复合材料测试方法绪论

复合材料测试方法

材料是人类进步、物质文明的标志。它是人类赖依生存、生活和生产的必要保证。是人类长期在生产实践中探索、发现和发明的。是人类进步的里程牌。

从早期的新、旧石器时代、青铜器时代、铁器时代开始，经过数干年的发展，逐渐进步到现代的金属材料、非金属材料、有机高分子材料、复合材料、生物材料和光电子材料等。材料现已成为多学科交叉的一门学科。金属材料所对应的学科为冶金学；高分子材料所对应的学科为有机化学；而陶瓷材料所对应的学科为无机化学。现在，人们已把材料、信息与能源誉为当代文明的三大支柱。同时，又把新材料、信息技术和生物技术看做是新技术革命的主要标志。世界上先进的工业国家都把材料作为21世纪优先发展的领域。复合材料测试方法绪论

现代材料科学的发展在很大程度上依赖对材料性能和其他成分结构及微观组织关系的理解。对材料性能、结构的测试，是宏观和微观两个层次的分析测试。宏观上测试材料的各种性能；微观上表征材料的结构、成分、和组织形貌。这两个方面构成了材料的检测评价技术。在材料的发展过程中可以清楚地看到测试评价新技术所起的重要作用。复合材料测试方法绪论1.材料结构与材料性能的关系复合材料测试方法绪论

材料的固有性质有数百种之多，基本上可以归结为三类：化学性质、物理件质和力学性质。材料的固有性质大都取决于物质的电子结构、原子结构和化学键结构。复合材料测试方法绪论

曾有人提出材料研究的四大要素：①材料的固有性质；②材料结构与成分；③材料的使用性能；④材料的制备与合成、加工技术。认为要解决材料科学问题，这4个方面缺一不可。把上述组成与结构、合成与生产过程、性质和使用效能称为材料科学与工程的四个要素。构成一个四面体。2.材料结构表征的基本方法复合材料测试方法绪论

材料的结构按尺寸分为两个不同层次。最基本的是原子—电子层次(以0.1nm为尺度)；其次是以大量原子、电子运动为基础的微观结构(大约为lµm为尺度)。材料的成分即其组成原子种类和数量(包括微量杂质)。材料结构的表征方法相当多，而且新的表征方法在不断出现。这里只介绍经常遇到的基本方法。而这些表征方法对于材料工作者来说是必须要掌握的。材料结构的表征就其任务来说主要有三个，即成分分析、结构测定和形貌观察。2．1化学成分分析

材料的化学成分分析除了传统的化学分析技术外，还包括质谱、气、液相色谱和核磁共振等。这些方法已成为常规的分析手段。如质谱是鉴定未知有机化合物的基本手段之一，其重要贡献是能够提供该化合物的分子量和元素组成的信息。色谱中特别是裂解气相色谱(PGC)能较好显示高分子类材料的组成特征。红外光谱在高分子材料的表征上有着特殊重要地位，不仅方法简单，而且由于积累了大量的已知化合物的红外谱图及各种基团的持征频率等数据资料而使测试结果的解析更为方便。核磁共振谱虽然经常是作为红外光谱的补充，但其对聚合物的构型及构象的分析，对于立构异构体的鉴定，对于共聚物的组成定性、定量及序列结构测定有着独特的长处。许多信息是其他方法难以提供的。复合材料测试方法绪论

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材料的无机成分分析除化学分析外，还包括等离子质谱分析、原子光谱分析、X射线荧光光谱、电子探针等。这些成分分析方法中有一些已经有很长的历史，并已成为普及的常规的分析手段。如原子光谱分析、X射线荧光光谱、等离子质谱分析已是鉴定材料无机组成的基本手段。需要特别提及的是，近年来由于对材料的表面优化处理技术的发展，对确定表面层结构与成分的测试需求迫切。一种以X射线光电子能谱、俄歇电子能谱为代表的分析系统的使用日益重要。其中X射线光电子能谱可以无标样直接确定元素及元素含量。复合材料测试方法绪论2．2结构测定

材料结构的测定仍以衍射方法为主。衍射方法主要有X射线衍射、电于衍射、中子衍射、穆斯堡谱等。应用最多最普遍的是X射线衍射，这一技术包括德拜粉末照相分析、背反射和透射劳厄照相，测定单晶结构等。

X射线的衍射强度是晶胞参数、衍射角和样品取向度的函数。衍射图用以确定样品的相态和测量结构性质。X射线衍射也能确定材料和多层膜的成分深度分布、膜的厚度和原子排列。由于电子与物质的相互作用比X射线强四个数量级，而且电子束可以汇聚得很小，所以电子衍射特别适用于测定细微晶体或材料的亚微米尺度结构。

