《材料分析技术》复习资料

材料分析技术复习资料,一、光学显微分析,1、光学显微分析使用波段：可见光波段380780nm（0.380.78m)2、光学显微镜分类（依据成像原理）几何光学显微镜：生物显微镜、透射光显微镜、倒置显微镜、金相显微镜、暗视野显微镜等。物理光学显微镜：相差显微镜、偏光显微镜、干涉显微镜、相差偏振光显微镜、相差干涉显微镜、相差荧光显微镜等。信息转换显微镜：荧光显微镜、显微分光光度计、图像分析显微镜、声学显微镜、照相显微镜等。特种光学显微镜：高温显微镜、近场光学显微镜等,3、光学显微分析方法透明晶体的观察可利用透射光显微镜，如偏光显微镜。不透明物体只能使用反射光显微镜，即金相显微镜。（不采用盖玻片，照明光束从上面照射非透明物体）。4、特殊显微光学分析特殊照明术：明场照明、暗场照明、斜光照明；相衬照明术：把具有相位差的反射光转换成具有强度差的光，以鉴别金相组织；干涉显微术：利用光的干涉研究物相更细微的表面高度差（数十纳米）；高温显微分析术：利用真空高温台研究材料在升温过程中的组织结构变化动态过程；显微摄影与图像分析技术：定量或定性提供光学显微分析数据,5、光学显微分析样品的制备（1）合格样品需要具备的条件：能代表所要研究的对象；样品的检测面平整光滑；能显示所要研究的内部组织结构。（2）样品制作过程切割镶嵌磨光抛光浸蚀,6、光学显微分析技术的进展（1）光学显微镜的分辨率极限能够分辨的最临近两个物点间的距离或角度越小，分辨率越大，如选择更短的波长的光源（紫外线、X射线、电子束）。（2）近场光学显微镜,二、X射线物理基础,1、X射线简介由德国物理学家威廉康拉德伦琴发现，故又称伦琴射线；波长介于紫外线和射线间的电磁波，波长小于0.1埃的称超硬X射线，在0.11埃范围内的称硬X射线，110埃范围内的称软X射线；德国物理学家劳埃将X射线应用于分析晶体中原子的周期性结构。2、X射线的性质人的肉眼看不见X射线，但X射线能使气体电离，使照相底片感光，能穿过不透明的物体，还能使荧光物质发出荧光。,X射线呈直线传播，在电场和磁场中不发生偏转；当穿过物体时仅部分被散射。X射线对动物有机体（其中包括对人体）能产生巨大的生理上的影响，能杀伤生物细胞。3、X射线的产生X射线是高速运动的粒子与某种物质相撞击后猝然减速，且与该物质中原子的内层电子相互作用而产生的。能够产生X射线的装置有：X射线管和同步辐射加速器,4、X射线谱连续X射线谱：高能量电子与原子碰撞时，部分能量将转变为电磁辐射，形成连续X射线谱；特征X射线谱：当电子的加速电压超过某临界值时，除连续X射线谱外，在一定波长处叠加少数强谱线，即特征X射线谱。,5、X射线与物质的相互作用,6、X射线管阳极靶材的选择原则Z靶Z样-1；或Z靶Z样。7、X射线滤波片的选择原则Z靶40时，Z滤Z靶-1Z靶40时，Z滤Z靶-2,三、X射线衍射理论,1、X射线衍射的基本原理劳埃衍射理论：X射线被原子列散射后散射波相互干涉形成衍射花样；布拉格衍射理论：X射线被晶面反射后的散射波相互干涉形成衍射花样。两种理论都与晶体内原子周期排列有关2、X射线衍射理论X射线的衍射方向：由布拉格方程决定哪些衍射方向将出现X射线衍射线条（或衍射峰），反映出晶体中最小结构单元（晶胞）的大小与形状；X射线的衍射强度：即衍射峰的强度高低取决于晶体中所有原子的衍射强度，并引入一些几何与物理上的修正因数，得出多晶体衍射峰的积分强度，反映出晶体中原子的位置与种类,3、布拉格方程4、布拉格方程的应用用已知波长的X射线去照射晶体，通过衍射角的测量求得晶体中各晶面的面间距d，这就是结构分析-X射线衍射学；X射线衍射仪用一种已知晶面间距d的晶体来反射从试样发射出来的X射线，通过衍射角的测量求得X射线的波长，这就是X射线光谱学。