现代仪器分析及材料研究方法(绪论)

现代仪器分析及材料研究方法第一章绪论任祥忠深圳大学化学与化工学院1

材料Materials

Material：材料科学（工科）物质科学（理科）Webster编著的“NewInternationalDictionary（1971年）”中关于材料（Materials）的定义为：材料是指用来制造某些有形物体（如：机械、工具、建材、织物等的整体或部分）的基本物质（如金属、木料、塑料、纤维、陶瓷等）材料是指具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质。（一）材料的定义(Definition)※材料可由一种或多种物质组成。※同一物质由于制备方法或加工方法不同可以得到用途各异、类型不同的材料。原料（RawMaterials）与材料由原料到材料※原料一般不是为获得产品，而是生产材料，往往伴随化学变化。※材料的特点往往是为获得产品，一般从材料到产品的转变过程不发生化学变化。材料与物质(MaterialsandMatter)材料可以根据化学组成、状态、作用和使用领域分类。

金属材料

化学组成分类无机非金属材料

components有机高分子材料气态

状态分类液态单晶

state固态多晶非晶复晶

作用分类功能材料

function结构（工程）材料

应用领域分类建筑、仪表、电子、医用application包装、耐火．．．．能源等。（二）材料的类别（classfication）（1）黑色金属材料化学成分——碳素钢、合金钢品质——普通、优质、高级优质钢钢---金相组织或组织结构——珠光体、贝氏体、马氏体和奥氏体

Stell用途——建筑工程、结构、工具、特殊性能、专业用钢冶炼方法——平炉、转炉、电炉、沸腾炉钢

灰铸铁可锻铸铁铸铁—球墨铸铁蠕墨铸铁特殊性能铸铁1、金属材料（metals）

五大类

轻金属（<4.5g/cm2）铝、镁、纳、钙

重金属（>4.58/cm2）铜、镍、铅、锌

贵金属金、银、铂、铑

类金属（半）硅、硒、砷、硼

稀有金属钛、锂、钨、钼、镭常用的稀有金属材料有：Al、Cu、Zn、Sn、Pb、Mg、Ni……（2）有色金属a.

金属键，常规法生产的为晶体结构；b.

常温下固体熔点较高；c.

金属光泽；d.

纯金属范性大、展性、延性大；e.

强度较高；f.

导热、导电性好；g.

空气中易氧化，如钢、铁等生成氧化膜，合金可改性，抗氧化性。（3）基本特性（PrincipalProperties）a.

结构材料:如机床,建筑机械设备、工程交通工具；

b.

导体材料，电线芯（铜）

c.

工具（4）

用途（Application）（1）分类（按成分，化学结构和用途分四大类）

混凝土（水泥）

玻璃

Glass

硅及耐火材料

Silane

陶瓷（器）

Ceramics传统陶瓷（天然硅酸盐矿）：各中粘土烧制而成。(SilicateCeramics)特种陶瓷（人工化合物：氧化物、氮化物、硼化物、碳化物）。2、无机非金属材料（Inorganicnonmetals）a.

离子键、共价键及其混合键；b.

硬而脆；c.

熔点高、耐高温抗氧化d.

导热、导电性差；e.

耐化学腐蚀性性好；f.

耐磨；g.

成型方式为粉末制胚、烧制成型（2）基本特性，以陶瓷为例建筑卫生陶瓷：瓷砖、浴缸。工程陶瓷工程结构陶瓷：反应釜（耐酸、耐腐蚀）绝缘瓷瓶。功能陶瓷：磁性、导电。（3）

用途

(1)分类碳链–C–C–C按主链结构杂链–C–N–C=O–C–O–C–

backebone元素Si、P、B

塑料Plastics通用塑料、工程塑料；热塑性、热固性橡胶Ruber天然、合成

按使用性质纤维Fiber人造、合成粘合剂Adhesive涂料Coating3.高分子材料

（polymers,Marcomolecules）a.

共价键，部分范氏键b.

分子量大，无明显熔点，有玻璃化转变温度Tg和粘流温度Tf；c.

力学状态有三态玻璃态、高弹态、粘流态d.

比重小e.

绝缘性好f.

