材料结构的表征

材料结构的表征

第二---早er

材料的表征

材料的设计、制备和表征是材料研究的三个组

成部分,材料设计的重要依据来源于材料的结构分

析。材料制备的实际效果必须通过材料结构分析的

检验。因此可以说,材料科学的进展极大的依赖于

对材料结构分析表征的水平。

材料表征的主要手段：

热分析技术

显微技术

X射线衍射技术

波谱技术

材料的表征就其任务来说主要有三个:成分

分析、结构测定、形貌观察。

1

2

材料组成：化学分析、X射线能谱仪材料结构：1）晶体结构:单晶

（X射线单晶衍射仪）

粉末材料（X射线粉末衍射）2）材料显微：光学显微镜（0M）

（0.8~150um）

透射电子显微镜（TEM）（0.001~5um）（0.1~0.2nm）扫描电子显

微镜（SEM）3）材料谱学：谱学结果可以反映材料中的组成元素原子

的成键、价态及性能。材料性能:热学、力学、电学、光学、磁学、化

学、生物医学等性能。1）热学TG、DSC.TM2）电学电导、电阻、

温度系数、半导体的禁带宽度、电化学、光电化学3）光学：荧光（化

学发光）4）磁性：

第一节热分析技术热分析：在程序控制温度条件下,测量材料物

理性质与温度之间关系的一种技术。从宏观性能的测试来判断材

料结构的方法。程序控制温度:指用固定的速率加热或冷却。

4

热分析技术被广泛用于固态科学中,凡是与热现象有关的任何物理

和化学变化都可以采取热分析方法进行研究。如材料的固相转变、熔

融、分解甚至材料的制备等。同时,这些变化还能被定量的描绘,可以

直接测量出这些变化过程中所吸收或放出的热量,如熔融热、结晶热、

反应热、分解热、吸附或解吸热、比热容、活化能、转变崎、固态转

变能等。

热分析技术中，热重法(TG)、差热分析(DTA)和差示扫描量热法

(DSC)应用的最为广泛。

5

一、热重法(TG)在程序控制温度条件下,测量物质的质量与温度

关系的一种热分析方法。

热重法通常有下列两种类型：

等温热重法一在恒温下测量物质质量变化与时间的关系

非等温热重法一在程序升温下测量物质质量变化与温度的关系

6

1

进行热重分析的基本仪器为热天平，它包括天平、炉子、程序控温

系统、记录系统等几个部分。

由热重法记录的质量变化对温度的关系曲线称为热重曲线(TG曲

线)。TG曲线以质量为纵坐标，从上到下表示减少，以温度或时间作横

坐标,从左自右增加。如图。

1一热重曲线

7

2—微分热重曲线8

热重曲线显示了试样的绝对质量(W)随温度的恒定升高而发生的

一系列变化,如图中从质量W0到W1,从W1到W2,从W2到0是三

个明显的失重阶段,它们表征了试样在不同的温度范围内发生的挥发性

组分的挥发以及发生的分解产物的挥发，从而可以得到试样的组成、

热稳定性、热分解温度、热分解产物和热分解动力学等有关数据。

同时还可获得试样的质量变化率与温度关系曲线，即微分热重曲线

（DTG曲线），它是TG曲线对温度的一阶导数。以物质的质量变化速率

dm/dt对温度T作图,所得的曲线。

9

10

DTG曲线的峰顶即失重速率的最大值,它与TG曲

线的拐点相对应,即样品失重在TG曲线形成的每一个

拐点,在DTG曲线上都有对应的峰。并且DTG曲线上的

峰数目和TG曲线的台阶数目相等。由于DTG曲线上的

峰面积与样品的失重成正比,因此可以从DTG的峰面

积计算出样品的失重量。

11

应用：

