第三章
材料的表征
材料的设计、制备和表征是材料研究的三个组
成部分，材料设计的重要依据来源于材料的结构分
析。材料制备的实际效果必须通过材料结构分析的
检验。因此可以说，材料科学的进展极大的依赖于
对材料结构分析表征的水平。
材料表征的主要手段：
热分析技术
显微技术
X射线衍射技术
波谱技术
材料的表征就其任务来说主要有三个：成分
分析、结构测定、形貌观察。
1
2
材料组成： 化学分析、X射线能谱仪 材料结构： 1) 晶体结构：单晶（X射线单晶衍射仪）
粉末材料（X射线粉末衍射） 2) 材料显微：光学显微镜（OM）（0.8~150um）
透射电子显微镜（TEM）(0.001~5um) (0.1~0.2nm) 扫描电子显微镜（SEM） 3) 材料谱学：谱学结果可以反映材料中的组成元素原子的成键、价态及性能。 材料性能：热学、力学、电学、光学、磁学、化学、生物医学等性能。 1） 热学：TG、DSC、TM 2）电学：电导、电阻、温度系数、半导体的禁带宽度、电化学、光电化学 3）光学：荧光（化学发光） 4）磁性：
第一节 热分析技术 热分析：在程序控制温度条件下，测量材料物
理性质与温度之间关系的一种技术。从宏观性能的 测试来判断材料结构的方法。 程序控制温度：指用固定的速率加热或冷却。
4
热分析技术被广泛用于固态科学中，凡是与热 现象有关的任何物理和化学变化都可以采取热分析 方法进行研究。如材料的固相转变、熔融、分解甚 至材料的制备等。同时，这些变化还能被定量的描 绘，可以直接测量出这些变化过程中所吸收或放出 的热量，如熔融热、结晶热、反应热、分解热、吸 附或解吸热、比热容、活化能、转变熵、固态转变 能等。
热分析技术中，热重法(TG)、差热分析（DTA） 和差示扫描量热法（DSC）应用的最为广泛。
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一、热重法(TG) 在程序控制温度条件下，测量物质的质量与温度
关系的一种热分析方法。
热重法通常有下列两种类型：
等温热重法—在恒温下测量物质质量变化与时间的 关系
非等温热重法—在程序升温下测量物质质量变化与 温度的关系
6
1
进行热重分析的基本仪器为热天平，它包括天 平、炉子、程序控温系统、记录系统等几个部分。
由热重法记录的质量变化对温度的关系曲线称 为热重曲线(TG曲线)。TG曲线以质量为纵坐标，从 上到下表示减少，以温度或时间作横坐标，从左自 右增加。如图。
1—热重曲线
7
2—微分热重曲线 8
热重曲线显示了试样的绝对质量(W)随温度的 恒定升高而发生的一系列变化，如图中从质量W0到 W1，从W1到W2，从W2到0是三个明显的失重阶段，它 们表征了试样在不同的温度范围内发生的挥发性组 分的挥发以及发生的分解产物的挥发，从而可以得 到试样的组成、热稳定性、热分解温度、热分解产 物和热分解动力学等有关数据。
同时还可获得试样的质量变化率与温度关系曲线， 即微分热重曲线(DTG曲线)，它是TG曲线对温度的一阶 导数。以物质的质量变化速率dm/dt对温度T作图，所 得的曲线。
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10
DTG曲线的峰顶即失重速率的最大值，它与TG曲
线的拐点相对应，即样品失重在TG曲线形成的每一个
拐点，在DTG曲线上都有对应的峰。并且DTG曲线上的
峰数目和TG曲线的台阶数目相等。由于DTG曲线上的
峰面积与样品的失重成正比，因此可以从DTG的峰面
积计算出样品的失重量。
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应用：
1.材料成分测定
热重法测定材料成分 是极为方便的，通过热重 曲线可以把材料尤其是高 聚物的含量、含碳量和灰 分测定出来。
例如测定添加无机填料的聚苯醚的成分时，试样 先在氮气流中加热，达到聚苯醚的分解温度后，聚苯 醚样品开始分解。在TG曲线的455.7-522.7℃温度范 围内，出现一个失重台阶。该台阶对应着聚苯醚的分 解失重量为65.31%。
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2
随后根据压力信号的变化，自动气体转换开关会 立即与空气气流接通，此时因聚苯醚分解产生的短链 碳化合物立即氧化成CO2，在TG曲线中出现第二个失重 台阶，对应的失重量约为29.50%。
最后在712.4℃以上温度获得以稳定的平台，说
明剩余的残渣为惰性的无机填料或灰分，其质量含
量约为5.44%。因此由热重法测定获得的分析结果为：
聚苯醚65.31%，含碳量29.50%，残渣含量5.44%。
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2.材料中挥发性物质的测定
在材料尤其是塑料加工过程中溢出的挥发性物质， 即使极少量的水分、单体或溶剂都会产生小的气泡， 从而使产品的外观和性能受到影响。热重法能有效地 检测出在加工前塑料所含有的挥发性物质的总量。
如：聚氯乙烯(PVC)中增塑剂邻苯二辛酯(DOP)的 测定。如图所示：
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在测定聚氯乙烯中增 塑剂含量的过程中，先以 每分钟160℃的升温速度 加热，达到200℃后等温 4nim，这4nim足以使98% 增塑剂扩散到样品表面而 挥发掉。这一阶段主要是 增塑剂的失重过程，失重 约29%。然后用每分钟80℃的升温速度加热，并且在 200℃以后通过气体转换阀将氮气流转化为氧气，以 保证有机物完全燃烧。该阶段主要是聚氯乙烯的失重 过程，失重约67%，最后剩下惰性无机填料约为3.5%。
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3.材料的热稳定性和热老化寿命的测定 在材料使用中，无论是无机物还是有机物，热
稳定性是主要指标之一。虽然研究材料的热稳定性 和热老化寿命的方法有许多种，但是惟有热重法因 其快速而简便，因此使用最为广泛。
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例：利用热重法研究化纤助剂的寿命时，根据化纤 生产工艺条件，先测定化纤助剂在215℃和236℃的 恒温失重，测得失重10%所需时间分别为282.4min 和64min,再根据下列热老化寿命经验公式：
Inτ=a×1/T+b
τ-寿命 T-材料的使用温度
计算出a和b值，即得到化纤助剂的寿命公式：
Inτ=7.624×103×1/T-13.172
通过该公式可求出其它温度下的失重10%的寿命值
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二、差热分析（DTA） 在程序控制温度下测定物质和参比物之间的温
度差和温度关系的一种热分析技术。 参比物：
在测定条件下不产生任何热效应的惰性物质。如 α-Al2O3、石英、硅油等。
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3
进行差热分析的仪器为差热分析仪，由加热炉、 试样容器、热电偶、温度控制系统及放大、记录系统 等部分组成。
1. 加热炉，
2. 试样，
3. 参比物，
4. 测温热电偶，
5. 温差热电偶，
6. 测温元件，
7. 温控元件。
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由差热分析仪记录的?T随温度变化的关系曲线称 为差热分析曲线，下图为典型的DTA曲线。其横坐标为 温度，纵坐标为温差△T/K，当试样发生任何物理或化 学变化时，所释放或吸收的热量使样品温度高于或低于 参比物的温度，从而在相应的差热曲线上得到放热或吸 热峰。吸热峰向下，放热峰向上。
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差热分析曲线反映了所测试样在不同的温度范 围内发生的一系列伴随热现象的物理或化学变化。 凡是有热量变化的物理和化学现象多可以借助于差 热分析的方法来进行精确的分析，并能定量地加以 描绘。
应用：
? 材料的鉴别和成分分析 ? 材料相态结构的变化 ? 材料的筛选 ? 玻璃微晶化热处理 ? 玻璃的析晶活化能的测定 ? 聚合物热降解分析
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应用DTA对材料进行鉴别主要是根据物质的相变 （包括熔融、升华和晶型转变）和化学反应（包括 脱水、分解和氧化还原等）所产生的特征吸热和放 热峰。有些材料常具有比较复杂的DTA曲线，虽然有 时不能对DTA曲线上所有的峰作出解释，但是它们像 “指纹”一样表征着材料的种类。
例如：根据石英的相态转变的DTA峰温可用于检 测天然石英和人造石英之间的差异
例如：根据一些聚合物在DTA曲线上所具有的特 征熔融吸收峰，对共混聚合物进行鉴定。
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下图为七种聚合物的DTA曲线。这七种聚合物分别为：1高 压聚乙烯、2低压聚乙烯、3聚丙烯、4聚甲醛、5尼龙6、 6尼龙66和7聚四氟乙烯、
它们在DTA曲线上对应的特征熔融吸收峰峰顶温度分别为
108℃，127℃，165℃，170℃，220℃，257℃，340℃，
由此可以鉴别出未知共混物由哪些聚合物共混而成。
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三、差示扫描量热法（DSC）
在程序控制温度下，测量输给试样与参比物的功 率差与温度之间关系的一种技术。
根据测量方法的不同，又分为功率补偿型DSC和 热流型DSC两种类型。DSC主要特点是使用的温度范围 (-175℃-725℃)比较宽，分辨能力高，灵敏度高。除 不能测量腐蚀性材料外，DSC不仅可以涵盖DTA的一般 功能，而且还可定量测定各种热力学参数，如热焓、 熵和比热等。
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4
差示扫描量热仪
功率补偿型DSC的主要特点是试样和参比物分别
具有独立的加热器和传感器，整个仪器由两个控制
电路进行监控。其中一条控制温度，使样品和参比
物在预定的速率下升温或降温，另一条用于补偿样
品和参比物之间所产生的温差。
25
26
当试样发生热效应时，比如放热，试样温度高于
参比物温度，放置于它们下面的一组差示热电偶产生
温差电势，经差热放大器放大后送入功率补偿放大器，
功率补偿放大器自动调节补偿加热丝的电流，使试样
下面的电流Is减小，参比物下面的电流IR增大，从而 降低试样的温度，增高参比物的温度，使试样与参比
物之间的温度始终保持相同。在此条件下测量补偿给
试样和参比物的功率之差随温度的变化。
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差示扫描量热测定时记录的谱图称之为DSC曲线， 其纵坐标是试样与参比物的功率差dH/dt，也称作热 流率，单位为毫瓦(mW)，代表试样放热或吸热的速度。 横坐标为温度(T)或时间(t)。
典型的DSC曲线
