 课程英文名称：Modern Materials Analysis Methods 适用专业：高分子材料与工程 课程总学时：48 讲课：40 实验：8 上机：0 适用专业：高分子材料与工程 大纲编写（修订）时间：2017.06 一、大纲使用说明 （一）课程的地位及教学目标 近代材料研究方法是高等学校材料类各专业开设的一门培养学生掌握材料现代分析测试方法的专业基础选修课，主要讲授X射线衍射、电子显微分析、热分析、光谱分析和核磁共振的基本知识、基本理论和基本方法，在材料类专业培养计划中，它起到由基础理论课向专业课过渡的承上启下的作用。本课程在教学内容方面除基本知识、基本理论和基本方法的教学外，着重培养学生运用所学知识解决实际问题的能力。 通过本课程的学习，学生将达到以下要求： 1. 掌握X射线衍射分析、透射电子显微分析、扫描电子显微分析、热分析、光谱分析和 核磁共振的基本理论； 2. 掌握材料组成、晶体结构、显微结构等的分析测试方法与技术； 3. 具备根据材料的性质等信息确定分析手段的能力； 4. 具备对检测结果进行标定、分析解释的初步能力。 （二）知识、能力及技能方面的基本要求 1.基本知识：掌握晶体几何学、X射线衍射以及电子显微分析方面的一般知识，了解X射线衍射仪、透射电子显微镜、扫描电子显微镜的工作、热分析、光谱分析和核磁共振原理以及适用范围。 2.基本理论和方法：掌握晶体几何学理论知识（晶体点阵、晶面、晶向、晶面夹角、晶带）；掌握特征X射线的产生机理以及X射线与物质的相互作用；掌握X射线衍射理论基础—布拉格定律；了解影响X射线衍射强度各个因子，掌握结构因子计算以及系统消光规律；掌握物相定性、定量分析原理及方法；掌握利用倒易点阵与厄瓦尔德图解法分析衍射现象；掌握电子衍射的基本理论以及单晶体电子衍射花样的标定方法；掌握表面形貌衬度和原子序数衬度的原理及应用；掌握能谱、波谱分析原理及方法；掌握原子光谱法、分子光谱法、电子能谱分析法、核磁共振、热分析法的基本原理和适用范围；了解相关仪器的主要部件和测试方法；了解质谱分析法和色谱分析法的基本原理和适用范围。。 3.基本技能：具备根据材料的性质等信息正确选用分析手段的能力；具备对检测结果进行标定和分析解释的初步能力；具有利用本课程基本知识进行科学研究的初步能力。能够独立进行X 射线衍射、扫描电镜、透射电镜、紫外-可见光光谱和热分析的样品制备与结果分析。 （三）实施说明 1．教学方法：以基本理论——工作原理——应用及结果分析为主线，对课程中的重点、难点问题着重讲解。由于本课程既具有理论性又具有实践性，因此在教学过程中要注意理论联系实际，通过实例锻炼学生分析解决问题的能力。采用启发式教学，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；注意教授学生学会分析、解决问题的方法。处理好重点与难点，将各种分析方法的实际应用纳入教学过程，使学生能够利用所学知识解决实际问题。通过实例和作业，通过作业调动学生学习的主观能动性，强化学生运用知识的能力，培养自学能力。
2010年同济大学材料学材料研究方法考研试题 1.简述高级晶族、中级晶族、低级晶族中光的传播特点，在光学显微镜下如何区分晶体与非晶质体。 2.特征X射线的产生，性质和应用。【不知此处特征两字是否为误】 3.电子照射在物体表面产生哪些物理信号，并说明其在分析方法中的应用（至少三种）。 4.试推到BRAGG方程，说明其中各字母的意义并讨论其取值范围。【题目中已给图】 5.电子显微分析方法主要有哪些，SEM、TEM的衬度原理并扼要说明其应用。 {选做题} 6.X射线粉末衍射仪的定性分析步骤，并说明其结果影响因素。 7.光谱分析的物理学基础是什么，说明不同频率光与分子的作用及相应分析方法。 8.典型高分子材料的DTA,DSC曲线并解释各个峰的含义。 9.乙醇的NMR图谱并说明表现了什么信息，说明NMR分析的步骤。 10.透射电镜制样的方法及特点。 2009年同济大学材料学材料研究方法考研试题 共出了15道题，让任选10道答题，总分150分 1、简述什么是非均质体光率体，哪些晶系体现了非晶系光率体，光在这些光率体中传播情况如何？ 