L材料成分测定

热重法测定材料成分是极为方便的，通过热重曲线可以把材料尤

其是高聚物的含量、含碳量和灰分测定出来。

例如测定添加无机填料的聚苯醛的成分时,试样先在氮气流中加热,

达到聚苯醛的分解温度后,聚苯醛样品开始分解。在TG曲线的455.7-

522.7。（：温度范围内，出现一个失重台阶。该台阶对应着聚苯醛的分解

失重量为65.31%。

12

2

随后根据压力信号的变化,自动气体转换开关会立即与空气气流接

通,此时因聚苯醛分解产生的短链碳化合物立即氧化成CO2,在TG曲

线中出现第二个失重台阶,对应的失重量约为29.50%。

最后在7124C以上温度获得以稳定的平台说

明剩余的残渣为惰性的无机填料或灰分,其质量含

量约为5.44%O因此由热重法测定获得的分析结果为：

聚苯醛65.31%,含碳量29.50%,残渣含量5.44%。

13

2.材料中挥发性物质的测定

在材料尤其是塑料加工过程中溢出的挥发性物质，即使极少量的水

分、单体或溶剂都会产生小的气泡，从而使产品的外观和性能受到影响。

热重法能有效地检测出在加工前塑料所含有的挥发性物质的总量。

如:聚氯乙烯(PVC)中增塑剂邻苯二辛酯(DOP)的测定。如图所示：

14

在测定聚氯乙烯中增塑剂含量的过程中，先以每分钟16CTC的升

温速度加热,达到200(后等温4nim,这4nim足以使98%增塑剂扩

散到样品表面而挥发掉。这一阶段主要是增塑剂的失重过程,失重约

29%。然后用每分钟80℃的升温速度加热，并且在20CTC以后通过气

体转换阀将氮气流转化为氧气,以保证有机物完全燃烧。该阶段主要是

聚氯乙烯的失重过程,失重约67%,最后剩下惰性无机填料约为3.5%。

15

3材料的热稳定性和热老化寿命的测定在材料使用中,无论是无机

物还是有机物,热

稳定性是主要指标之一。虽然研究材料的热稳定性和热老化寿命

的方法有许多种，但是惟有热重法因其快速而简便，因此使用最为广泛。

16

例:利用热重法研究化纤助剂的寿命时，根据化纤生产工艺条件,先

测定化纤助剂在215℃和236＜的恒温失重，测得失重10%所需E寸间

分别为282.4min和64min,再根据下列热老化寿命经验公式：

InT=axl/T+b

T-寿命T-材料的使用温度

计算出a和b值,即得到化纤助剂的寿命公式：

InT=7.624x103xl/T-13.172

通过该公式可求出其它温度下的失重10%的寿命值

17

二、差热分析（DTA）在程序控制温度下测定物质和参比物之间

的温

度差和温度关系的一种热分析技术。参比物：

在测定条件下不产生任何热效应的惰性物质。如CC-AI2O3.石英、

硅油等。

18

3

进行差热分析的仪器为差热分析仪,由加热炉、试样容器、热电偶、

温度控制系统及放大、记录系统等部分组成。

1.加热炉，

2试样

3参比物,

4.测温热电偶，

5.温差热电偶，

6.测温元件,

7.温控元件。

19

由差热分析仪记录的?T随温度变化的关系曲线称为差热分析曲线,

下图为典型的DTA曲线。其横坐标为温度，纵坐标为温差4/K,当试

样发生任何物理或化学变化时,所释放或吸收的热量使样品温度高于或

低于参比物的温度,从而在相应的差热曲线上得到放热或吸热峰。吸

热峰向下,放热峰向上。

20

差热分析曲线反映了所测试样在不同的温度范围内发生的一系列

伴随热现象的物理或化学变化。凡是有热量变化的物理和化学现象多

