材料現(xiàn)代測(cè)試方法2012.021現(xiàn)在是1頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一提綱（Outline)引言（Introduction-Why,WhatandHow）材料與材料科學(xué)與工程（MaterialsandMSE)材料表征(MaterialsCharacterization)課程內(nèi)容(SubjectContent)表征原理(GeneralPrinciple)X射線衍射XRayDiffraction(XRD)歷史回顧（Historyretrospection）X射線性質(zhì)和產(chǎn)生（NatureandproductionofXray）X射線與物質(zhì)相互作用（InteractionofXraysandmaterials）2現(xiàn)在是2頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一過程、組成ProcessingComposition結(jié)構(gòu)Structure性能效能

Properties結(jié)構(gòu)形成過程“材料工藝”中心環(huán)節(jié)<材料學(xué)基礎(chǔ)>構(gòu)件、器件的制備“材料選擇”PerformanceMaterialsScienceandEngineeringGoal/meansCause/effectStructurePropertiesStructure-PropertyLinkagesWhatisMaterialsScienceandEngineering?3現(xiàn)在是3頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一MSEdevelopsfromphysics,chemistryandmathematics,andisabridgebetweenscienceandengineering.ThephysicsandchemistryareneededtounderstandwhyMaterialsbehaveincertainways.4現(xiàn)在是4頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一研究材料組成、結(jié)構(gòu)、性能與使用效能之間關(guān)系，最終實(shí)現(xiàn)按要求設(shè)計(jì)材料的目的。為獲得所需性能指標(biāo)的材料，必須考慮適宜的材料合成、制備、加工等技術(shù)。為研究所獲得材料的化學(xué)組成、物相組成、結(jié)構(gòu)和各種研究技術(shù)對(duì)材料性能的影響，需要采用相應(yīng)的分析表征方法。分析測(cè)試方法的選擇和使用貫穿材料研究、應(yīng)用的全過程.(材和料）

“Seeing”isbelievingMSEandMaterialsCharacterization材料科學(xué)與工程和材料表征5現(xiàn)在是5頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一MaterialsCharacterization狹義的材料表征指研究材料組成、結(jié)構(gòu)（及性能？)的儀器分析方法。材料組成？Composition，ComponentandConstituentsWhatdoyoumeanorthinkofwhenyousayorseethe3“C”s?Isitenoughtoknowelementalcomposition(元素組成）?QualitativeandQuantative6現(xiàn)在是6頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一三聚氰胺（化學(xué)式：C3H6N6），俗稱蜜胺、蛋白精

食品工業(yè)中常常需要測(cè)定食品的蛋白質(zhì)含量，由于直接測(cè)量蛋白質(zhì)技術(shù)上比較復(fù)雜，所以常用一種叫做凱氏定氮法的方法，通過測(cè)定氮原子的含量來間接推算食品中蛋白質(zhì)的含量。由于三聚氰胺與蛋白質(zhì)相比含有更多的氮原子，所以在下文中的一些事件中被一些造假者利用，添加在食品中以造成食品蛋白質(zhì)含量較高的假象。“相”組成更為重要？！7現(xiàn)在是7頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一Whatismaterialstructure?

材料結(jié)構(gòu)？組元（元素、相）

組元的排列、結(jié)合方式8現(xiàn)在是8頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一多層次的物質(zhì)結(jié)構(gòu)

Mattersareorganizeddifferentlyatdifferentlengthscale.宏觀：Macroscopic(>0.1mm)Structureelementsonthescalevisiblewithhumaneye.微觀：Microscopic(0.1micron-0.1mm)Grainorothermesoscopicobjectsconsistingofagroupofatomsandobservablewithalightmicroscope介觀：Mesoscopic(1-100nm)Structurebetweenatomicandmicroscopic原子：Atomic(0.1-1nm)Arrangementofatomsinmaterials,electronicbondings亞原子：Subatomic(<0.1nm)Electrons,protons,neutrons材料科學(xué)研究范疇Domainofmaterialscience9現(xiàn)在是9頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一材料表征MaterialsCharacterization元素（化學(xué)）組成

