1、材料結構表征及應用材料結構表征及應用吳吳 剛剛 主編主編化學工業出版社化學工業出版社 任課教師：高慶任課教師：高慶 張金枝張金枝 李草李草tel：mail: 主要內容o 第1章 紅外光譜及激光拉曼光譜o 第2章 核磁共振波譜o 第3章 紫外光譜o 第4章 質譜o 第5章 電子顯微技術o 第6章 X射線衍射分析o 第7章 X射線光電子能譜分析o 第8章 材料熱分析重點：學會譜圖分析o材料現代分析測試方法材料現代分析測試方法 王富恥王富恥 主編主編 北京理工大學出版社北京理工大學出版社o現代材料分析方法現代材料分析方法 張張 銳銳 主編主編 化學工業出版社化學工業出版社o

2、有機結構波譜分析有機結構波譜分析 李潤卿李潤卿 主編主編 天津大學出版社天津大學出版社o波譜原理及解析波譜原理及解析 常建華常建華 主編主編 科學出版社科學出版社o聚合物近代儀器分析聚合物近代儀器分析 汪昆華汪昆華 主編主編 清華大學出版社清華大學出版社本課程特點本課程特點：（：（三多一少）三多一少）o 敘述性原理、規律多敘述性原理、規律多o 需要記憶的概念術語多需要記憶的概念術語多 o 課程內容頭緒多課程內容頭緒多o 理論計算少理論計算少o 相關學科多（物理學、化學、熱力學、光學相關學科多（物理學、化學、熱力學、光學以及高分子學等）以及高分子學等）作為一門應用學科，基礎理論知識要掌握，在理解

3、的作為一門應用學科，基礎理論知識要掌握，在理解的基礎上加強記憶，注意理論聯系實踐基礎上加強記憶，注意理論聯系實踐要學以致用，本課程與材料的結構和表征緊密聯系，要學以致用，本課程與材料的結構和表征緊密聯系，善于歸納總結，用本學科的基本原理分析、解釋生產中善于歸納總結，用本學科的基本原理分析、解釋生產中的問題和實驗結果的問題和實驗結果重視課程的實踐性環節重視課程的實踐性環節學習方法學習方法：什么是材料？什么是材料？ 材料，是指人類能用來制作有用物件的物質；材料有那些呢？o 按照材料的物質組成的不同，主要分為：按照材料的物質組成的不同，主要分為：新材料主要有新材料主要有金屬材料，無機非金屬材料，有機

4、高分子材料，復合材料，生物材料，光電子材料等。材料與材料科學材料與材料科學o 材料就是用以制造有用物件的（凝聚態）材料就是用以制造有用物件的（凝聚態）物質物質o 材料的發明與使用是人類進步里程的重材料的發明與使用是人類進步里程的重要標志之一要標志之一o 材料、信息與能源為當代文明的三大支材料、信息與能源為當代文明的三大支柱柱o 新材料、信息技術和生物技術是新技術新材料、信息技術和生物技術是新技術革命的主要標志革命的主要標志o 材料科學，一門多學科交叉的新興學科材料科學，一門多學科交叉的新興學科材料？材料？材料發展與人類文明的關系：新材料是人類文明進步的標志！1：遠古文明：發現與使用自然界材料（

5、石器）2：現代文明：自由地合成和設計材料（自然界不存在的各種新材料）3：未來文明：賦予材料類似生命體功能？青銅器，鐵器人類文明進步與材料發展的關系示意圖材料研究步驟材料研究步驟o樣品分離樣品分離結構檢測結構檢測性能測試性能測試 材料分子設計材料分子設計合成方法確定合成方法確定 合成合成結構確定結構確定性能測試性能測試 配比、工藝確定配比、工藝確定3/19/2022 5:32 PM什么是材料測試方法？獲取有關材料的組成，結構和性能等相關信息材料結構與材料性能的關系材料結構與材料性能的關系材料測試材料分析材料表征 現代材料科學的發展在很大程度上依賴對材料性能和其成分結構及微觀組織關系的理解3/19

6、/2022 5:32 PM材料測試方法的概念與分類材料測試方法的概念與分類材料測試方法如何分類？從功能上講，可分為組成測試，結構測試和性能測試三種方法從技術上講，材料測試方法可以分成兩類：主動式和被動式3/19/2022 5:32 PM激發源（電磁波，粒子束，電場，磁場，熱，力等）主動式（含激發源式材料測試方法）材料響應的傳感與變換數據采集處理與組成，結構，性能等相關的某種響應材料測試方法的概念與分類材料測試方法的概念與分類3/19/2022 5:32 PM 直接獲得有關材料物理、化學性能等固有信息，如尺寸大小、狀態、重（質）量、顏色、形狀、運動情況等等； 亦可根據材料物理、化學性能的差異間接

7、推斷材料的組成和結構信息，如色譜分析法、原子力顯微分析等。被動式（無激發源式材料測試方法）材料測試方法的概念與分類材料測試方法的概念與分類3/19/2022 5:32 PMo 宏觀上的性能測試和微觀上的組成與結構宏觀上的性能測試和微觀上的組成與結構表征，這兩個方面構成了材料的檢測評價表征，這兩個方面構成了材料的檢測評價技術技術o 材料設計的重要依據來源于對材料的微觀材料設計的重要依據來源于對材料的微觀組成和結構分析組成和結構分析o 材料制備的實際效果必須通過材料微觀分材料制備的實際效果必須通過材料微觀分析的檢驗析的檢驗o 材料科學的進展極大地依賴于對材料進行材料科學的進展極大地依賴于對材料進行