可以借助于差热分析的方法来进行精确的分析，并能定量地加以描绘。

应用：

材料的鉴别和成分分析？材料相态结构的变化？材料的筛选？玻

璃微晶化热处理？玻璃的析晶活化能的测定？聚合物热降解分析

21

应用DTA对材料进行鉴别主要是根据物质的相变（包括熔融、升

华和晶型转变）和化学反应（包括脱水、分解和氧化还原等）所产生

的特征吸热和放热峰。有些材料常具有比较复杂的DTA曲线，虽然有

时不能对DTA曲线上所有的峰作出解释，但是它们像〃指纹〃一样表

征着材料的种类。

例如：根据石英的相态转变的DTA峰温可用于检测天然石英和人

造石英之间的差异

例如：根据一些聚合物在DTA曲线上所具有的特征熔融吸收峰,

对共混聚合物进行鉴定。

22

下图为七种聚合物的DTA曲线。这七种聚合物分别为：1高压聚

乙烯、2低压聚乙烯、3聚丙烯、4聚甲醛、5尼龙6.6尼龙66和7

聚四氟乙烯、

它们在DTA曲线上对应的特征熔融吸收峰峰顶温度分别为

108℃,127℃z165℃,170℃220℃z257℃,340℃,

由此可以鉴别出未知共混物由哪些聚合物共混而成。

23

三、差示扫描量热法（DSC）

在程序控制温度下,测量输给试样与参比物的功率差与温度之间关

系的一种技术。

根据测量方法的不同,又分为功率补偿型DSC和热流型DSC两种

类型。DSC主要特点是使用的温度范围（-175（-725。。比较宽，分辨

能力高,灵敏度高。除不能测量腐蚀性材料外,DSC不仅可以涵盖DTA

的一般功能,而且还可定量测定各种热力学参数,如热始、焙和比热等。

24

4

差示扫描量热仪

功率补偿型DSC的主要特点是试样和参比物分别

具有独立的加热器和传感器,整个仪器由两个控制

电路进行监控。其中一条控制温度,使样品和参比

物在预定的速率下升温或降温,另一条用于补偿样

品和参比物之间所产生的温差。

25

26

当试样发生热效应时，比如放热,试样温度高于

参比物温度,放置于它们下面的一组差示热电偶产生

温差电势，经差热放大器放大后送入功率补偿放大器，

功率补偿放大器自动调节补偿加热丝的电流,使试样

下面的电流Is减小，参比物下面的电流IR增大，从而降低试样的

温度,增高参比物的温度,使试样与参比

物之间的温度始终保持相同。在此条件下测量补偿给

试样和参比物的功率之差随温度的变化。

27

差示扫描量热测定时记录的谱图称之为DSC曲线，其纵坐标是试

样与参比物的功率差dH/dt,也称作热流率单位为毫瓦(mW),代表试

样放热或吸热的速度。横坐标为温度(T)或时间⑴。

典型的DSC曲线

28

当样品无变化时,它与参比物之间的温差为零，DSC曲线显示水平

线段,称为基线。曲线离开基线的位移,代表样品吸热或放热的速率正

峰为放热，负峰为吸热。DSC曲线上的峰数目就是测量温度范围内样

品发生相变或化学变化的次数。

峰的位置对应着样品发生变化的温度,曲线中的峰或谷所包围的面

积，代表热量的变化。因此DSC可以直接可以测量试样在发生变化时

的热效应。29

例如:玻璃化转变温度Tg的测定

绝大多数聚合物材料通常可处于以下三种物理状态玻璃态、高弹

态和粘流态。玻璃态时,材料为为刚性固体状,与玻璃相似,质硬而脆。

随着温度升高,材料表现出高弹性质,此状态即为高弹态，玻璃态开始

向高弹态转变的温度称为玻璃化转变温度玻璃化转变温度是

Tge(Tg)

