材料测试分析方法(究极版)

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1、精选优质文档-倾情为你奉上绪论1分析测试技术？获取物质的组成、含量、结构、形态、形貌以及变化过程的技术和方法。2材料分析测试的思路从宏观到微观形貌（借助显微放大技术）从外部到内在结构（借助X射线衍射技术）从片段到整体（借助红外，紫外，核磁，X射线光谱，光电子能谱等）3分析测试技术的发展的三个阶段？阶段一：分析化学学科的建立；主要以化学分析为主的阶段。阶段二：分析仪器开始快速发展的阶段阶段三：分析测试技术在快速、高灵敏、实时、连续、智能、信息化等方面迅速发展的阶段4现代材料分析的内容及四大类材料分析方法？表面和内部组织形貌。包括材料的外观形貌（如纳米线、断口、裂纹等）、晶粒大小与形态、各种相的尺

2、寸与形态、含量与分布、界面（表面、相界、晶界）、位向关系（新相与母相、孪生相）、晶体缺陷（点缺陷、位错、层错）、夹杂物、内应力。晶体的相结构。各种相的结构，即晶体结构类型和晶体常数，和相组成。化学成分和价键（电子）结构。包括宏观和微区化学成份（不同相的成份、基体与析出相的成份）、同种元素的不同价键类型和化学环境。有机物的分子结构和官能团。形貌分析、物相分析、成分与价键分析与分子结构分析四大类方法。5化学成分分析所用的仪器？化学成分的表征包括元素成分分析和微区成分分析。所用仪器包括：光谱（紫外光谱、红外光谱、荧光光谱、激光拉曼光谱等）色谱（气相色谱、液相色谱、凝胶色谱等）。热谱（差热分析、热重分

3、析、示差扫描量热分析等）。表面分析谱（X射线光电子能谱、俄歇电子能谱、电子探针、原子探针、离子探针、激光探针等）。原子吸收光谱、质谱、核磁共振谱、穆斯堡尔谱等。6.现代材料测试技术的共同之处在哪里？除了个别的测试手段（扫描探针显微镜）外，各种测试技术都是利用入射的电磁波或物质波（如X射线、高能电子束、可见光、红外线）与材料试样相互作用后产生的各种各样的物理信号（射线、高能电子束、可见光、红外线），探测这些出射的信号并进行分析处理，就课获得材料的显微结构、外观形貌、相组成、成分等信息。7.x射线、连续x射线谱和标识x射线 x射线:波长为0.011000A之间D的电磁波。 连续X射线：具有连续波长

4、的x射线，构成连续x射线诺，它和可见光相似，亦称多色x射线 标识x射线:只有当管电压超过一定的数值时才会产生，且波长与x射线管电流等工作条件无关，只决定于定于阳极材料，这种X射线称为标识X射线.8.x射线衍射的几何条件是d, 、I必须满足什么公式?写出数学表达式，并说明d，的意义。 答:x射线衍射的几何条件是d,、l必须满足布拉格公式。 其数学表达式: dsin=(或2dsin =n) 其中d是晶体的晶面间距。 是布拉格角，即入射线与晶面间距的交角。 是入射x射线的波长。9.试总结衍射花样的背底来源，并提出一些防止和减少背底的措施答:(I)花材的选用影晌背底; (2)滤波片的作用影响到背底;

5、(3)样品的制备对背底的影响措施：（1）选靶靶材产生的特征x射线（常用K射线）尽可能小的激发样品的荧光辐射，以降低衍射花样背底，使图像清晰。 （2）滤波，k系特征辐射包括Ka和k射线，因两者波长不同，将使样品的产生两套方位不同得衍射花样;选择浪滋片材料，使k靶k滤k(样),根据样品成分选择靶材的原则是：Z靶Z样+1Bk(靶)k(样),则Z靶Z样C.k(靶)k(样)k(说)，Z靶=Z样+1D.多元素的样品，原则上以主组元中Z最小的元素选择靶材。入射波长的影响:由干:sin1，而满足衍射时d/2,因此越长产生的衍射条越少。6. 衍射线在空间的方位取决于什么？而衍射线的强度又取决于什么?答:衍射线在

