材料测试分析方法现代分析测试技术课件.ppt
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1、现代材料分析方法现代材料分析方法参考书:材料分析测试技术参考书:材料分析测试技术 无机非金属材料测试方法无机非金属材料测试方法 材料现代分析方法材料现代分析方法 X射线衍射分析原理、方法、应用射线衍射分析原理、方法、应用 (周上祺)等(周上祺)等 (英文版英文版)杂志文献杂志文献绪论绪论(一一)是研究物质的是研究物质的微观状态微观状态与与宏观性能宏观性能之间之间关系的一种手段关系的一种手段.人们能通过改变分子人们能通过改变分子或晶体的结构来达到控制物质宏观特或晶体的结构来达到控制物质宏观特性的目的性的目的,所以科学技术的发展离不开所以科学技术的发展离不开分析测试分析测试.现代分析测试技术现代分
2、析测试技术材料现代分析方法材料现代分析方法,是关于材料,是关于材料成分成分、结构结构、微观形貌微观形貌与与缺陷缺陷等的现代分析、测试等的现代分析、测试技术技术及其及其有关有关理论基础理论基础的科学。的科学。内容内容:材料(整体的)成分、结构分析,也包:材料(整体的)成分、结构分析,也包括材料表面与界面、微区分析、形貌分析等括材料表面与界面、微区分析、形貌分析等一般原理一般原理:通过对表征材料的物理性质或物理:通过对表征材料的物理性质或物理化学性质参数及其变化(称为测量信号或特征化学性质参数及其变化(称为测量信号或特征信息)的检测实现的。即材料的分析原理是指信息)的检测实现的。即材料的分析原理是
3、指测量信号测量信号与材料成分、结构等的特征关系与材料成分、结构等的特征关系。采。采用不同测量信号(相应地具有于材料的不同特用不同测量信号(相应地具有于材料的不同特征关系)形成了各种不同的材料分析方法。征关系)形成了各种不同的材料分析方法。入射线入射线衍射线衍射线I:I:强度强度d(2d(2):位置:位置XRDXRD谱谱试样试样(晶晶体体)?X X射线射线X X射线射线晶体结构晶体结构衍射规律衍射规律;应用与特点应用与特点分析(结构)分析(结构)材料分析原理材料分析原理(以以XRDXRD分析为例分析为例)相关相关知识知识尺度:埃量级尺度:埃量级核外电子结构;微米级的晶粒度。核外电子结构;微米级的
4、晶粒度。尺度更大的孔隙、裂纹等尺度更大的孔隙、裂纹等结构(或组织结构)(广义)包括从原子结构到结构(或组织结构)(广义)包括从原子结构到肉眼能观察到的宏观结构各个层次的构造状况的肉眼能观察到的宏观结构各个层次的构造状况的通称。原子结构、分子结构、晶体结构、电畴结通称。原子结构、分子结构、晶体结构、电畴结构等。构等。微观结构:原子结构、晶体结构、缺陷等原子、微观结构:原子结构、晶体结构、缺陷等原子、分子水平上的构造状况。分子水平上的构造状况。显微结构:材料内部不同的晶相、玻璃相及气孔显微结构:材料内部不同的晶相、玻璃相及气孔的形态、大小、取向、分布等结构状况。从尺度的形态、大小、取向、分布等结构
5、状况。从尺度范围上来讲一般电子显微镜及光学显微镜所观察范围上来讲一般电子显微镜及光学显微镜所观察到的范围。到的范围。结结 构构绪论(二)材料的组织结构与性能材料的组织结构与性能 显微组织结构的内容:显微组织结构的内容:显微显微化学成分化学成分(不同相成分,不同相成分,基体与析出相的成分、偏析等基体与析出相的成分、偏析等)、晶体结构与晶体缺陷晶体结构与晶体缺陷、晶晶粒粒大小与形态、大小与形态、相相(成分、结构、形态、含量及分布)、(成分、结构、形态、含量及分布)、界面界面 传统的显微组织结构与成分分析测试方法传统的显微组织结构与成分分析测试方法 光学显微镜:光学显微镜:100nm,表面形态,难以
6、实现同位微表面形态,难以实现同位微区分析区分析 化学分析:平均成分,不能给出元素分布化学分析:平均成分,不能给出元素分布 X射线衍射与电子显微分析射线衍射与电子显微分析 XRD:晶体结构、晶胞参数、晶体缺陷、相等。晶体结构、晶胞参数、晶体缺陷、相等。局限性:无法形貌观察与晶体结构分析微观同位结局限性:无法形貌观察与晶体结构分析微观同位结 合;微合;微米、纳米级选择性分析米、纳米级选择性分析 电子显微镜电子显微镜(EM,Electron Microscope):用高能电子束:用高能电子束作光源,用磁场作透镜,高分辨率和高放大倍数作光源,用磁场作透镜,高分辨率和高放大倍数 TEM:微观组织形态与晶