非晶态聚合物的一个重要的物理性质，以玻璃化转化温度为界，高分子

聚合物呈现不同的物理性质：在玻璃化温度以下，高分子材料为塑料；

在玻璃化温度以上,高分子材料为橡胶。

30

5

下图是聚合物DTA曲线或DSC曲线的模式图，当温度逐渐升高,

通过高分子聚合物的玻璃化转变温度时，DSC曲线上的基线向吸热方

向移动，由于玻璃化温度不是相变化,曲线只产生阶梯状位移

高聚物的DSC曲线示意图

31

确定Tg的方式是将玻璃化转变前后的基线延长，两线之间的垂直

距离为阶差,再在实脸曲线上取一点，使其平分阶差,这一点所对应的温

度即为

Tgo

应用：

DSC在高分子方面的应用主要有：

玻璃化转变温度Tg

分解温度

混合物和共聚物的组成

结晶温度Tc

结晶度Xc

增塑剂的影响

固化过程的研究

32

第二节、显微技术

显微技术是一种直观表征材料口(观外貌的方法，显微技术是采用显

微镜作为工具来进行材料分析，最常用的显微镜有：

光学显微镜透射电子显微镜扫描电子显微镜显微镜一般观察的对

象是某一材料的表面或断面，有时也可以是专门的制样,如切片等。光

学显微镜分辨率大于200nm,可观察到材料的裂纹、裂缝、气泡等。

电子显微镜具有更高的分辨率,能得到材料的立体表面形态图像、结晶

现象。

33

一、透射电子显微镜

透射电子显微镜是由电子枪发射电子束穿过被研究的样品，经电

子透镜聚焦放大，在荧光屏上显示出高度放大的物像，还可作摄片记录

的电子光学仪器。它是材料科学研究的重要手段，能提供极微细材料

的组织结构、晶体结构和化学成分等方面信息。透射电镜的分辨率为

0.1~0.2nm,放大倍数为几万~几十万倍。

34

电子光学系统？真空系统？电器系统

(-)电子光学系统

电子光学系统是电子显微镜的核心部分

1.电子照明部2试样.3成像放大部分

4.图象记录装置

35

36

6

1.电子照明部作用:提供亮度高、相干性好、束流稳定的照明电

子束..组成:电子枪和聚光2试样室

由于电子易散射或被物体吸收，故穿透力低，.须制备超薄切片。透

射电镜样品是直径不大于3mm，.度为几十纳米的薄试样.3.成像放大部

分

由物镜、中间镜和投影镜组成4图象记录装置

由观察室和照相机构组成。

37

(二)真空系统空气会使电子强烈的散射,因此,整个电子通

道从电子枪至照相底板盒都必须置于真空系统之内，一般真空度为

10-4-10-7毫米汞柱。（三）电器系统

透射电镜需要两部分电源：一是供给电子枪的高压部分,二是供给

电磁透镜的低压稳流部分。

38

电镜与光镜的比较

显微镜分辨本领光源

透镜

真空

成像原理

LM

200nm

可见光玻璃透镜不要求真空利用样品对光的

（400-700nm）

吸收形成明暗反

紫外光

差和颜色变化

100nm（约200nm）玻璃透镜不要求真空

TEMO.lnm

电子束电磁透镜要求真空利用样品对电子

（0.01-0.9）

1.33x10-5-的散射和透射形

1.33xlO-3Pa成明暗反差

39

应用：透射电子显微镜主要用于材料形貌观察,晶体结构分析。

天然橡胶与顺丁橡胶共混体系的炭黑分散状况

高分辨透射电镜

40

二、扫描电子显微镜（SEM）

1.原理：SEM的工作原理是用一束极组的电子束在样品表面按顺

序逐行扫描，在样品表面激发出二级电子、背散射电子、特征X射线和

连续谱X射线、俄歇电子、透射电子,以及在可见、紫外、红外光区域

产生的电磁辐射。

二次电子:用于观察物质表面微观形貌。背散射电子:可以反映成

份信息。EDS:进行元素成份分析。

41

2构造

电子光学系统（电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室）

信号收集处理、图像显示和记录系统（二次电子采用闪烁计数器）

真空系统（1.33x10-2-1.33xl0-3Pa）

42

7

3.特点①分辨率比较高,二次电子成像5-10nm②放大倍数连续可

调,几十倍到二十万倍③景深大,立体感强④试样制备简单⑤一机多用

4.应用

扫描电子显微镜可以进行如下基本分析：（1）三维形貌的观察和

分析；（2）在观察形貌的同时,进行微区的成分分析。

①观察纳米材料

43

具有纳米孔阵列结构的氧化铝薄膜

44

②材料断口的分析

③直接观察大试样的原始表面

