材料分析方法
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现代材料分析方法
第一章绪论
1、简述材料研究的意义和内容
答:意义:材料的性能取决于材料的组成、结构和外部因素(使用条件),材料的结构又取决于材料的制备工艺和材料的使用条件,而材料的性能决定着材料的使用性能。
所以研究材料对于人们生产、使用、和发展材料具有重要的指导意义。
内容:A:材料的组成
B:材料的结构
C:材料的性能
2 材料研究方法是如何分类的?怎样理解现代研究方法的重要性?
答:层次:
重要性:随着现代科学的不断进步,材料研究方法不断发展,有了先进的现代的材料的分析方法(分析技术和仪器),人们对物质结构及性能的认识从而不断深入,科研工作者对材料的特殊性能成因有了更细微的探究,对材料的物理化学变化和显微结构有了深入地了解,极大的促进了材料科学的发展。
因此可以说,材料科学的发展是离不开现代材料分析方法的。
3、材料结构的层次是如何划分的?
答:材料结构从尺度上来讲,可分为微观结构、亚显微结构、显微结构和宏观结构等四个不同的层次。
每个层次上观察所用的结构组成单元均不相同。
按观察用具或设备的分辨率范围来划分:
A:宏观与显微结构的划分以人眼的分辨率为界;
B:显微结构和亚显微结构的划分以光学显微镜的分辨率为界;
C:亚显微结构和微观结构的分界相当于普通扫描电子显微镜的分辨率。
即宏观结构:肉眼的分辨率。
物体尺寸>100μm
显微结构:光学显微镜(OM)的分辨率。
物体尺寸0.2μm~100μm
亚显微结构:普通电子显微镜的分辨率。
物体尺寸0.01μm~0.2μm
微观结构:高分辨电子显微镜的分辨率。
物体尺寸<0.01μm
4、材料分析的内容是什么?
答:A:表面和内部组织形貌:
a材料的外观形貌(如纳米线、断口、裂纹等)
b晶粒大小与形态
c各种相的尺寸与形态、含量与分布
d界面(表面、相界、晶界)
e位向关系(新相与母相、孪生相)
f晶体缺陷(点缺陷、位错、层错)、夹杂物
g内应力
B:晶体的相结构:
a晶体结构类型
b晶体常数
c相组成
C:化学成分和价键(电子)结构:
a宏观和微区化学成分(不同相的成分、基体与析出相的成分)
b同种元素的不同价键类型
c化学环境
D:有机物的分子结构和官能团。
第二章电磁辐射与材料的相互作用
1、什么是光学分析法?有哪两种?
答:光学分析法:基于测量物质所发射或吸收的电磁波的波长和强度的分析方法。
A:光谱法
B:非光谱法:不是测量光谱,不包含能级跃迁。
它是基于电磁波和物质相互作用时,电磁波只改变了方向和物理性质,如折射、反射、散射、干涉、衍射和偏振现象、非光谱技术包括:折射法、干涉法、旋光测定法、浊度法和X-射线衍射等。
2、什么是辐射的吸收、发射和散射?其实质是?有何前提?
答:A:辐射的吸收:辐射通过物质时,其中某些频率的辐射被组成物质的粒子(原子、离子或分子等)选择性的吸收,从而是辐射强度减弱的现象。
辐射吸收的实质:辐射使物质离子发生由低能级(一般为基态)相高能级(激
发态)的能级跃迁。
吸收条件:被选择性吸收的辐射光子能量应为跃迁后与跃迁前两个能级间的能量差,即: E2与E1——高能级与低能级的能量
辐射(能量)被吸收的程度(一般用吸光度)与V或者λ的关系(曲线),即辐射被吸收程度对V或λ的分布称为吸收光谱。
B:辐射的发射:物质吸收能量后产生电磁辐射的现象。
辐射发射的实质:辐射跃迁,即当物质的粒子吸收能量被激发至高能态(E2)后,瞬间返回基态或低能态(E1),多余的能量以电磁辐射的形式释放出来。
发射的辐射频率:取决于辐射前后的两个能级间的能量差,即:
辐射发射的前提:使物质吸收能量,即激发。
C:辐射的散射:电磁辐射与物质发生相互作用,部分偏离原子入射方向而分散传播的现象。
物质中与入射的辐射相互作用而致其散射的基本单元可称散射基元。
散射基元是实物粒子,可能是分子、原子中的电子等,取决于物质结构及入射线波长大小等因素。
3、吸收光谱和发射光谱如何分类?