ElementalAnalysis相分析Phaseidentification相變Phasetransformation不同層次的結(jié)構(gòu)Structureatdifferentlevels,Macrotomoleculesandatoms表面與界面Surface,interface微觀、光譜、衍射與成像、各種熱分析方法Microscopy,spectroscopyandanalysis,diffractionandimaging,thermalmethods10現(xiàn)在是10頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一材料研究需要各種分析表征手段，要求我們掌握它們的原理并在實(shí)踐中加以靈活運(yùn)用。11現(xiàn)在是11頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一課程內(nèi)容第一章X射線衍射分析（盧都友duyoulu@第二章電子顯微分析（劉云飛）第三章振動(dòng)光譜分析（韋亞兵）第四章熱分析（李曉云）12現(xiàn)在是12頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一材料的分析與表征原理

MaterialsCharacterization材料信號(hào)輸入信號(hào)輸出材料與輸入信號(hào)相互作用，產(chǎn)生輸出信號(hào)。比較輸入和輸出信號(hào)，獲取材料的相關(guān)信息。1、輸入什么信號(hào)；2、獲取什么信號(hào)；3、輸入信號(hào)與材料的相互作用，以及輸出信號(hào)的產(chǎn)生過程。13現(xiàn)在是13頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一材料的分析與表征

MaterialsCharacterization信號(hào)輸入信號(hào)輸出光子、電子、離子束、中子、熱、磁、電、光等材料了解掌握和靈活運(yùn)用各種表征手段。光子、電子、離子束、中子、熱、磁、電、光等14現(xiàn)在是14頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一X射線衍射分析15現(xiàn)在是15頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一X射線的發(fā)現(xiàn)－Historyretrospection

1895年，德國(guó)物理學(xué)家R?ntgen（倫琴）(Bornin1845inGernmany)在研究陰極射線時(shí)發(fā)現(xiàn)了X射線（1901年獲得首屆諾貝爾獎(jiǎng)）16現(xiàn)在是16頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一PerfectdiscoveryNomistakes.

Fewaccountsofdiscoverieswhichdonotcontainmistakesofonekindoranother.Rontgenwascorrectineverydetail!Exploitthesubjectcompletely. Threepapersexhaustedthesubjectsocompletelythatforalmostadecadenothingnewcouldbesaidaboutit.Withwhatingeniouscaretheyarewritten.Quickapplication

Dec28,1895publishedhispreliminarycommunication,Jan6,1896.17現(xiàn)在是17頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一Bornin1845inGermany.Insmallandinformalgroupshecouldbeengaging,buttostudentsandjuniorcolleagueshewasknownasunapproachable.Hewasextremelynervousandunabletospeaktoaboveawhisper.Thispublicuneasinesswascombinedwithanunwaveringadherencetoprinciples.VonLaue1962.Theimpactofhisdiscoverywassooverwhelmingthathe,whowasover50atthetime,neverrecoveredfromit.For-asfewpeopleseemtorealize—everygreatintellectualdiscoveryisaheavyburdenforthemanwhomakesit….Themagnitudeofhisexploitcanberecognizedparticularlyifoneconsidersthatthelargenumberofotherphysists,someofthemofgreatrenown,whoexperimentedwiththesamekindofapparatusbeforeretegenanddidnotdiscoverythexray.Forsuchabreakthroughintocompletelyunsuspectedterritoryonemusthaveenormouscourageandinadditionaselfdisciplinewhichpreservesmentalcalmandclarityinthemidstofthegreatjoyandexcitementofthefirstfindings.Manyobservationshavetobemadeandcorrelatedtomakepossible(thethreepapers)whichexhaustedthesubjectsocompletelythatforalmostadecadenothingnewcouldbesaidaboutit.Withwhatingeniouscaretheyarewritten.Iknowonlyfewaccountsofdiscoverieswhichdonotcontainmistakesofonekindoranother.Rontgenwascorrectineverydetail!Seldomhasascientificdiscoverycapturedthepublicfancysothoroughlyandsoquickly.ContributingtothiswasthealmostimmediaterecognitionofthemedicalapplicationofXrays.Hispreliminarycommunication,concerninganewkindofrayswaspublishedonDec28,1895.Asanewyear’sgreetingtocolleagues,hesentreprintsalongwithhisxrayphotos.Oneofthereprints,alongwithaphotoofhiswife’shand,quicklyfounditswaytoDr.MoritzJastrowitz,aphysician,whoatameetingoftheBerlinMedicalassociationonJan6,1896.Thediscoveryofx-raybyRontegenistheperfectexampleofSerendipity有意外發(fā)現(xiàn)珍寶的運(yùn)氣.Therewasnobasisforpredictingit.Thevalueofbasicresearchhasseldombeenbetterillustrated.ImagineifsomehospitalorhealthministryhadmadeacontractwithRontgentoinventadeviceforinspectingbrokenbones.WouldhehavebegunbybuildinganapparatusaroundtheHittorf-Crookestubeanditshigh-voltagecoils?18現(xiàn)在是18頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一Rontgenbelievedstronglythatscienceshouldnotbepopularized(adilutinginhisview)thattruesciencewasnotforthesakeofgainorvanity,butshouldbepracticedtoshedlightonGod’struth,andthatonemustbeabsolutelycertaineverythingonewritesforapublicationisabsolutelyverifiable-nospeculationisallowed.Averybroadrangeofmethodsduetothetypeandrequirementsofmaterialscharacterization.Phaseidentification,qualitativeandquantitative,19現(xiàn)在是19頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一X射線的發(fā)展史1895年，德國(guó)物理學(xué)家R?ntgen（倫琴）在研究陰極射線時(shí)發(fā)現(xiàn)了X射線（1901年獲得首屆諾貝爾獎(jiǎng)）1912年，德國(guó)的Laue(勞厄)第一次成功地進(jìn)行X射線通過晶體發(fā)生衍射的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)理論。并確定了著名的晶體衍射勞埃方程式。從而形成了一門新的學(xué)科—X射線衍射晶體學(xué)。（1914年獲得諾貝爾獎(jiǎng)）1913年，英國(guó)Bragg（布喇格父子）導(dǎo)出X射線晶體結(jié)構(gòu)分析的基本公式，即著名的布拉格公式。并測(cè)定了NaCl的晶體結(jié)構(gòu)。（1915年獲得諾貝爾獎(jiǎng))20現(xiàn)在是20頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一X射線的發(fā)展史1917年,巴克拉發(fā)現(xiàn)元素的標(biāo)識(shí)X射線；1924年,