6、空间的方位主要取决于晶体的面网间距，或者晶胞的大小。 衍射线的强度主要取决于晶体中原子的种类和它们在晶胞中的相对位置。7.实验中选择X射线管以及滤波片的原则是十么?已知一个以Fe为主要成分的样品，试选择合适的X射线管和合适的滤波片 答:实睑中选择X射线管的原则是为避免或减少产生荧光辐射，应当避免使用比样品中主元素的原子序数大2-6(尤其是2)的材料作靶材的X射线管。 选择滤波片的原则是X射线分析中，在X射线管与样品之间一个滤波片，以滤掉kp线。滤波片的材料依靶的材料而定，一般采用比靶材的原子序数小1或2的材料，以分析以铁为主的样品，应该选用Co或Fe靶的 X射线管，同时选用Fe和Mn为滤波片。

7、8试述x射线衍射物相分析步骤？及其鉴定时应注意问题？(1)计算或查找出衍射图谱上每根峰的d值与I值；(2)利用I值最大的三根强线的对应d值查找索引，找出基本符合的物相名称及卡片号；(3)将实侧的d,I值与卡片上的数据一一对照，若基本符合，就可定为该物相。 鉴定时应注意的问题: (1) d的数据比I/I0数据重要。 (2)低角度线的数据比高角度线的数据重要。 (3)强线比弱线重要，特别要重视d值大的强线. (4)应重视特征线. (5)应尽可能地先利用其他分析、.鉴定手段，初步确定出样品可能是什么物相，将他局限于一定的范围内。第三章2.薄膜样品的基本要求是什么?样品制备的工艺过程如何? 双喷减薄与

8、离子减薄各适用于制备什么样品?答：样品的基本要求：1）薄膜样品的组织结构必须和大块样品相同，在制备过程中，组织结构不变化；2）样品相对于电子束必须有足够的透明度；3）薄膜样品应有一定强度和刚度，在制备、夹持和操作过程中不会引起变形和损坏；4）在样品制备过程中不允许表面产生氧化和腐蚀。样品制备的工艺过程： 1) 切薄片样品；2) 预减薄；3) 终减薄。离子减薄：1）不导电的陶瓷样品；2）要求质量高的金属样品；3）不宜双喷电解的金属与合金样品。双喷电解减薄：1）不易于腐蚀的裂纹端试样；2）非粉末冶金试样；3）组织中各相电解性能相差不大的材料；4）不易于脆断、不能清洗的试样3.为什么透射电镜的样品要

9、求非常薄，而扫描电镜无此要求？在透射电镜中，电子束是透过样品成像，而电子束的穿透能力不大，这就要求要将试样制成很薄的薄膜样品。而扫描电镜是收集的电子束与样品作用后从表面溢出的各种信息。4电子显微分析特点？ 解： 1、不破坏样品，直接用陶瓷等多晶材料。 2、是一种微区分析方法，了解成分-结构的微区变化。 3、灵敏度高，成像分辨率高，为0.2-0.3nm，能进行nm尺度的晶体结构及化学组成分析。 4、各种电子显微分析仪器日益向多功能、综合性发展，可以进行形貌、物相、晶体结构和化学组成等的综合分析。5.样品减薄技术与复型技术相比的特点？特点：1）可以最有效地发挥电镜的高分辨率本领； 2）能够观察金属