注射针头的扫描电镜照片

45

（a）陶瓷烧结体的表面图像（b）多孔硅的剖面图

46

④观察厚试样并能得到最真实的形貌。

⑤观察生物试样

果蝇：

不同倍率的扫描电镜照片

多孔氧化铝模板制备的金纳米线的形貌（a）低倍像（b）高倍像

47

48

8

第三节X-射线衍射技术X射线衍射分析（X-raydiffraction,简称

XRD）,

是利用X射线在晶体中所产生的衍射现象来分析材料的晶体结构、

晶格参数、晶体缺陷、不同结构相的含量及内应力的方法。X-射线衍

射技术自本世纪初已成为材料研究中最重要和最有用的技术之一。

X射线衍射分析分为:粉末法X射线衍射分析单晶法X射线衍射分

析

49

一、原理当一束X射线照到晶体上时,原子或离子中的电

子受迫振动,振动频率与入射X射线的频率相同。并向四周各方向

发射与入射X射线相同频率的电磁波，称为X射线散射波。在一个原

子系统中所有电子的散射波都可以近似地看作是由原子中心发出的,因

此，可以把晶体中每个原子都看成是一个新波源。

50

这些散射波之间可以相互干涉,并在空间某些方向上波的相位相同,

始终保持相互叠加,于是在这个方向上可以观察到散射波干涉产生的衍

射线。

散射波干涉包括

面中点阵散射波干涉面间点阵散射波干涉

51

1.面中点阵散射波干涉

入射X射线

平面法线

入射角

掠射角

镜面反射方向

任一平面上的点阵

在X射线照射到的原子面中，所有原子的散射波在原子面的反射方

向的相位是相同的,是干涉加强的

52

方向。

2.面间点阵散射波的干涉由于X射线的波长短，穿透能力强，所以

它不仅可

以使晶体表面的原子成为散射波源,而且还能使晶体内部的原子成

为散射波源。在这种情况下，衍射线应被看成是许多平行原子面散射波

振幅叠加的结果。原子面间干涉加强的条件是必须满足布喇格定律：

2dsin6=n入

d—相邻晶面的垂直距离0一入射X射线与晶面的夹角（布喇格角）

n一正整数人一波长

只有。满足此方程时,才能在相应的反射角方

向上产生衍射。

53

X射线

入射角掠射角

层间两反射光的光程差

相长干涉得亮点的条件

求出相邻晶面距离为d的两反射光相长干涉条件

布喇格定律

54

9

在一种晶体内有多组晶面族，即沿不同的方向，可划分出不同间距

d的晶面。

第一组晶面族,晶格常数为dl第二组晶面族,晶格常数为d2第三

组晶面族,晶格常数为d3...

对任何一种方向的晶面，只要满足布喇格公式，则在该晶面的反射

方向上,将会发生散射光的衍射。

55

晶体衍射方法是目前研究晶体结构最有力的方法。根据研究对象

的不同可以分为粉末法和单晶法。

粉末法:可以用来确定立方晶的晶体结构的点阵形式、晶胞参数等。

单晶法可以精确给出晶胞参数，晶体中成键原子的键长、键角等重

要的结构化学数据。

56

二、粉末法X射线衍射分析1.实验条件:单色的X射线、粉末样品

或多晶样品2.粉末衍射图的获得

照相法照相法以德拜法应用最为普遍,以一束准直的

特征X射线照射到小块粉末样品上,用卷成圆柱状并与样品同轴安

装的窄条底片记录衍射信息。

57

照相法获得的衍射图是一些衍射弧,照相法是比较原始的方法C

58

衍射仪法衍射仪法得到的衍射图谱给出一系列峰,如图所

示,横坐标是20,纵坐标是衍射强度。衍射图谱可以提供三种晶体

结构信息：衍射线位置(角度)、强度和形状(宽度).

59

3.粉末衍射的应用(1)物相分析即固体由哪几种物质构成

XRD是晶体的〃指纹〃，不同的物质具有不同的XRD特征峰值

(峰位置、相对强度和扫描范围内的峰数)。样品中如果存在多个相，

样品的衍射谱是各相衍射谱的简单叠加。

(2)[Si-070104-ls.raw]SCAN:20.0/100.0/0.02/l(sec),

Cu(40kV,250mA),I(max)=125099,01-05-0700:22(1)[E47.raw]

SCAN:15.0/80.0/0.02/0.15(sec),Cu(40kM250mA),I(max)=12644,

03-31-0607:26

40.0

35.0

Intensity(Counts)

30.0PatternofSi

25.0

20.0

15.0

10.0

5.0PatternofAl

xl0A3

30

40

50

60

70

60

TTht(d)