7、体结构鉴定(:微观组织形态与晶体结构鉴定(同位分析同位分析););10-1nm,106 SEM:表面形貌,表面形貌,1nm,2x105,表面的成分分布表面的成分分布 EPMA:SEM、EPMA结合,达到微观形貌与化学成分的结合,达到微观形貌与化学成分的同位同位分析分析 STEM:SEM+TEM双重功能,双重功能,+EPMA,组织形貌观察、组织形貌观察、晶体结构鉴定及化学成分测试晶体结构鉴定及化学成分测试三位一体的同位分析三位一体的同位分析表4-1 X射线衍射分析方法的应用表4-2 X射线衍射与电子衍射分析方法比较表4-3 电子衍射分析方法应用表4-4 光谱分析方法的应用T4-1 红外分光光度计
8、结构示意图T4-2 X射线荧光波谱仪示意图T4-3 核磁共振谱仪示意图T4-4 激光拉曼谱仪T4-5 质谱仪表4-5 电子能谱分析方法表4-7 电子显微分析方法表表4-7 电子显微分析方法电子显微分析方法(续续)表表 7 电子显微分析方法电子显微分析方法n元素成份分析(元素成份分析(AAS,AES,XRF,EDX)n化学价键分析(化学价键分析(IR,LRS)n结构分析(结构分析(XRD,ED)n形貌分析(形貌分析(SEM,TEM,AFM,STM)n表面与界面分析(表面与界面分析(XPS,AES,SIMS)材料表征材料表征(本课程的)主要内容本课程的)主要内容本课程内容与要求本课程内容与要求 X
9、射线衍射、电子显微分析射线衍射、电子显微分析(重点掌握)(重点掌握)其它其它 X射线光电子能谱(射线光电子能谱(XPS)、俄歇电子能谱()、俄歇电子能谱(AES)、)、扫描隧道显微镜(扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜()、原子力显微镜(AFM)等)等 要求与目标要求与目标 正确选择方法、制订方案、分析结果正确选择方法、制订方案、分析结果 为以后掌握新方法打基础为以后掌握新方法打基础 课程安排:课程安排:目标与阅读报告要求:目标与阅读报告要求:本课程目的是使同学对材料的各种现代物理分析方法有一个初步的本课程目的是使同学对材料的各种现代物理分析方法有一个初步的较全面的了解和认识,以期能够结合
10、实际情况正确选择分析方法、较全面的了解和认识,以期能够结合实际情况正确选择分析方法、制订或商讨分析方案和分析较复杂的测试结果。制订或商讨分析方案和分析较复杂的测试结果。按论文格式;阅读按论文格式;阅读20篇以上,精读篇以上,精读3-5篇(高质量的外文杂志的文篇(高质量的外文杂志的文章),简介原理与样品制备章),简介原理与样品制备含三种或以上表征方法含三种或以上表征方法,或对某一种展开深入的分析、总结,能够,或对某一种展开深入的分析、总结,能够得出课本中没有的一些新意:新颖性、心得得出课本中没有的一些新意:新颖性、心得.从文献阅读中了解、体会相关表征技术的特点、应用和技术水平从文献阅读中了解、体
11、会相关表征技术的特点、应用和技术水平(发展状况)(发展状况)提高:总结文献,围绕问题,怎样综合相关分析手段,达到求真,提高:总结文献,围绕问题,怎样综合相关分析手段,达到求真,探知问题的本质探知问题的本质注意:围绕表征技术来阐述、总结;不是所选读文献的思路。注意:围绕表征技术来阐述、总结;不是所选读文献的思路。提示:选取一篇含多种表征技术的高质量的文献作为主线,再针对提示:选取一篇含多种表征技术的高质量的文献作为主线,再针对某一种、几种方法或围绕某个问题,选择其它文献进行综合。某一种、几种方法或围绕某个问题,选择其它文献进行综合。PPT:为阅读报告打基础:为阅读报告打基础 1.1 引言引言 1
12、.2 X射线的本质射线的本质 1.3 X射线的产生及射线的产生及X射线管射线管 1.4 X射线谱射线谱 1.5 X射线与固体物质相互作用射线与固体物质相互作用 第一章第一章 X X射线的性质射线的性质1.1 引言引言 1895,(德,物)伦琴发现(德,物)伦琴发现X射线射线 1912,(德,物)劳厄发现,(德,物)劳厄发现X射线在晶体射线在晶体 中的衍射中的衍射 X射线:电磁波射线:电磁波 晶体:格子构造;晶体:格子构造;研究晶体材料开辟道研究晶体材料开辟道 路路第一章第一章 X X射线的性质射线的性质X射线衍射(射线衍射(XRD)的应用)的应用 单晶材料:晶体结构;对称性和取向方位单晶材料:
13、晶体结构;对称性和取向方位 金属、陶瓷:金属、陶瓷:物相分析物相分析(定性、定量)(定性、定量)测定相图或固溶度(定量、晶格常数随固溶测定相图或固溶度(定量、晶格常数随固溶度的变化)度的变化)多晶试样中晶粒大小、应力和应变情况多晶试样中晶粒大小、应力和应变情况Structural analysis for materials research and crystallographyX-ray powder diffractometry(XRPD)is a valuable tool for the research and development of advanced materials.I
14、t can be used for investigation of the following properties:Identification of the phase(s)present:is it a pure phase or does the material contain impurities as a result of the production process?Quantification of mixtures of phasesDegree of crystallinity of the phase(s)Crystallographic structure of
15、the material:space group determination and indexing,structure refinement and ultimately structure solvingDegree of orientation of the crystallites:texture analysis.Deformation of the crystallites as a result of the production process:residual stress analysis Influence of non-ambient conditions on th
16、ese properties All these investigations can be carried out on samples of varying dimensions:Powders,from bulk samples to very small amounts Solid materials of varying shapes and size,such as machined metallic or ceramic components or pills Well plates for combinatorial analysis入射线入射线衍射线衍射线XRDXRD谱谱I:
17、I:强度强度d(2d(2):位置:位置试样试样(晶晶体体)?X X射线射线X X射线射线晶体结构晶体结构衍射规律衍射规律分析(结构)分析(结构)XRDXRD分析分析X X射线物理基础、晶体结构射线物理基础、晶体结构XRD部分安排X X射线衍射基本理论(衍射几何、强度)射线衍射基本理论(衍射几何、强度)单晶、多晶衍射、衍射仪法单晶、多晶衍射、衍射仪法应用:物相分析应用:物相分析T1-1电磁波谱电磁波谱1.2 X1.2 X射线的本质射线的本质电磁波:振动电磁场的传播,可用交变振动着的电场强度向电磁波:振动电磁场的传播,可用交变振动着的电场强度向量和磁场强度向量来表征;它们以相同的位相在两个互相垂量
18、和磁场强度向量来表征;它们以相同的位相在两个互相垂直的平面上振动,而其传播方向与电场、磁场向量方向垂直,直的平面上振动,而其传播方向与电场、磁场向量方向垂直,并为右手螺旋法则所确定,真空中的传播速度为并为右手螺旋法则所确定,真空中的传播速度为3x103x108 8m/sm/s)(2sin0,vtEExtx)(2sin0,vtHHxtxcX X射线具波粒二象性射线具波粒二象性作为光子流:用光子的能量作为光子流:用光子的能量E E及动量及动量P P来表征;经验公式来表征;经验公式KhPhhEc,1K波矢,方向为沿波的传播方向。波矢,方向为沿波的传播方向。X X射线作为一种电磁波,在其传播的过程中是
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