绪论 【教学内容与目标】 绪论部分主要阐述现代分析方法在研究材料组成与结构中的意义，介绍材料组成、结构 与性能的关系：概略介绍课程教学内容，课程教学目的与要求，以及教学安排。并为学生提 供课外学习的参考文献目录和网络课件网址。 通过绪论部分的学习让学生对本课程教学目的、要求、内容与安排有所了解。 0导言 材料现代分析方法是一门技术性实验方法性的课程。它是在具备物理学、结 品学和材料基础知识之后开设的一门重要的专业基础课。它要掌握材料现代各种 测试方法，了解各种测试仪器的基本原理、仪器结构、仪器工作原理、图谱分析 解译方法，并学会在材料研究中的应用。 材料科学与工程就是研究有关材料组成、结构、制备工艺流程与材料性能和 用途的关系的知识。换言之，材料科学与工程是研究材料组成与结构 (composition-structure)、合成与生产过程(synthesis-proccessing)、性质 (propeties)及使用效能(performance)称之为材料科学与工程的四个基本要素 (basic elements)。把四要素连结在一起，便形成一个四面体(tetrahedron),如 图1(a)。公认的材料科学与工程四大要素： 成 结构 合成/制 合成/制备 理论，材料设计 与工艺设计 结构/成分 〔使用性能 (a 图1材料科学与工程要素图 (a)材料科学与工程四要素：(b)材料科学与工程五要素 考虑在四要素中的组成/结构并非同义词，即相同成分或组成通过不同的合 成或加工方法，可以得出不同结构，从而材料的性质或使用效能都不会相同。因
绪 论 【教学内容与目标】 绪论部分主要阐述现代分析方法在研究材料组成与结构中的意义，介绍材料组成、结构 与性能的关系；概略介绍课程教学内容，课程教学目的与要求，以及教学安排。并为学生提 供课外学习的参考文献目录和网络课件网址。 通过绪论部分的学习让学生对本课程教学目的、要求、内容与安排有所了解。 0 导言 材料现代分析方法是一门技术性实验方法性的课程。它是在具备物理学、结 晶学和材料基础知识之后开设的一门重要的专业基础课。它要掌握材料现代各种 测试方法，了解各种测试仪器的基本原理、仪器结构、仪器工作原理、图谱分析 解译方法，并学会在材料研究中的应用。 材料科学与工程就是研究有关材料组成、结构、制备工艺流程与材料性能和 用 途 的关 系的 知识 。 换言 之， 材料 科学 与工 程 是研 究材 料组 成与 结 构 （ composition-structure ）、 合 成 与 生 产 过 程 （ synthesis-proccessing ）、 性 质 （propeties）及使用效能（performance）称之为材料科学与工程的四个基本要素 （basic elements）。把四要素连结在一起，便形成一个四面体（tetrahedron），如 图 1（a）。公认的材料科学与工程四大要素： 考虑在四要素中的组成/结构并非同义词，即相同成分或组成通过不同的合 成或加工方法，可以得出不同结构，从而材料的性质或使用效能都不会相同。因
此，我国有人提出一个五个基本要素的模型，即成分(composition)、合成/加T (systhesis/proccessing)、入结构(structure)、人性质(propeties)和使用效能 (performance)。如果把它们连接起来，则形成一个六面体(hexahedron),如图 1(b) 不管是四要素，还是五要素都包括成分组成与组织结构，研究材料离不开组 成与结构，它决定了材料的性能。 一、材料的组成结构与性能的关系 材料的性能是决定一种材料应用的重要因素。例如金属材料如铜有很强的延 展性、导电性等。一些非金属材料如金刚石有很高的硬度等。不同的材料其性能 是不同的，那么材料的性能与什么因索有关呢？ 总的来说一种材料或一种物质其性能取决于它本身的二个属性。一个是它的 化学成分，如铁与铜、金刚石(C)、闪锌矿(ZS)。另一个是它内部的组织结 构。所谓内部的组织结构，对单晶体来说就是它的晶体结构，即晶体中原子的排 列。二种晶体若其成分相同而结构不同，性能是完全不同的。如金刚石和石墨， 二者的成分完全相同但结构不同。（展示金刚石与石墨的结构图片）。一个是架状 结构，一个是层状结构，因此，它们的性能是完全不同的。 的 吗 业 金刚石 石墨 颜色 无色、黄、蓝 黑色