优越的化学稳定性g.

成型方法多（2）基本性质结构材料：电视机壳体、冰箱壳体、轴承、机械零件绝缘材料：漆包线、电缆、绝缘版、电器零件建筑材料：贴面板、地贴包装材料：塑料袋、薄膜、泡沫塑料涂装：涂料粘合剂：粘合剂日用：织物（衣服）胶鞋运输：轮胎，传送带（3）用途定义：由两种以上组分组成，并且具有与其组成不同的新的性能的材料

（1）分类按性能：结构复合材料功能复合材料按增强剂形状及增强机理：粒子增强纤维增强

基体Matrix增强体Reinforcement金属金属、无机非金按复合方式无机非金属金属、无机非金属高分子（塑料，橡胶）金属、无机非金、高分子4、

复合材料（

composites）

a.

抗疲劳性能良好；b.

结构件减震性好；c.

比强度和比量高；d.

耐烧能性和耐高温性能好e.

具有良好的减摩、耐摩和耐润滑性能（2）基本性质无机—高分子玻璃纤维增强塑料(玻璃钢)——汽车,游艇，碳纤维增强塑料——飞机机翼、高尔夫球棍、撑杆跳杆金属—陶瓷飞机螺旋桨叶综合金属韧性，陶瓷耐高温性高分子—高分子橡胶增韧塑料抗冲PSABS树脂减震材料（3）

