当前位置：文档之家 › 材料显微结构分析方法——清华大学研究生课程

材料显微结构分析方法——清华大学研究生课程

  • 格式：ppt
  • 大小：2.94 MB
  • 文档页数：32

下载文档原格式

  / 32

合集下载

[课件]清华大学材料分析-2005-05结构分析PPT

[课件]清华大学材料分析-2005-05结构分析PPT
X射线是利用一种类似 热阴极二极管的装置 X射线是高速电子与原 子核碰撞所产生的。 X射线的波粒两象性 0.001－10nm
表面与材料实验室



清华大学化学系
图2 X射线管剖面示意图
5
X-射线
灯丝
金属聚焦罩
出口 冷却水 进口 接灯丝及负高压电源
电子 金属阳极(靶)
X-射线
铍窗
玻璃或陶瓷外壳
清华大学化学系
表面与材料实验室 7


清华大学化学系
连续X射线谱

射线谱射线强度波长的关系如图 所示
X射线谱由连续谱和特征谱组成.


连续谱，又称白色X射线，它包括 一个连续的X射线波长范围，有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。
清华大学化学系 表面与材料实验室 15

X射线的吸收

X射线将被物质吸收，吸收的实质是发生能量转换。这种能量 转换主要包括光电效应和俄歇效应。 光电效应 ：当入射X光子的能量足够大时，还可将原子内层 电子击出使其成为光电子。被打掉了内层电子的受激原子将 产生外层电子向内层跃迁的过程，同时辐射出一定波长的特 征X射线。为区别于电子击靶时产生的特征辐射，由X射线发 出的特征辐射称为二次特征辐射，也称为荧光辐射。 俄歇效应：如果原子K层电子被击出，L层电子向K层跃迁， 其能量差不是以产生K系X射线光量子的形式释放，而是被邻 近电子所吸收，使这个电子受激发而逸出原子成为自由电子----俄歇电子。
表面与材料实验室 2
清华大学化学系
X射线衍射分析
发展历史

1895年发现 X射线 1912年劳厄发现了X射线通过晶体时产生衍射现象，证明 了X射线的波动性和晶体内部结构的周期性 1912年 ，小布拉格成功地解释了劳厄的实验事实。解释 了X射线晶体衍射的形成，并提出了著名的布拉格公式： 2dsinθ＝nλ ，表明用X射线可以获取晶体结构的信息。 1913年老布拉格设计出第一台X射线分光计，并发现了特 征X射线以及成功地测定出了金刚石的晶体结构

高分子材料研究方法显微分析法

高分子材料研究方法显微分析法

电镜的三要素
分辨率

0.61 n sin
放大倍数：肉眼分辨率（0.2 mm）与电镜分 辨率（0.2nm) 的比值，106以上 衬度：分析TEM图像时亮和暗的差别，又称反 差。与样品的特性有关。 高分子电镜图像的衬度主要是吸收衬度，取决于样 品各处参与成像的电子数目的差别。电子数目越多， 散射越强，透射电子愈少，图像就越暗。
光学显微镜可用于研究透明与不透明材材料的形 态结构，虽然近代测试技术，特别是电子显微镜 的问世，提供了强有力的形态观测手段，但作为 直观、简单方便、价格相对低廉的实验室仪器， 其有着其它仪器不可替代的优势，在高分子材料 科学的研究中应用十分广泛。
第一节 光学显微镜的结构原理与分类
光学显微镜的发展史
按光源分 普通白光显微镜：自然光、可见光 红外光显微镜：与红外光谱联用作微区定性定量分析
紫外光显微镜：以紫外线或近紫外为光源
X射线显微镜：以X射线为光源，分辨率极高 For Polymer：
偏光显微镜、干涉显微镜、相差显微镜、金相显微镜
偏光显微镜的结构及原理
黑十字消光原理
相差显微镜 在普通光学显微镜基础上加两个部件：光 源与聚光镜之间环状光栏，在玻璃片上喷 涂金属漆借以挡光，只留下环形透光窄缝， 物镜的后焦面处插入位相板，产生相位差。
Ernst Ruska(1986 Nobel Prize)
透射电镜的结构
透射电镜的明、暗场及衍射模式
透射电镜的功能及发展
从1934年第一台透射电子显微镜诞生以来，75 年的时间里它得到了长足的发展。这些发展主 要集中在三个方面。 •透射电子显微镜的功能的扩展； •分辨率的不断提高（ HREM ）； •将计算机和微电子技术应用于控制系统、观察 与记录系统等。

