材料分析測試技術湘潭大學材料與光電物理學院MaterialsCharacterization龔倫軍電話電郵：ljgong@材料與光電物理學院第二教學樓322室黃仁料與光電物理學院研究生研一2023/2/43緒論材料，材料科學與工程；《材料分析測試技術》開設的意義；材料分析測試技術的主要內容；本課程的學習主要參考書目。2023/2/44材料2023/2/45材料按物態劃分：氣態、液態和固態。按組成和結合健性質：金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和復合材料。材料的功能：結構材料、功能材料。按使用領域：建筑材料、電子材料、醫用材料、儀表材料、能源材料等。2023/2/46

價鍵四面體材料2023/2/47金屬材料2023/2/48黑色金屬(鋼和鑄鐵)鋼：碳素鋼和合金鋼(按成分)；普通鋼、優質鋼和高級優質鋼(按品質)；平爐鋼、轉爐鋼、電爐鋼和奧氏體鋼(按冶煉法)；結構鋼、工具鋼、特殊鋼及專用鋼(按用途)。

鑄鐵：灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵和特殊性能鑄鐵等。

有色金屬(非鐵材料)輕金屬(密度﹤5)、重金屬(密度﹥5)、貴金屬、類金屬和稀有金屬，如A1、Cu、Zn、Sn、Pb、Mg、Ni、Ti及其合金。在工程上占有重要地位。金屬材料2023/2/49金屬材料結合鍵為金屬鍵；熔點較高；具有金屬光澤；范性、展性、延性大；強度較高；結構中存在自由電子，導熱和導電性好；在空氣中易被氧化。金屬材料的基本屬性：2023/2/410高分子材料2023/2/411高分子材料以C、H、N、O元素為基礎，由大量結構相同的小單元聚合組成，分子量大，并在某一范圍內變化。一般分為天然和合成的兩類；按使用性質：塑料、橡膠、纖維、粘合劑、涂料等；按鏈結構：碳鏈、雜鏈、元素高聚物；按熱性質：熱塑性、熱固性及熱穩定性高聚物；按用途：結構材料、電絕緣材料、耐高溫材料、導電高分子、

高分子建筑材料、生物醫用高分子材料、高分子催化劑、包裝材料等。塑料是重要的高分子材料。高分子材料2023/2/412高分子材料的基本屬性高分子材料結合健主要為共價健，部分范德華鍵；分子量大，無明顯的熔點，有玻璃化轉變溫度、粘流溫度；力學狀態有玻璃態、高彈態和粘流態；強度較高；質量輕；良好的絕緣性；優越的化學穩定性。2023/2/413無機非金屬材料2023/2/414無機非金屬材料主要包括晶體、陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。按性能和用途：傳統陶瓷和特種陶瓷。特種陶瓷也稱精細陶瓷(FineCeramics)

高技術陶瓷(HighTechnicalCeramics)

先進陶瓷(AdvancedCeramics)特種陶瓷是以人工合成化合物為原料制備，用于技術和工程領域，如電子信息、能源、機械、化工、動力、生物、航天航空和其它高新技術領域。2023/2/415無機非金屬材料無機非金屬材料的基本屬性化學健主要是離于鍵、共價健以及它們的混合鍵；硬而脆、韌性低、抗壓不抗拉、對缺陷敏感；熔點高，具有優良的耐高溫和化學穩定性；一般自由電子數目少、導熱性和導電性較小；耐化學腐蝕性好；耐磨損。2023/2/416材料科學是從事對材料本質的發現、分析、認識、設計及控制方面的理論體系。其目的在于揭示材料的行為，給予材料屬性的描述或建立模型，以及解釋組成結構與性能間的聯系。材料科學與工程2023/2/417

材料科學與工程的內涵材料科學與工程效能，使用性能成份組織結構性質理論及材料與工藝設計合成/制備受環境影響(氣氛、溫度和受力狀態等)2023/2/418高溫燒成多晶材料：陶瓷、水泥等直拉法、區熔法單晶材料：單晶硅、SiO2壓電單晶等高溫熔制玻璃材料：平板玻璃、通信光纖等低溫濕化學合成納米氧化硅粉體、高表面微孔材料等有機合成:

有機硅材料等14SiSilicon材料科學與工程2023/2/419材料科學與工程材料科學的核心:通過過程現象揭示材料組成-工藝-結構-性能的關聯。過程是理解結構和性能的重要環節。結構決定性能，組成與工藝決定結構的形成。結構因素包括：組成基元、排列、結合類型和運動方式。結構的層次：原子結構、原子排列、相結構、顯微組織、結構缺陷等。2023/2/420材料科學與材料工程的關系●