2、简述特征X射线是如何产生的，以及X射线衍射实验影响因素？ 3、简述扫描电镜工作原理，以及举例说明在材料研究中的应用； 4、写出乙醇的NMR谱图，并说明图谱显示信息，并简述影响核磁共振化学位移的主要因素； 晕了，都想不起来了，一片空白，好好想想。。。。 5、结合自己所学专业已经了解的研究方法和手段，举例说明如何使用此分析方法揭示物质的结构特征（起码要用两种研究手段） 6、简述透射电镜在材料研究中的应用； 7、关于X粉末衍射的原理及应用； 8、驰豫的分类，（后面还有一问想不起来了） 9、如何运用材料研究手段分析玻璃转化，氧化，析晶，热分解，并说明热分析在材料研究中的应用； 07 1．电子束轰击到固体样品表面会产生哪些主要物理信号？研究材料的表面形貌一般收集哪种物理信号？并说明其衬度原理研究材料表面元素分布状况应收集哪些信息，并收明其衬度原理。
核磁共振在分子筛催化剂表征中的研究应用 摘要 核磁共振己经发展成为一种不可取代的工具，它常被用来作为化学分析、结构确定和研究有机、无机以及生物体系的动力学的一种手段。核磁共振通常被用来表征合成产物的结构，是研究催化剂的强有力手段之一。介绍了固体核磁共振的基本原理及魔角旋转、高功率质子去耦、交叉极化、多脉冲同核去耦以及四级核的信号增强等一系列相关操作技术，综述了核磁共振在催化剂表征中的一些研究进展。 关键词：核磁共振；原理；催化剂；谱图表征
Application of NMR in Characterization of Molecular Sieve Catalysts Abstract NMR has evolved into an irreplaceable tool for chemical analysis, structural determination, and study of the dynamics of organic, inorganic, and biological systems. Nuclear magnetic resonance is often used to characterize the structure of synthetic products and is one of the powerful means of studying catalysts. The basic principles of solid-state NMR and the related operating techniques such as magic angle rotation, high power proton decoupling, cross polarization, multi-pulse homonuclear decoupling and four-stage nuclear signal enhancement are introduced. The characterization of NMR in catalysts is reviewed. Some of the research progress. Key words:Nuclear magnetic resonance；Principle；Catalyst；Spectral representation
材料现代分析方法试题7（参考答案） 一、基本概念题（共10题，每题5分） 1．欲用Mo 靶X 射线管激发Cu 的荧光X 射线辐射，所需施加的最低管电压是多少？激发出的荧光辐射的波长是多少？ 答：欲使Cu 样品产生荧光X 射线辐射，V =1240/λCu=1240/0.15418=8042，V =1240/λCu=1240/0.1392218=8907 激发出荧光辐射的波长是0.15418nm 激发出荧光辐射的波长是0.15418nm 2．判别下列哪些晶面属于[-111]晶带：（-1-10），（-2-31），（231），（211），（-101），（1-33），（1-12），（1-32），（0-11），（212）。 