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材料现代分析测试方法教学设计1. 引言材料现代分析测试方法是材料科学中的重要领域，它不仅关系到材料的性能评估、质量控制、过程优化等方面，也与材料基础研究密切相关。
本文旨在探讨如何针对材料现代分析测试方法的教学设计，提高学生的实验技能、科学素养和综合素质。
2. 教学目标1.了解材料现代分析测试方法的技术基础、原理和应用；2.掌握现代分析测试方法的基本技能，包括样品制备、测试操作、数据处理等；3.培养学生的实验思维、实验技能和科学态度；4.提高学生的综合素质，包括团队协作、口头表达、写作能力等。
3. 教学内容3.1 材料现代分析测试方法概述介绍材料现代分析测试方法的发展历程、技术分类、应用领域等，使学生了解不同的现代测试方法的特点和优势。
3.2 样品制备与仪器调试掌握样品制备的基本方法和实验技巧，包括样品收集、样品制备、样品保存等方面内容。
同时，对仪器操作、仪器调试等方面进行详细介绍和演示，以保证实验数据的准确性和稳定性。
3.3 现代分析测试方法基础实验介绍常见的材料现代分析测试方法，包括SEM、TEM、XRD、XRF等方法，通过实验演示的方式来掌握分析测试方法的基本操作技能。
3.4 分析测试方法的综合应用选取一些案例，通过现代分析测试方法对材料进行分析测试，提高学生对分析测试方法的综合应用能力。
4. 教学方法与手段该课程以理论与实践相结合的方式进行，顺序讲解每个部分内容，进行示范，引导学生进行操作练习。
同时，结合课程设计，设计习题，让学生进行思考、探讨和解决问题。
5. 教学评价本课程的教学评价是单项评估和综合评估相结合的方式，主要由实验操作能力、实验报告写作和课堂表现三个方面来综合考察学生的综合素质。
6. 教学效果预期通过本次课程的学习，学生将对材料现代分析测试方法有了新的认识和理解，掌握了相关的基本技能和知识。
这将为他们未来的学习学术研究和实践应用打下基础，并有助于提高他们实验技能、科学素养和综合素质。
材料现代分析方法深圳大学材料学院主讲:李均钦材料现代分析方法主要参考书:1. 周玉主编，材料分析方法，哈工大出版社2007年版。
2. 黄新民、解挺编，材料分析测试方法，国防工业出版社2006年版。
3. 王富耻主编材料现代分析测试方法，北京理工大学出版社2006年版。
4. 梁敬魁编，粉末衍射法测定晶体结构，科学出版社2003年版。
绪论能源人类文明的三大支柱｛｛信息材料结构材料功能材料材料：用以制造有用构件、器件或其它物品的物质结构材料: 耐高温、耐高压、高强度材料等功能材料: 磁性材料、半导体材料、超导体材料化学成分材料的性能主要取决于｛结构组织形态为了了解所获材料的化学组成、物相组成、结构、组织形态及各种研究技术对材料性能的影响，需要采用相应的分析表征方法。
材料现代分析方法是一门技术性实验方法性的课程。
绪论材料现代分析测试方法的含义：广义：技术路线、实验技术、数据分析狭义：测试组成和结构的仪器方法如：X射线衍射分析电子显微分析表面分析热分析光谱分析（光谱和色谱－高分子方向单独开）绪论化学成分材料的性能主要取决于｛结构组织形态本课程主要介绍研究材料化学组成、物相组成、结构、组织形态的现代分析方法。
本课程的内容主要有：1、X射线粉末衍射分析（XRD：X-ray diffraction）主要用于物相分析和晶体结构的测定。
它所获取的所有信息都基于材料的结构。
绪论本课程的内容主要有：1、X射线粉末衍射分析（XRD：X-ray diffraction）主要用于物相分析和晶体结构的测定。
它所获取的所有信息都基于材料的结构。
绪论本课程的内容主要有：2、透射电子显微镜（TEM）（transition electron microscope）电子束透过薄膜样品，用于观察样品的形态，通过电子衍射测定材料的结构，从而确定材料的物相。