清华大学.材料显微结构分析.01-基础 参考法无标计算吸收系数法

清华大学.材料显微结构分析.01-基础 参考法无标计算吸收系数法

那么有：
i


ki Ii

n j 1
Ij kj
1
…… (11)
(11)式即为参考强度法(绝热法) 的基本公式。
式中的Ii和各Ij由实验可得，关键是求ki和各kj值。
求 ki 和各 kj
*选择Corundun刚玉(Al2O3)作为统一的标准物质， 予先确定各种物质的kj (相对值)原理：
a=b≠c α=β= 90ºγ=120 º
a=b=c
α=β=γ≠90º
a≠b≠c α=γ= 90º β ≠ 90º
a≠b≠c α ≠ β ≠ γ ≠ 90º
**十四种布拉维点阵
晶系
点阵类型
简单
立方晶系 简单 体心 面心
四方晶系
简单 体心
体心
正交晶系 简单 体心 面心 底心
六方晶系
简单
面心
菱方晶系
简单

i1 mi 1
I ij I is
is
0
有： n
is ij
1 j
…… (2) …… (3) …… (4) …… (5)
(5)代入(4)整理:
1s

I1s I1 j

Iij Iis
is ij
(5)
1 j
(4) n
I1s

mi ij1s
i 1
I1 j
n
mi is1 j
i 1
整理:
n

但是通式： I j k j j 仍然成立， Is ks s
那么： s以冲消剂 f(wt%为f )加入待测试样，
均混则有：
j

清华大学.材料显微结构分析.06-微晶尺寸的XRD测定

清华大学.材料显微结构分析.06-微晶尺寸的XRD测定

材料显微结构分析方法清华大学研究生课程二i iiiii β三IV.电子束与物质的互作用一1.①②③非弹性散射产物形貌二次电子俄歇电子连续与特征X 线长波辐射（红外,可见,紫外）等离子激光(plasma)电子－空穴对晶格振动（声子）内电磁场电子结构晶体结构成份分析XRD XRF 不同深度成份分析(Anger 谱仪)形貌(SEM)可能获得信息3. 散射截面Q（或σ）表征物质对电子的散射能力Q＝N/n t n i cm2N:单位体积内电子发生散射的次数n t:单位体积内物质的粒子数n i:单位面积内的入射电子数Q：相当于发生散射的几率，即相当于一个给定的互作用的有效原子截面。

n t =ρN o /A设在dx=λ自由程内，则Q =(1/λ)/(ρN o /A )平均一个电子只发生一次散射。

或λ＝A /(N o ρQ )n i =1 N =1/λ1/λ=1/λa + 1/λb + 1/λc + …cm -1平均自由程:Q ＝N/n t n i cm 2二Z E三2. η的影响因素：数目对Z 敏感，(1) 原子序数对多元素试样：3724103.81086.1016.00254.0Z Z Z −−×+×−+−=η∑=iii mix C ηηBS e 即表明(2)入射电子能量η受影响不大→可多次反射→更多机会被散射（从试样中逸出）→穿透深度深→不易被散射（从试样中逸出）B E Q 在SEM 中作为元素相分析的一种依据。

2.δϕ材料显微结构分析X 光化学分析一XRF激发源:一次X-Raye 束EPMA不必导电，液体可试样：微区导电或镀膜Be 4-U 92相对较低，几百ppm ；绝对较高，10－13－10－14g少量到百分之百可，必须校正照射区域：检测范围：含量限制：灵敏度：定量分析：展谱方式：大面积F 9－U 92 (C 6)相对较高,几-几十ppm ；绝对较低。

微量到百分之百WDS 或EDS二分光晶体：EPMA探测器R*晶体分光优点：分辨率高1. 分光系统复杂晶体分光缺点：2. 元素逐一检测3. 总的灵敏度不高：XRD效率低；进到计数器就更低；立体角小。

材料微结构分析方法研究生SEM课件

材料微结构分析方法研究生SEM课件


电子显微镜的分辨本领虽已远胜于光 学显微镜，但电子显微镜因需在真空 条件下工作，所以很难观察活的生物， 而且电子束的照射也会使生物样品受 到辐照损伤。

分辨能力是电子显微镜的重要指标， 它与透过样品的电子束入射锥角和波 长有关。可见光的波长约为300～700 纳米，而电子束的波长与加速电压有 关。当加速电压为50～100千伏时， 电子束波长约为0.0053～0.0037纳 米。由于电子束的波长远远小于可见 光的波长，所以即使电子束的锥角仅 为光学显微镜的1％，电子显微镜的分 辨本领仍远远优于光学显微镜。