答：（-1-10）（321）、（211）、（1- 12）、（-101）、（0- 11）晶面属于[111]晶带，因为它们符合晶带定律：hu+kv+lw=0。答：（-1-10）（321）、（211）、（1-12）、（-101）、（0-11）晶 面属于[111]晶带，因为它们符合晶带定律：hu+kv+lw=0。 3．用单色X 射线照射圆柱多晶体试样，其衍射线在空间将形成什么图案？为摄取德拜图相，应当采用什么样的底片去记录？ 答：用单色X 射线照射圆柱多晶体试样，其衍射线在空间将形成一组锥心角不等的圆锥组成的图案；为摄取德拜图相，应当采用带状的照相底片去记录。 4．洛伦兹因数是表示什么对衍射强度的影响？其表达式是综合了哪几方面考虑而得出的？ 答：洛伦兹因数是表示掠射角对衍射强度的影响。洛伦兹因数表达式是综合了样品中参与衍射的晶粒大小，晶粒的数目和衍射线位置对衍射强度的影响。 5．给出简单立方、面心立方、体心立方以及密排六方晶体结构电子衍射发生消光的晶面指数规律。 答：常见晶体的结构消光规律 简单立方 对指数没有限制（不会产生结构消光） f. c. c h. k. L. 奇偶混合 b. c. c h+k+L=奇数 h. c. p h+2k=3n, 同时L=奇数 体心四方 h+k+L=奇数 6．透射电镜的成像系统的主要构成及特点是什么? k k k V eV hc 24.1==λk eV hc ≤λ
目录 第一章绪论 (2) 第二章光学显微分析 (2) 第3章X射线衍射分析 (5) 第4章电子显微分析 (8) 第5章热分析 (12) 第6章光谱分析 (16) 第7章核磁共振分析 (19) 第8章质谱分析 (21) 第9章材料测试方法的综合应用 (22)
第一章绪论 1. 材料时如何分类的？材料的结构层次有哪些？ 答：材料按化学组成和结构分：金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料 材料的结构层次有：微观结构、亚微观结构、显微结构、宏观结构。 2.材料研究的主要任务和对象是什么？有哪些相应的研究方法？ 答：任务：研究、制造和合理使用各类材料。 研究对象：材料的组成、结构和性能。 研究方法：图像分析法、非图形分析法：衍射法、成分谱分析。 成分谱分析法：光谱、色谱、热谱等； 光谱包括：紫外、红外、拉曼、荧光； 色谱包括：气相、液相、凝胶色谱等； 热谱包括：DSC、DTA等。 3.材料研究方法是如何分类的？如何理解现代研究方法的重要性？ 答：按研究仪器测试的信息形式分为图像分析法和非图形分析法； 按工作原理，前者为显微术，后者为衍射法和成分谱分析。 重要性： 1）理论：新材料的结构鉴定分析； 2）实际应用需要：配方剖析、质量控制、事故分析等。 第二章光学显微分析 1.区分晶体的颜色、多色性及吸收性，为何非均质体矿物晶体具有多色性？ 答：颜色：晶体对白光中七色光波选择吸收的结果。 多色性：由于光波和晶体中的振动方向不同，使晶体颜色发生改变的现象。 吸收性：颜色深浅发生改变的现象称为吸收性。 光波射入非均质矿物晶体时，振动方向是不同的，折射率也是不同的，因此
材料研究方法
第二章思考题与习题 一、判断题 √1．紫外—可见吸收光谱是由于分子中价电子跃迁产生的。 ×2．紫外—可见吸收光谱适合于所有有机化合物的分析。 ×3．摩尔吸收系数的值随着入射波光长的增加而减少。 ×4．分光光度法中所用的参比溶液总是采用不含待测物质和显色剂的空白溶液。 ×5．人眼能感觉到的光称为可见光，其波长范围是200~400nm。 ×6．分光光度法的测量误差随透射率变化而存在极大值。 √7．引起偏离朗伯—比尔定律的因素主要有化学因素和物理因素，当测量样品的浓度极大时，偏离朗伯—比尔定律的现象较明显。 √8．分光光度法既可用于单组分，也可用于多组分同时测定。 ×9．符合朗伯—比尔定律的有色溶液稀释时，其最大吸收波长的波长位置向长波方向移动。 ×10．有色物质的最大吸收波长仅与溶液本身的性质有关。 ×11．在分光光度法中，根据在测定条件下吸光度与浓度成正比的比耳定律的结论，被测定溶液浓度越大，吸光度也越大，测定的结果也越准确。（） √12．有机化合物在紫外—可见区的吸收特性，取决于分子可能发生的电子跃迁类型，以及分子结构对这种跃迁的影响。