此，我国有人提出一个五个基本要素的模型，即成分（composition）、合成/加工 （systhesis/proccessing）、结构（structure）、性质（propeties）和使用效能 （performance）。如果把它们连接起来，则形成一个六面体（hexahedron），如图 1（b） 不管是四要素，还是五要素都包括成分组成与组织结构，研究材料离不开组 成与结构，它决定了材料的性能。 一、材料的组成结构与性能的关系 材料的性能是决定一种材料应用的重要因素。例如金属材料如铜有很强的延 展性、导电性等。一些非金属材料如金刚石有很高的硬度等。不同的材料其性能 是不同的，那么材料的性能与什么因素有关呢？ 总的来说一种材料或一种物质其性能取决于它本身的二个属性。一个是它的 化学成分，如铁与铜、金刚石（C）、闪锌矿（ZnS）。另一个是它内部的组织结 构。所谓内部的组织结构，对单晶体来说就是它的晶体结构，即晶体中原子的排 列。二种晶体若其成分相同而结构不同，性能 是完全不同的。如金刚石和石墨， 二者的成分完全相同但结构不同。（展示金刚石与石墨的结构图片）。一个是架状 结构，一个是层状结构，因此，它们的性能是完全不同的。 金刚石 石 墨 颜色 无色、黄、蓝 黑色
透明度 透明 不透明 硬度 10 1-2 密度 3.53 2.21-2.26 光泽 金刚 金属 晶体结构等轴晶系，立方面心晶胞 六方晶系，a=2.462A,c0=6.80A a0=3.5595A,以角顶相连的 层状结构，每层由六方环状，层 四面体组合，以共价键连结 内为共价金属键，层间为分子键 可见从某种意义上说，结构对材料性能的影响是很大的。因此，有人说，结 构决定性能是自然界永恒的规律。所以，在研究材料时，不仅了解它的化学成分 还要了解其结构。也就是说，当一个人问这个材料是什么时，你不能仅仅说它是 碳，而还要了解它是石墨还是金刚石
透明度 透明 不透明 硬度 10 1-2 密度 3.53 2.21-2.26 光泽 金刚 金属 晶体结构 等轴晶系，立方面心晶胞 六方晶系，a0=2。462A，c0=6.80A a0=3.5595A,以角顶相连的 层状结构，每层由六方环状，层 四面体组合，以共价键连结 内为共价-金属键，层间为分子键 可见从某种意义上说，结构对材料性能的影响是很大的。因此，有人说，结 构决定性能是自然界永恒的规律。所以，在研究材料时，不仅了解它的化学成分， 还要了解其结构。也就是说，当一个人问这个材料是什么时，你不能仅仅说它是 碳，而还要了解它是石墨还是金刚石
结构决定性能是自然界水恒的规健 这里必须引进一个“相”的概念，经常也叫“物相”。大家知道，在物理化 学中“相”的定义是： 在体系内部物理性质和化学性质完全均匀的一部分称为“相”(phase)。 在这里，更明白的表述是：成分和结构完全相同的部分才称为同一个相。成 分相同而结构不同者属于不同的相。以后要讲的物相分析中的相即是指这个概 念。 因此，不同的相不能仅仅用化学元素来表示。因为，它只能反映它的化学成 分。对成分相同而结构不同的物相的命名有时采用不同的名称。如矿物或非金属 材料中常用不同名字来表示不同的物相。如金刚石、石墨；O2的三个物相- 金红石、锐钛矿和板钛矿。金属学中的马氏体、奥氏体指铁的不同相。 有时也用不同的符号来表示成分，如a-Al2O3、B-Al2O3。 对于一种多晶质或多相的体系来说，材料的组织结构还包括晶粒（相）的大 小、形态、各相的分布、排列、含量，界面、位向关系和内应力等。这些因素也 极大影响了材料的性能。如，具有纤维状结构的材料比具有粒状结构的材料其韧 性、抗折强度等都要大的多。 这里之所以讲这么多有关相的问题是因为本课程的分析方法主要是解决物 相问题，或结构问题，也就是说本课程主要是介绍研究分析材料的组成结构。 ·现代材料科学与工程在很大程度上依赖于对材料性能与其成分及显微组 织关系的理解。 ·对材料各种性能的测试技术，对材料组织从宏观到微观不同层次的表征技 术构成了材料科学与工程的一个重要组成部分，也是联系材料设计与制造 工艺直接获得具有满意使用性能的材料之间的桥梁。 ·从新材料的研制中可以看到检测表征技术所起的作用。 ·在四要素中，性能检测与表征技术通过组成与结构在化学、物理学和环境 科学的基础上与其它三大要素相互联系和反馈，同样构成材料科学与工程 的关键技术
这里必须引进一个“相”的概念，经常也叫“物相”。大家知道，在物理化 学中“相”的定义是： 在体系内部物理性质和化学性质完全均匀的一部分称为“相” (phase)。 在这里，更明白的表述是：成分和结构完全相同的部分才称为同一个相。成 分相同而结构不同者属于不同的相。以后要讲的物相分析中的相即是指这个概 念。 因此，不同的相不能仅仅用化学元素来表示。因为，它只能反映它的化学成 分。对成分相同而结构不同的物相的命名有时采用不同的名称。如矿物或非金属 材料中常用不同名字来表示不同的物相。如金刚石、石墨；TiO2 的三个物相- 金红石、锐钛矿和板钛矿。金属学中的马氏体、奧氏体指铁的不同相。 有时也用不同的符号来表示成分，如α-Al2O3、β-Al2O3。 对于一种多晶质或多相的体系来说，材料的组织结构还包括晶粒(相)的大 小、形态、各相的分布、排列、含量，界面、位向关系和内应力等。这些因素也 极大影响了材料的性能。如，具有纤维状结构的材料比具有粒状结构的材料其韧 性、抗折强度等都要大的多。 这里之所以讲这么多有关相的问题是因为本课程的分析方法主要是解决物 相问题，或结构问题，也就是说本课程主要是介绍研究分析材料的组成结构。 • 现代材料科学与工程在很大程度上依赖于对材料性能与其成分及显微组 织关系的理解。 • 对材料各种性能的测试技术，对材料组织从宏观到微观不同层次的表征技 术构成了材料科学与工程的一个重要组成部分，也是联系材料设计与制造 工艺直接获得具有满意使用性能的材料之间的桥梁。 • 从新材料的研制中可以看到检测表征技术所起的作用。 • 在四要素中，性能检测与表征技术通过组成与结构在化学、物理学和环境 科学的基础上与其它三大要素相互联系和反馈，同样构成材料科学与工程 的关键技术。 结构决定性能是自然界永恒的规律
任何一种材料的宏观性能或行为，都是由其微观组织结构所决定的，从近代 发展的观点来看，为了比较透彻地描述或鉴定材料的组织结构，必须对它的化学 成分、元素分布、组成相的形貌（包括形状、大小和分布）和晶体结构、各个组 成相之间的取向关系和界面状态，以及晶体缺陷的密度和组态等，有一个正确和 全面的了解。所有这些方面的特征，都对材料的宏观性能有着十分敏感的影响。 而了解这些微观组织结构特征需借助材料各种测试技术。对材料组成与结构的研 究方法很多，现代分析方法主要包括以下内容： 二、本课程的主要内容 本课程主要介绍研究材料组织结构和显微成分尤其是结构的现代分析方法。 传统的分析材料组织结构的方法是光学显微镜，光学显微镜分析在材料结构 与表征课程中学习。光学显微镜的分辨率低（约200m),放大倍数低（最大倍 数为1000倍)，己经不能满足需要。 材料的组成和微观结构如何知道？ 传统方法： ÷肉眼，分辨率0.2mm(20000nm) 光学显微镜-光学技术，能达到什么程度？分辨率为200m 现代技术是什么？ 般的化学成分分析方法通常要对样品进行溶解等破坏性的处理。分析的结 果是材料的平均成分。而实际在材料中元素的分布是不均匀的。许多材料产生偏 析影响材料的性能，因此，需要进行原位的微区成分分析。 具体地讲，本课程的内容主要有：