成像系统
电子经过一系列电磁透镜成束后，打到样品上 与样品相互作用，会产生二次电子、背散射电子、 俄偕电子以及特征X射线等一系列信号。所以需要不 同的探测器。

如二次电子吸收探测器、背散射电子吸收探测器、 X射线能谱分析仪等来区分这些信号以获得所需要的 信息。虽然X射线信号不能用于成象，但可用于测定 材料的化学组成。 有些探测器造价昂贵，这时，可以使用次级电子 探测器代替，但需要设定一个偏压电场以筛除次级 电子。

作用体积
电子束不仅仅与样品表层原子发生作用，它实际 上与一定厚度范围内的样品原子发生作用，所以存 在一个作用“体积”。 作用体积的厚度因信号的不同而不同： 欧革电子：0.5～2纳米。 次级电子：5λ，对于导体，λ=1纳米；对于绝缘体， λ=10纳米。 背散射电子：10倍于次级电子。 特征X射线：微米级。 X射线连续谱：略大于特征X射线，也在微米级。

六硼化镧枪寿命介于场致发射电子枪与钨 枪之间，为200～1000小时，价格约为钨 枪的十倍，图像比钨枪明亮5～10倍，需要 略高于钨枪的真空，一般在10-7torr以上； 但比钨枪容易产生过度饱和和热激发问题。

清华大学材料专业培养计划

清华大学材料专业培养计划

材料学院材料科学与工程专业博士生培养方案（自2013级执行）一、适用学科、专业：材料科学与工程（一级学科，工学门类）●材料物理与化学（二级学科、专业）●材料学（二级学科、专业）●材料加工工程（二级学科、专业）二、培养方式1. 实行导师负责制。

必要时可设副导师，鼓励组成指导小组集体指导。

跨学科或交叉学科培养博士生时，应从相关学科中聘请副导师协助指导。

2. 博士生应在导师指导下，学习有关课程，查阅文献资料，参加学术交流，确定具体课题，独立从事科学研究，取得创新性成果。

三、知识结构及课程学习的基本要求1. 知识结构的基本要求要掌握本门学科坚实宽广的基础理论和系统深入的专业知识；要注意拓宽知识面，加强知识的综合性、前沿性和交叉性要求，为学位论文工作的创新性研究打下必要的基础。

2. 课程学习及学分组成A. 普通博士生攻读博士学位期间，需获得学位要求学分不少于14 ，其中公共必修课程 4 学分，学科专业要求课程学分不少于5 ，必修环节 5 学分。

选修或补修课程学分计入非学位要求学分。

课程设置见附录。

B．直博生攻读博士学位期间，需获得学位要求学分不少于30 ，其中公共必修课程学分不少于5，学科专业要求课程学分不少于20 ，必修环节 5 学分，考试学分不少于23 。

选修或补修课程学分计入非学位要求学分。

课设置见附录。

四、主要培养环节及有关要求1. 制定个人培养计划：博士生入学后三个月内，在导师指导下完成个人培养计划。

内容包括：研究方向、课程学习、文献阅读、选题报告、科学研究、学术交流、学位论文及实践环节等方面的要求和进度计划。

2. 文献阅读与选题报告资格考试通过后才能作选题报告。

博士生入学后一年左右应完成选题报告，最迟要在第三学期初完成。

选题报告由书面报告和口头报告组成。

书面报告与口头报告的要求见有关规定。

3. 资格考试每年春秋季学期开学后第二周进行，具体时间另定。

由院与学科方向组织两级资格考试委员会。

入学一个学期后才能也必须参加资格考试。

清华大学.材料显微结构分析.06-微晶尺寸的XRD测定

清华大学.材料显微结构分析.06-微晶尺寸的XRD测定

材料显微结构分析方法清华大学研究生课程二i iiiii β三IV.电子束与物质的互作用一1.①②③非弹性散射产物形貌二次电子俄歇电子连续与特征X 线长波辐射（红外,可见,紫外）等离子激光(plasma)电子－空穴对晶格振动（声子）内电磁场电子结构晶体结构成份分析XRD XRF 不同深度成份分析(Anger 谱仪)形貌(SEM)可能获得信息3. 散射截面Q（或σ）表征物质对电子的散射能力Q＝N/n t n i cm2N:单位体积内电子发生散射的次数n t:单位体积内物质的粒子数n i:单位面积内的入射电子数Q：相当于发生散射的几率，即相当于一个给定的互作用的有效原子截面。