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当样品无变化时，它与参比物之间的温差为零， DSC曲线显示水平线段，称为基线。曲线离开基线的 位移，代表样品吸热或放热的速率，正峰为放热， 负峰为吸热。DSC曲线上的峰数目就是测量温度范围 内样品发生相变或化学变化的次数。
峰的位置对应着样品发生变化的温度，曲线中 的峰或谷所包围的面积，代表热量的变化。因此， DSC可以直接可以测量试样在发生变化时的热效应。 29
例如：玻璃化转变温度Tg的测定
绝大多数聚合物材料通常可处于以下三种物理 状态玻璃态、高弹态和粘流态。玻璃态时，材料为 为刚性固体状，与玻璃相似，质硬而脆。随着温度 升高，材料表现出高弹性质，此状态即为高弹态， 玻璃态开始向高弹态转变的温度称为玻璃化转变温 度Tg。玻璃化转变温度(Tg)是非晶态聚合物的一个 重要的物理性质，以玻璃化转化温度为界，高分子 聚合物呈现不同的物理性质：在玻璃化温度以下， 高分子材料为塑料；在玻璃化温度以上，高分子材 料为橡胶。
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5
下图是聚合物DTA曲线或DSC曲线的模式图，当温 度逐渐升高，通过高分子聚合物的玻璃化转变温度时， DSC曲线上的基线向吸热方向移动，由于玻璃化温度 不是相变化，曲线只产生阶梯状位移
高聚物的DSC曲线示意图
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确定Tg的方式是将玻璃化转变前后的基线延长， 两线之间的垂直距离为阶差，再在实验曲线上取一 点，使其平分阶差，这一点所对应的温度即为Tg。
应用：
DSC在高分子方面的应用主要有：
? 玻璃化转变温度Tg
? 分解温度
? 混合物和共聚物的组成
? 结晶温度Tc
? 结晶度Xc
? 增塑剂的影响
? 固化过程的研究
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第二节、显微技术
显微技术是一种直观表征材料微观外貌的方法， 显微技术是采用显微镜作为工具来进行材料分析， 最常用的显微镜有：
光学显微镜 透射电子显微镜 扫描电子显微镜 显微镜一般观察的对象是某一材料的表面或断面， 有时也可以是专门的制样，如切片等。光学显微镜分 辨率大于200nm，可观察到材料的裂纹、裂缝、气泡等。 电子显微镜具有更高的分辨率，能得到材料的立体表 面形态图像、结晶现象。
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一、透射电子显微镜
透射电子显微镜是由电子枪发射电子束，穿过 被研究的样品，经电子透镜聚焦放大，在荧光屏上 显示出高度放大的物像，还可作摄片记录的电子光 学仪器。它是材料科学研究的重要手段，能提供极 微细材料的组织结构、晶体结构和化学成分等方面 信息。透射电镜的分辨率为0.1～0.2nm，放大倍数 为几万～几十万倍。
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?电子光学系统 ?真空系统 ?电器系统
（一）电子光学系统
电子光学系统是电子显微镜的核心部分
1. 电子照明部分 2. 试样室 3. 成像放大部分
4. 图象记录装置
35
36
6
1. 电子照明部分 ? 作用：提供亮度高、相干性好、束流稳定的照明电
子束。 ? 组成：电子枪和聚光镜 2. 试样室
由于电子易散射或被物体吸收，故穿透力低，必 须制备超薄切片。透射电镜样品是直径不大于3mm，厚 度为几十纳米的薄试样。 3. 成像放大部分
由物镜、中间镜和投影镜组成。 4. 图象记录装置
由观察室和照相机构组成。
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（二）真空系统 空气会使电子强烈的散射，因此，整个电子通
道从电子枪至照相底板盒都必须置于真空系统之内， 一般真空度为10-4-10-7毫米汞柱。 （三）电器系统
透射电镜需要两部分电源：一是供给电子枪的 高压部分，二是供给电磁透镜的低压稳流部分。
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电镜与光镜的比较
显微镜 分辨本领 光源
透镜
真空
成像原理
LM
200nm
可见光 玻璃透镜 不要求真空 利用样品对光的
(400-700nm)
吸收形成明暗反
紫外光
差和颜色变化
100nm (约200nm) 玻璃透镜 不要求真空
TEM 0.1nm
电子束 电磁透镜 要求真空 利用样品对电子
(0.01-0.9)
1.33x10-5～ 的散射和透射形
1.33x10-3Pa 成明暗反差
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应用： 透射电子显微镜主要用于材料形貌观察，晶体结构分析。
天然橡胶与顺丁橡胶共 混体系的炭黑分散状况
高分辨透射电镜
40
二、扫描电子显微镜（SEM）
1.原理：SEM的工作原理是用一束极细的电子束在样 品表面按顺序逐行扫描，在样品表面激发出二级电 子、背散射电子、特征x射线和连续谱X射线、俄歇 电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域 产生的电磁辐射。
二次电子：用于观察物 质表面微观形貌。 背散射电子：可以反映 成份信息。 EDS：进行元素成份分析。
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2.构造
? 电子光学系统（电子枪、 电磁透镜、扫描线圈和 样品室）
? 信号收集处理、图 像显示和记录系统 （二次电子采用闪烁计 数器）
? 真空系统（1.33×10-2 -1.33×10-3Pa）
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7
3.特点 ①分辨率比较高，二次电子成像5-10nm ②放大倍数连续可调，几十倍到二十万倍 ③景深大，立体感强 ④试样制备简单 ⑤一机多用
4.应用
扫描电子显微镜可以进行如下基本分析： （1）三维形貌的观察和分析； （2）在观察形貌的同时，进行微区的成分分析。
① 观察纳米材料
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具有纳米孔阵列结构的氧化铝薄膜
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② 材料断口的分析
③ 直接观察大试样的原始表面
注射针头的扫描电镜照片
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（a）陶瓷烧结体的表面图像（b）多孔硅的剖面图
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④ 观察厚试样并能得到最真实的形貌。
⑤ 观察生物试样
果蝇：
不同倍率的扫描 电镜照片
多孔氧化铝模板制备的金纳米线的形貌 （a）低倍像（b）高倍像
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48
8
第三节 X-射线衍射技术 X射线衍射分析(X-ray diffraction，简称XRD)，
是利用X射线在晶体中所产生的衍射现象来分析材料 的晶体结构、晶格参数、晶体缺陷、不同结构相的 含量及内应力的方法。 X-射线衍射技术自本世纪初 已成为材料研究中最重要和最有用的技术之一。
X射线衍射分析分为：粉末法X射线衍射分析 单晶法X射线衍射分析
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一、原理 当一束X射线照到晶体上时，原子或离子中的电
子受迫振动，振动频率与入射X射线的频率相同。并 向四周各方向发射与入射X射线相同频率的电磁波， 称为X射线散射波。在一个原子系统中所有电子的散 射波都可以近似地看作是由原子中心发出的，因此， 可以把晶体中每个原子都看成是一个新波源。
50
这些散射波之间可以相互干涉，并在空间某些 方向上波的相位相同，始终保持相互叠加，于是在 这个方向上可以观察到散射波干涉产生的衍射线。
散射波干涉包括
面中点阵散射波干涉 面间点阵散射波干涉
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1.面中点阵散射波干涉
入射 X射线
平面法线
入射角
掠射角
镜面反射方向
任一平面上 的点阵
在X射线照射到的原子面中，所有原子的散射波 在原子面的反射方向的相位是相同的，是干涉加强的
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方向。
2.面间点阵散射波的干涉 由于X射线的波长短，穿透能力强，所以它不仅可
以使晶体表面的原子成为散射波源，而且还能使晶体 内部的原子成为散射波源。在这种情况下，衍射线应 被看成是许多平行原子面散射波振幅叠加的结果。原 子面间干涉加强的条件是必须满足布喇格定律：
2dsinθ=nλ
d—相邻晶面的垂直距离 θ—入射X射线与晶面的夹角（布喇格角） n—正整数 λ—波长
只有θ满足此方程时，才能在相应的反射角方
向上产生衍射。
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X射线
入射角 掠射角
层间两反射 光的光程差
相长干涉得 亮点的条件
求出相邻晶面距 离为 d 的两反 射光相长干涉条 件
布喇格定律
54
9
在一种晶体内有多组晶面族，即沿不同的方向， 可划分出不同间距 d 的晶面。
第一组晶面族，晶格常数为d1 第二组晶面族，晶格常数为d2 第三组晶面族，晶格常数为d3 …
对任何一种方向的晶面，只要满足布喇格公式， 则在该晶面的反射方向上，将会发生散射光的衍射。
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晶体衍射方法是目前研究晶体结构最有力的 方法。根据研究对象的不同可以分为粉末法和单 晶法。
粉末法：可以用来确定立方晶的晶体结构的 点阵形式、晶胞参数等。
单晶法可以精确给出晶胞参数，晶体中成键原 子的键长、键角等重要的结构化学数据。
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二、粉末法X射线衍射分析 1.实验条件: 单色的X射线、粉末样品或多晶样品 2.粉末衍射图的获得
? 照相法 照相法以德拜法应用最为普遍，以一束准直的
特征X射线照射到小块粉末样品上，用卷成圆柱状 并与样品同轴安装的窄条底片记录衍射信息。
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照相法获得的衍射图是一些衍射弧，照相法是比 较原始的方法。
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? 衍射仪法 衍射仪法得到的衍射图谱给出一系列峰，如图所
示，横坐标是2θ，纵坐标是衍射强度。衍射图谱可 以提供三种晶体结构信息：衍射线位置(角度)、强度 和形状(宽度).