分辨率：0.34nm● 加速电压：75kV－200kV；放大倍数：25万倍● 能谱仪：EDAX －9100；扫描附件：S7010 透射电镜绪论本课程的内容主要有：3）扫描电子显微镜（SEM）电子束在样品表面扫描，用于观察样品的形貌（具有立体感）；通过电子束激发样品的特征X射线获取样品的成分信息。
材料现代分析测试方法材料的现代分析测试方法是为了研究材料的组成、结构、性质以及相应的测试手段。
通过分析测试方法，我们可以深入了解材料的特点，进而为材料的研发、优化和应用提供有效的数据支持。
下面将介绍几种常用的材料现代分析测试方法。
一、质谱分析法质谱分析法是一种通过测量样品中不同质荷比（m/z）的离子的相对丰度来确定样品组成和结构的分析方法。
质谱分析法适用于分析有机物和无机物。
其优点是能快速分析出物质组成，提供准确的质量数据，对于结构复杂的样品仍能有效分析。
二、核磁共振（NMR）谱学核磁共振谱学是一种通过测量样品中核自旋与磁场相互作用的现象来分析样品结构和组成的方法。
不同核的共振频率和强度可以提供关于样品分子结构和组成的信息。
核磁共振谱学适用于有机物和无机物的分析。
由于从核磁共振谱图中可以获得丰富的结构信息，所以核磁共振谱学被广泛应用于有机化学、药物研发和材料科学等领域。
三、红外光谱学红外光谱学是一种通过测量样品对不同波长的红外辐射的吸收情况来分析样品结构和组成的方法。
不同官能团在红外区域会有特定的吸收峰位，因此红外光谱能提供有关样品中化学键和官能团的信息。
红外光谱学适用于有机物和无机物的分析。
它具有非破坏性、快速、易于操作等特点，在化学、生物和材料科学领域得到了广泛应用。
四、X射线衍射（XRD）X射线衍射是一种通过测量样品对入射X射线的衍射现象来研究样品结构和晶体结构的方法。
不同物质的晶格结构具有不同的衍射图样，通过分析衍射图样可以获得样品的晶体结构信息。
X射线衍射适用于分析有晶体结构的材料，如金属、陶瓷、单晶等。
它能提供关于晶体结构、晶粒尺寸和应力等信息，被广泛应用于材料科学、地质学和能源领域。
五、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）扫描电子显微镜和透射电子显微镜是一种通过聚焦电子束对材料进行观察和分析的方法。
扫描电子显微镜主要用于获得材料的表面形貌、颗粒分布和成分分析。
透射电子显微镜则能提供材料的内部结构和界面微观结构的信息。
第一章1. X 射线学有几个分支？每个分支的研究对象是什么？2. 分析下列荧光辐射产生的可能性，为什么？（1）用CuK αX 射线激发CuK α荧光辐射；（2）用CuK βX 射线激发CuK α荧光辐射；（3）用CuK αX 射线激发CuL α荧光辐射。
3. 什么叫“相干散射”、“非相干散射”、“荧光辐射”、“吸收限”、“俄歇效应”、“发射谱”、“吸收谱”？4. X 射线的本质是什么？它与可见光、紫外线等电磁波的主要区别何在？用哪些物理量描述它？5. 产生X 射线需具备什么条件？6. Ⅹ射线具有波粒二象性，其微粒性和波动性分别表现在哪些现象中？7. 计算当管电压为50 kv 时，电子在与靶碰撞时的速度与动能以及所发射的连续谱的短波限和光子的最大动能。
8. 特征X 射线与荧光X 射线的产生机理有何异同？某物质的K 系荧光X 射线波长是否等于它的K 系特征X 射线波长？9. 连续谱是怎样产生的？其短波限V eV hc 301024.1⨯==λ与某物质的吸收限kk k V eV hc 31024.1⨯==λ有何不同（V 和V K 以kv 为单位）？ 10. Ⅹ射线与物质有哪些相互作用？规律如何？对x 射线分析有何影响？反冲电子、光电子和俄歇电子有何不同？11. 试计算当管压为50kv 时，Ⅹ射线管中电子击靶时的速度和动能，以及所发射的连续谱的短波限和光子的最大能量是多少？12. 为什么会出现吸收限？K 吸收限为什么只有一个而L 吸收限有三个？当激发X 系荧光Ⅹ射线时，能否伴生L 系？当L 系激发时能否伴生K 系？13. 已知钼的λK α＝0.71Å，铁的λK α＝1.93Å及钴的λK α＝1.79Å，试求光子的频率和能量。