n t =ρN o /A设在dx=λ自由程内，则Q =(1/λ)/(ρN o /A )平均一个电子只发生一次散射。

或λ＝A /(N o ρQ )n i =1 N =1/λ1/λ=1/λa + 1/λb + 1/λc + …cm -1平均自由程:Q ＝N/n t n i cm 2二Z E三2. η的影响因素：数目对Z 敏感，(1) 原子序数对多元素试样：3724103.81086.1016.00254.0Z Z Z −−×+×−+−=η∑=iii mix C ηηBS e 即表明(2)入射电子能量η受影响不大→可多次反射→更多机会被散射（从试样中逸出）→穿透深度深→不易被散射（从试样中逸出）B E Q 在SEM 中作为元素相分析的一种依据。

2.δϕ材料显微结构分析X 光化学分析一XRF激发源:一次X-Raye 束EPMA不必导电，液体可试样：微区导电或镀膜Be 4-U 92相对较低，几百ppm ；绝对较高，10－13－10－14g少量到百分之百可，必须校正照射区域：检测范围：含量限制：灵敏度：定量分析：展谱方式：大面积F 9－U 92 (C 6)相对较高,几-几十ppm ；绝对较低。

微量到百分之百WDS 或EDS二分光晶体：EPMA探测器R*晶体分光优点：分辨率高1. 分光系统复杂晶体分光缺点：2. 元素逐一检测3. 总的灵敏度不高：XRD效率低；进到计数器就更低；立体角小。

【课件】TEM(清华大学)

【课件】TEM(清华大学)

清华大学化学系
表面与材料实验室
25
电子衍射
• 所用的电子束能量在102～106eV的范围内。 • 电子衍射与X射线一样，也遵循布拉格方程。
• 电子束衍射的角度小，测量精度差。测量晶体 结构不如XRD。
• 电子束很细，适合作微区分析 • 因此，主要用于确定物相以及它们与基体的取 向关系以及材料中的结构缺陷等。
• 在样品表面滴上一滴丙酮，然后用AC纸贴在样品表面， 不留气泡，待干后取下。反复多次清除样品表面的腐 蚀物以及污染物。最后一张AC纸就是需要的塑料一级 复型。 • 把复型纸的复型面朝上固定在衬纸上。利用真空镀膜 的方法蒸镀上重金属，最后再蒸镀上一层碳，获得复 合复型。
• 将复合复型剪成直径3mm的小片，放置到丙酮溶液中， 待醋酸纤维素溶解后，用铜网将碳膜捞起。经干燥后， 样品就可以进行分析了。详细过程见图。
• 每一振幅极大值都可看作是次级相 干波源，由它们发出的波在像平面 上相干成像，这就是阿贝光栅成像 原理。
清华大学化学系
表面与材料实验室
5
与光学显微镜的比较
• 光学显微镜的分辨率不可能高于200nm，限制因素是光波 的波长。 • 加速电压为100 KV的电子束的波长是0.0037nm。最小分 辨率可达0.002nm左右，因此，电子波的波长不是分辨率 的限制因素。球差和色差是分辨率的主要限制因素。 • 透射电镜可以获得很高的放大倍数150万倍。可以获得原 子象。
• 对于透射电镜常用的加速电压100KV，如果样品是金 属其平均原子序数在Cr的原子附近，因此适宜的样品 厚度约200纳米。
清华大学化学系 表面与材料实验室 13
样品制备
• 对于块体样品表面复型技术和样品减薄技术是制 备的主要方法。 • 对于粉体样品，可以采用超声波分散的方法制备 样品。 • 对于液体样品或分散样品可以直接滴加在Cu网上；