8、微觀分析表征的技術水平微觀分析表征的技術水平材料研究與微觀分析技術3/19/2022 5:32 PM材料研究的四大要素材料研究的四大要素 現代材料科學的發展在很大程度上依賴對材現代材料科學的發展在很大程度上依賴對材料性能和其成分結構及微觀組織關系的理解料性能和其成分結構及微觀組織關系的理解合成與加工固有性質使用性能結構和成分3/19/2022 5:32 PM材料的性質材料的性質物理性質力學性質化化學學性性質質化學組成微觀結構相結構晶粒尺寸及分布耐腐蝕性雜質含量結晶度分子量及分布立體結構晶體結構空隙度熔點熱性質磁性質光學性質電學性質重力性質拉伸性韌性延展性疲勞度硬度蠕變性延伸性抗沖擊性壓縮性動態

9、力學性質模量3/19/2022 5:32 PM結構與性能的關系結構與性能的關系傳統的傳統的“炒菜炒菜”法法電子結構，原子結構和化學鍵決定了材料的固有性質新材料開發方法材料設計發展方向所謂材料設計，就是根據對材料的組成、微結構與性能關系的認識（“炒菜”經驗材料微觀分析），按指定性能“定做”新材料，按生產要求“設計”最佳的制備和加工方法。3/19/2022 5:32 PM材料結構表征的基本方法材料結構表征的基本方法材料結構的表征任務: 成分分析, 結構測定 和 形貌觀察材料組成分析（化學成分分析） 1. 元素組成 2. 化合物組成材料亞微觀結構分析（形貌分析） 微米或亞微米尺度，相層次結構材料微觀

10、結構分析 0.1nm尺度，原子及原子組合層次結構3/19/2022 5:32 PM材料化學成分分析材料化學成分分析元素組成分析方法o 傳統的化學分析技術傳統的化學分析技術o 電子探針電子探針X射線能譜顯微分析射線能譜顯微分析o 原子光譜（吸收、發射、熒光）原子光譜（吸收、發射、熒光）o 質譜質譜與二次離子質譜與二次離子質譜o 核磁共振核磁共振o 電子自旋共振電子自旋共振o 光電子與俄歇電子能譜光電子與俄歇電子能譜3/19/2022 5:32 PM材料化學成分分析材料化學成分分析化合物組成分析方法化合物組成分析方法傳統的化學分析技術分子吸收光譜（紫外可見吸收光譜）分子振動光譜（紅外、拉曼光譜）分

11、子發射光譜（熒光光譜）氣相、液相、凝膠色譜3/19/2022 5:32 PM材料形貌分析材料形貌分析光學顯微鏡光學干涉儀激光散射譜掃描電子顯微鏡透射電子顯微鏡3/19/2022 5:32 PM形貌分析的圖例形貌分析的圖例昆蟲標本（昆蟲標本（500倍）倍）螺旋形碳管（9，157倍）化學方法生長的ZnO納米陣列（100，000倍）擔載Pt金屬顆粒的納米碳粒子（400，000倍）3/19/2022 5:32 PM材料結構分析材料結構分析高分辨透射電子顯微鏡（HTEM）場離子顯微鏡（FIM） 掃描隧道顯微鏡（STM） 原子力顯微鏡（SFM）3/19/2022 5:32 PM材料結構分析材料結構分析結果

12、結果硅納米線的不同形貌(a)呈直線或彎曲狀態，(b)呈螺旋結構，(c)呈辮子結構3/19/2022 5:32 PM材料結構分析材料結構分析- -直接法直接法硅納米線的顯微結構高分辨電子顯微像（HTEM）(a)110帶軸的硅納米線的單晶結構，它的生長方向為112(b)存在高階孿晶的硅納米線(c)具有堆垛層錯和孿晶等缺陷的硅納米線3/19/2022 5:32 PM材料結構分析材料結構分析- -直接法直接法五次對稱性鎳鈦準晶的高分辨電子顯微像3/19/2022 5:32 PM材料結構分析材料結構分析- -直接法直接法掃描隧道顯微分析拍攝的硅片上的單個原子圖像3/19/2022 5:32 PM材料結構

13、分析材料結構分析- -間接法間接法X射線衍射電子衍射中子衍射射線衍射穆斯堡爾譜擴展X射線吸收譜（EXAFS）熱分析（差熱、差動、熱重）3/19/2022 5:32 PM材料結構分析材料結構分析- -間接法間接法五次對稱性鎳鈦準晶的高分辨電子顯微像與電子衍射斑點3/19/2022 5:32 PM材料微觀分析技術的選擇材料微觀分析技術的選擇-成分分析3/19/2022 5:32 PM材料微觀分析技術的選擇材料微觀分析技術的選擇結構分析結構分析3/19/2022 5:32 PM材料微觀分析技術的選擇材料微觀分析技術的選擇形貌分析形貌分析粘土/聚合物納米復合材料（蒙脫土）o 成分分析：紅外（硅氧鍵、有機分子及相互作用）o 結構測定：X射線衍射（層間距、夾角）o 形貌觀察：透射電鏡（層狀結構及改變） 掃描隧道顯微鏡（晶層厚度、 間距、缺陷及細微結構）o 熱性能分析：差示掃描量熱分析（結晶、熔融峰的漂移及減弱）改性有機玻璃（PMMA)o 化學成分分析：紅外、核磁、紫外、可見光o 結構測定：X射線衍射、熱分析o 形貌觀察：