材料科學具有“研究為什么”的性質。核心是建立結構－

性能的關系。●

材料工程具有“解決怎樣做”的性質。是能為社會所接受

地獲得材料的結構、性能和形狀。(要考慮5個判據：

經濟、質量、資源、環保、能源)●

材料科學為材料工程提供設計依據，為更好地選擇材料、使用材料、發展新材料提供理論基礎。

●

材料工程為材料科學提供豐富的研究課題和物質基礎。

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材料科學和材料工程緊密聯系，它們之間沒有明顯的界線。在解決實際問題中，不能將科學因素和工程因素獨立考慮。因此，人們常將二者合稱為材料科學與工程。材料科學與工程2023/2/421材料科學與工程現代科學技術的三大支柱－－能源、材料、信息，其中材料是基礎。材料的研究、開發與應用反映著一個國家的科學技術與工業水平，關系著國家的綜合國力與安全。世界各國把材料放在重要地位來發展。我國在1978年的科學大會上將材料科學技術列為8大科技領域之一，此后各個五年計劃，一直作為一直作為重點發展的領域。2023/2/422通過各種方法，表征材料的如下信息：材料的組成，即材料所含的元素種類；結構，包括原子、分子、晶體、相和結構缺陷等各層結構；材料幾何特征，如形貌、尺寸等；材料的性能，包括材料的力、熱、光、電、磁及其耦合性能。材料分析測試技術2023/2/423分析方法的發展-結構分析降解——將分子分解成碎片，從碎片分析結構化學方法：取代和降解取代——用已知基團取代分子中某些原子或原子團,通過產物分析結構缺點：需要大量原料，制備和分離困難，許多化合物難 以憑借上述方法分離和識別例：CH4

CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4例：CaCO3CaO+CO2材料分析測試技術2023/2/424早期物理方法包括：物理方法利用光、電、磁等各種場和物質發生相互作用，引起物質內部微觀結構或狀態發生變化，并以能量形式表現出來。測量這種能量變化情況，可以推測物質內部結構。介電常數折射率磁化率材料分析測試技術2023/2/425現代物理方法用各種形式的電磁波(含光、電、磁、微波、射頻、電子束)照射被測對象，作用以后電磁波強度和頻率的關系構成譜。研究譜和物質內部結構之間關系的學科就是譜學。材料分析測試技術2023/2/426現代物理方法材料分析測試技術2023/2/427各種現代分析方法：質譜電子能譜(X射線光電子能譜、紫外光電子能譜、俄歇電子能譜)光譜(原子分子、紅外和拉曼、熒光光譜、紫外和可見吸收光譜)色譜(氣相色譜、液相色譜、凝膠色譜等)熱譜(差熱分析、熱重分析、示差掃描量熱分析等)磁共振譜(核磁共振譜、電子順磁共振)衍射分析(X射線、電子束、中子束)圖像分析(光學顯微分析、電子顯微分析、掃描探針類)材料分析測試技術2023/2/428

材料分析測試技術貫穿與材料的實驗研究密不可分。效能，使用性能成份組織結構性質理論及材料與工藝設計合成/制備受環境影響(氣氛、溫度和受力狀態等)材料分析測試技術2023/2/429

材料結構層次SiO2的結構形貌

分析方法的適應性材料分析測試技術2023/2/430結構測定包括晶體結構、表面結構分析等X射線衍射分析：晶體結構分析選區電子衍射：選區晶體結構分析中子衍射：晶體結構分析等低能電子衍射：表面結構分析結構的測定Fig.2.(a)ZnO晶體的XRD圖;(b)ZnO梳狀納米結構的TEM形貌圖和選區電子衍射(SAED)圖分析方法的適應性材料分析測試技術2023/2/431——晶體學基礎(第一章)——X射線衍射分析(第二至四章)——透射電子顯微分析(第五至七章)——掃描電子顯微鏡與電子探針(第八章)——光電子能譜等(第九章)——熱分析技術(第十章)——光譜分析(第十一章)講解分析有關材料的組成、結構和形貌的現代材料分析測試技術，主要包括：課程的主要內容2023/2/432基本要求:理解本課程的重要性；掌握材料結構、性能的各項測試原理，測試方法；理解影響材料測試、分析結果的各項因素；考核與評分：考試(70%)，平時成績(30%)，平時成績根據作業和考勤來定。本課程的學習2023/2/433王培銘等，材料研究方法，科學出版社。楊南如，無機非金屬材料測試方法，武漢工業大學出版社。鐵軍等，材料近代分析測試方法，哈爾濱工業大學出版