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3.粉末衍射的应用 （1）物相分析即固体由哪几种物质构成
XRD是晶体的“指纹”，不同的物质具有不同的XRD 特征峰值（峰位置、相对强度和扫描范围内的峰数）。 样品中如果存在多个相，样品的衍射谱是各相衍射谱 的简单叠加。
(2) [Si-070104-1s.raw] SCAN: 20.0/100.0/0.02/1(sec), Cu(40kV,250mA), I(max)=125199, 01-05-07 00:22 (1) [E47.raw] SCAN: 15.0/80.0/0.02/0.15(sec), Cu(40kV,250mA), I(max)=12644, 03-31-06 07:26
40.0
35.0
Intensity(Counts)
30.0 Pattern of Si
25.0
20.0
15.0
10.0
5.0 Pattern of Al
x10^3
30
40
50
60
70
60
T Th t (d )
10
物相分析基本方法就是将待分析物质的衍射图与 标准单相物质的衍射图对照，从而确定物质的组成相。 目前常用衍射仪法得到衍射图谱，用“粉末衍射标准 联合会(JCPDS)”负责编辑出版的“粉末衍射卡片（PDF 卡片）”进行物相分析。其特点是能确定元素所处的 化学状态（FeO,Fe2O3,Fe3O4），能区别同分异构体， 能区别是混合物还是固溶体，鉴定出各个相后，根据 各相衍射的强度正比于该组分存在的量，就可对各种 组分进行定量分析。
61
（2）衍射图的指标化
利用粉末样品衍射图确定相应晶面的米勒指数就 称为指标化。当晶胞参数未知时，指标化只有对立方 晶系是可能的。
立方晶系a = b = c , α = β = γ = 90° 由立方晶系中晶面间距公式和布拉格方程可容 易推得下式：
d=
a
h2 + k2 + l2
sinθ = λ 2d
sin2 θ
=
λ2 4a2
(h2
+
k2
+
l2)
62
因为在立方晶系[λ/(2a)]2为一个常数，任意两 条衍射线的sin2θ之比等于h2+k2+l2之比。因此有： sin2θ1:sin2θ2:sin2θ3:….sin2θk=
h12+k12+l12:h22+k22+l22:h32+k32+l32:….hk2+kk2+lk2 只要求出每条衍射线的sin2θ值，就可得出这些 衍射线的平方和的比值，并求出这些比值的简单整数 比，从而就可以将每条衍射线指标化。
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简单立方晶体： sin2θ1:sin2θ2:sin2θ3:….sin2θk=
1:2:3:4:5:6:8:9:….k。 相应衍射面的指标为100，110，111，200，210，211…。
体心立方晶体：
sin2θ1:sin2θ2:sin2θ3:….sin2θk= 2:4:6:8:10:12:14:….k。
相应衍射面的指标为110，200，211，220，310，222…。
64
体心立方晶体：
sin2θ1:sin2θ2:sin2θ3:….sin2θk= 3:4:8:11:12:16:19:….k。
相应衍射面的指标为111，200，220，311，222，400…。
依照粉末线(θ由小到大)的顺序, sin2θ值的比 例(即h2+k2+l2)必有如下规律:
P: 1:2:3:4:5:6:8:9…（缺7，15，23等） I: 1:2:3:4:5:6:7:8:9…（不缺） F: 3:4:8:11:12:16:19:20… (出现二密一稀的规律)
65
66
11
H2+ 简单 体心 面心 H2+k2 简单 体心 面心 k2+l2 (P) (I) (F) +l2 (P) (I) (F)
1
100
2
110
110
3
111
111
4
200
200
200
5
210
6
211
211
7
8
220
220
220
9
300,221
10
310
310
11
311
311
12
222
222
222
13
320
14
321
321
15
16
400
400
400
17
410,322
18
411,330 411
19
331
331
20
420
420
420
21
421
22
332
332
23
24
422
422
422
25
500,432
…
67
（3）点阵常数的精确测定
点阵常数是晶体物质的基本结构参数，点阵常数 的精确测定，可用于晶体缺陷及固溶体的研究、测量 膨胀系数及物质的真实密度。 步骤：
? 根据衍射线的角位置计算晶面间距d ? 标定个衍射线条的指数hkl（指标化） ? 由d和相应的hkl计算点阵常数(a、b、c等) ? 消除误差得到精确的点阵常数
68
（4）晶粒尺寸和点阵畸变的测定
多晶体材料的晶体尺寸是影响其物理化学性能的 重要因素，测定纳米材料的晶粒大小要用XRD，用X射 线衍射法测量小晶粒尺寸是基于衍射线剖面宽度随晶 粒尺寸减少而增宽这一实验现象。，这就是1918年谢 乐（Scherrer ）首先提出的小晶粒平均尺寸（D）与 衍射线真实宽度之间有的数学关系:
Scherrer方程： D = Kλ/B1/2cosθ
式中，D为晶粒的平均尺寸，K为常数(约等于0.89)， B1/2为衍射线剖面的半高宽。
69
三、单晶法X射线衍射分析 单晶X射线衍射分析的对象是单晶样品，一般
为直径0.1-1mm的完整晶粒。 单晶法X射线衍射分析能提供晶体内部三维空
间的电子云密布，晶体中分子的立体构型、构象、 化学键类型、键长、键角、分子间距离和配合物配 位等。
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分子结构透视图
晶胞图
Fe-Fe以单键相连，键长2.4996(10)?， N1原子周 围的C-N-C键角之和为355.3°四个N原子处于同一平面 上。C-N键长为1.364(5)- 1.378(5)?四个苯环C9-C14, C21-C26, C32-C37, C43-C48与卟啉大环不是共平面的， 两面角分别为75.9°、99.1°、77.4° 和 63.1°， 71
第三节 材料的表面分析技术 表面分析是对固体表面或界面上只有几个原子
层厚的薄层进行组分、结构和能态等分析的材料物 理试验。也是一种利用分析手段，揭示材料及其制 品的表面形貌、成分、结构或状态的技术。
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X射线在晶体中的衍射现象是大量的原子散射波 相互干涉的结果。每种晶体所产生的衍射花样都反 映出晶体内部的原子分布规律，从而显示与结晶结 构相对应的特有的衍射现象。
NaCl 单晶的
石英 (SiO2)的
X 射线衍射斑点
X 射线衍射斑点
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一、衰减全反射红外光谱（ATR）
红外光谱是化合物结构定性分析的主要手段之 一, 典型的红外光谱是通过材料样品对透射红外光 的特征吸收来得到所要求的信息。然而，相当多的 材料对红外光是不透明的，无法采用典型的方法进 行红外分析检测。采用衰减全反射红外光谱法(ATR) 分析就可以方便地克服这些困难。该方法应用范围 广泛、制样简单、无需前处理、不破坏样品就可以 直接进行红外分析, 所测得的红外光谱与透射光谱 的谱带位置、形状完全一致。
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衰减全反射原理: 当一束红外光经过棱镜照射到样品上时，棱镜的
折光率是n1，样品的折射率是n2，n1>n2，当入射角大 于临界角时, 即sinα〉n2/n1，产生全反射现象。
全反射并非在样品的表面上直接反射，而是入射 光进入到样品的一定深度之后再返回表面反射。
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进入样品的光, 同样带有特征吸收的信息，在样 品有吸收的频率范围内光线会被样品吸收而强度衰减, 在样品无吸收的频率范围内光线被全部反射，产生象 透射光谱一样的效果。
样品
样品
多次反射ATR 元件
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例：从未知成分的橡胶管剪开的18mm×10mm小片样品 所得到的ATR光谱图，
1446cm-1
1017cm-1
1375cm-1
834cm-1
1661cm-1
668cm-1
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从未知成分的橡胶管剪开的18mm×10mm小片样品 所得到的ATR光谱图，可以看到： 834cm-1：=CH面外弯曲振动吸收； 1446cm-1：CH2的弯曲振动吸收； 1375cm-1：CH3弯曲振动吸收； 1661cm-1：脂肪族C=C的伸缩振动吸收： 以上位置的吸收与聚戊二烯橡胶的特征吸收一致。 1017cm-1和668cm-1：来自于添加剂滑石粉的吸收。因 此可以断定该橡胶管的材料是添加了滑石粉的顺式聚 戊二烯橡胶，
[CH2-CH=CH-CH2]n
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二、X射线光电子能谱分析