任何一种材料的宏观性能或行为，都是由其微观组织结构所决定的，从近代 发展的观点来看，为了比较透彻地描述或鉴定材料的组织结构，必须对它的化学 成分、元素分布、组成相的形貌（包括形状、大小和分布）和晶体结构、各个组 成相之间的取向关系和界面状态，以及晶体缺陷的密度和组态等，有一个正确和 全面的了解。所有这些方面的特征，都对材料的宏观性能有着十分敏感的影响。 而了解这些微观组织结构特征需借助材料各种测试技术。对材料组成与结构的研 究方法很多，现代分析方法主要包括以下内容： 二、本课程的主要内容 本课程主要介绍研究材料组织结构和显微成分尤其是结构的现代分析方法。 传统的分析材料组织结构的方法是光学显微镜，光学显微镜分析在材料结构 与表征课程中学习。光学显微镜的分辨率低（约 200nm），放大倍数低（最大倍 数为 1000 倍），已经不能满足需要。 材料的组成和微观结构如何知道？ 传统方法： ❖ 肉眼，分辨率 0.2mm（20000nm） ❖ 光学显微镜-光学技术，能达到什么程度？分辨率为 200nm 现代技术是什么？ 一般的化学成分分析方法通常要对样品进行溶解等破坏性的处理。分析的结 果是材料的平均成分。而实际在材料中元素的分布是不均匀的。许多材料产生偏 析影响材料的性能，因此，需要进行原位的微区成分分析。 具体地讲，本课程的内容主要有：
1、X射线粉末衍射分析 X射线衍射分析主要用于物相分析和晶体结构的测定。它所获取的所有信息 都基于材料的结构。 日本岛津XD-5A型X射线粉末衍射仪 Philips X'PertMPD多功能全自动X射线粉末 理学/自动X射线衍射仪 衍射仪 入 10 20 30 40 50 60 20/o
1、X 射线粉末衍射分析 X 射线衍射分析主要用于物相分析和晶体结构的测定。它所获取的所有信息 都基于材料的结构。 日本岛津 XD-5A 型 X 射线粉末衍射仪 Philips X’ Pert MPD 多功能全自动 X 射线粉末 衍射仪 10 20 30 40 50 60 (220) (100) (102) (101) (110) (200) (301) (212) (211) (210) (112) (104) (300) (310) (302) 2 / I
P123表面活性剂辅助生长，100C、12h水热合成CPO4一维纳米结构材料的XRD图谱 m(i1 m(111) m 1000℃ (111彷 800℃ c T(200) 11) 600℃ B 400℃ A 300℃ 1020304050607080 20/% 表面活性剂SDS诱导氧化锆纳米晶样品在不同温度绶烧后的XRD图谱 2、电子显微分析 电子显微镜是用高能电子束作光源，用磁场作透镜制造的。电子显微镜与传 统的光学显微镜一样，主要用来观察物体的形貌。但它具有高分辨率和高放大 倍数的特点。除此之外，它还有传统的光学显微镜不具备的本领。如，在观察物 体的形貌的同时，还能测定物相的结构和微区化学成分。 类似于光学显微镜，电子显微镜根据电子束照射样品的方式不同（光学显微 镜有（透射和反光显微镜），电子显微镜也有几种不同类型： 1)透射电子显微镜(TEM)(照片) 特点：A、电子束透过薄膜样品 B、用于观察样品的形态 C、通过电子衍射测定材料的结构，从而确定材料的物相。 透射电子显微镜(TEM) 透射电子显微镜是一种能够以原子尺度的分辨能力提供物理分析和化学分 析所需全部功能的仪器。选区电子衍射技术功能能够使微区形貌与微区晶体结构
P123 表面活性剂辅助生长，100℃、12h 水热合成 CePO4 一维纳米结构材料的 XRD 图谱 表面活性剂 SDS 诱导氧化锆纳米晶样品在不同温度煅烧后的 XRD 图谱 2、电子显微分析 电子显微镜是用高能电子束作光源，用磁场作透镜制造的。电子显微镜与传 统的光学显微镜一样，主要用来观察物体的形貌。但它具有 高分辨率和高放大 倍数的特点。除此之外，它还有传统的光学显微镜不具备的本领。如，在观察物 体的形貌的同时，还能测定物相的结构和微区化学成分。 类似于光学显微镜，电子显微镜根据电子束照射样品的方式不同（光学显微 镜有（透射和反光显微镜），电子显微镜也有几种不同类型： 1）透射电子显微镜（TEM）(照片) 特点：A、电子束透过薄膜样品 B、用于观察样品的形态 C、通过电子衍射测定材料的结构，从而确定材料的物相。 透射电子显微镜（TEM） 透射电子显微镜是一种能够以原子尺度的分辨能力提供物理分析和化学分 析所需全部功能的仪器。选区电子衍射技术功能能够使微区形貌与微区晶体结构 10 20 30 40 50 60 70 80 (220) A BC D 300oC 400oC 600oC 800oC 1000oC T(111) m( 111) m m m(111) T(200) T(311) T intensity/a.u. E 2 T-tetragonal m-monocline