电子探针,四、多晶体X射线衍射分析,1、德拜照相法德拜相机：由相机圆筒、光阑、承光管和位于圆筒中心的试样架构成；底片装片方法：正装、反装、偏装；衍射花样：底片与所有X射线反射圆锥相交，形成一个个弧形线对，从而记录下所有衍射花样；衍射弧线对与衍射角：底片在长度方向上每毫米对应圆心角2和1；数据分析：底片展平后测量弧形线对的距离2L，求出L对应的反射圆锥的半顶角，从而可以标定衍射花样。,2、X射线衍射仪法衍射仪结构：主要组成部分有X射线衍射发生装置、测角仪、辐射探测器和测量系统；特点：衍射仪法与德拜法有很大区别。（1）接收X射线方面，衍射仪用辐射探测器，德拜法用底片感光；（2）衍射仪试样是平板状，德拜法试样是细丝；（3）衍射仪法中辐射探测器沿测角仪圆转动，逐一接收衍射；德拜法中底片是同时接收衍射；（4）衍射仪法使用更方便，自动化程度高；（5）工作时，辐射探测器与试样同时转动，但转动的角速度为2：1的比例关系，探测器接收到的衍射是那些与试样表面平行的晶面产生的衍射。,五、X射线衍射方法的应用,1、晶格点阵常数的精确测定这是一种间接方法，直接测量某一衍射线条对应的角，然后通过布拉格公式、晶面间距公式计算出点阵常数；误差消除方法直线外推法：以cos2为横坐标，以点阵常数a为纵坐标；求出一系列衍射线条的角及其所对应的点阵常数a；作一条直线外推至=90的纵坐标轴上，获得=90时的点阵常数，这就是精确的点阵常数；最小二乘方法（柯亨法）：物理量的最可几值为各次误差的平方和为最小值时。,2、材料物相的定性分析粉末衍射卡：将每种物质的面间距d和相对强度I/I1及其他一些数据以卡片形式出版，这些卡片成为PDF卡或JCPDS卡；单一相的定性分析根据待测相的衍射数据，得出三强线晶面间距值d1、d2和d3；根据最强线的面间距d1，在数字索引中找到所属的组，再根据d2和d3找到其中的一行；比较此行中的三条线，看其相对强度是否与被摄物质的三强线基本一致。如d和I/I1都基本一致，则可初步断定未知物质中含有卡片所载的这种物质；根据索引中查找的卡片号，从卡片盒中找到所需的卡片；将卡片上全部d和I/I1与未知物质的d和I/I1对比如果完全吻合，则卡片上记载的物质，就是要鉴定的未知物质。,多相混合物的物相定性分析用尝试的办法进行物相鉴定：先取三强线尝试，吻合则可定；不吻合则从谱中换一根（或二根）线再尝试，直至吻合。对照卡片去掉已吻合的线条（即标定一相），剩余线条归一化后再尝试鉴定，直至所有线条都标定完毕。3、材料物相的定量分析各个物相的含量与其衍射峰强度成正比关系，各种方法只是确定具体比例关系；定量分析方法有：外标法、内标法、K值法、直接对比法、绝热法、任意内标法、等强线对法和无标样定量法等。,4、计算机在X射线物相分析中的应用将X射线衍射仪测出的衍射数据（衍射图谱）导入计算机应用软件；选出待测试样含有的所有元素，软件自动将这些元素可能组成的晶体材料衍射数据全部从PDF数据库中调出，并根据比对结果，在测试图谱下方标出最可能的晶相衍射峰位置及其名称、分子式等信息；可以人工选择不同晶相，在测试图谱下方实时显示晶相衍射峰位置，确定何种晶相与实际测试图谱的衍射峰、强度符合程度最佳，从而确认测试试样的晶相结构。,5、X射线残余应力测定一种间接方法，它是根据衍射线条的角变化或衍射条形状或强度的变化来测定材料表层微小区域的应力；X射线应力测定本质上是测定晶体材料在应力作用下晶体结构发生的变化；宏观应力测定是测应力作用下晶面间距的变化，晶面间距变化的表现是角变化；角变化晶面间距变化反映的是应变换算成应力。具体应力测定方法有sin2法和-45法。,六、电子衍射,1、简介电子衍射可在电子衍射仪或电子显微镜中进行。电子衍射分为低能电子衍射（LEED)和高能电子衍射(HEED)；LEED用于验证电子的波动性并广泛用于表面结构分析；HEED用于电子显微镜中的电子衍射，并在分子束(MBE)外延薄膜中进行原位分析与监测。