X射线光电子能谱分析，以一定能量的X射线辐照 气体分子或固体表面，发射出的光电子的动能与该电 子原来所在的能级有关，记录并分析这些光电子能量 可得到元素种类、化学状态和电荷分布等方面的信息。 这种非破坏性分析方法，不仅可以分析导体、半导体， 还可分析绝缘体。除氢以外所有元素都能检测。虽然 检测灵敏度不高，仅达千分之一左右，但绝对灵敏度 可达2×10(单层。
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X射线与物质相互作用时，产生各种不同的和复 杂的过程。就其能量转换而言，一束X射线通过物质 时，可分为三部分：一部分被散射，一部分被吸收， 一部分透过物质继续沿原来的方向传播。
X光电子能谱仪通常 由X射线枪、样品室、 电子能量分析器、 检测器和真空系统 组成。
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1.原理 将一定能量的X光照射到样品表面，与待测物质
发生作用，可以使待测物质原子中的电子脱离原子成 为自由电子。该过程可用下式表示:
hv=Ek+Eb+Φ
式中:
hv：X光子的能量；
Ek：光电子的能量； Eb：电子的结合能； Φ：功函数。
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仪器材料的功函数Φ是一个定值，约为4eV，入 射X光子能量已知，这样，如果测出电子的动能Ek， 便可得到固体样品电子的结合能。
Eb=hv-Ek-Φ
各种原子，分子的轨道电子结合能是一定的。因 此，通过对样品产生的光子能量的测定，就可以了解 样品中元素的组成。确定元素所处的状态。
X光电子能谱法是一种表面分析方法，提供的是样 品表面的元素含量与形态，而不是样品整体的成分。 其信息深度约为3-5nm。
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XPS电子能谱曲线的横坐标是电子结合能，纵坐 标是光电子的测量强度。P167
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2.应用 （1）元素定性分析
各种元素都有它的特征的电子结合能，因此在 能谱图中就出现特征谱线，可以根据这些谱线在能 谱图中的位置来鉴定固体表面元素(除氢、氦以外) 。
通过对样品进行全扫描，在一次测定中就可以检出 全部或大部分元素。
（2）元素定量分析
X 射线光电子能谱定量分析的依据是谱峰强度与
其含量成正比。在实际分析中，采用与标准样品相比
较的方法来对元素进行定量分析，精确度可达1%-2%。
XPS提供的定量结果是表面3-5nm的成份，而不是样品
整体的成份。
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（3）元素化合价的分析 当元素处于化合物状态时，与纯元素相比，电子的
结合能有一些小的变化，称为化学位移，表现在电子能 谱曲线上就是谱峰发生少量平移。测量化学位移，可以 了解原子的状态和化学键的情况。
右图为A1(O)和Al(Ⅲ)的 2p电子能谱的化学位移，原 子价态的变化导致A1的2p峰 位移。例如Al2O3中的3价铝 与纯铝(0价)的电子结合能存 在大约3电子伏特的化学位移。
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（3）结构分析
? 这些化合物中的碳原子
分别处于两种不同的化
学环境中（一种是苯环
上的碳，一种是羧基碳)，
因而它们的C1s谱是两
条分开的峰。
? 谱图中两峰的强度比
4:6、2:6和1:6恰好符
合3种化合物中羧基碳
和苯环碳的比例。由
此种比例可以估计苯
环上取代基的数目，从
而确定其结构。
1，2，4，5-苯四甲酸；1，2-苯二甲 酸和苯甲酸钠的C1s光电子谱图 86
K3[Fe(C2O4)3].3H2O热重分析
由热重曲线计算样品的失重率，根据失重率可计算配合物中 所含的结晶水。
并与各种可能的热分解反应的理论失重率相比较，参考红 外光谱图，确定该配合物的组成。
当然，对于各温度条件下的热分解产物需要通过XRD等确定。
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K3[Fe(C2O4)3].3H2O 红外光谱
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根据测定的磁化率计算配合物中心离子的未成对电子数， 画出电子的排布，并说明草酸根是属于强场配体还是弱场 配体。综合上述实验结果确定试样的正确分子式及中心离 子的电子组态。
其他表征方法：
? 纳米颗粒表面电荷量（zeta电位）：Zeta电位仪 ? 纳米颗粒的粒径大小：激光光散射仪、TEM ? 孔隙率（多孔材料）：BET比表面测试仪 ? 薄层材料（如石墨烯的表征）：AFM
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材料结构与性能历年真 题 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
2009年试题 1.一外受张应力载荷力500MPa的无机材料薄板(长15cm，宽10cm，厚，其 中心部位有一裂纹(C=20μm)。该材料的弹性模量为300GPa，(1Pa=1N/m2)断裂能为15J/m2(1J=1Nm)。 a)计算该裂纹尖端应力强度因子K I (Y=) b)判断该材料是否安全 ,可知，即材料的裂纹尖端应力强度应子超过了材料的临界断裂应子，则材料不安全。 2.测定陶瓷材料的断裂韧性常用的方法有几种并说明它们的优缺点。 答： 方法优点缺点 单边切口梁法(SENB)简单、快捷①测试精度受切口宽度的影响，且过分要求窄的切口；②切口容易钝化而变宽，比较适合粗晶陶瓷，而对细晶体陶瓷测试值会偏大。 Vickers压痕弯曲梁法 (SEPB)测试精度高，结果较准 确，即比较接近真实值 预制裂纹的成功率低；控制裂纹的深度尺 寸较困难。 直接压痕法(IM)①无需特别制样；②可 利用很小的样品；③测 定H V的同时获得K IC， 简单易行。 ①试样表面要求高，无划痕和缺陷；②由 于压痕周围应力应变场较复杂，没有获得 断裂力学的精确解；③随材料性质不同会 产生较大误差；④四角裂纹长度由于压痕 周围残余应力的作用会发生变化；产生压 痕裂纹后若放置不同时间，裂纹长度也会 发生变化，影响测试精度。
3.写出断裂强度和断裂韧性的定义，二者的区别和联系。 答： 断裂强度δr断裂韧性K IC 定义材料单位截面承受应力而不发生断裂的能力材料抵抗裂纹失稳扩展或断裂能力 联系①都表征材料抵抗外力作用的能力；②都受到E、的影响，提高E、既可提高断裂强度，也可提高断裂韧性；③在一定的裂纹尺寸下，提高K IC也会提高δr，即增韧的同时也会增强。 区别除了与材料本身的性质有关外，还与 裂纹尺寸、形状、分布及缺陷等有关 是材料的固有属性，是材料的结构和显微 结构的函数，与外力、裂纹尺寸等无关 4.写出无机材料的增韧原理。 答：增韧原理：一是在裂纹扩展过程中使之产生有其他能量消耗机构，从而使外加负载的一部分或大部分能量消耗掉，而不致集中于裂纹扩展上；二是在陶瓷体中设置能阻碍裂纹扩展的物质场合，使裂纹不能再进一步扩展。 根据断裂力学，抗弯强度，断裂韧性，可以看出要提高陶瓷材料强度，必须提高断裂表面能和弹性模量以及减小裂纹尺寸；要提高断裂韧性，必须提高断裂表面能和弹性模量。 5.试比较以下材料的热导率，并按大小顺序排列，说明理由。氮化硅(Si3N4)陶 瓷、氧化镁(MgO)陶瓷、镁橄榄石(2MgO·SiO2)、纯银(Ag)、镍铬合金 (NiCr)。 答：热导率大小顺序：纯银>镍铬合金>氮化硅>氧化镁>镁橄榄石 理由：1)一般金属的热导率比非金属的热导率高，这是由于金属中存在大量的自由电子，电子质量轻，平均自由程很大，故可以快速的实现热传导；而非金属主要是通过声子来进行热传导的，声子的平均自由程要比自由电子的小很多，自由电子的热传导速率是声子的20倍，故纯银和镍铬合金的热导率高。2)单质的热导率要比混合物质的热导率高，故纯银大于镍铬合金。3)固溶体的热导率要比纯物质的小，故镁橄榄石的热导率小于氮化硅和氧化镁。4)共价键强的晶体热导率高，故氮化硅的热导率强于氧化镁。 6.对于组成范围为0-50%K2O，100-50%SiO2的玻璃，推断其膨胀系数的变 化，试通过玻璃的结构来解释所得的结果。