试计算钼的K 激发电压，已知钼的λK ＝0.619Å。
已知钴的K 激发电压V K ＝7.71kv ，试求其λK 。
14. X 射线实验室用防护铅屏厚度通常至少为lmm ，试计算这种铅屏对CuK α、MoK α辐射的透射系数各为多少？15. 如果用1mm 厚的铅作防护屏，试求Cr K α和Mo K α的穿透系数。
一，名词解释1，化学位移：共振频率发生了变化，在谱图上反映出了谱峰位置的移动。
2，特征吸收峰：通常把能代表基团存在，并有较高强度的吸收谱带称为基团频率，其所在的位置一般又称为特征吸收峰。
3，熔融指数：指在一定的温度下和规定负荷下，10min内从规定直径和长度的标准毛细管内流出的聚合物的熔体的质量，用MI表示，单位为g/10min。
4，平衡熔点：理论上将在熔点温度附近经长时间结晶得到的晶体完全熔融的温度称之为该聚合物的平衡熔点5，普适标准曲线：流力学体积与保留体积的关系曲线具有普适性。
6，依数性：依数性是指溶液的热力学性质只与溶质的数量有关而与其性质、种类无关7，基频性：分子吸收红外辐射后，由基态振动能级（v=0）跃迁至第一振动激发态（v=1)时，所产生的吸收峰8，入口效应：聚合物熔体在流入一个直径较小的口模时，在管道入口处流线出现收敛，压力降突然增大。
二，填空1，溶液的依数性包括沸点上升, 冰点下降, 蒸气压和渗透压。
高分子溶液只有在浓度极低的情况下才近似与理想溶液的依数性相同利用依数性测得的分子量为数均分子量2，测定链结构的方法有X射线衍射法、电子衍射法、中心散射法、裂解色谱-质谱、紫外吸收光谱、红外吸收光谱、拉曼光谱、微波分光法、核磁共振法、顺磁共振法、荧光光谱、偶极距法、旋光分光法、电子能谱等。
测定聚集态结构的方法有X射线小角衍射、电子衍射法、电子显微镜、光学显微镜、原子力显微镜、固体小角激光光散射等。
测定结晶度的方法有X射线衍射法、电子衍射法、核磁共振吸收、红外吸收光谱、密度法、热分析法。
测定高聚物取向程度的方法有双折射法、X射线衍射法、圆二色性法、红外二色性法。
相对分子质量的测定方法：溶液光散射法、凝胶渗透色谱法、粘度法、扩散法、超速离心法、溶液激光小角散射法、渗透压法、气相渗透压法、沸点升高法、端基滴定法。
支化度的测定方法：化学反应法、红外光谱法、凝胶渗透色谱法、粘度法。
交联度测定方法：溶胀法、力学测定法。
相对分子质量分布的测定方法：凝胶渗透色谱法、熔体流变行为、分级沉淀法、超速离心法。
3，高聚物的力学性能主要是测定材料的强度和模量以及变形。
材料本体粘流行为主要是测定粘度以及切变速率的关系、剪应力与切变速率的关系等。
采用的仪器有旋转粘度计、熔融指数测定仪、各种毛细管流变仪。
材料的热性能主要测材料的导热系数、比热容、热膨胀剂系数、耐热性、耐燃性、分解温度等。
测试仪器有：高低温导热系数测定仪、差示扫描量热仪、量热计、线膨胀和体膨胀测定仪、马丁耐热仪、热失重仪、硅碳耐燃烧试验机。
材料的电学性能主要测材料的电阻、介电常数、介电损耗角正切、击穿电压。
采用仪器有高阻计、电容电桥介电性能测定仪、高压电击穿试验机。
测定材料的密度，采用密度计法和密度梯度管法。
测定透光度采用透光度计。
测定透气性采用透气性测定仪。
测定吸湿性采用吸湿计。
测定吸音系统采用声衰减测定仪。
三，问答1，红外光谱如何表示？峰强、峰位、峰数受什么因素的影响？答：横坐标：波数(υ)400～4000 cm-1；表示吸收峰的位置。
纵坐标：透过率（T%），表示吸收强度。