分析结合起来，再配以能谱或波谱可以进行微区成份分析。 即T正M是能够进行形貌结构-成分三位一体分析的电子分析仪器，也是当 前最重要的材料测试分析仪器。 日本日立公司H-700电子显微镜，配有双 倾台，并带有7010扫描附件和EDAX9100能谱。 该仪器不但适合于医学、化学、微生物等方面的 研究，由于加速电压高，更适合于金属材料、矿 物及高分子材料的观察与结构分析，并能配合能 谱进行微区成份分析。 分辨率：0.34nm ●加速电压：75KV-200KV ●放大倍数：25万倍 ● 能谱仪：EDAX一9100 ●扫描附件：S7010 CM200-FEG场发射枪电镜 加速电压20KV、40KV、80KV 160KV、200KV 可连续设置加速电压 热场发射枪 晶格分辨率1.4A 点分辨率24A 最小电子束直径lnm 能量分辨率约1ey 倾转角度aF±20度 =±25度 JEM-2010透射电镜 加速电压200KV LaB6灯丝 点分辨率1.94A
分析结合起来，再配以能谱或波谱可以进行微区成份分析。 即 TEM 是能够进行形貌-结构-成分三位一体分析的电子分析仪器，也是当 前最重要的材料测试分析仪器。 日本日立公司 H－700 电子显微镜，配有双 倾台，并带有 7010 扫描附件和 EDAX9100 能谱。 该仪器不但适合于医学、化学、微生物等方面的 研究，由于加速电压高，更适合于金属材料、矿 物及高分子材料的观察与结构分析，并能配合能 谱进行微区成份分析。 分 辨 率：0.34nm ● 加速电压：75KV－200KV ● 放大倍数：25 万倍 ● 能 谱 仪：EDAX－9100 ● 扫描附件：S7010 CM200-FEG 场发射枪电镜 加速电压 20KV、40KV、80KV、 160KV、200KV 可连续设置加速电压 热场发射枪 晶格分辨率 1.4Å 点分辨率 2.4Å 最小电子束直径 1nm 能量分辨率约 1ev 倾转角度 α=±20 度 β=±25 度 JEM-2010 透射电镜 加速电压 200KV LaB6 灯丝 点分辨率 1.94Å
EM420透射电子显徽镜 加速电压20KV、40KV、60KV 80KV、100KV、120KV 晶格分辨率2.04A 点分辨率3.4A 最小电子束直径约2nm 倾转角度=±60度 =±30度 Philips CM12透射电镜 加速电压20KV、40KV、60KV、80KV 100KV、120KV LaB6或W灯丝 晶格分辨率2.04A 点分辨率3.4A 最小电子束直径约2nm: 倾转角度±20度 =±25度 CEISS902电镜 加速电压50KV、8OKV W灯丝 顶插式样品台 能量分辨率1.5ev 倾转角度a±60度 转动4000
EM420 透射电子显微镜 加速电压 20KV、40KV、60KV、 80KV、100KV、120KV 晶格分辨率 2.04Å 点分辨率 3.4Å 最小电子束直径约 2nm 倾转角度 α=±60 度 β=±30 度 Philips CM12 透射电镜 加速电压 20KV、40KV、60KV、80KV、 100KV、120KV LaB6 或 W 灯丝 晶格分辨率 2.04Å 点分辨率 3.4Å 最小电子束直径约 2nm； 倾转角度 α=±20 度 β=±25 度 CEISS902 电镜 加速电压 50KV、80KV W 灯丝 顶插式样品台 能量分辨率 1.5ev 倾转角度 α=±60 度 转动 4000
n210 534 010间