材料的成分分析与结构分析

材料的成分分析与结构分析

材料分析化学材料分析序言Array朱永法*******************电话：62783586 传真：62787601第1章序言材料科学的发展趋势⏹从简单物质到复杂物质⏹从简单结构到结构控制⏹从粉体材料到器件材料⏹从块体材料到薄膜材料⏹从纯物质到复合，掺杂材料⏹从宏观到微观的纳米材料⏹从单功能到多功能和智能材料材料科学涉及的领域⏹电子器件⏹功能材料⏹结构材料⏹纳米材料⏹环境材料⏹化学，化工，地质，冶金，机械，仪器仪表，航空航天，自动化控制，核能，建材等领域材料分析的重要性⏹材料的元素组成⏹材料的物相⏹杂质控制和掺杂⏹材料的化学价态⏹材料的结构材料分析的内容⏹材料的元素成份分析⏹材料的化学结构分析⏹材料的物相结构分析⏹材料的表观形貌分析⏹材料的键合分析⏹材料的表面与界面分析⏹材料的热分析⏹材料的力学性能分析纳米材料分析⏹纳米材料的发展⏹纳米材料的特殊性⏹纳米材料分析的特点本课程的主要内容⏹元素成份分析（AAS，AES，XRF，EDX）⏹化学价键分析（IR，LRS）⏹结构分析（XRD，ED）⏹形貌分析（SEM,TEM,AFM,STM）⏹表面与界面分析（XPS，AES，SIMS）材料分析化学材料的成份分析Array朱永法*******************电话：62783586 传真：62787601元素成份分析简介⏹元素组成与材料性能关系⏹元素成份分析技术原子发射光谱ICP，ICP-MS分析原子吸收光谱X射线荧光光谱电镜的X射线能谱分析电子显微探针分析XPS，AES，SIMS等原子吸收光谱Atomic Absorbtion Spectroscopy, AAS⏹基础知识⏹仪器原理⏹样品制备⏹分析方法⏹应用案例原子吸收光谱基础知识•1802 发现光谱吸收现象•1955年Walsh发表了一篇论文“Application of atomic absorptionspectrometry to analytical chemistry”,解决了原子吸收光谱的光源问题。

清华大学.材料显微结构分析.04-正反极图面织构测定讲解

清华大学.材料显微结构分析.04-正反极图面织构测定讲解


N t
2 0
2 0
I
t hkl
(
.
)Sindd
……(2)
∵ 织构化前后: (1)=(2)式 NNt R
I

12
02

I 2R0 t
hkl
0
hkl
( . )Sindd
∴ I R0 hkl
2


2 0

2 0
I
t hkl
(
.
I
t ( hkl
)i
(
i
.
i
)
Wt (hkl )i
( i . i )

I
t ( hkl
)i
(
i
.
i
)
I R0 hkl
二. 反极图
试样的中某一宏观方向(如板面法线方向) 的一小角度范围内各个晶粒所呈现的不同晶体 学方向[uvw] 的空间分布几率。
实验方法：衍射仪法
实验原理：
令：Whtkl 代表晶面(hkl)平行于试样板面 的晶粒百分数。
n i1
I R0 ( hkl )i
(4)
将各
Wt hkl
标注在投影图上
例：旋锻Zr棒的织构测定 XRD如右图
上:纵截面 中:横截面 下:粉体
Zr的六方晶胞 的标准投影
旋锻Zr棒的纵截面的 反织构图
对于(10)
It hkl
W t hkl

IR hkl
I n
t
( hkl )i
n

Wt ( hkl )i
板面法线N X射线反射方向
依选定(hkl)
投影基面
按2d(hkl)Sin=固定 R.D 板面平分(T.D)1802, 衍射仪轴

材料学基础(清华大学材料系)I-1

材料学基础(清华大学材料系)I-1

MX：
带电缺陷: V·X
V·X
移走（X原子 + 电子）
（相当于移走一个X-）
V·X + h
总结符号规则：
Max. C = P 的电价 – P上的电价 （V，i 的电价= 0）
缺陷种类：缺陷原子M 或 空位 V
PCP
’ 负电荷 带电荷 · 正电荷
（x 中性）
缺陷位置 （i 间隙）
5）缺陷反应
缺陷产生 复合 化学反应A B + C
T E 热起伏(涨落) 原子脱离其平衡位置
E原子 > E平均 在原来位置上产生一个空位
① 间隙位置 (结构空隙大)
M X:
② 表面位置 (间隙小/结构紧凑)
MM VM + Mi Frenkel 缺陷
MX VM + VX Schottky 缺陷
4）点缺陷表示方法
Kroger-Vink 记号
MX：
① 空位： VM
V = a (b c) = c (a b) = b (c a) V*V =1
(4) Primary cell vectors
*
*
a V = a a (b c) = b c
=1
a = (b c) / V = bc sin a / V
b = (c a) /V = ac sin b /V
Chap. 8 Microstructure-property relations*
Final Examination (open)
Discussions
Micro－Materialogy：MSE/MST
Goal/means
过程 Processing
结构 Structure

材料显微结构分析方法(精)