高分子部分 一、简答题 1、什么是高分子缩聚反应？ 缩合聚合反应（简称缩聚）： 由含有两种或两种以上单体相互缩合聚合而形成聚合物的反应称为缩聚反应，同时会析出水、氨、醇、氯化氢等小分子物质。 若缩聚反应的单体为一种，反应称为均缩聚反应，产品为均缩聚物；若缩聚反应的单体为多种，反应称为共缩聚反应，产品为共缩聚物。 2、什么是复合材料？复合材料区别于传统材料有什么特点？ 简单地说，复合材料是用两种或两种以上不同性能、不同形态的组分材料通过复合手段组合而成的一种多相材料。 复合材料区别于传统材料的一个重要特点是依靠不同的组分材料分散和承载负荷。 （1）特点 ①可设计性 ②材料与结构的同一性 ③发挥复合效应的优越性 ④材料性能对复合工艺的依赖性 （2）优点 ①比强度、比模量大 ②耐疲劳性能好 ③阻尼减震性好 ④破损安全性高 3、举例说明什么是超分子聚合物及其与传统聚合物的区别。 超分子聚合物和化学键联聚合物的最大区别：成键弱，可逆过程。 把单体结构组元之间由非共价键这种弱分子间相互作用组装而成的分子聚集体称为超分子聚合物。 之所以将其称为超分子聚合物, 一方面是因为这种聚集体中的长链或网络结构类似聚合物结构，另一方面是因为弱分子间作用力赋予这种材料各种软性的类聚合物性能。 如：氢键超分子聚合物（氢键型超分子聚合物是指重复单元通过与氢键相关的自组装生成的稳定超分子聚合物），配合物型超分子聚合物（金属- 超分子聚合物是由金属离子与配体之间的相互作用形成的, 是一类具有多样化几何构造和拓扑结构的新型功能高分子），∏-∏堆积超分子聚合物（∏-∏堆积又称∏-∏共轭、芳环堆积。当2个芳环平行或近似平行排列时，由于∏电子云相互排斥，相邻芳环平面间距小于芳香环的范德华厚度，这种想象就是∏-∏堆积），离子效应超分子聚合物。 4、简述有机发光二极管的工作过程。 OLED由以下各部分组成（自下而上）： 基层（透明塑料，玻璃，金属箔）——基层用来支撑整个OLED。 阳极（透明）——阳极在电流流过设备时消除电子（增加电子“空穴”）。 导电层——该层由有机塑料分子构成，这些分子传输由阳极而来的“空穴”。可采用聚苯胺作为OLED的导电聚合物。 发射层——该层由有机塑料分子（不同于导电层）构成，这些分子传输从阴极而来的电子；
第一章XRD 1.X射线的定义、性质、连续X射线和特征X射线的产生、特点。 答：X射线定义：高速运动的粒子与某种物质相撞击后猝然减速，且与该物质中的内层电子相互作用而产生的。性质：看不见；能使气体电离，使照相底片感光，具有很强的穿透能力，还能使物质发出荧光；在磁场和电场中都不发生偏转；当穿过物体时只有部分被散射；能杀伤生物细胞。 连续X射线产生：经典物理学解释——由于极大数量的电子射到阳极上的时间和条件不相同，因而得到的电磁波将具有连续的各种波长，形成连续X射线谱。量子力学解释——大量的电子在到达靶面的时间、条件均不同，而且还有多次碰撞，因而产生不同能量不同强度的光子序列，即形成连续谱。特点：强度随波长连续变化 特征X射线产生：当管电压达到或高于某一临界值时，阴极发出的电子在电场的加速下，可以将物质原子深层的电子击到能量较高的外部壳层或击出原子外，使原子电离。此时的原子处于激发态。处于激发态的原子有自发回到激发态的倾向，此时外层电子将填充内层空位，相应伴随着原子能量降低。原子从高能态变为低能态时，多出的能量以X射线的形式释放出来。因物质一定，原子结构一定，两特定能级间的能级差一定，故辐射出波长一定的特征X射线。特点：仅在特定的波长处有特别强的强度峰。 2.X射线与物质的相互作用 答：X射线与物质的相互作用，如图所示 一束X射线通过物体后，其强度因散射和吸收而被衰减，并且吸收是造成强度衰减的主要原因。 散射分为两部分，即相干散射和不相干散射。当X射线照射到物质的某个晶面时可以产生反射线，当反射线与X射线的频率、位相一致时，在相同反射方向上的各个反射波相互干涉，产生相干散射；当X射线经束缚力不大的电子或自由电子散射后，产生波长比入射X射线波长长的X射线，且波长随着散射方向的不同而改变，这种现象称为不相干散射。其中相干散射是X射线在晶体中产生衍射现象的基础。 物质对X射线的吸收是指X射线通过物质时，光子的能量变成了其它形式的能量，即产生了光电子、俄歇电子和荧光X射线。当X射线入射到物质的内层时，使内层的电子受激发而离开物质的壳层，则该电子就是光电子，与此同时产生内层空位。此时，外层电子将填充到内层空位，相应伴随着原子能量降低，放出的能量就是荧光X射线。当放出的荧光X射线回到外层时，将使外层电子受激发，从而产生俄歇电子而出去。产生光电子和荧光X射线的过程称为光电子效应，产生俄歇电子的过程称为俄歇效应。示意图见下：
选课课号：04000150 北京理工大学2009-2010学年第二学期 2006 级《材料结构与性能表征》学期末试题B 卷参考答案 班级 学号 姓名 成绩 1、下图是在DMSO-d 6中测定得到的、用于自由基活性/可控聚合的大分子引发剂 的1H NMR 谱图。 ① 试在分子式中标出各NMR 谱峰所对应的质子。（10分） 答案如下图所示： ② 利用谱图中所给出相应峰的积分面积求出数均分子量的数值，同时写出根据1H NMR 分析计算该大分子引发剂数均分子量的公式。（10分） 答案： (1)根据以上谱图指认，考虑到两侧的b 共振谱峰共对应有四个氢质子，而聚乙二醇链段中d 共振谱峰对应氢质子的数量为4n ，由两者积分面积之比，即可确定出以上大分子单体的聚合度m ： 4/)3(4-=n b d 的积分面积 峰的积分面积峰 8703.1/01.983≈=-n 903=+=n m ② 根据每个结构单元的分子量，聚合度n ，以及两端基的分子量，即可求出
预聚物的分子量。 + 90= 44 ? . = ? Mn + . 00 4278 03 16 2 151 0. 其中44.03为乙二醇结构单元的分子量，151.0为2-溴异丁酰基的分子量， 16.00为氧原子的原子量。 ③也可以利用其它相应峰的积分面积之比求出聚合度，进而得到分子量。因 误差的原因，结果略有差别。 2、以下分别是采用原子转移自由基活性聚合方法制备得到的聚丙烯酸乙酯的分子式和以2,5-二羟基苯甲酸为基质、三氟乙酸钠为离子化试剂测定得到的大分子质谱图： 根据谱图中各峰的位置，试判断该聚合物结构是否正确？（计算时每一谱峰所对应的分子量可保留一位小数）（20分）
《材料结构表征及应用》课程教学大纲 一、《材料结构表征及应用》课程说明 （一）课程代码：08131016 （二）课程英文名称：Characterization and Application of Material structure （三）开课对象：物理系材料物理专业 （四）课程性质： 本课程是材料物理专业的一门专业必修课。 （五）教学目的 全面理解材料的结构与性能之间的关系，掌握材料结构表征的基本方法，从材料的成分分析、结构测定和形貌观察等方面出发探寻结构与性能之间的内在关系，从而实现材料设计的功能。 （六）教学内容： 介绍一些目前比较流行的基本的材料研究方法，从材料的成分分析、结构测定和形貌观察等方面出发探寻结构与性能之间的内在关系。 （七）学时数、学分数及学时数具体分配 学时数：72 学分数：4 （八）教学方式： 课堂教学 （九）考核方式和成绩记载说明： 考核方式为考试。严格考核学生出勤情况，达到学籍管理规定的旷课量取消考试资格，综合成绩根据出勤情况、平时成绩和期末成绩评定，出勤情况占20％，平时成绩占20％，期末成绩占60％。 二、讲授大纲与各章的基本要求 第一章绪论 教学要点： 通过本章的教学使学生初步了解表征材料结构的几种方法及其基本特点，概略的介绍本书将要介绍的内容。
1．了解材料的内在结构决定了材料的外在性能。 2．了解材料表征的基本方法 教学时数：2 教学内容： 第一节材料结构与材料性能的关系 第二节材料结构表征的基本方法 一、化学成分分析 二、结构测定 三、形貌观察 考核要求： 1．材料的结构决定材料的性能（领会） 2．材料结构表征的基本方法（识记） 第二章红外光谱及激光拉曼光谱 教学要点： 了解红外光谱的基本原理，掌握红外光谱实验的制样技术和结果分析方法，了解红外光谱实验的应用范围和前景，了解激光拉曼光谱的基本概念、实验原理和应用范围。 教学时数：16 教学内容： 第一节：红外光谱的基本原理 一、双原子分子的振动——谐报子和非谐振 二、多原子分子的简正振动 三、红外光谱的吸收和强度 第二节：红外光谱与分子结构 一、基团振动与红外光谱区域的关系 二、影响基团频率的因素 第三节：红外光谱图的解析方法 一、谱带的三个重要特征 二、解析技术 三、影响谱图质量的因素 第四节：红外光谱仪及制样技术 一、红外光谱仪的进展 二、傅里叶变换红外光谱仪原理 三、傅里叶变换红外光谱法的主要优点 四、红外光谱的表示方法 五、样品的制备技术 第五节：红外光谱在材料研究领域中的应用 一、高分子材料的研究 二、材料表面的研究 三、无机材料的研究 四、有机金属化合物的研究 第六节：红外光谱新技术及其应用 一、时间分辨光谱 二、红外光热光声光谱技术
第一章，绪论 材料研究的四大要素：材料的固有性质，材料的结构，材料的使用使用性能。 材料的固有性质大都取决于物质的电子结构，原子结构和化学键结构。 材料表征的三大任务及主要测试技术：1、化学成分分析：质谱，色谱，红外光谱，核磁共振；2、材料结构的测定，X射线衍射，电子衍射，中子衍射；3、形貌观察：光学显微镜，电子显微镜，投射显微镜。 第二章，红外光谱及激光拉曼光谱 2.1红外光谱的基本原理 红外光谱的定义：当一束具有连续性波长的红外光照射物质时，该物质的分子就有吸收一定的波长红外光的光能，并将其转变为分子的振动能和装动能，从而引起分子振动—转动能级的跃迁，通过仪器记录下来不同波长的透射率的变化曲线，就是该物质的红外吸收光谱。中红外去波数范围（4000—400cm-1） 简正振动自由度（3n-6或3n-5）及其特点：3n-6是分子振动自由度3n-5是直线分子的振 动自由度 特点：分子质点在振动过程中保持不变，所有的原子都在同一瞬间通过各自的平衡位置。每 个简谐振动代表一种振动方式，有它自己的特 征频率 简正振动的类型：1、伸缩振动2、弯曲振动 分子吸收红外辐射必须满足的条件：主要振动过程中偶极矩的变化、振动能级跃迁几率 2.2红外光谱与分子结构 红外光谱分区：官能团去（4000-1330cm-1）指纹区（1330-400cm-1） 基团特征频率定义：具有相同化学键或官能团的一系列化合物有共同的吸收频率，这种频率就叫基团特征频率 影响因素，内部因素：诱导效应，共振效应，键应力的影响，氢键的影响，偶合效应，费米共振；外部因素：物态的变化的影响，折射率和粒度的影响，溶剂的影响 诱导效应：在具有一定极性的共价键中，随着取代基的电负性不同而产生不同程度的静电诱导作用，引起分子中电荷分布的变化，从而改变了键的常熟，使振动的频率发生改变，这就是诱导效应。 2.3红外光谱图的解析方法 普带的三个特征：1位置：基因存在的最有用的特征；2形状：有关基因存在的一些信息；3相对强度：把红外光谱中一条普带的强度和另一条谱带相比，可以得出一个定量的概念 影响谱图质量的因素：1仪器参数的影响；2环境的影响：空气湿度，样品污染等;3厚度的影响（要求10——50um） 2.7激光拉曼光谱 基本概念： 拉曼散射：人射光照射在样品上，人射光子与样品之间发生碰撞有能量交换称为拉曼散射斯托克斯线：拉曼散射中，散射光能量减少，在垂直方向测量到散射光中，可以检测到频率为（）的线，称为斯托克斯线。 反斯托克斯线：相反，若样子分子获得能量，在大于人射光频率出收到散射光线 拉曼位移：斯托克斯线或反斯托克斯线与人射光频率之差称了拉曼位移