（） ×13．不同波长的电磁波，具有不同的能量，其大小顺序为：微波＞红外光＞可见光＞紫外光＞X射线。（） ×14．在紫外光谱中，生色团指的是有颜色并在近紫外和可见区域有特征吸收的基团。（） ×15．区分一化合物究竟是醛还是酮的最好方法是紫外光谱分析。（） ×16．有色化合物溶液的摩尔吸光系数随其浓度的变化而改变。（） ×17．由共轭体系π→π*跃迁产生的吸收带称为K吸收带。（） √18．红外光谱不仅包括振动能级的跃迁，也包括转动能级的跃迁，故又称为振转光谱。（） √19．由于振动能级受分子中其他振动的影响，因此红外光谱中出现振动偶合谱带。（） ×20．确定某一化合物骨架结构的合理方法是红外光谱分析法。（） ×21．对称分子结构，如H2O分子，没有红外活性。（） √22．分子中必须具有红外活性振动是分子产生红外吸收的必备条件之一。（） √23．红外光谱中，不同化合物中相同基团的特征频率总是在特定波长范围内出现，故可以根据红外光谱中的特征频率峰来确定化合物中该基团的存在。（） ×24．不考虑其他因素的影响，下列羰基化合物的大小顺序为：酰卤＞酰胺＞酸＞醛＞酯。（） √25．傅里叶变换型红外光谱仪与色散型红外光谱仪的主要差别在于它有干涉仪和计算机部件。（）√26．当分子受到红外光激发，其振动能级发生跃迁时，化学键越强吸收的光子数目越多。（） ×27．游离有机酸C=O伸缩振动v C=O频率一般出现在1760cm-1，但形成多聚体时，吸收频率会向高波数移动。（） 二、选择题 1．在一定波长处，用2.0 cm吸收池测得某试液的百分透光度为71%，若改用3.0 cm吸 收池时，该试液的吸光度A为（B） （A）0.10 （B）0.22 （C）0.45 2．某化合物浓度为c1，在波长λ1处，用厚度为1 cm的吸收池测量，求得摩尔吸收系数为ε1，在浓度为3 c1时，在波长λ1处，用厚度为3 cm的吸收池测量，求得摩尔吸收系数为ε2。则它们的关系是（A）（A）ε1=ε2（B）ε2=3ε1（C）ε2＞ε1
紫外光谱、荧光光谱在材料研究中的应用 1、分子内的电子跃迁有哪几种，分别属于什么吸收带，吸收最强的跃迁是什么跃 迁？ 答：电子类型：形成单键的σ电子；形成双键的π电子；未成对的孤对电子n电子。 轨道类型：成键轨道σ、π；反键轨道σ*、π* ；非键轨道n。 σ-σ* 跃迁k max3104强吸收带 n-σ*跃迁实现这类跃迁所需要的能量较高 n →π*跃迁k max＜100 平均寿命10-5~10-7sec R吸收带 π→π*跃迁k max≥104 平均寿命10-7~10-9sec k S → T小K吸收带 PS:R、K、B、E四带 1）R 吸收带：n→π*跃迁，弱吸收，k ＜102 2）K 吸收带：π→π*跃迁，强吸收，共轭分子的特征吸收带，k > 104 3）B吸收带：π→π*跃迁，中吸收，苯环及杂环的特征谱带； 4）E 吸收带：π→π*跃迁，强吸收，芳香族化合物的特征谱带 π-π*迁移跃迁产生的谱带强度最大，n-σ*跃迁产生的谱带强度次之，配位跃迁的谱带强度最小。 2、紫外可见吸收光谱在胶体的研究中有重要作用，请举出三个例子来说明，结合 散射现象来讨论二氧化钛胶体和粉末漫反射光谱的差异。 答：
1）、胶体具有稳定性，尤其是稀释后稳定性； 2）、胶粒对可见光的散射； 3）、测定消光（包括吸收、散射、漫反射等对光强度造成的损失） 4）、稀释条件下，胶粒尺寸小于光波长的1/20，瑞利散射可忽略。 4）、估算晶粒的大小。 例1：二氧化硅在紫外区也是透明的,为何其胶体在紫外区有吸收? SiO2直径387nm，在300nm下被吸收因而发生了消光呈现透明的，而起溶胶颗粒会发生散射，因而使得在紫外区有吸收。 例2：TiO2溶胶从a-d进行稀释，我们可以看到起吸光度逐渐减少，这是由于稀释后散射减小所致，而由于溶胶的胶粒的散射使得其吸光度增大。 例3：CdSe, CdS等量子点不做TEM和HRTEM,依靠吸收光谱中尺寸效应的规律来判断晶粒尺寸大小。反应时间越长，颗粒尺寸越大。 差异：当测定二氧化钛的溶胶时，按晶粒尺寸的不同，分为两种情况： 1）当胶体很小，d＜λ/20时，瑞利散射可以忽略，吸收光谱与粉末的漫反射光谱接近。 2）当胶体较大，d＞λ/20时，散射就会十分明显，在可见光区有吸收，这样获得是一个消光光谱，而不是吸收光谱，无法测得λonset。 用积分球测试粉末漫反射光谱可以克服上述缺点，得到一个较好的吸收光谱。