T↓，表明吸收的越好，故曲线低谷表示是一个好的吸收带。
峰位——化学键的力常数越大，原子折合质量越小，键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区；反之，出现在低波数区。
峰数——与分子自由度有关，无偶极距变化没有红外吸收；不同的分子振动方式在不同的峰位会表现出不同的吸收峰。
峰强——偶极距变化大，分子数目越多，能级的跃迁几率越大，吸收峰强。
2，产生红外吸收的条件：只有当红外辐射频率等于振动量子数的差值与分子振动频率的乘积时，分子才能吸收红外辐射，产生红外吸收光谱。
只有发生偶极矩变化（Δμ≠0）的振动才能引起可观察的红外吸收光谱。
3，电子效应对红外基团频率的影响：电子效应：包括诱导效应、共轭效应和中介效应，她们都是由于化学键的电子分布不均匀而引起的。
诱导效应：由于取代基具有不同的电负性，通过静电诱导作用，引起分子中电子分布的变化。
从而改变了键力常数，使基团的特征频率发生了位移。
共轭效应：使共轭体系中的电子云密度平均化，结果使原来的双键略有伸长（即电子云密度降低）、力常数减小，使其吸收频率向低波数方向移动。
中介效应：当含有孤对电子的原子（O、S、N等）与具有多重键的原子相连时，也可起类似的共轭作用。
3，影响TG曲线的因素。
（热重分析测试的影响因素）答：仪器因素—浮力、试样盘、挥发物的冷凝等；浮力及对流：热天平内外温差造成的对流会影响称量的精确度。
浮力和对流引起热重曲线的基线漂移。
试样盘的影响包括盘的大小形状和材料的性质等。
盘的大小形状主要影响热传导和热扩散；试样盘应是惰性材料制作的，常用的材料有铂、铝、石英和陶瓷等。
挥发物的冷凝：试样受热分解或升华，逸出的挥发物往往在热重分析仪的低温区冷凝，这不仅污染仪器，而且使实验结果产生严重的偏差。
尤其是挥发物在支撑杆上的冷凝，会使测定结果毫无意义。
实验条件—升温速率、气氛等；升温速率越大，滞后现象越严重，导致热重曲线上的起始温度Ti和终止温度Tf偏高。
升温速率快往往不利于中间产物的检测，因为TG曲线上的拐点很不明显。
气氛：热重法通常可在晶态气氛或动态气氛下进行测定。
为了获得重复性好的实验结果，一般在严格控制的条件下采用动态气氛。
气氛对TG曲线的影响与反应类型，分解产物的性质和所通气体的类型有关。
试样的影响—试样质量、粒度等。
用量大，因吸、放热引起的温度偏差大，且不利于热扩散和热传递。
粒度细，反应速率快，反应起始和终止温度降低，反应区间变窄。
粒度粗则反应较慢，反应滞后。
试样颗粒间接触好，利于热传导，但不利于扩散。
要求装填薄而均匀。
4，电磁透镜的像差包括球差、像散和色差。
球差又称球面相差，是因为电磁透镜近轴区域磁场和远轴区域磁场对电子束的折射能力不同而产生。
像散是由透镜磁场的非旋转对称引起的像差。
色差是由于成像电子的能量不同或变化，从而在透镜磁场中运动轨迹不同以致不能聚焦在一点而形成的像差。
5，电镜三要素。
答：1）分辨率分辨率是SEM的主要性能指标。
对微分成分分析而言，是指能分析的最小区域；对成像而言，是指能分辨两点的最小距离；这两者主要取决于入射电子束直径，电子束直径越小，分辨率越高；2）放大倍数放大倍数=屏幕的分辨率/电子束直径为了保证在肉眼分辨率以上，SEM的最大放大倍数为2万左右。
3）衬度衬度包括表面形貌衬度和原子序数衬度。
表面形貌衬度主要是样品表面的凹凸决定的。
原子序数衬度指扫描电子束入射试样时产生的背景电子、吸收电子、X射线，对微区内原子序数的差异相当敏感，而二次电子不敏感。
5，透射电镜（TEM）和扫描电镜（SEM）的基本原理。
透射电镜工作原理：由电子枪和两个聚光镜组成照明系统，产生一束聚焦很细、亮度高、发散度小的电子束，穿透样品，经物镜、中间镜和投影镜三个透镜组成三级放大后成像于荧光屏。