基本概念集锦 1、材料（materials）：人类能用来制作有用物件的物质。 2、材料的四大家族 A. 金属材料 B. 无机非金属材料 C. 高分子材料 D. 复合材料 3、材料的结构与组成 第一层次：原子结构（电子构型、化学键、原子与电子性缺陷）。 第二层次：原子在空间的排列（单晶、多晶、非晶）。 第三层次：材料的显微组织形貌（各种缺陷）。 4、简正振动： 整个分子质心不变、整体不转动、各原子在原地作简谐振动且频率及相位相同、所有的原子都在同一瞬间通过各自的平衡位置，此时分子中的任何振动可视为所有上述简谐振动的线性组合。 将振动形式分成两类： a. 伸缩振动(νs、νas） b. 变形振动（又称弯曲振动或变角振动，用符号δ表示） 同一键型： ?反对称伸缩振动的频率大于对称伸缩振动的频率； ?伸缩振动频率远大于弯曲振动的频率； ?面内弯曲振动的频率大于面外弯曲振动的频率。 vas ＞ vs ＞＞δ面内＞δ面外 5、分子吸收红外光谱的条件 （1）振动必须能够引起分子偶极矩的变化 （2）红外辐射光的频率与分子振动的频率相当 6、红外光谱信息区 ① 4000～2500 cm-1 X—H伸缩振动区 ② 2500～2000 cm-1 叁键、累积双键伸缩振动区 ③ 2000～1500 cm-1 双键伸缩振动区 ④ 1500～ 670 cm-1 单键振动（X—Y伸缩，X—H变形振动区）及指纹区
7、振动偶合： 当两个振动频率相同或相近的基团相邻并由同一原子相连时，两个振动相互作用（微扰）产生共振，谱带一分为二（高频和低频）。 8、Fermi（费米）共振： 当一振动的倍频或组频与另一振动的基频接近时，由于发生相互作用而产生很强的吸收峰或裂分分裂成两个不同频率的峰。 9、 1. ＞3200：O—H（1个峰，强，宽）或N—H（H个峰，中强，锐） 2. 3000左右：C—H 3. Ω≥4：苯环（单取代双峰、邻位单峰、间位三峰、对位单峰兰移） 4. 3050、1600、1500：苯环 5. 1700：C=O 6. -CH3：4个峰（2960、2870、1460、1380） 7. -CH2-：3个峰（ 2930、2850、1460） 8. 异丙基：1385、1375等强双峰 9. C=C：单取代双峰，多取代单峰；顺式（690）、反式（970）
材料结构与表征 2017-2018复习整理 2018-1-4 暨南大学 ——D.S
2017-2018材料结构与表征重点整理 目录 绪论 (1) 第一章 X射线物理学基础 (2) 第二章 X射线衍射方向 (3) 第三章 X射线衍射强度 (3) 第四章多晶体分析方法 (4) 第五章物相分析及点阵参数精确测定 (5) 第六章（不考） (5) 第七章（不考） (5) 第八章电子光学基础 (5) 第九章透射电子显微镜 (6) 第十章电子衍射 (7) 第十一章晶体薄膜衍衬成像分析 (7) 第十二章（不考） (8) 第十三章扫描电子显微镜 (8) 第十四章（不考） (8) 第十五章电子探针显微镜分析 (8) 第十六章 (9) 参考文献 (10)
2017-2018材料结构与表征重点整理 绪论 1.组织结构与性能 本书主要介绍X射线衍射和电子显微镜分析材料的微观结构。 材料的组织结构与性能：a.结构决定性能；b.通过一定方法控制其显微组织形成条件。 加工齿轮实例： a.预先将钢材进行退火处理，使其硬度降低，以满足容易铣等加工工艺性能要求； b.加工好后再进行渗碳处理，使其强度、硬度提高，以满足耐磨损等使用性能的要求。 2. 显微组织结构分析表征： a.表面形貌观察（形态、大小、分布和界面状态等——光学显微镜、电子显微镜、原子力显微镜等； b.晶体结构分析（物相，晶体缺陷，组织结构等）——X射线衍射、电子衍射、热谱分析； c.化学成分分析（元素与含量、化学价态、分子量、分子式等）——光谱分析，能谱分析等。 3.传统测试方式 a.光学显微镜——分辨率200nm——只能观察表面形态而不能观察材料内部的组织结构，更不能进行对所观察的显微组织进行同位微区分析； b.化学分析——能给出试样的平均成分，不能给出元素分布，和光谱分析相同。 4.X射线衍射与电子显微镜 1.XRD——分辨率mm级——是利用X射线在晶体中的衍射现象来分析材料的晶体结构、晶格参数、晶体缺陷（位错等）、不同结构相的含量及内应力的方法，可以计算样品晶体晶体结构与晶格参数。 2.电子显微镜 透射电子显微镜——分辨率0.1nm——通过透过样品的电子束成像，可以观察微观组织形态并对观察区域进行晶体结构鉴定； 扫描电子显微镜——分辨率1nm——利用电子束在样品表面扫描激发出的代表样品表面特征的信号成像，观察表面形貌（断口）和成分分布； 电子探针显微分析——利用聚焦很细的电子束打在样品微观区域，激发出特征X射线，可以确定样品微观区域的化学成分，可与扫描电镜同时使用进行化学成分同位分析。
第一章绪论 材料研究的四大要素：材料的固有性质、材料的结构、材料的使用性能、材料的合成与加工。 材料的固有性质大都取决于物质的电子结构、原子结构和化学键结构。 材料结构表征的三大任务及主要测试技术： 1、化学成分分析：除了传统的化学分析技术外，还包括质谱（MC）、紫外（UV）、可见光、红外（IR）光谱分析、气、液相色谱、核磁共振、电子自旋共振、二次离子色谱、X射线荧光光谱、俄歇与X射线光电子谱、电子探针等。如质谱已经是鉴定未知有机化合物的基本手段；IR在高分子材料的表征上有着特殊重要地位；X射线光电子能谱（XPS）是用单色的X射线轰击样品导致电子的逸出，通过测定逸出的光电子可以无标样直接确定元素及元素含量。 2、结构测定：主要以衍射方法为主。衍射方法主要有X射线衍射、电子衍射、中子衍射、穆斯堡谱等，应用最多最普遍的是X射线衍射。在材料结构测定方法中，值得一提的是热分析技术。 3、形貌观察：光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、扫描隧道显微镜、原子力显微镜。 第二章X射线衍射分析 1、X射线的本质是电磁辐射，具有波粒二像性。 X射线的波长范围：0.01~100 ? 或者10-8-10-12 m 1 ?=10-10m （1）波动性（在晶体作衍射光栅观察到的X射线的衍射现象，即证明了X射线的波动性）； （2）粒子性（特征表现为以光子（光量子）形式辐射和吸收时具有的一定的质量、能量和动量）。 2、X射线的特征： ①X射线对物质有很强的穿透能力，可用于无损检测等。 ②X射线的波长正好与物质微观结构中的原子、离子间的距离相当，使它能被晶体衍射。晶体衍射波的方向与强度与晶体结构有关，这是X射线衍射分析的基础。 ③X射线光子的能量与原子内层电子的激发能量相当，这使物质的X射线发射谱与吸收谱在物质的成分分析中有重要的应用。 一、X射线的产生 1.产生原理 高速运动的电子与物体碰撞时，发生能量转换，电子的运动受阻失去动能，其中一小部分（1％左右）能量转变为X射线，而绝大部分（99％左右）能量转变成热能使物体温度升高。 2.产生条件 （1）产生自由电子；（2）使电子作定向的高速运动；（3）在其运动的路径上设置一个障碍物使电子突然减速或停止。 3.X射线管的结构 封闭式X射线管实质上就是一个大的真空二极管。基本组成包括： ①阴极：阴极是发射电子的地方。 ②阳极：亦称靶，是使电子突然减速和发射X射线的地方。 ③窗口：窗口是X射线从阳极靶向外射出的地方。 ④焦点：焦点是指阳极靶面被电子束轰击的地方，正是从这块面积上发射出X射线。 二、X射线谱 由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型：(1)连续X射线；(2)标识X射线。 1、连续X射线 具有连续波长的X射线，构成连续X射线谱，它和可见光相似，亦称多色X射线。 （1）产生机理
“材料研究方法与测试技术”课程练习题 第二章红外光谱法 1.为什么说红外光谱是分子振动光谱？分子吸收红外光的条件是什 么？双原子基团伸缩振动产生的红外光谱吸收峰的位置主要与哪些因素有关? 答案:这是由于红外光谱是由样品分子振动吸收特定频率红外光发生能级跃迁而形成的。分子吸收红外光的条件是：(1)分子或分子中基团振动引起分子偶极矩发生变化；(2)红外光的频率与分子或分子中基团的振动频率相等或成整数倍关系。双原子基团伸缩振动产生的红外光谱吸收峰的位置主要与双原子的折合质量（或质量)和双原子之间化学键的力常数(或键的强度；或键的离解能）有关。 2.用诱导效应、共轭效应和键应力解释以下酯类有机化合物的酯羰 基吸收峰所处位置的范围与饱和脂肪酸酯的酯羰基吸收峰所处位置范围（17３５~１75０cm-１）之间存在的差异。 芳香酸酯：１7１5~1730ｃm-１ α酮酯：1740～175５ｃm-1 丁内酯：～１82０cm-1 答案：芳香酸酯:苯环与酯羰基的共轭效应使其吸收峰波数降低;α酮酯：酯羰基与其相连的酮羰基之间既存在共轭效应，也存在吸电子的诱导效应，由于诱导效应更强一些，导致酯羰基吸收峰的波数上升；丁内酯：四元环的环张力使酯羰基吸收峰的波数增大。