本科生实验报告 实验课程材料研究方法与分析测试实验 学院名称材料与化学化工学院 专业名称材料科学与工程(无机非金属方向) 学生姓名 学生学号 指导教师 实验地点 实验成绩 二〇一四年12月15日——二〇一五年12月19日
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实验一扫描电镜实验（SEM） 一、实验目的 1、了解扫描电子显微镜的原理、结构； 2、运用扫描电子显微镜进行样品微观形貌观察。 二、实验原理 扫描电镜（SEM）是用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像。试样为块状或粉末颗粒，成像信号可以是二次电子、背散射电子或吸收电子。其中二次电子是最主要的成像信号。由电子枪发射的电子，以其交叉斑作为电子源，经二级聚光镜及物镜的缩小形成具有一定能量、一定束流强度和束斑直径的微细电子束，在扫描线圈驱动下，于试样表面按一定时间、空间顺序作栅网式扫描。聚焦电子束与试样相互作用，产生二次电子发射以及背散射电子等物理信号，二次电子发射量随试样表面形貌而变化。二次电子信号被探测器收集转换成电讯号，经视频放大后输入到显像管栅极，调制与入射电子束同步扫描的显像管亮度，得到反映试样表面形貌的二次电子像。扫描电镜由下列五部分组成，如图1（a）所示。各部分主要作用简介如下：
同济大学材料学院材料学专业——2007年真题及解析 科目一：代码：821 科目名称：材料研究方法 北京万学教育科技有限公司
考试年份：2007 招生专业：材料学 研究方向： 01高性能水泥基材料 02智能材料 03新型建筑材料 04生态环境材料 05无机功能材料 06高分子功能材料 07高分子材料改性 08生物医用材料 09金属功能材料 10纳米材料 11材料体系分析与建模方法 一、真题 1．电子束轰击到固体样品表面会产生哪些主要物理信号？研究材料的表面形貌一般收集哪种物理信号？并说明其衬度原理研究材料表面元素分原布状况应收集哪些信息，并收明其衬度理。 2．简述DSC的种类和定量热分析原理，举例说明其在材料研究领域的应用。 3．请详述电子衍射和X射线衍射的异同点。 4．请说述电子探针中波谱的原理和应用，并简述波谱与能谱在应用方面的异同。 5．写出布拉格方程，分析物质产生X衍射的充要条件，简述X射线粉末衍射物相鉴定过程。请说明样品制备对物相鉴定的影响。 6．简述特征X射线的产生，性质和应用。 7．简述红外光谱用于分子结构分析的基础，说明其应用。 8．采用何种手段可以研究高分子材料的结晶。 9．聚合物的填充改性及共混是高分子材料改的常用手段，如何研究无机填充材料在高聚物基体中的分布情况？如何研究共混物中各相的形态？ 第 1 页共10 页
10．核磁共振谱中不同质子产生不同化学位移的根本原因是什么？化学位移的主要影响因素有哪些？核磁共振谱中的信号强度可以提供何种信息？ 11．请详细描述金相试样的制备过程，并画出碳马氏体和高碳马氏体的组织示意图，解释其区别。 12．举例说明透射电镜在金属材料研究方面的应用，说明其原理。 13．制备金属材料透射电子显微镜试样时一般采用双喷法制样，请详述其原理。 14．请详述多晶，非晶，纳米晶体材料在透射电子显微镜选区稍微图像中的区别。 15．拟定方案，解决玻璃体内夹杂物的鉴定。 16．采用合适的现代技术表征法分析硅酸盐水泥水化进程，请简要评述你给出的方法。 17．叙述X射线粉末衍射分析无机材料的方法有哪几种，并加以评述。 18．请简要叙述布拉格方程在材料微观结构分析和表征领域中的应用。 二、解析 1．电子束轰击到固体样品表面会产生哪些主要物理信号？研究材料的表面形貌一般收集哪种物理信号？并说明其衬度原理研究材料表面元素分原布状况应收集哪些信息，并收明其衬度理。 1.