10、及其合金的内部结构和晶体缺陷，并能对同一微区进行衍衬成像及电子衍射研究，把形貌信息与结构信息联系起来； 3）能够进行动态观察，研究在变温情况下相变的生核长大过程，以及位错等晶体缺陷在引力下的运动与交互作用。 6 透射电镜中有哪些主要光阑? 分别安装在什么位置? 其作用如何?答：主要有三种光阑：聚光镜光阑。在双聚光镜系统中,该光阑装在第二聚光镜下方。作用:限制照明孔径角。物镜光阑。安装在物镜后焦面。作用: 提高像衬度；减小孔径角，从而减小像差；进行暗场成像。选区光阑:放在物镜的像平面位置。作用: 对样品进行微区衍射分析。7 什么是双光束衍射？电子衍衬分析时，为什么要求在近似双光束条件下进行？答案

11、：双光束衍射:倾转样品，使晶体中只有一个晶面满足Bragg条件，从而产生衍射，其它晶面均远离Bragg位置，衍射花样中几乎只存在大的透射斑点和一个强衍射斑点。原因：在近似双光束条件下，产生强衍射，有利于对样品的分析8 振幅衬度和相位衬度？振幅衬度。质量厚度衬度：是由于材料的质量厚度差异造成的透射束强度的差异而产生的衬度（主要用于非晶材料）。衍射衬度：由于试样各部分满足布拉格条件的程度不同以及结构振幅不同而产生的（主要用于晶体材料）。相位衬度。试样内部各点对入射电子作用不同，导致它们在试样出口表面上相位不一，经放大让它们重新组合，使相位差转换成强度差而形成的。9 TEM的主要发展方向？（1）高电

12、压。增加电子穿透试样的能力，可观察较厚、较具代表性的试样，增加分辨率等。(2)高分辨率。最佳解像能力为点与点间0.18 nm、线与线间0.14nm（3) 多功能分析装置。(4)场发射电子光源。 11透射电镜对样品的要求？试样最大尺寸，直径不超过3mm；样品厚度足够薄，使电子束可以通过，一般厚度为20200nm；样品不含水、易挥发性物质及酸碱等腐蚀性物质；样品具有足够的强度和稳定性；在电子轰击下不致损坏或变化。 清洁无污染。12 TEM中的支持膜材料必须具备的条件？ 无结构，对电子束的吸收不大； 颗粒度小，以提高样品分辨率； 有一定的力学强度和刚度，能承受电子束的照射而不变形、破裂。13双喷减薄

13、与离子减薄各适用于制备什么样品?离子减薄：1）不导电的陶瓷样品；2）要求质量高的金属样品；3）不宜双喷电解的金属与合金样品。双喷电解减薄：1）不易于腐蚀的裂纹端试样；2）非粉末冶金试样；3）组织中各相电解性能相差不大的材料；4）不易于脆断、不能清洗的试样第四章1.扫描电镜对试样有哪些要求？（1）试样大小要适合仪器专用样品座的尺寸，小的样品座为30-35mm，大的样品座为30-50mm，高度5-10 mm。（2）含有水分的试样要先烘干。（3）有磁性的试样要先消磁。2.如何制备扫描电镜块状和粉末试样？块状和粉末试样表面镀导电膜的目的？（1）块状试样：导电材料用导电胶将试样粘在样品座上；不导电材料用

14、导电胶将试样粘在样品座上，镀导电膜。（2）粉末试样：将粉末试样用导电胶（或火棉胶、或双面胶）粘结在样品座上，镀导电膜；将粉末试样制成悬浮液，滴在样品座上，溶液挥发后，镀导电膜。试样表面镀导电膜的目的是以避免在电子束照射下产生电荷积累，影响图象质量。3.扫描电镜的特点？（1）可以观察直径为1030mm 的大块试样，制样方法简单。（2）场深大，适用于粗糙表面和断口的分析观察，图像富有立体感真实感。（3）放大倍数变化范围大，15 倍。（4）分辨率36nm。透射电镜的分辨率虽然高，但对样品厚度的要求十分苛刻，且观察的区域小。（5）可以通过电子学方法有效地控制和改善图像的质量。（6）可进行多种功能的分析