扫描电镜的工作原理：以电子束作为照明源，把聚焦得很细的电子束以光栅状扫描方式照射到试样上，产生各种与试样性质有关的信息，然后加以收集和处理从而获得微观形貌放大像。
6，写出DSC和DTA这两种热分析测试方法的全称。
两者有何区别？答：DSC示差扫描量热法DTA差热分析区别：DSC和DTA的测定原理不同DSC是在控制温度变化情况下，以温度（或时间）为横坐标，以样品与参比物间温差为零所需供给的热量为纵坐标所得的扫描曲线。
DTA是测量△T-T的关系，而DSC是保持△T=0，测定△H-T的关系。
两者最大的差别是DTA只能定性或半定量，而DSC的结果可用于定量分析7，列出至少四种测定高聚物玻璃化转变温度的实验方法，并详述影响非晶态高聚物玻璃化温度的因素。
答：1）示差扫描量热法（DSC）2）动态力学分析（DMA）3）热机械分析法（TMA）4）热膨胀剂（TD）影响非晶聚合物Tg的因素。
1．化学结构(1) 主链分子链的柔顺性是决定高聚物Tg的最重要的因素。
主链柔顺性越好，玻璃化温度越低。
主链由饱和单键构成的高聚物，Tg都不高，特别是没有极性侧基取代时，其T g更低。
不同的单键中，内旋转位垒较小的，T g较低主链中含有孤立双键的高聚物，虽然双键本身不能内旋转，但双键旁的α单键更易旋转，所以T g都比较低(2)取代基侧基的极性越强，Tg越高。
增加极性基团的数量，也能提高T g 当高聚物中存在柔性侧基时，随着侧基的增大，由于柔性侧基使分子间距离加大，相互作用减弱，即产生“内增塑”作用，所以，T g反而下降。
(3)几何异构一般，全同立构的T g较低，间同立构的T g较高。
在顺反异构中，往往反式分子链较硬，T g较大。
(4)离子键的引入分子链间有离子键可以显著提高T g。
2，其他结构因素的影响(1) 共聚无规共聚物的T g介于两种共聚组分单体的T g之间，,交替共聚，只有一个T g。
(2)交联随着交联点的增加，高聚物自由体积减少，分子链的运动受到约束的程度也增加，所以T g升高。
(3)分子量分子量的增加使T g增加，。
(4)增塑剂和稀释剂增塑剂对Tg的影响也是相当显著的，玻璃化温度较高的聚合物在加入增塑剂后，可以使Tg明显下降。
8.为什么毛细管流变仪需要作入口校正？写出表观剪切速率和真实剪切速率的数学表达式。
答：当熔体以收敛方式进入直径较小的管道时，为了保持体积流速率不变：(1) 必须增加熔体的流速，而流速的增加会消耗更多的能量；(2) 增加熔体内的剪切速率，使大分子链沿流动方向更快地伸展、滑移，这也要消耗一定的能量；由于熔体在入口处的能量消耗增加，产生一定的压力降，因此需要进行入口校正 表观剪切速率为：V R d R Q p w ∙=='3234πγ 真实剪切速率为：V Rd n n n n p w w ∙∙+='∙+=32413413γγ 9，红外光谱试样制备：（1）气体样品气态样品可在玻璃气槽内进行测定，它的两端粘有红外透光的NaCl 或KBr 窗片。
先将气槽抽真空，再将试样注入。
（2）液体和溶液试样液体池法：沸点较低，挥发性较大的试样，可注入封闭液体池中，液层厚度一般为0.01-1mm 。
液膜法：沸点较高的试样，直接滴在两片盐片之间，形成液膜。
对于一些吸收很强的液体，当用调整厚度的方法仍然得不到满意的谱图时，可用适当的溶剂配成稀溶液进行测定。
一些固体也可以溶液的形式进行测定。
常用的红外光谱溶剂应在所测光谱区呢本身没有强烈的吸收，不侵蚀盐窗，对试样没有强烈的溶剂化效应等。
（3）固体试样压片法：将1-2mg 试样与200mg 纯KBr 研细均匀，置于模具中，用（5-10）*107Pa 压力在油压机上压成透明薄片，即可用于测定。
试样和KBr 都应经干燥处理，研磨到粒度小于2微米，以免散射光影响。
石蜡糊法：将干燥处理后的试样研细，与液体石蜡或全氟代烃混合，调成糊状，夹在盐片中测定。