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中子衍射技术经过50年的发展，特别是20世纪70年代以后，随着高通量核反应堆的建成及电子计算机技术的飞速发展，已经成为更加完善的结构分析手段。它与X射线衍射和电子衍射及多种能谱分析结合起来，相互补充，使材料结构研究取得了更为精确的结果。由于中子可以穿透厘米量级的厚度，测定结果的统计性要远优于能穿透微米量级的X射线。中子衍射用途是测定材料(主要是金属、合金材料)的缺陷、空穴、位错、沉淀相、磁不匀性的大小和分布。此外它还可以研究生物大分子在空间的构型。

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在结构测定方法中，值得一提的是热分析技术。热分析技术虽然不属于衍射法的范畴，但它是研究材料结构特别是高分子材料结构的一种重要手段。热分析技术的基础是当物质的物理状态和化学状态发生变化时(如升华、氧化、聚合、固化、脱水、结晶、降解、熔融、品格改变及发生化学反应)，往往伴随着热力学性质(如热焓、比热容、导热系数等)的变化，因此可通过测定其热力学性质的变化来了解物质物理或化学变化过程。目前热分析已经发展成为系统的分析方法，是高分子材料研究的一种极为有用的工具，它不但能获得结构方面的信息，而且还能测定一些物理性能。

复合材料测试方法绪论2．3形貌观察

主要是依靠显微镜，光学显微镜是在微米尺度上观察材料的普及方法。扫描电子显微镜与透射电子显微镜则把观察的尺度推进到亚微米和微米以下的层次。扫描电镜在材料的断口形貌分析上很有用处。由于近年来扫描电镜的分辨率的提高，所以可以直接观察部分结晶高聚物的球晶大小完善程度、共混物中分散相的大小、分布与连续相(母体)的混溶关系等。透射电镜的试样制备虽然比较复杂，但是在研究晶体材料的缺陷及其相互作用上是十分有用的。

扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(SFM)。克服了透射电子显微镜景深小、样品制备复杂等缺点，借助一根针尖与试样表面之间隧道效应电流的调控，可以在三维空间达到原子分辨率。

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根据需要进行选择测试方法

粘土/聚合物纳米复合材料是一种典型的无机有机杂化材料。有机聚合物嵌入层状结构的粘土晶层之间是纳米级的分散。根据这个尺度要求，可选用的测试技术有：①形貌观察：透射电镜是首选的仪器，在透射电镜照片中可以清晰地观察粘土的层状结构在被大分子嵌入以后晶层间距发生的变化。②结构测定：粘土层间嵌入了体积较大的有机分子必然引起粘土晶层晶面间距发生变化。因此，在试样的X射线衍射实验中出现不同角度和衍射强度的衍射峰。纯粘土晶层的层间距通常为0.96nm。据此可以计算有机分子嵌入后夹层的高度。如果能知道有机分子的平均直径，还可以进一步推算出有机分子在粘土层间的排列层数，以及排列的形态(层间夹角等)。

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③化学成分分析：由于粘土的主要成分为硅酸盐，因此适宜进行红外光谱分析。在红外光谱中可以看到粘土的硅氧特征峰，也能观察到有机分子的特征峰以及由于极性分子与粘土层间离子之间的强烈相互作用而产生的新峰。④热性质分析：主要手段是示差扫描量热法（DSC），在与纯的有机大分子的DSC谱图对比，往往发现有机分子嵌入粘土晶层后的DSC谱图发生许多有趣的变化，如果嵌入的是结晶性的大分子，会观察到熔点的漂移现象，随着嵌入程度的增加，可以看到熔融蜂的减弱直至消失。这是大分于在晶层间的活动明显受到限制的证据。对于非晶性大分子，同样可以观察到玻璃化转变温度的漂移，减弱其至消失的现象。实例美国商用机器公司(IBM)：1989年利用扫描隧道显微镜(STM)直接操作原子，成功地在(镍)板上，按自己的意志安排原子组合成“IBM”字样。

操纵氙原子用35个原子排出的"IBM"字样

实例SiO2

纳米粒子的透射电镜照片D.B.ZHANGetal./JOURNALOFMATERIALSSCIENCELETTERS20(2001),439–440

实例ZnO

纳米线Y.W.Wangetal./JournalofCrystalGrowth234(2002)171–175

实例Young-wookJun,Jin-sil

Choi,andJinwoo

Cheon*，Angew.Chem.Int.Ed.2006,45,3414–3439纳米碳酸钙的透射电镜照片

实例图1:200KV，400,000倍图2:200KV，100,000倍

实例磷酸二酯酶抑制剂Rolipram

的核磁碳谱：实例磷酸二酯酶抑制剂Rolipram

的HPLC谱图：

实例

纳米TiO2粉体的X射线衍射图a无表面活性剂;b0.3mLOEA;c0.5mLOEA实例

纳米TiO2粉体的红外吸收光谱