15、。观察阴极荧光图像和进行阴极荧光光谱分析。（7）可使用加热、冷却和拉伸等样品台进行动态试验，观察各种环境条件下的项变及形态变化等。4.你认为“电子显微分析只能观察显微形貌”这种说法对吗？论述电子显微分析可对无机非金属材料进行哪些方面的分析？电子显微分析只能观察显微形貌”这种说法是不对的。电子显微分析还可对无机非金属材料进行以下方面的分析：（1）.形貌观察：颗粒（晶粒）形貌、表面形貌。（2）.晶界、位错及其它缺陷的观察。（3）.物相分析：选区、微区物相分析，与形貌观察相结合，得到物相大小、形态和分布信息。（4）.晶体结构和取向分析。5.电子显微镜分析在材料研究中的应用?形态分析元素的存在状态分析

16、玻璃的非晶态结构分析材料断面的研究晶界（微观研究）微区结构分析高分子材料的研究6.表面分析可以得到哪些信息？（1）.物质表面层的化学成分。（2）.物质表面层元素所处的状态。（3）.表面层物质的状态。（4）.物质表面层的物理性质。7.影响SEM图像分辨率的主要因素？分辨本领的决定因素？扫描电子束斑直径 ；入射电子束在样品中的扩展效应；操作方式及其所用的调制信号； 信号噪音比；杂散磁场；机械振动将引起束斑漂流等，使分辨率下降。8.分辨本领的决定因素： 入射电子束束斑直径是分辨本领的极限。 入射束在样品中的扩展效应 导致相互作用体积产生，以及信号产生的深度和广度。 操作方式及成像信号体积的形状和大小

17、决定了各种物理信号的深度和广度，入射束的有效束斑直径随信号不同而变化。不同的信号调制的扫描像有不同的分辨本领。 样品ZZ愈大，电子束进入样品表面的横向扩展愈大，分辨率愈低。9.影响二次电子产额的主要因素？(1)二次电子能谱特性；(2)入射电子的能量；(3)材料的原子序数；(4)样品倾斜角q。10.二次电子像衬度的特点？（1）分辨率高（2）景深大，立体感强（3）主要反应形貌衬度。11.波谱仪的特点? 优点： 1 波长分辨率很高。谱仪分辨率是指分开、识别相邻两个谱峰的能力.如它可将波长十分接近的VKb(0.nm)、CrKa1(0.nm)和CrKa2(0.nm)3根谱线清晰地分开。 5-10eV 。

18、 2峰背比大. 背底扣除容易，数据处理简单。缺点： 1、采集效率低、分析速度慢。 2、难以在低束流和低激发强度下使用。由于经过晶体衍射后，强度损失很大，所以，波谱仪难以在低束流和低激发强度下使用，这是波谱仪的两个缺点。Si(Li)能谱仪的优点？1)分析速度快 能谱仪可以同时接受和检测所有不同能量的X射线光子信号，故可在几分钟内分析和确定样品中含有的所有元素，带铍窗口的探测器可探测的元素范围为11Na92U，20世纪80年代推向市场的新型窗口材料可使能谱仪能够分析Be以上的轻元素，探测元素的范围为4Be92U。 (2)灵敏度高 X射线收集立体角大。由于能谱仪中Si(Li)探头可以放在离发射源很近

19、的地方(10左右)，无需经过晶体衍射，信号强度几乎没有损失，所以灵敏度高(可达104cps/nA，入射电子束单位强度所产生的X射线计数率)。此外，能谱仪可在低入射电子束流(10-11A)条件下工作，这有利于提高分析的空间分辨率。 (3)谱线重复性好。由于能谱仪没有运动部件，稳定性好，且没有聚焦要求，所以谱线峰值位置的重复性好且不存在失焦问题，适合于比较粗糙表面的分析工作。12电子探针分析的基本工作方式？定性分析1 点分析用于测定样品上某个指定点的化学成分。下图是用能谱仪得到的某钢定点分析结果。能谱仪中的多道分析器可使样品中所有元素的特征X射线信号同时检测和显示。不像波谱仪那样要做全部谱扫描，甚