材料显微结构分析方法(精)

材料显微结构分析方法Analysis of Materials Microstucture一.内容提纲：材料显微结构分析是材料科学中最为重要的研究方法之一。

准确、快捷的分析结果为材料的制备工艺、材料性能微结构表征研究及其材料显微结构设计提供可靠的实验和理论依据。

本课程主要介绍包括物显微结构形貌观察、物相种类确定及其定量分析、Rietveld拟合方法、择优取向类型及其测定、微晶及纳米粉体尺寸测定、体材料及其微区成分分析和定量测定等；同时侧重介绍进行上述显微结构分析通常所采用的各种现代仪器的主要功能特性及其分析方法，其中包括X射线衍射仪(XRD)、X光荧光分析仪(XRF)、电子探针(EPME)、波谱仪(WDS)、能谱仪(EDS)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等，并且按排了相应的实验。

通过本课程的学习，使研究生了解材料科学研究工作者通常关注的主要显微结构分析内容；掌握各种常见分析仪器的功能和基本原理；学会根据不同显微结构分析内容，准确选择、利用各种分析方法和手段，并得出正确的判断。

培养学生分析、解决问题的能力。

二. 教学学时: 48课堂教学 32 实验 16三. 先修课程:1.材料科学基础2.X射线衍射技术3.扫描电子显微镜4. 透射电子显微镜四. 教学对象：适用于金属、陶瓷、有机、半导体、复合材料等学科研究生。

五. 教材:主要教材：自编讲义主要参考书：1. 自编文献汇编2. X光衍射技术基础，王英华主编，原子能出版社3. Svanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis六. 主要讲授内容：1．物相定量分析(1)定量分析基本原理(2)参考强度法(3)含玻璃相的K值法的定量相分析(4)混样无标样定量相分析(5)理论计算定量相分析(6)具有择优取向试样的定量相分析2．织构测定及其应用(1)择优取向的种类、形成及其对性能的影响(2) 择优取向的的测定方法正极图反极图面织构的f因子表示及测定方法分布函数3. 微晶晶粒尺寸的测定(1) 微晶晶粒尺寸测定基本原理(2) 线形分析及测量(3) 微晶尺寸效应和晶格畸变效应4. X射线粉末衍射的Rietveld拟合方法(1) Rietveld方法基本原理(2) Rietveld方法中衍射峰的线形分析(3) Rietveld分析中的校正(4) Rietveld方法的晶体结构(5) Rietveld方法的指标化和相分析4．电子束与物质的相互作用(1) 物质对入射电子的散射(2) 弹性散射截面(3) 非弹性散射的能量损失(4) 背散射电子(5) 二次电子5. 光化学分析(1) 光化学分析原理(2) WDS分光(3) EDS分光(4) X光荧光定量分析方法6．电子探针微区定量分析(1) 定量分析基础(2) 原子吸收因子校正(3) 吸收因子校正(4) 荧光校正(5) Z.A.F校正的循环逼近7．SEM/EDS,WDS显微分析(1) SEM结构原理(2) 探测器(3) 二次电子显微像(4) 背散射电子像与吸收电子像8．TEM/EDS,WDS显微分析(1) TEM结构原理(2) TEM显微成像及衍射花样成像原理(3) 散射衬度(4) 衍衬像(5) 电子衍射二. 主要实验内容：1．采用C值理论计算方法的陶瓷的物相定量分析；2．材料的择优取向定量测定；3．微晶尺寸的XRD测定；4．材料断口形貌的SEM/EDS显微观测与分析；5．材料的TEM电子衍射微区物相分析。