参考答案： 主要物理信号：1.背散射电子 2. 二次电子 3. 吸收电子 4. 透射电子 5. 特征X射线 6.俄歇电子 研究表面形貌的信号： 1.背散射电子 2. 二次电子6.俄歇电子 研究表面元素分布应选择背散射电子，应为其对元素的变化比较敏感。 试题解析： 2.知识点：电子与物体的相互作用 3.答题思路：简述个知识点 历年考频：此考点在近五年中共出现3分别为：04，06，07年。 2．简述DSC的种类和定量热分析原理，举例说明其在材料研究领域的应用。 1.参考答案： DSC分为两种。分别为功率补偿型和热流型 原理：：DSC技术是在程序控制温度下，测量输入到试样和参比物的能量差随温度或时间变化的一种技术。 差示扫描量热分析法就是为克服差热分析在定量测定上存在的这些不足而发展起来的一种新的热分析技术。该法通过对试样因发生热效应而发生的能量变化进行及时的应有的补偿，保持试样与参比物之间温度始终保持相同，无温差、无热传递，使热损失小，检测信号大。因此在灵敏度和精度方面都大有提高。 DSC技术的特点：由于试样用量少，试样内的温度梯度较小且气体的扩散阻力下降，对于功率补偿型DSC有热阻影响小的特点。 应用：1.纯度分析 2.定量分析 3.纯度分析 4.比热容测定 第 2 页共10 页
环境扫描电子显微镜的原理及应用 摘要：本文简单介绍了构成环境扫描电镜(ESEM)的多级真空系统和气体二次电子探测器,描述了ESEM的基本工作原理。指出环境扫描电镜在材料科学研究中的独特作用、适用领域,并列举了若干应用实例。 关键词：环境扫描电子显微镜；材料科学;在线研究 保证电子显微镜电子光学系统正常工作,又同时在样品室中创造出保持样品原貌,开展在线分析的环境条件是电子显微分析技术面临的课题。这方面最早的尝试性工作是在透射电镜上开展的,Ardenne等人用对电子透明的薄膜将TEM的样品封装起来,使其与真空隔离,达到了检测有生命物质、活体孢子和跟踪化学反应[1~3]过程的目的。20世纪80年代Danilatos[4,5]等学者研制成功环境扫描电子显微镜(ESEM)。在ESEM样品室内可以安装低温、高温、拉伸、弯曲样品台,微型注射器,还可以向室内通入各种气体,从而模拟出样品所处的真实环境或创建出各种实验条件。如可通过调节水蒸汽的压力和温度使水处在气液平衡状态,保证实验过程中样品不会因脱水而变形。所以到目前为止,ESEM较多地应用于生物、环境研究领域。 1 环境扫描电镜工作原理及特点 一般认为,电子显微镜只有在高真空条件才能工作,否则会出现以下问题：1)气体电离产生高压放电；2)电子被气体分子散射而不能聚焦；3)电子枪灯丝因高温氧化而降低寿命。但有些样品如生物、高聚物材料在真空条件下会收缩、脱水、脱油、变形,有些样品会脱气(尤其在高温时)破坏真空。在一些在线过程的微观研究中,为了真实地反映样品表面物理化学状态和动态特性,也需要在样品室内保持反应气体的分压,调节湿度和温度。 ESEM采用多重限压光阑形成多级真空系统,如图1。样品室、光路和电子枪室的真空度P0、P1和P2分别相差一至两个数量级,当样品室处于低真空时(10~2000Pa),电子枪和镜筒部分保持高真空状态(分别为10-3Pa和10-2Pa),使得电子枪和电子光学系统能正常工作。
材料研究方法复习 1．X射线的本质是什么？是谁首先发现了X射线，谁揭示了X射线的本质？ 本质是一种波长很短的电磁波，其波长介于0.01-1000A。1895年由德国物理学家伦琴首先发现了X射线，1912年由德国物理学家laue揭示了X射线本质。 2．试述连续X射线谱与特征X射线谱产生的机理 连续X射线谱:从阴极发出的电子经高压加速到达阳极靶材时，由于单位时间内到达的电子数目极大，而且达到靶材的时间和条件各不相同，并且大多数电子要经过多次碰撞，能量逐步损失掉，因而出现连续变化的波长谱。 特征X射线谱: 从阴极发出的电子在高压加速后，如果电子的能量足够大而将阳极靶原子中内层电子击出留下空位，原子中其他层电子就会跃迁以填补该空位，同时将多余的能量以X射线光子的形式释放出来，结果得到具有固定能量，频率或固定波长的特征X射线。 4. 连续X射线谱强度随管电压、管电流和阳极材料原子序数的变化规律？ 发生管中的总光子数(即连续X射线的强度)与: 1 阳极原子数Z成正比; 2 与灯丝电流i成正比; 3 与电压V二次方成正比: I 正比于i Z V2 可见，连续X射线的总能量随管电流、阳极靶原子序数和管电压的增加而增大 5. Kα线和Kβ线相比，谁的波长短？谁的强度高？ Kβ线比Kα线的波长短，强度弱 8. X射线强度衰减规律是什么？质量吸收系数的计算？ X射线通过整个物质厚度的衰减规律： I/I0 = exp(-μx)