20、至还要更换分光晶体。2 线分析用于测定某种元素沿给定直线分布的情况。方法是将X射线谱仪（波谱仪或能谱仪）固定在所要测量的某元素特征X射线信号（波长或能量）的位置上，把电子束沿着指定的方向做直线轨迹扫描，便可得到该元素沿直线特征X射线强度的变化，从而反映了该元素沿直线的浓度分布情况。改变谱仪的位置，便可得到另一元素的X射线强度分布。下图为50CrNiMo钢中夹杂Al2O3的线分析像。可见，在Al2O3夹杂存在的地方，Al的X射线峰较强。3 面分析用于测定某种元素的面分布情况。方法是将X射线谱仪固定在所要测量的某元素特征X射线信号的位置上，电子束在样品表面做光栅扫描，此时在荧光屏上便可看到该元素的

21、面分布图像。显像管的亮度由试样给出的X射线强度调制。图像中的亮区表示这种元素的含量较高。下图为34CrNi3Mo钢中MnS夹杂物的能谱面分析图像。定量分析定量分析时，先测得试样中Y元素的特征X射线强度IY，再在同一条件下测出已知纯元素Y的标准试样特征X射线强度IO。然后两者分别扣除背底和计数器死时间对所测值的影响，得到相应的强度值IY和IO，两者相除得到X射线强度之比KY= IY / IO。 直接将测得的强度比KY当作试样中元素Y的重量浓度，其结果还有很大误差，通常还需进行三种效应的修正。即原子序数效应的修正，吸收效应修正，荧光效应修正。经过修正，误差可控制在2%以内。13.例题：光子束入射固

22、体样品表面会激发哪些信号? 它们有哪些特点和用途?答：主要有六种：1)背散射电子:能量高；来自样品表面几百nm深度范围；其产额随原子序数增大而增多.用作形貌分析、成分分析以及结构分析。2)二次电子:能量较低；来自表层5-10nm深度范围；对样品表面化状态十分敏感。不能进行成分分析.主要用于分析样品表面形貌。3)吸收电子:其衬度恰好和SE或BE信号调制图像衬度相反;与背散射电子的衬度互补。吸收电子能产生原子序数衬度，即可用来进行定性的微区成分分析.4)透射电子：透射电子信号由微区的厚度、成分和晶体结构决定.可进行微区成分分析。5)特征X射线: 用特征值进行成分分析，来自样品较深的区域。 6)俄歇

23、电子:各元素的俄歇电子能量值很低；来自样品表面1-2nm范围。它适合做表面分析。第七章1.何谓热分析?热分析的特点? ：热分析是在程序控制温度下，测量物质的物理性质与温度之间关系的一类技术。 特点：过程分析； 动态。2.热分析法的核心？：研究物质在受热或冷却时产生的物理和化学的变迁速率和温度以及所涉及的能量和质量变化。3.差热分析方法参比物要求?：热中性体，基准物。比热和导热系数比试样接近。测量温度范围内不发生热效应的物质。细度：100 300 目（150 50m）常用： 1450以上煅烧2-3小时的氧化铝粉。4.热分析中测量能量、质量变化、测定尺寸变化的方法？（1） 测量能量变化的方法：差热

24、分析 DTA 差示扫描量热法 DSC（2） 测量质量变化的方法：热重法 TG 微商热重法 DTG（3） 测定尺寸变化的方法：热膨胀法 微商热膨胀法 差示热膨胀法5.热分析中测定结构变化的方法？ 高温x-射线衍射法利用x-射线衍射原理，测定试样加热过程中随温度升高而伴随的晶体结构变化。直接分析高温状态下物质的晶体结构、物相随温度变化的方法。 热-力法在加热过程中对试样进行力学测定的方法。静态热-力法TMA：程序控温条件下，施加一定负荷，测量温度变化过程中样品尺寸变化。动态热-力法DMA：程序控温条件下，测量材料的力学性质随温度、时间、频率、应力等的变化6.DTA的基本结构组成？加热炉、温度控制系