  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
材料显微结构分析方法
清华大学研究生课程
材料显微结构分析方法
主要讲授内容： 一. 主要讲授内容： 1．物相定量分析 ．
D
Element Weight% Atomic% OK 49.22 63.65 Al K 43.22 33.14 Fe K 6.70 2.48 Si K 0.77 0.57 Totals 100.00
ki ωi = Ii Ij ∑k j =1 j
n
-1
…… (11)
(11)式即为参考强度法(绝热法 的基本公式。 式即为参考强度法 绝热法 的基本公式。 式即为参考强度法 绝热法) 中的I 和各I 由实验可得，关键是求k 和各k 式中的 i和各 j由实验可得，关键是求 i和各 j值。
n
−1
…… (9)
−1
代入(9)可得 可得： 把(8) 代入 可得：
∑ K⋅C
j =1
n
′ I j ⋅ µm
j
=1
′ K ⋅ Ci I j ⋅ µm ωi = ⋅∑ Ii ⋅ µm j=1 K ⋅ Cj ′
…… (10)
令参考强度k 值： k =K⋅C 参考强度 那么有： 那么有：
Ij 由 k = I 这样，可作以下规定： 这样，可作以下规定： s s 50/ 50 kj
取各纯物质I 相的衍射峰的最强线， ① 取各纯物质 j 相的衍射峰的最强线，如： ZnO (101) 标准物质取刚玉(α− α−Al 的衍射峰最强线： ② 标准物质取刚玉 α− 2O3)的衍射峰最强线： 的衍射峰最强线 (113)c 刚玉均混： ③ 按wt%为50/50将 j 物质和 c 刚玉均混： 为 将 得：
教材与主要参考资料： 三. 教材与主要参考资料：
1. 自编材料显微结构分析方法讲义； 自编材料显微结构分析方法讲义； 2. X光衍射技术基础(原子能出版社 王英华 ； 原子能出版社/王英华 光衍射技术基础 原子能出版社 王英华) 3. 陶瓷材料研究方法(建工出版社 ； 建工出版社) 建工出版社 4. 材料科学基础(清华出版社 潘金生等 ； 清华出版社/潘金生等 清华出版社 潘金生等) 5. Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis (Joseph I.Goldstein).
XRD
2．择优取向定量测定 ． XRD 3．微晶晶粒尺寸的测定 XRD ． 4．材料的体成份定量分析 XRF ． 5．材料微区成份定量分析 EPMA ． 6．显微形貌观测与分析 SEM/EDS,WDS ． 7．显微形貌与微区物相分析 TEM ．
主要实验内容： 二. 主要实验内容：
1．理论计算C值的 ．理论计算 值的 值的AlN陶瓷的物相定量分析； 陶瓷的物相定量分析； 陶瓷的物相定量分析 2．材料的择优取向定量测定； ．材料的择优取向定量测定； 3．四方ZrO2微晶尺寸的测定； ．四方 微晶尺寸的测定； 4．材料断口形貌的SEM/EDS显微观测与分析； ．材料断口形貌的 显微观测与分析； 显微观测与分析 5．电子衍射微区物相分析。 ．电子衍射微区物相分析。
**十四种布拉维点阵 十四种布拉维点阵
晶系 立方晶系 四方晶系 正交晶系 六方晶系 菱方晶系 单斜晶系 三斜晶系 点 阵 类 型 简单 简单 体心 面心 体心
简单
简单 体心 面心 底心 简单 简单 简单 底心 简单
体心
面心
底心
2. 晶体的 射线衍射 晶体的X射线衍射 A. 布拉格 布拉格(Bragg)公式导出 公式导出
2θ(°) [CuKα]
多晶试样各晶粒的排列状态
***衍射峰的峰形 半高宽度 衍射峰的峰形(半高宽度 衍射峰的峰形 半高宽度)
多晶试样晶粒的尺寸及应力状态
2θ(°) [CuKα]
I. X射线衍射物相定量分析 射线衍射物相定量分析
§1 . X射线定量分析基础 射线定量分析基础
方法： 方法：衍射仪法 条件：样品无限大、无择优取向、 条件：样品无限大、无择优取向、 2θ入射＝2θ 反射、无单色器 。 纯物相某一衍射峰的强度 I ：
通常： 通常： 2dSinθ =λ
θ o
M L K
(hkl)
d
B. 衍射仪法的(多晶试样 XRD衍射花样 多晶试样) 多晶试样 衍射花样
*衍射峰的峰位 θ 衍射峰的峰位2 衍射峰的峰位 (hkl)的面间距 的面间距d 的面间距
晶体的晶胞外形及其大小
**衍射峰的峰强 衍射峰的峰强CPS 衍射峰的峰强 晶体(hkl)的面的原子种类及其排列
(3) Vi
1 I i = KRi fi 2 µ′ l
(2)