式中I/I0称为X射线穿透系数，I/I0 ＜1。I/I0愈小,表示x射线被衰减的程度愈大。μ为线性吸收系数 吸收常用质量吸收系数μm表示，μm＝μ/ρ 如果材料中含多种元素，则μm＝Σμmi w i其中w i为质量分数 9．下列哪些晶面属于[111]晶带？ （111）、（3 21）、（231）、（211）、（101）、（101）、（133），（-1-10），（1-12）， （1- 32），（0-11），（212），为什么？ 晶面（crystal plane）——晶体结构一系列原子所构成的平面。 在晶体中如果许多晶面同时平行于一个轴向,前者总称为一个晶带,后者为晶带轴。 hu+kv+lw=0 与[111]晶带垂直，彼此相互平行 10．下面是某立方晶系物质的几个晶面，试将它们的面间距从大到小按次序 重新排列：（12- 3），（100），（200），（ - 311），（121），（111），（-210），（220），（130）， （030），（2- 21），（110）。 参考ch7-2-XRD P37 12. X射线衍射与可见光反射的差异 可见光的反射只是物体表面上的光学现象，而衍射是一定厚度内许多相同间距的晶面共同作用的结果； 可见光在任意入射角方向都能产生反射，而X射线只能在有限的布拉格方向发生反射。因此X射线的反射是选择性的反射。 13. 请问是hkl值大的还是小的面网容易出现衍射？要使某个晶体的衍射数 量增加，你选长波的X射线还是短波的？ 2dsinθ=nλ，hkl小，则d hkl大，，可观测衍射线多，因此~~ 由于s inθ<1 所以要产生衍射，必须有d >λ/2 用短波的X射线 14. 布拉格方程2dsinθ=λ中的d、θ、λ分别表示什么？布拉格方程式有何 用途？
材料研究方法（王培铭，许乾慰） 第二章光学显微分析 2什么是贝克线？此移动规律如何？有什么作用？ 贝克线：在轮廓附近可以看到一条比较明亮的细线，当升降镜筒时，亮线发生移动，这条较亮的细线称为贝克线。 提升镜筒，贝克线向折射率大的介质移动。 可以比较相邻两晶体折射率的相对大小 3什么是晶体的糙面、突起、闪突起？决定晶体糙面和突起等级的因素是什么？ 在但偏光镜下观察晶体表面时，可发现某些晶体表面较为光滑，某些晶体表面显得粗糙呈麻点状，这种现象称为糙面；某些晶体显得高些某些晶体显得低平一些，这种现象称为突起；双折射率很大的晶体，在单偏光镜下，旋转物台，突起高低发生明显变化，这种现象称为闪突起 因素是周围树胶折射率的不同引起的 4什么叫干涉色？影响晶体干涉色的因素有那些？ 有七种单色光的明暗条纹相互叠加而形成的光程差相对应的特殊混合色，称为干涉色，他是有白光干涉而成。 第一是光程差第二是光片厚度第三是双折射率的大小 11 如何提高光学显微镜分析的分辨能力？ 第一：波长更短的照明光源 第二：选用折射率大的材料 12 阐述光学显微分析用光片制备方法 1 取样：取样应该具有代表性，不仅包括研究的对象而且包括研究的特殊条件 2 镶嵌：对于一些形状特殊或尺寸细小而不宜握持的样品，需进行样品镶嵌。 3磨光：去除取样时引入的样品表层损伤，获得平整光滑的样品表面 4抛光：去除细磨痕，以获得平滑无疵的镜面并去除样品表层，得以观察样品的显微组织 5浸蚀：清晰的看到样品的显微结构 13分析近场光学显微分析的原理及与传统光学显微分析技术的异同 原理：用纳米局域光源在纳米尺度的近场距离内照明样品，然后由光电接收器接受这些信号，再借助计算机才能把来自样品各点的局域光信号勾画出样品的图像。 异同：照明光源的尺度和照明方法：传统光学显微镜用扩展光源在远场照明样品，近场光