2、电子衍射的应用物相分析和结构分析；确定晶体位向；确定晶体缺陷的结构及其晶体学特征。,3、电子衍射和X射线衍射共同点衍射条件：满足（或基本满足）布拉格方程衍射花样几何特征相似：多晶体的电子衍射花样是一系列不同半径的同心圆环单晶衍射花样由排列得十分整齐的许多斑点所组成非晶体物质的衍射花样只有一个漫散的中心斑点4、电子衍射和X射线衍射不同之处电子波的波长比X射线短得多，在同样满足布拉格方程时，它的衍射角很小；电子衍射采用薄晶样品，略为偏离布拉格条件的电子束也能发生衍射；,原子对电子的散射能力远高于它对X射线的散射能力（约高出四个数量级），故电子衍射束的强度较大，获得衍射花样的曝光时间只需数秒钟；电子衍射花样比较直观地反映晶体内各晶面的位向，给分析带来不少方便。5、电子衍射基本公式RdL其中R为单晶衍射斑点或多晶衍射环与中心斑点之间的距离，d为衍射晶面间距，为电子波的波长，L为样品与荧光屏或照相底版的距离，即电子衍射相机长度，L称为相机常数。,6、单晶电子衍射花样的标定已知晶体结构由近及远测定各个斑点的R值根据衍射基本公式R=L/d求出相应晶面间距因为晶体结构已知，所以可由d值定它们的晶面族指数hkl测定各衍射斑之间的角决定透射斑最近的两个斑点的指数（hkl）根据夹角公式，验算夹角是否与实测的吻合，若不，则更换（hkl）两个斑点决定之后，第三个斑点为R3=R1+R2由g1g2求得晶带轴指数。,未知晶体结构的标定由近及远测定各个斑点的R值根据衍射基本公式R=L/d求出相应晶面间距查ASTM卡片，找出对应的物相和hkl指数确定(hkl)，求晶带轴指数。7、多晶电子衍射图标定测量园环半径Ri（通常是测量直径Di，Ri=Di/2这样测量的精度较高）。由d=L/R式，计算dEi，并与已知晶体粉末卡片或d值表上的dTi比较，确定各环hkli。,七、透射电镜显微分析,1、显微镜的分辨率光学显微镜的分辨率主要取决于照明源的波长，半波长是光学显微镜分辨率的理论极限。可见光的最短波长是390nm，也就是说光学显微镜的最高分辨率是200nm，其有效放大倍数是1000倍；提高显微镜的分辨率，关键是降低照明光源的波长；电子波不仅具有波长短，而且可以利用电场、磁场使之发生折射、聚焦，所以电子波可以作为照明光源，由此形成电子显微镜。,2、透射电子显微镜的结构由电子光学系统、电源系统、真空系统、循环冷却系统和控制系统组成；电子光学系统由照明系统、成像系统和观察与记录系统组成；照明系统主要由电子枪和聚光镜组成，其作用就是提供一束亮度高、照明孔径角小、平行度好、束流稳定的照明源；成像系统主要由物镜、中间镜和投影镜组成，其作用是获得样品微小区域的放大像或电子衍射花样；主要附件：样品台（高温台、低温台和拉伸台）、三个可动光阑（第二聚光镜光阑、物镜光阑和选区光阑）,3、透射电镜样品制备方法,4、衬度所谓衬度，即是图像上相邻部份间的黑白对比度或颜色差，电子显微图像的衬度主要包括质量厚度衬度（质厚衬度）、衍射衬度、相位衬度和Z衬度，TEM是利用相位衬度。质厚衬度：由样品中不同区域的平均原子序数或厚度存在差异而引起的。衍射衬度：由样品内不同区域的晶体学特征存在差异而引起的。也可以认为是由于晶体薄膜的不同部位满足布拉格衍射条件的程度有差异而引起的衬度。相位衬度：经样品调制后的电子波存在相位差异而引起的。Z衬度：与样品微区的平均原子序数有关。,5、薄晶体样品衍射衬度的成像方式,八、扫描电镜与电子探针显微分析,1、扫描电镜显微分析的特点仪器分辨本领较高。二次电子像分辨本领可达1.0nm(场发射)，3.0nm(钨灯丝)；仪器放大倍数变化范围大（从几倍到几十万倍），且连续可调；图像景深大，富有立体感。