可建立多相混合物某 相的重量百分比 可建立多相混合物某i相的重量百分比 i与 多相混合物某 相的重量百分比ω 的基本关系式： 其某一衍射峰的强度 Ii 的基本关系式： ωi I i = KC i n …… (5) ∑ µ mi ω i
i =1
1 2µ l
如果是多相混合物
则多相混合物中的某相某一衍射峰的强度Ii ： 多相混合物中的某相某一衍射峰的强度
纯物质： 纯物质： I = KR 1 2 µl
1 I i = KRi fi 2 µ′ l
…… (2)
混合物i相的体积百分比： 混合物 相的体积百分比： 相的体积百分比
Vi W ′ωi / ρi fi = = V W ′ / ρ′
*原理： 依据i
ωi
mi
∑µ
i =1
n
…… (5)
ωi
相应有： 对于混合物中的任意 j 相应有： ′ I j ⋅ µm ωj = …… (6) K ⋅ Cj 对含有n相，而不含有玻璃相的试样应有： 对含有 相 而不含有玻璃相的试样应有：
标样法
n j =1 n j
2 I 0 Sλ e θ −2 M 1 2 1 + Cos 2 2 NF P 2 I= e C m 32πR 2µl Sin θCos θ 3 2 2
…… (1)
I 0 Sλ I= 32πR
3
e 1 + Cos 2 2θ − 2 M 1 2 2 NF P e 2 C m 2µ l Sin θCosθ
则有n-1个 则有 个：
Ia Cb ωa = ⋅ ⋅ωb Ib Ca
-1
那么： s以冲消剂 f(wt%为ωf )加入待测试样， 加入待测试样， 那么： 以冲消剂 为 加入待测试样
k f I′j 均混则有： 均混则有： ω′j = ω f ⋅ ⋅ kj I f
则可以导出： 若f 为c ，j 为所求相 i ，则可以导出：
ωc 1 I i′ ⋅ ⋅ ωi = 1 − ωc ki I c(113)
∑ω
则有： 则有：
j =1
=1
…… (7)
=1
∑ K ⋅C
′ I j ⋅ µm
j
…… (8)
利用(6)式 对于混合物中的某i相应有 相应有： 利用 式，对于混合物中的某 相应有：
ωj =
′ I j ⋅ µm K ⋅Cj
K ⋅ Ci ωi = I ⋅ µ ′ ⋅ 1 i m
kj Ij = kc I c 50 / 50
Ij 对： = kc I c kj
50 / 50
Ij I c
50 / 50
项可由实验获得
为归一化标准， 令kc=1为归一化标准，则可求得 为归一化标准
Ij 各种物质的参考强度k 值为： 各种物质的参考强度 j 值为： k j = = kc I c 50/ 50 关于k 值测量精度问题： ♣关于 j 值测量精度问题： kj
求 ki 和各 kj
*选择 选择Corundun刚玉 α− 2O3)作为统一的标准物质， 刚玉(α− 作为统一的标准物质， 选择 刚玉 α−Al 作为统一的标准物质 予先确定各种物质的k 相对值 原理： 相对值)原理 予先确定各种物质的 j (相对值 原理： 假设， 均混, 假设，予先取各 j 相纯物质与某种标准物质 s 均混
四. 基础知识
1.晶体学基础 晶体学基础 七大晶系 十四种布拉维点阵 2. X射线衍射 射线衍射
2dSinθ =λ
2θ(°) [CuKα]
1.晶体学基础 晶体学基础
晶体内部质点是在空间按一定方式有规则地周期排列 质点：原子、 质点：原子、离子 钠离子 氯离子 氯化钠晶体 硫离子 锌离子 基本结构单元
(5)式 则由(5)式
I i = KC i
ωi
∑µ
i =1
n
mi
ωi
可得： 可得： I j = k j ⋅ ω j I s ks ωs 那么任意 那么任意 j 相：
kj
取 ω j = 50% = 1 ω s 50%
I j 第i 相： ki Ii = = ks Is 50/ 50 ks Is 50/ 50
混合物的线吸收系数： 混合物的线吸收系数：
…… (3)
′ µ l′ = ρ ′µ m = ρ ′∑ µ m ω i
i =1
i
n
…… (4)
将(3)和(4) 和 n (4) 代入(2) µl′ = ρ ′µm = ρ ′∑µm ωi 代入 ′
i =1
i
W ′ω i / ρ i fi = = V W ′ / ρ′
面间距为d的 面间距为 的(hkl)晶面 晶面 波长为λ的X-Ray 入射角为θ 由O、L……反射的光程差： 反射的光程差： 、 反射的光程差 δ =ML+LK=2OL Sinθ = 2dSinθ 满足干涉条件时： 满足干涉条件时：δ= nλ 即： 2dSinθ =nλ
n=1、2、3… 为衍射级 、 、 N
衍射峰的测量精度： ①Ij和Ic衍射峰的测量精度： 与∆2θ相关的 α1和Kα2的精确分离。 θ相关的K 的精确分离。