答:吸收光谱的分类
第三章 x射线与物质的相互作用
1、x射线与物质的相互作用有哪些?
答:见课件
2、简述X射线的产生原理、特点。
答:原理:特征X射线是由高能电粒子,可以是高能电子、离子、高能X射线与原子内层电子发生非弹性散射,把内层电子激发到外层,这时内层电子空缺由外层电子补偿。
外层电子跃迁到内层时,释放特定能量,大部分这个特征能量以X射线形式从样品发射出。
一些特定能量被原子吸收,激发原子另外的外层电子一额外的能量发射。
特点:不同原子不同电子结构的特征X射线不同。
3、简述X-衍射仪的基本构造。
答:X射线衍射仪的形式多种多样, 用途各异, 但其基本构成很相似, 主要部件包括4部分。
(1)高稳定度X射线源提供测量所需的X射线, 改变X射线管阳极靶材质可改变X射线的波长, 调节阳极电压可控制X射线源的强度。
(2)样品及样品位置取向的调整机构系统样品须是单晶、粉末、多晶或微晶的固体块。
(3)射线检测器检测衍射强度或同时检测衍射方向, 通过仪器测量记录系统或计算机处理系统可以得到多晶衍射图谱数据。
(4)衍射图的处理分析系统现代X射线衍射仪都附带安装有专用衍射图处理分析软件的计算机系统, 它们的特点是自动化和智能化。
4、简述X-衍射定性、定量分析的基本原理。
答:定性相分析的目的:判定物质中的物相组成,也即确定物质中所包含的结晶物质以何种结晶状态存在。
定性原理:a X射线衍射线的位置取决于晶胞形状、大小,也取决于各晶面间距;
b衍射线的相对强度则取决于晶胞内原子的种类、数目及排列方式。
c每种晶体物质有其特有的结构,因而具有各自特有的衍射花样;
d当物质中包含有两种或两种以上的晶体物质时,它们的衍射花样也不会相互干涉。
根据这些表征各自晶体的衍射花样,就能来确定物质中的晶体。
定量原理:每一种物质都有其各自的特征X射线,而这些特征x射线的强度与样品中相应物相参与衍射的晶胞数目成正比。
5、X-衍射分析技术在材料研究中有哪些应用?
答:A 用于物相定性分析和定量分析
B用于晶体结构分析,如晶胞参数计算,晶体取向度测定、晶粒定向度的测定、晶体取向程度的判断、结构分析等。
C 用于薄膜样品分析,包括薄膜物相、多层膜厚度、表面粗糙度、电荷密度等
D 用于小角衍射与纳米材料粒径分布
E 测量样品垂直方向和样品深度方向的结构
F 微区样品分析
6、x射线有哪些性质?
答:1.贯穿本领:射线能够穿透物质。
2.荧光作用:射线照射使物质发出荧光。
3.电离作用:射线使物质原子、分子发生电离。
测量X射线的基础。
4.化学效应:射线使多种物质发生光化学反应,使照相底片感光。
X射线摄影的基础。
5.生物效应:射线照射使生物体发生电离和激发,引起一系列生理、病理变化。
放射治疗。
同时要注重防护射线。
7、粉末衍射仪的工作方式有哪两种?强度的测量呢?
答:(1)连续扫描:连续扫描就是让试样和探测器以1:2的角速度作匀速圆周运动,在转动过程中同时将探测器依次所接收到的各晶面衍射信号输入到记录系统或数据处理系统,从而获得衍射图谱。
(2)步进扫描又称阶梯扫描。
步进扫描工作是不连续的,试样每转动一步(固定的Δθ)就停下来,测量记录系统开始测量该位置上的衍射强度。
强度的测量也有两种方式:定时计数方式和定数计时方式。
然后试样再转过一步,再进行强度测量。
如此一步步进行下去,完成指定角度范围内衍射图的扫描。
8、简述布拉格方程应用。
答:一方面是用已知波长的X射线去照射晶体,通过衍射角的测量求得晶体中各晶面的面间距d,这就是结构分析------ X射线衍射学;
另一方面是用一种已知面间距的晶体来反射从试样发射出来的X射线,通过衍射角的测量求得X射线的波长,这就是X射线光谱学。