3.从以下FTIR谱图中的主要吸收峰分析被测样品的化学结构中可能 存在哪些基团？分别对应哪些吸收峰? 答案:3４８6ｃｍ－1吸收峰:羟基（－OH）；3335cｍ-1吸收峰：胺基（－NH２或-NH-)；2971cm-1吸收峰和2８７0cｍ-1吸收峰：甲基(-C Ｈ3）或亚甲基(-ＣH２-)；２115ｃm－1吸收峰:炔基或累积双键基团(-N＝C＝Ｎ-);1７28cm-1吸收峰：羰基；１604ｃm-1吸收峰、15２6cm-１吸收峰和1458cｍ-１吸收峰:苯环;1１08cｍ-１吸收峰和11４8cm-1吸收峰：醚基（C-O-C)。1２３２ｃｍ-1吸收峰和1247cｍ－１吸收峰：C-N。 第三章拉曼光谱法 1. 影响拉曼谱峰位置(拉曼位移)和强度的因素有哪些？如果分子的同一种振动既有红外活性又有拉曼活性，为什么该振动产生的红外光谱吸收峰的波数和它产生的拉曼光谱峰的拉曼位移相等？
2009年试题 1.一外受应力载荷力500MPa的无机材料薄板(长15cm，宽10cm，厚0.1mm)， 其中心部位有一裂纹(C=20μm)。该材料的弹性模量为300GPa，(1Pa=1N/m2)断裂能为15J/m2(1J=1Nm)。 a)计算该裂纹尖端应力强度因子K I (Y= ) b)判断该材料是否安全？ ,可知，即材料的裂纹尖端应力强度应子超过了材料的临界断裂应子，则材料不安全。 2.测定陶瓷材料的断裂韧性常用的方法有几种？并说明它们的优缺点。 答： 方法优点缺点 单边切口梁法(SENB) 简单、快捷①测试精度受切口宽度的影响，且过分要求窄的切口；②切口容易钝化而变宽，比较适合粗晶陶瓷，而对细晶体陶瓷测试值会偏大。 Vickers压痕弯曲梁法 (SEPB) 测试精度高，结果较准 确，即比较接近真实值 预制裂纹的成功率低；控制裂纹的深度尺 寸较困难。 直接压痕法(IM) ①无需特别制样；②可 利用很小的样品；③测 定H V 的同时获得K IC ，简 单易行。 ①试样表面要求高，无划痕和缺陷；②由 于压痕周围应力应变场较复杂，没有获得 断裂力学的精确解；③随材料性质不同会 产生较大误差；④四角裂纹长度由于压痕 周围残余应力的作用会发生变化；产生压
痕裂纹后若放置不同时间，裂纹长度也会 发生变化，影响测试精度。 3.写出断裂强度和断裂韧性的定义，二者的区别和联系。 答： 断裂强度δr断裂韧性K IC 定义材料单位截面承受应力而不发生断裂的能力材料抵抗裂纹失稳扩展或断裂能力 联系①都表征材料抵抗外力作用的能力；②都受到E、的影响，提高E、既可提高 断裂强度，也可提高断裂韧性；③在一定的裂纹尺寸下，提高K IC 也会提高δr，即增韧的同时也会增强。 区别除了与材料本身的性质有关外，还与裂 纹尺寸、形状、分布及缺陷等有关 是材料的固有属性，是材料的结构和显微 结构的函数，与外力、裂纹尺寸等无关 4.写出无机材料的增韧原理。 答：增韧原理：一是在裂纹扩展过程中使之产生有其他能量消耗机构，从而使外加负载的一部分或大部分能量消耗掉，而不致集中于裂纹扩展上；二是在陶瓷体中设置能阻碍裂纹扩展的物质场合，使裂纹不能再进一步扩展。 根据断裂力学，抗弯强度，断裂韧性，可以看出要提高陶瓷材料强度，必须提高断裂表面能和弹性模量以及减小裂纹尺寸；要提高断裂韧性，必须提高断裂表面能和弹性模量。 5.试比较以下材料的热导率，并按大小顺序排列，说明理由。氮化硅(Si3N4) 陶瓷、氧化镁(MgO)陶瓷、镁橄榄石(2MgO·SiO2)、纯银(Ag)、镍铬合金(NiCr)。
第二章 1、什么是贝克线？其移动规律如何？有什么作用？在两个折射率不同的物质接触处，可以看到比较黑暗的边缘，在这轮廓附近可以看到一条比较明亮的线细线，当升降镜筒时，亮线发生移动，这条明亮的细线称为贝克线。 贝克线的移动规律：提升镜筒，贝克线向折射率大的介质移动。根据贝克线的移动，可以比较相邻两晶体折射率的相对大小。 2、单偏光镜和正交偏光镜有什么区别？单偏光下和正交偏光下分别可以观察哪些现象？单偏光（仅使用下偏光）下可以观察晶体的形态、结晶习性、解理、颜色以及突起、糙面、多色性和吸收性，比较晶体的折光率（贝克线移动），用油浸法测定折光率等，对矿物鉴定十分重要。 正交偏光镜：联合使用上、下偏光镜，且两偏光镜的振动面处于互相垂直位置。可看到消光现象、球晶。 第三章 1.电子透镜的分辨率受哪些条件的限制？ 透镜的分辨率主要取决于照明束波长儿其次还有透镜孔径半角和物 方介质折射率。 2.透射电镜主要分为哪几部分？ 电子光线系统（镜筒）、电源系统、真空系统和操作控制系统。 3.透射电镜的成像原理是什么？透射电镜，通常采用热阴极电子枪来获得电子束作为 照明源。热阴极发射的电子，在阳极加速电压的作用下，高速穿过阳极孔，然后被聚光镜会聚成具有一定直径的束斑照到样品上。具有一定能量的电子束与样品发生作用，产生反映样品微区厚度、平均原子序数、晶体结构或位向差别的多
种信息。透过样品的电子束强度，其取决于这些信息，经过物镜聚焦放大在其平面上形成一幅反映这些信息的透射电子像，经过中间镜和投影镜进一步放大，在荧光屏上得到三级放大的最终电子图像，还可将其记录在电子感光板或胶卷上。 4.请概述透射电镜的制样方法。 支持膜法，复型法、晶体薄膜法和超薄切片法。高分子材料必要时还需染色、刻蚀。 5.扫描电镜的工作原理是什么？ 由三极电子枪发射出来的电子束，在加速电压作用下，经过2?3个电子透镜聚焦后，在样品表面按顺序逐行进行扫描，激发样品产生各种物理信号，如二次电子、背散射电子、吸收电子、X射线、俄歇电子等。这些物理信号分别被相应的收集器接受，经放大器放大后，送到显像管的栅极上，用来同步地调制显像管的电子束强度，即显像管荧光屏上的亮度。由于供给电子光学系统使电子束偏向的扫描线圈的电源也就是供给阴极射线显像管的扫描线圈的电源，此电源发出的锯齿波信号同时控制两束电子束作同步扫描。因此，样品上电子束的位置与显像管荧光屏上电子束的位置是一一对应的。这样，在长余辉荧光屏上就形成一幅与样品表面特征相对应的画面——某种信息图，如二次电子像、背散射电子像等。画面上亮度的疏密程度表示该信息的强弱分布。 6.扫描电镜成像的物理信号包括哪几种？ 二次电子、背散射电子、吸收电子、X 射线、俄歇电子等 7.相对于光学显微镜和透射电镜，扫描电镜各有哪些优点？ SEM 的景深大、放大倍数连续调节范围大，分辨本领比较高、能配置各种附件，做表面成分分析及表层晶体学位向分析等
关于新型材料结构与性能的关系相关文章读后感 通过阅读文献，我了解了关于新型材料的一些基础知识。 新型材料是指那些新近发展或正在发展的、具有优异性能和应 用前景的一类材料。新型材料的特征： （1）生产制备为知识密集、技术密集和资金密集； （2）与新技术和新工艺发展密切结合。如：大多新型材料通过 极端条（如超高压、超高温、超高真空、超高密度、超高频、 超高纯和超高速快冷等）形成。 （3）一般生产规模小，经营分散，更新换代快，品种变化频繁。 （4）具有特殊性能。如超高强度、超高硬度、超塑性，及超导 性、磁性等各种特殊物理性能。 （5）其发展与材料理论关系密切。 新型材料的分类，根据性能与用途分为新型结构材料和功能材料。新型结构材料是指以力学性能为主要要求，用以制造各种机器零件和工程结构的一类材料。新型结构材料具有更高力学性能（如强度、硬度、塑性和韧性等），能在更苛该介质或条件下工作。功能材料指具有特定光、电、磁、声、热、湿、气、生物等性能的种类材料。广泛用于能源、计算机、通信、电子、激光、空间、生命科学等领域。根据材料本性或结合键分为金属材料、元机非金属材料、高分子材料、复合材料
新型材料，在国民经济中具有举足轻重的地位。对新一代材料的要求是：（1）材料结构与功能相结合。（2）开发智能材料。智能材料必须具备对外界反应能力达到定量的水平。目前的材料还停留在机敏材料水平上，机敏材料只能对外界有定性的反应。（3）材料本身少无污染，生产过程少污染，且能再生。（4）制造材料能耗少，本身能创造新能源或能充分利用能源。 材料科学发展趋势：（1）研究多相复合材料。指两个或三个主相都在一个材料之中，如多相复合陶瓷材料，多相复合金属材料，多相复合高分子材料，金属—陶瓷、金属—有机物等。（2）研究并开发纳米材料。①把纳米级晶粒混合到材料中，以改善材料脆性。②利用纳米材料本身的独特性能。 基于材料结构和性能关系研究的材料设计,其核心科学问题有三: (l)寻找决定材料体系特性的关键功能基元； (2)材料微观结构和宏观功能特性的关系的研究； (3)基于功能基元材料体系的设计原理。 各种新型材料的开发研究越来越引起人们的重视,活性碳纤维(ACF)(或纤维状活性碳(FAC)是近几十年迅速发展起来的一种新颖的高效吸附材料。 ACF的吸附性能与其结构特征有密切关系.影响性能的结构因素可分为两个方面:其一为孔结构因素,如比表面积、孔径、孔容等。在通常情况下,比表面积与吸附量有正比关系;其二为表面官能团的种类和含量,例如含氮官能团的ACF对含硫化合物有优异的吸附能力.