塞格巴恩創(chuàng)立了X射線光譜學(xué)；1936年，德拜、1946年，馬勒，1979年，柯馬克等人由于在X射線及其應(yīng)用方面研究而獲得化學(xué)，生理，物理諾貝爾獎(jiǎng)；有機(jī)化學(xué)家豪普物曼和卡爾勒在50年代后建立了應(yīng)用X射線分析以直接法測(cè)定晶體結(jié)構(gòu)的純數(shù)學(xué)理論，特別對(duì)研究大分子生物物質(zhì)結(jié)構(gòu)方面起了重要推進(jìn)作用，他們因此獲1985年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。21現(xiàn)在是21頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一1、衍射分析技術(shù)的發(fā)展與X射線及晶體衍射有關(guān)的部分諾貝爾獎(jiǎng)獲得者名單

22現(xiàn)在是22頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一X射線應(yīng)用技術(shù)X射線形貌技術(shù)（Radiography）醫(yī)學(xué)診斷、治療、工業(yè)探傷X射線光譜技術(shù)（Spectrum）元素分析X射線衍射技術(shù)（XrayDiffraction-XRD）相分析、結(jié)構(gòu)分析等23現(xiàn)在是23頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一課程要求和內(nèi)容提綱理解XRD和儀器工作原理，熟練掌握XRD物相定性分析方法，了解XRD在其它方面應(yīng)用。

X射線的物理基礎(chǔ)晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識(shí)

X射線衍射幾何條件和衍射線強(qiáng)度

X射線衍射儀

X射線衍射物相定性分析原理及應(yīng)用24現(xiàn)在是24頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一X射線的物理基礎(chǔ)ThenatureofXraysTheproductionanddetectionThespectrumofXraysInteractionofX-rayswithmaterialsSafety25現(xiàn)在是25頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一1.TheNatureofXraysX射線和可見光一樣屬于電磁輻射，但其波長(zhǎng)比可見光短得多，介于紫外線與γ射線之間，約為10－2到102埃的范圍。（如右圖所示）26現(xiàn)在是26頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一波粒二相性

propertiesofbothwavesandparticles 波動(dòng)性：用波長(zhǎng)、頻率、振幅、傳播方向表征。一個(gè)隨時(shí)間變化的正玄式振蕩的電場(chǎng)，其垂直方向是一類似變化的磁場(chǎng)，即交變變化的電磁場(chǎng)的傳播，傳播方向由右手螺旋定則確定。干涉、衍射現(xiàn)象。 粒子性：和其它電磁波和微觀粒子一樣（中子、質(zhì)子、電子等），x光子是具有確定能量的粒子。與物質(zhì)相互作用現(xiàn)象，用動(dòng)能和動(dòng)量表征。