10

物相分析基本方法就是将待分析物质的衍射图与标准单相物质的

衍射图对照,从而确定物质的组成相。目前常用衍射仪法得到衍射图谱,

用〃粉末衍射标准联合会(JCPDS)”负责编辑出版的〃粉末衍射卡片

(PDF卡片)〃进行物相分析。其特点是能确定元素所处的化学状态

能区别同分异构体，能区别是混合物还是固溶

(FeO/Fe2O3,Fe3O4),

体,鉴定出各个相后，根据各相衍射的强度正比于该组分存在的量,就可

对各种组分进行定量分析。

61

(2)衍射图的指标化

利用粉末样品衍射图确定相应晶面的米勒指数就称为指标化。当

晶胞参数未知时，指标化只有对立方晶系是可能的。

立方晶系由立方晶系中晶面间距公

a=b=cza=p=y=90°

式和布拉格方程可容易推得下式：

d=

a

h2+k2+12

sin0=A2d

sin20

入24a2

(h2

+

k2

+

12)

62

因为在立方晶系[入/(2a)]2为一个常数,任意两条衍射线的sin29之

比等于h2+k2+l2之比。因此有:sin201:sin202:sin203:....sin20k=

hl2+kl2+H2:h22+k22+l22:h32+k32+l32:....hk2+kk2+lk2只

要求出每条衍射线的sin28值，就可得出这些衍射线的平方和的比值,

并求出这些比值的简单整数比,从而就可以将每条衍射线指标化。

63

简单立方晶体：sin201:sin202:sin203:....sin20k=

123:456:89.…匕相应衍射面的指标为100,110,111,200,

210,211...。

体心立方晶体：

sin201:sin202:sin203:....sin20k=2:4:6:8:10:12:14:....ko

相应衍射面的指标为110,200,211,220,310,222…。

64

休心立方晶体：

sin201:sin202:sin203:....sin20k=3:4:8:11:12:16:19:....ko

相应衍射面的指标为111,200,220,311,222,400…。

依照粉末线由小到大)的顺序,sin26值的比例(即h2+k2+l2)必

有如下规律：

P:1:23:4:5:6:8:9...(缺7,15,23等)I:1:2:3:4:5:67:8:9...(不

缺)F:3:4:8:11:12:16:19:20…(出现二密一稀的规律)

65

66

11

H2+简单体心面心H2+k2简单体心面心k2+l2(P)(I)(F)+12

(P)(D(F)

1

100

2

110

110

3

111

111

4

200

200

200

5

210

6

211

211

7

8

220

220

220

9

300,221

10

310

310

11

311

311

12

222

222

222

13

320

14

321

321

15

16

400

400

400

17

410,322

18

411,330411

19

331

331

20

420

420

420

21

421

22

332

332

23

24

422

422

422

25

500,432

67

(3)点阵常数的精确测定

点阵常数是晶体物质的基本结构参数，点阵常数的精确测定,可用

于晶体缺陷及固溶体的研究、测量膨胀系数及物质的真实密度。步骤:

根据衍射线的角位置计算晶面间距d?标定个衍射线条的指数hkl

(指标化)？由d和相应的hkl计算点阵常数(a、b、c等)？消除误差

得到精确的点阵常数

68

(4)晶粒尺寸和点阵畸变的测定

多晶体材料的晶体尺寸是影响其物理化学性能的重要因素,测定纳

米材料的晶粒大小要用XRD,用X射线衍射法测量小晶粒尺寸是基于

衍射线剖面宽度随晶粒尺寸减少而增宽这一实验现象。，这就是1918

年谢乐(Scherrer)首先提出的小晶粒平均尺寸(D)与衍射线真实

宽度之间有的数学关系：

Scherrer方程：D=KA/Bl/2cos0

式中，D为晶粒的平均尺寸，K为常数(约等于0.89),B1/2为衍射

线剖面的半高宽。

69

三、单晶法X射线衍射分析单晶X射线衍射分析的对象是单晶样

品,一般

为直径O.Llmm的完整晶粒。单晶法X射线衍射分析能提供晶

体内部三维空

间的电子云密布晶体中分子的立体构型、构象、化学键类型、键

长、键角、分子间距离和配合物配位等。

70

分子结构透视图

晶胞图

Fe-Fe以单键相连，键长2.4996(10)?,N1原子周围的C-N-C键

角之和为355.3。四个N原子处于同一平面上。C-N键长为1.364(5)-

1.378(5)?四个苯环C9-C14,C21-C26,C32-C37,C43-C48与口卜咻大

环不是共平面的，两面角分别为75.9。、99.1。、77.4°和63.1。，71

第三节材料的表面分析技术表面分析是对固体表面或界面上只有

几个原子

层厚的薄层进行组分、结构和能态等分析的材料物理试验。也是

一种利用分析手段,揭示材料及其制品的表面形貌、成分、结构或状态

的技术。

72

12

X射线在晶体中的衍射现象是大量的原子散射波相互干涉的结果。

每种晶体所产生的衍射花样都反映出晶体内部的原子分布规律,从而显

示与结晶结构相对应的特有的衍射现象。

NaCI单晶的

石英（SiO2）的

X射线衍射斑点

X射线衍射斑点

73

一、衰减全反射红外光谱（ATR）

红外光谱是化合物结构定性分析的主要手段之一,典型的红外光谱

是通过材料样品对透射红外光的特征吸收来得到所要求的信息。然而,

相当多的材料对红外光是不透明的，无法采用典型的方法进行红外分

析检测。采用衰减全反射红外光谱法（ATR）分析就可以方便地克服这些

困难。该方法应用范围广泛、制样简单、无需前处理、不破坏样品就

可以直接进行红外分析，所测得的红外光谱与透射光谱的谱带位置、

形状完全一致。

74

衰减全反射原理:当一束红外光经过棱镜照射到样品上时,棱镜的

折光率是nl,样品的折射率是n2,nl>n2,当入射角大于临界角时,

即sina）n2/nl,产生全反射现象。

全反射并非在样品的表面上直接反射,而是入射光进入到样品的一

定深度之后再返回表面反射。

75

进入样品的光,同样带有特征吸收的信息，在样品有吸收的频率范

围内光线会被样品吸收而强度衰减，在样品无吸收的频率范围内光线被

全部反射,产生象透射光谱一样的效果。

样品

样品

多次反射ATR元件

76

例：从未知成分的橡胶管剪开的18mmxl0mm小片样品所得到

的ATR光谱图，

1446cm-l

1017cm-l

1375cm-l

834cm-l

1661cm-l

668cm-l

77

从未知成分的橡胶管剪开的18mmxl0mm小片样品所得到的

ATR光谱图,可以看到：834cm-1:=CH面外弯曲振动吸收；1446cm-

1:CH2的弯曲振动吸收;1375cmCH3弯曲振动吸收；1661cm-

1：脂肪族C=C的伸缩振动吸收：以上位置的吸收与聚戊二烯橡胶的特

征吸收一致。1017cm；和668cm-l:来自于添加剂滑石粉的吸收。

因此可以断定该橡胶管的材料是添加了滑石粉的顺式聚戊二烯橡胶，

[CH2-CH=CH-CH2]n

78

13

二、X射线光电子能谱分析

X射线光电子能谱分析,以一定能量的X射线辐照气体分子或固体

表面，发射出的光电子的动能与该电子原来所在的能级有关，记录并分

析这些光电子能量可得到元素种类、化学状态和电荷分布等方面的信

息。这种非破坏性分析方法,不仅可以分析导体、半导体，还可分析绝

缘体。除氢以外所有元素都能检测。虽然检测灵敏度不高，仅达千分之

一左右,但绝对灵敏度可达2x10（单层。

79

X射线与物质相互作用时,产生各种不同的和复杂的过程。就其能

量转换而言,一束X射线通过物质时,可分为三部分:一部分被散射,-

部分被吸收，一部分透过物质继续沿原来的方向传播。

X光电子能谱仪通常由X射线枪、样品室、电子能量分析器、检

测器和真空系统组成。

80

1.原理将一定能量的X光照射到样品表面,与待测物质

发生作用,可以使待测物质原子中的电子脱离原子成为自由电子。

该过程可用下式表示：

hv二Ek+Eb+①

式中:

hv:X光子的能量；

Ek:光电子的能量；Eb:电子的结合能；①:功函数。

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