1.材料的结构层次有哪些，分别在什么尺度，用什么仪器进行分析？ 现在,人们通过大量的科学研究和工程实践,已经充分认识到物质结构的尺度和层次是有决定性意义的。 在不同的尺度下,主要的,或者说起决定性的问题现象和机理都有很大的差异,因此需要我们用不同的思路和方法去研究解决这些问题。更值得注意的是空间尺度与时间尺度还紧密相关,不同空间尺度下事件发生及进行的时间尺度也很不相同。一般地讲,空间尺度越大的,则描述事件的时间尺度也应越长。不同的学科关注不同尺度的时空中发生的事件。现代科学则按人眼能否直接观察到,且是否涉及分子、原子、电子等的内部结构或机制,而将世界粗略地划分为宏观(Macro-scopic)世界和微观(Microscopic)世界。之后,又有人将可以用光学显微镜观察到的尺度范围单独分出,特别地称作/显微结构(世界)。随着近年来材料科学的迅速发展,材料科学家中有人将微观世界作了更细致地划分。而研究基本粒子的物理学家可能还会把尺度向更小的方向收缩,并给出另外的命名。对于宏观世界,根据尺度的不同,或许还可以细分为/宇宙尺度/太阳系尺度/地球尺度和/工程及人体尺度等。人类的研究尺度已小至基本粒子,大至全宇宙。但到目前为止,关于/世界的认识还在不断深化,因而对其划分也就还处于变动之中。即使是按以上的层次划分,其各界之间的边界也比较模糊,有许多现象会在几个尺度层次中发生。 在材料科学与工程领域中,对于材料结构层次的划分尚不统一,可以列举出许多种划分方法,例如:有的材料设计科学家按研究对象的空间尺度划分为三个 层次: (1)工程设计层次:尺度对应于宏观材料,涉及大块材料的加工和使用性能的设计研究。 (2)连续模型尺度:典型尺度在1Lm量级,这时材料被看作连续介质,不考虑其中单个原子、分子的行为。 (3)微观设计层次:空间尺度在1nm量级,是原子、分子层次的设计。 国外有的计算材料学家,按空间和时间尺度划分四个层次〔1〕,即 (1)宏观 这是人类日常活动的主要范围,即人通过自身的体力,或借助于器械、机械等所能通达的时空。人的衣食住行,生产、生活无不在此尺度范围内进行。其空间尺度大致在0.1mm(目力能辨力最小尺寸)至数万公里人力跋涉之最远距离),时间尺度则大致在0.01秒(短跑时人所能分辨的速度最小差异)至100年(人的寿命差不多都在百年以内)。现今风行的人体工程学就是以人体尺度1m上下为主要参照的。 (2)介观 介观的由来是说它介于/宏观与/微观之间。其尺度主要在毫米量级。用普通光学显微镜就可以观察。在材料学中其代表物是晶粒,也就是说需要注意微结构了,如织构,成分偏析,晶界效应,孔中的吸附、逾渗、催化等问题都已开始显现。现在,介观尺度范围的研究成果在材料工程领域,如耐火材料工业、冶金工业等行业中有许多直接而成功的应用。 (3)微观 其尺度主要在微米量级,也就是前面所说/显微结构(世界)0。多年以来借助于光学显微镜、电子显微镜、X)衍射分析、电子探针等技术对于晶态、非晶态材料在这一尺度范围的行为表现有较多的研究,许多方法已成为材料学的常规手段。在材料学中,这一尺度的代表物有晶须、雏晶、分相时产生的液滴等。 (4)纳观 其尺度范围在纳米至微米量级,即10-6~10-9m,大致相当于几十个至几百个原子集合体的尺寸。在这一尺度范围已经显现出量子性,已经不再能将研究对象作为/连续体0,不能再简单地
1紫外光谱 1紫外吸收光谱：电子跃迁光谱，吸收光波长范围200-400nm（近紫外区），可用于结构鉴定和定量分析。产生：外层电子从基态跃迁到激发态。 2四种电子能级跃迁所需能量ΔΕ大小顺序：n→π＊< π→π＊< n→σ＊< σ→σ＊3生色基：可以产生π→π* 和n→π*跃迁的基团。如—C=C—，—N=N—，C=O，C=S，芳环，共轭双键 4助色基;本身不具有生色基作用，但与生色基相连时，通过非键电子的分配，扩展了生色基的共轭效应，影响生色基的吸收波长，增大吸收系数，因常使化合物的颜色加深，故称助色基。 5红移：由于化合物结构变化（共轭、引入助色团取代基）或采用不同溶剂后，吸收峰位置向长波方向的移动，叫红移（长移）。 6蓝移：由于化合物结构变化（共轭、引入助色团取代基）或采用不同溶剂后，吸收峰位置向短波方向的移动，叫蓝移（紫移，短移） 7吸收谱带的类型：R吸收带，K吸收带，B吸收带，E吸收带 8.高强度的吸收为共轭重键，270nm以上左右的低强度吸收可能为醛酮的羰基吸收，210nm 左右的低强度吸收可能为羧基及其衍生物，250~300nm左右的中等强度吸收表明有芳环存在 2红外光谱 1红外光谱定义：当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收某些频率的辐射，并由其振动运动或转动运动引起偶极矩的净变化，产生的分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，从而形成的分子吸收光谱称为红外光谱。又称为分子振动转动光谱。 2红外光谱图：纵坐标为吸收强度，横坐标为波长λ（微米）和波数1/λ单位：cm-1。可分为两个区，即官能团区和指纹区。 https://www.doczj.com/doc/ce13066966.html,mbert-Beer 定律: A=log(I0/I)=klc A: 吸光度I0,I: 入射光和透射光的强度k: 吸光系数l: 样品厚度c: 样品浓度 4.IR产生的条件：(1)辐射应具有能满足物质产生振动跃迁所需的能量； (2)辐射与物质间有相互偶合作用。对称分子：没有偶极矩，辐射不能引起共振，无红外活性。如：N2、O2、Cl2 等。非对称分子：有偶极矩，红外活性。 5.分子中基团的基本振动形式：伸缩振动（包括对称伸缩振动，反对称伸缩振动）弯曲振动（包括面内弯曲与面外弯曲） 6.影响基团频率发生位移的因素：A诱导效应。吸电子基团使吸收峰向高频位移 B共轭效应。共轭效应使碳碳双键的伸缩振动频率向低频位移 C空间效应;场效应，空间位阻，环张力 D氢键效应：伸缩振动向低频位移，弯曲振动向高频位移7常见的基团频率：羰基伸缩振动在1600~1900cm-1之间，往往是谱图的第一强峰，特征非常明显；C=C伸缩振动出现在1600~1660cm-1之间，一般强度较弱；单核芳烃的C=C伸缩振动出现在1500~1480cm-1和1600~1590cm-1两个区域。是鉴定芳核的重要标志。2000~2500cm-1是叁键和累积双键区。1370~1380cm-1为甲基的弯曲振动区 8.多原子的简振振动数目为3n-6，如水分子共有三个简振振动，直线型分子有3n-5个简振振动。简振振动包括伸缩振动（键长发生变化）与弯曲振动（键角发生变化）
材料分析与表征方法实验报告 热重分析实验报告 一、实验目的 1.了解热重分析法的基本原理和差热分析仪的基本构造。 2.掌握热重分析仪的使用方法。 二、实验原理 热重分析指温度在程序控制时，测量物质质量与温度之间的关系的技术。热重分析所用的仪器是热天平，它的基本原理是，样品重量变化所引起的天平位移量转化成电磁量，这个微小的电量经过放大器放大后，送入记录仪记录；而电量的大小正比于样品的重量变化量。当被测物质在加热过程中有升华、汽化、分解出气体或失去结晶水时，被测的物质质量就会发生变化。 三、实验原料 一水草酸钙CaC2O4·H2O 四、实验仪器 美国TA公司TGA55 升温与降温速率（K/min） 0.1-100℃/min 天平灵敏度（μg） 0.1μg 温度范围（°C）室温-1000℃ 五、操作条件 第一组：10℃／min空气条件下和20℃／min空气条件下，对TG和DTG曲线进行对比。 第二组：10℃／min空气条件下和10℃／min氮气条件下，对DSC进行对比。 第三组：10℃／min氮气条件下，得到TG、DTG、DSC曲线。 六、结果与讨论
含有一个结晶水的草酸钙(242CaC.OHO)在100℃以前没有失重现象,其热重 曲线呈水平状,为TG曲线的第一个平台。DTG曲线在0刻度。 在100℃和200℃之间失重并出现第二个平台。DTG曲线先升后降，在108.4℃达到最大值，即失重速率的最大值。DSC曲线先降后升，在188.4℃达到最小值，即热功率的最小值。这一步的失重量占试样总质量的12.47%，相当于每 mo CaC2O4·H2O失掉1mol H2O,其热分解反应为： CaC2O4·H2O CaC2O4 + H2O 在400℃和500℃之间失重并开始呈现第三个平台,DTG曲线先升后降，在510.4℃达到最大值，即失重速率的最大值。DSC曲线先降后升，在103.1℃达到最小值，即热功率的最小值。其失重量占试样总质量的18.76%,相当于每 mol CaC2O4分解出1mol CO,其热分解反应: CaC2O4 CaCO3 + CO 在600℃和800℃之间失重并开始呈现第四个平台,DTG曲线先升后降，在749.2℃达到最大值，即失重速率的最大值。DSC曲线先降后升，在758.9℃达到最小值，即热功率的最小值。其失重量占试样总质量的29.38%,相当每 mol CaC2O4分解出1mol CO2,其热分解反应: CaCO3 CaO + CO2 六、结论
智慧树知到《工程材料表征技术》章节测试答案第一章 1、荷叶表面具有疏水性能原因是__ 荷叶表面极为光滑 荷叶表面的纳米结构 荷叶表面分泌油脂 荷叶表面很干净 答案: 荷叶表面的纳米结构 2、材料科学中的结构可包含以下哪些对象__ 相 组织 缺陷 单体 E:大分子链 答案: 相,组织,缺陷,单体,大分子链 3、X射线晶体衍射技术将人们对材料结构的认识推进到了___尺度 微米级 厘米级 原子 晶体 答案: 原子 4、人的肉眼为什么无法看到红外线？
人眼仅能观察到与周边（背景）颜色有足够差别的物体 人眼的分辨率只有0.1 mm 人眼接收光线的频率范围有限制 人眼的视网膜无法感知强度太弱的光线 答案: 人眼接收光线的频率范围有限制 5、材料科学中的结构与性能的关系式__ 结构决定性能 性能决定结构 性能改变结构 结构与性能相互协调 答案: 结构决定性能 6、你希望在学习完本课程之后，具备哪些方面的知识与初步能力。材料结构表征能力 结构反求能力 材料选择能力 材料表征的常用方法 答案: 材料结构表征能力 ,结构反求能力,材料选择能力,材料表征的常用方法 7、在伦琴之前已经有不少人观察到X射线使得底片感光的类似现象。对 错
答案: 对 8、金相显微镜的使用，建立了钢铁性能与显微组织的联系，使得钢铁质量稳定有章可循，同时也开辟了金相学这一学科。 对 错 答案: 对 9、人类历史上曾先后出现过对人类文明起到革命性推动作用的新光源是哪些？ 电光源 X射线光源 激光光源 同步辐射光源 答案: 电光源,X射线光源,激光光源,同步辐射光源 10、同步辐射光源是指产生同步辐射的物理装置，它是利用相对论性电子（或正电子）在磁场中偏转时产生同步辐射的高性能新型强光源。 对 错 答案: 对 11、以下关于航空发动机地位正确的描述是_。 航空发动机,是大国重器,是一个国家国力的象征 航空发动机是飞机的心脏 航空发动机被誉为现代工业“皇冠上的明珠” 现代喷气式发动机，主要包括涡轮风扇发动机、涡轮喷气发动机等 E:喷气发动机的主要结构部件有进气道、压气机、燃烧室、涡轮以及尾喷管等