用途（三）材料研究的内容物质的组成和结构取决于材料的制备和使用条件。在材料的制备和使用过程中，物质经历了一系列物理、化学或物理化学变化。因此，材料的制备工艺和使用过程，特别是前者直接决定了材料的组成和结构，从而决定了材料的性能和使用效能。材料科学的发展趋势1、从简单物质到复杂物质；随着对材料功能化要求的不断提高，构成材料的基本物质也越来越倾向于从简单物质到复杂物质。2、从简单结构到结构控制；对于同种材料，结构上的改变可以带来许多崭新的功能，而对简单的结构加以调控，才可能使功能得到优化。3、从粉体材料到器件材料；相对于粉体材料而言，当材料制备成器件后会具有更为优良的功能。如在电子技术方面，涉及到半导体、电介质、超导体等材料。4、从块体材料到薄膜材料；纳米薄膜是一类具有广泛应用前景的新材料，如Fe2P薄膜具有优良的磁性能。5、从纯物质到复合、掺杂材料；如：仅具有紫外线活性的纳米TiO2经N掺杂后，具备了可见光的活性。7、从单功能到多功能和智能材料；（1）泡沫铝是一种在铝基体中均匀分布着大量连通或不连通孔洞的新型轻质多功能材料，它兼有连续金属相和分散空气相的特点，是集多种优良性能于一体的新型结构功能泡沫材料。（2）智能材料是具有传感、反馈、自诊断、自修复、自适应、信息识别与积累、响应等功能，如：形状记忆材料、电（磁）流变材料等。8、从单层次到立体多层次材料；如：在高分子材料领域，借改变高分子材料颗粒与不同粒径可溶性颗粒的混合重量比例，依据不同需要将原料颗粒依序填入模具中形成所需要的层次，制得包括有不同孔径、不同孔隙率或不同材料组成的双层或多层高分子材料，以满足组织工程的不同需求。6、从宏观到微观的纳米材料；如：纳米Al2O3颗粒加入到橡胶中，可以大大增强其介电性能和耐磨性能。2、材料的化学结构分析；在固体材料中拉曼激活的机制很多，反映的范围也很广，如分子振动、各种元激发（电子、声子、等离子体等）、杂质、缺陷等晶相结构，颗粒大小，薄膜厚度，固相反应，细微结构分析和催化等方面。1、材料的元素成分分析；材料的成分分析就是分析材料中各种元素的组成，即检测材料中的元素种类及其相对含量的过程。包括原子吸收、原子发射（ICP）、质谱以及X-射线荧光与衍射分析方法。其中前三种分析方法需要对样品进行溶解后在进行测定，属于破坏性样品分析方法，而最后一种方法可以直接对固体样品进行测定，因此又称为非破坏性元素分析方法。现代材料分析方法的主要内容3、材料的物相结构分析；物相分析包括定性分析和定量分析。X-射线之所以能用于物相分析是因为可以由各衍射峰的角度位置来确定物质固有特性的晶面间距以及它们的相对强度。材料结构分析的目的在于解析物质的体相结构，表面相结构，原子排列和物相等。4、材料的表观形貌分析；材料的很多重要物理化学性能是由其形貌特征所决定的。形貌分析的主要内容包括分析材料的几何形貌，材料的颗粒度及颗粒度的分布，形貌微区的成分和物相结构等方面。5、材料的键合分析；材料的性质不仅与构成材料的元素、结构、价态等因素有关，还与其价键状态有关。价键分析是分析化学基团以及化学键的性质，主要与分子结构有关，并且重点在于研究键的振动转动状态。在分析方法上主要包括红外光谱、拉曼光谱和高分辨能量损失谱三种。6、材料的表面与界面分析；材料的表面与界面性质是非常重要的，它同新材料的研究与开发，制造工艺的制定与修改等关系非常密切。这是由于材料的表面及本体，无论在细微结构上还是在化学组成上都存在明显的差别。如：固体物质作为材料来应用，则它的各种性能虽然与组成本体有关，但不少性能是通过表面来实现的，如表面硬度、表面电导等。因此，材料的表面与界面分析已经发展成为纳米薄膜材料研究的重要分析方法，特别是对固体材料的元素化学价态分析、元素三维分布分析以及微区成分分析。7、材料的热分析；材料研制和应用开发是热分析的主要领域。热分析通常是指应用热力学或物理参数随温度变化的关系进行分析的方法。材料的热分析可以研究材料的结晶和熔融、玻璃化转变、阻尼材料等性质，为材料的研制和开发提供许多有用的信息，如：陶瓷的熔点很高，有很好的高温强度，高温抗蠕变能力强，1000℃以上也不会氧化，故用作耐高温材料，又因其热膨胀系数低，导热性能小，是优良的高温绝热材料，但其抗热震性差，温度剧烈变化时易破裂，不能急热骤冷。8、材料的性能分析；材料工作者的理想目标是能够设计材料——用什么原料、配成什么化合物或固溶体就可以制成具有什么性能的材料。因此，对材料的性能，如光学性能、电学性能、热学性能、磁学性能、光电性能等进行分析，对于研发新产品和产品的生产过程控制都具有积极的意义。现代仪器分析的主要内容分析化学是化学量测和表征的科学，仪器分析是分析化学重要的组成部分。化学量测—获取指定体系中有关物质的质、量、结构等各种信息；表征——是精确地描述其成分、含量、价态、状态、结构和分布等特征。分析方法化学分析定性分析定量分析光谱分析法电化学分析法分离法重量法容量法（酸碱、络合、氧化-还原、沉淀等滴定法）获取信息和进行表征的方法很多，按方法分类，大体上分为两类：仪器分析光谱分析法是根据物质发射的电磁辐射或电磁辐射与物质相互作用而建立起来的一类分析化学方法。这些电磁辐射包括从射线到无线电波的所有电磁波谱范围，而不只局限于光学光谱区。电磁辐射与物质相互作用的方式有发射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振等。光谱分析法可分为光谱法和非光谱法两大类。光谱法是基于物质与辐射能作用时，测量由物质内部发生量子化的能级之间的跃迁而产生的发射、吸收或散射辐射的波长和强度进行分析的方法。光谱分析法原子光谱法分子光谱法其它波谱法原子发射光谱法原子吸收光谱法原子荧光光谱法紫外-可见吸收光谱法红外吸收光谱法分子荧光与磷光光谱法化学发光光谱法拉曼光谱法核磁共振波谱法质谱法电化学分析法电导分析法电位分析法（pH与离子选择性电极）电流分析法（库仑分析和电重量法）伏安分析法（极谱和溶出伏安法）分离法色谱分离法电泳分离法气相色谱法液相色谱法超临界流体色谱法毛细管电泳法毛细管电动色谱法按被分析物质的含量划分，分为三类按被分析物质的状态划分，分为三类表面分