25、统、差热系统、信号放大系统、记录系统组成7.如何正确判读DTA曲线？ 明确试样加热（冷却）过程中产生的热效应与曲线形态的对应关系； 明确曲线形态与试样本征热特性的对应关系； 排除外界因素对曲线形态的影响8.DTA曲线的几何要素？ 零线：理想状态T=0的线； 基线：实际条件下试样无热效应时的曲线部份； 吸热峰：TSTR，T0时的曲线部份； 放热峰：TSTR ， T0时的曲线部份； 起始温度（Ti）：热效应发生时曲线开始偏离基线的温度； 终止温度（Tf）：曲线开始回到基线的温度； 峰顶温度（Tp）：吸、放热峰的峰形顶部的温度，该点瞬间 d（T）/dt=0； 峰高：是指内插基线与峰顶之间的距离； 峰

26、面积：是指峰形与内插基线所围面积； 外推起始点：是指峰的起始边斜率最大处所作切线与外推基线的交点，其对应的温度称为外推起始温度（Teo）；根据ICTA共同试样的测定结果，以外推起始温度（Teo）最为接近热力学平衡温度9.DTA曲线的影响因素？内因：试样本身的性质（热特性）外因： 仪器结构：加热炉形状、尺寸；坩埚材料、形状；热电偶位置、性能。实验条件：加热速度；样品粒度、用量；压力、气氛10.DTA曲线的样品影响因素？a. 试样用量大，易使相邻两峰重叠，降低了分辨力。一般尽可能减少用量，最多大至毫克。试样量越大，差热峰越宽，越圆滑。其原因是因为加热过程中，从试样表面到中心存在温度梯度，试样越多，

27、梯度越大，峰也就越宽。b.样品的颗粒度，在100目300目左右.粒度小：表面积，反应速度快，影响气体扩散， 改善导热条件, 但太细可能会破坏样品的结晶度。对易分解产生气体的样品，颗粒应大一些。参比物的颗粒、装填情况及紧密程度应与试样一致，以减少基线的漂移。粒度大：受热不均，峰温偏高，T范围大。C 装填密度: 影响扩散速度和传热，因而影响曲线形态。装填过于疏松，反应速度减慢，使邻近峰合并，一般采用紧密装填。试样粒度、用量、装填情况与参比物尽可能相同。11.影响热重测定的因素 ？（1）. 升温速度（2）气氛 （3）样品的粒度和用量 （4）试样皿（坩锅） 12.差热曲线中，如何确定吸热（放热）峰的起

28、点和终点？起点和终点各代表什么意义？ 用外推法确定吸热（放热）峰的起点和终点：曲线开始偏离基线点的切线和曲线最大斜率切线的交点既为差热峰的起点；同样方法可以确定差热峰的终点。起点：反应过程的开始温度终点：反应过程的结束温度13.热分析法在陶瓷材料领域中的主要应用? 了解原料在加热时的变化特征，鉴定其物相组成； 研究矿化剂的效能； 研究固相反应机理； 确定熔融、结晶的温度； 研究与制定烧成制度与烧成曲线； 根据热分析曲线，研究新工艺、新配方、克服产品缺陷。14.何谓热重法和热膨胀分析法？热重法(Thermogravimetry, TG)是在程序控温下，测量物质的质量与温度或时间的关系的方法，通常是测量试样的质量变化与温度的关系。热重分析的结果用热重曲线(Curve)或微分热重曲线表示。热膨胀分析法（Thermodilatometry）在程序控制温度下，测量物质在可忽视负荷下的尺寸随温度变化的一种技术。专心-专注-专业