可直接观察起伏较大的粗糙表面（如金属和陶瓷的断口等）；比透射电子显微镜（TEM）的制样简单，且可使图像更近于试样的真实状态；,结合波谱仪或能谱仪，在观察扫描形貌图像的同时，可对试样微区进行元素分析；可以直接观察处于不同环境（加热、冷却、拉伸等）中的试样显微结构形态的动态变化过程。2、电子与物质的相互作用,3、扫描电镜的结构电子光学系统：电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室，其作用是用来获得扫描电子束，作为使样品产生各种物理信号的激发源；电子枪：利用阴极与阳极灯丝间的高压产生高能量的电子束，加速电压比透射电子显微镜的低。电磁透镜：把电子束束斑逐渐聚焦缩小，使原来直径约50nm的束斑缩小成一个只有数nm的细小束斑。扫描线圈：提供入射电子束在样品表面上以及阴极射线管内电子束在荧光屏上的同步扫描信号。样品室：空间较大，一般可放置2010mm的块状样品。除放置样品外，还安置各种信号检测器。信号收集和显示系统：包括各种信号检测器，前置放大器和显示装置，其作用是检测样品在入射电子作用下产生的物理信号，最后在荧光屏上得到反映样品表面特征的扫描图像；,真空系统和电源系统：为保证电子光学系统正常工作，防止样品污染提供高的真空度；提供扫描电子显微镜各部分所需要的电源。4、扫描电镜的主要性能放大倍数：电子束在样品表面扫描的幅度AS与荧光屏上阴极射线同步扫描幅度AC的比值AC/AS。分辨率：背散射电子像分辨率为50-200nm；二次电子像分辨率可达到5-10nm。景深：电磁透镜对高低不平的试样各部位能同时聚焦成像的一个能力范围，这个范围用一段距离来表示。它比一般光学显微镜景深大100-500倍，比透射电子显微镜的景深大10倍。,5、样品制备对金属和陶瓷等块状样品，切割成大小合适的尺寸，用导电胶粘贴在电镜样品座上，即可直接进行观察。6、扫描电镜的衬度成像形貌衬度：由于试样表面形貌差别而形成的衬度，二次电子像（SEI）的衬度是最典型的形貌衬度；原子序数衬度：由于试样表面物质原子序数（或化学成分）差别而形成的衬度，背散射电子像（BEI）、吸收电子像的衬度都含有原子序数衬度，而特征X射线像的衬度就是原子序数衬度。,7、电子探针X射线显微分析（EPMA）EPMA是一种显微分析和成分分析相结合的微区分析，它特别适用于分析试样中微小区域的化学成分，因而是研究材料组织结构和元素分布状态的极为有用的分析方法；电子探针仪除X射线谱仪外，其余部分与扫描电子显微镜相似X射线谱仪反映出特征X射线波长与计数率关系的波谱仪（WDS）；反映出特征X射线能量与计数率关系的能谱仪（EDS）；波谱仪分析的元素范围广、探测极限小、分辨率高，适用于精确的定量分析。其缺点是要求试样表面平整光滑，分析速度较慢，需要用较大的束流，从而容易引起样品和镜筒的污染；,能谱仪虽然在分析元素范围、探测极限、分辨率等方面不如波谱仪，但其分析速度快，可用较小的束流和微细的电子束，对试样表面要求不如波谱仪那样严格，因此特别适合于与扫描电子显微镜配合使用。电子探针分析方法：定点定性分析、线扫描分析、面扫描分析和定点定量分析电子探针仪的应用组分不均匀合金试样的微区成分分析扩散对试样中成分梯度的测定相图低温等温截面的测定金属半导体界面反应产物,九、热分析技术,1、热分析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。热分析优点：可在宽广的温度范围内对样品进行研究；可使用各种温度程序（不同的升降温速率）；对样品的物理状态无特殊要求；所需样品量可以很少（0.1g-10mg）；仪器灵敏度高（质量变化的精确度达10-5）；热重法（TG）、差热分析（DTA）、差示扫描量热法（DSC）和热机械分析（DMTA）应用得最为广泛。,2、差热分析（DTA）DTA的仪器结