波粒二相性公式：E=hv=h.c/λ，P=h/λ27現(xiàn)在是27頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一

由于x射線有能量，可以使底片感光、熒光屏發(fā)光，氣體電離。而x射線的強(qiáng)度與照相底片的感光程度、熒光屏發(fā)光亮度及氣體的電離程度有關(guān)，因此可以利用這些效應(yīng)來檢測(cè)x射線的存在及強(qiáng)度。能量與強(qiáng)度EnergyandIntensity能量：E=hv=h.c/λ（與波長(zhǎng)成反比，頻率成正比） 與穿透能力相關(guān)。強(qiáng)度：是指行垂直X射線傳播方向的單位面積 上在單位時(shí)間內(nèi)所通過的光子數(shù)目的能 量總和。常用的單位是J/cm2.s.強(qiáng)度I是由光子能量hv和它的數(shù)目n兩個(gè)因素決定的,即I=nhv.28現(xiàn)在是28頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一ProductionofXRays－Xraytube

（X射線管）29現(xiàn)在是29頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一WorkingofXraytube30現(xiàn)在是30頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一31現(xiàn)在是31頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一32現(xiàn)在是32頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一3.X

Rayspectrum－X射線譜

當(dāng)高能電子與靶上原子碰撞時(shí)，高能電子突然受阻產(chǎn)生負(fù)加速度。按照經(jīng)典電磁輻射理論，加速帶電粒子輻射電磁波，從而產(chǎn)生連續(xù)X射線。Suddendecelerationoffast-movingparticlesContinuousandcharacteristicXRayspectrum

33現(xiàn)在是33頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一h.c/λ=eVλ=

h.c/eV λ0=1.24/VContinuous/whiteXRayspectrum34現(xiàn)在是34頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一短波限

連續(xù)X射線譜在短波方向有一個(gè)波長(zhǎng)極限，稱為短波限λ0.它是由光子一次碰撞就耗盡能量所產(chǎn)生的X射線。它只與管電壓有關(guān)，不受其它因素的影響。相互關(guān)系為：式中e——電子電荷，等于

靜電單位；V——電子通過兩極時(shí)的電壓降（靜電單位）；h——普朗克常數(shù)，等于相關(guān)習(xí)題：35現(xiàn)在是35頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一相關(guān)習(xí)題試計(jì)算用50千伏操作時(shí)，X射線管中的電子在撞擊靶時(shí)的速度和動(dòng)能，所發(fā)射的X射線短波限為多少？36現(xiàn)在是36頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一X射線的強(qiáng)度

連續(xù)X射線譜中每條曲線下的面積表示連續(xù)X射線的總強(qiáng)度。也是陽(yáng)極靶發(fā)射出的X射線的總能量。實(shí)驗(yàn)證明，I與管電流、管電壓、陽(yáng)極靶的原子序數(shù)存在如下關(guān)系：且X射線管的效率為:37現(xiàn)在是37頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一當(dāng)電壓達(dá)到臨界電壓時(shí)，標(biāo)識(shí)譜線的波長(zhǎng)不再變，強(qiáng)度隨電壓增加。連續(xù)X射線強(qiáng)度最大值在1.5λ0,而不在λ0處。38現(xiàn)在是38頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一是在連續(xù)譜的基礎(chǔ)上疊加若干條具有一定波長(zhǎng)的譜線，它和可見光中的單色相似，亦稱單色X射線。39現(xiàn)在是39頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一特征/標(biāo)識(shí)X射線譜根本原因：原子內(nèi)層電子的躍遷高能電子撞擊出靶材料原子的內(nèi)層一個(gè)電子，被逐出電子的空位很快被外層的一個(gè)電子填占。而這個(gè)電子空位又被更外層來的電子占有，如此一系列步驟使該電離原子恢復(fù)正常狀態(tài)。每一步的電子躍遷產(chǎn)生特征X射線。40現(xiàn)在是40頁(yè)\一共有49頁(yè)\編輯于星期一標(biāo)識(shí)X射線的標(biāo)識(shí)線分別為相鄰電子層、隔層電子層、隔兩層躍遷產(chǎn)生的特征線

K系x射線：其它電子層躍