1、复合材料测试方法复合材料测试方法 吉林大学化学学院 教教 材材 材料结构表征及应用材料结构表征及应用 吴刚吴刚 主编主编 化学工业出版社化学工业出版社 20022002年年参考书参考书 1.1. 材料近代分析测试方法材料近代分析测试方法 常铁军常铁军 主编主编 哈尔滨工业大学出版社哈尔滨工业大学出版社 19991999年年 2. 2. 无机非金属材料测试方法无机非金属材料测试方法 杨南如主编杨南如主编 武汉工业大学出版社武汉工业大学出版社 19901990年年复合材料测试方法复合材料测试方法一、课程简介课程简介复合材料测试方法是应用化学专业的主干专业限选课，是重要的实验技术课。本课程在材料研究
2、领域中起着不同寻常的作用，将材料“组成结构性能”有机地联系在一起，从而实现本专业本科学生在掌握材料检测技术上的培养的目标。 复合材料测试方法复合材料测试方法 课程简介课程简介二、教学基本要求 1.1. 掌握各种测试技术（主要指掌握各种测试技术（主要指X X射线衍射技术、电子显射线衍射技术、电子显微分析技术和热分析技术）的基本原理与各种研究微分析技术和热分析技术）的基本原理与各种研究方法与测试技术的应用范围及优缺点；方法与测试技术的应用范围及优缺点；2. 2. 对正在发展完善之中的新测试技术在相应的章节里对正在发展完善之中的新测试技术在相应的章节里作简略介绍，使学生对这些现代测试技术有所了解，作
3、简略介绍，使学生对这些现代测试技术有所了解，提高阅读科技文献的能力；提高阅读科技文献的能力； 3. 3. 通过实验课的训练，以培养学生的严谨科学作风和通过实验课的训练，以培养学生的严谨科学作风和态度，使他们加深理解基本原理、熟悉仪器设备的态度，使他们加深理解基本原理、熟悉仪器设备的构造与性能，对电子显微分析照片、构造与性能，对电子显微分析照片、X X射线衍射图谱射线衍射图谱和热分析曲线等有分析处理与进行物相鉴定的能力，和热分析曲线等有分析处理与进行物相鉴定的能力，为今后的毕业课题研究工作打下坚实的基础。为今后的毕业课题研究工作打下坚实的基础。复合材料测试方法复合材料测试方法 课程简介课程简介
4、绪绪 论论 第第1 1章章 X X射线衍射分析射线衍射分析 第一节 X射线的产生及性质 第二节 X射线与物质的作用 第三节 X射线衍射原理 第四节 X射线衍射分析方法 第五节 X射线衍射分析的应用第2章 热分析 第一节 热分析概述 第二节 差热分析 第三节 示差扫描量热法复合材料测试方法复合材料测试方法 目目 录录 第四节第四节 热重分析热重分析 第五节第五节 热分析的应用热分析的应用第第3 3章章 电子显微分析电子显微分析 第一节 电子与物质的相互作用 第二节 透射电子显微分析 第三节 电子衍射 第四节 扫描电子显微分析第第4 4章章 X X射线光电子能谱分析射线光电子能谱分析 第一节 X射
5、线光电子能谱分析的基本原理 第二节 X射线光电子能谱仪 第三节 X射线光电子能谱的应用复合材料测试方法复合材料测试方法 目目 录录 材料是人类进步、物质文明的标志。它是人类赖依材料是人类进步、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。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，逐渐进步到现代的开始，经过数干年的发展，逐渐进步到现代的金属材料、金属材料、非金属材料
6、、有机高分子材料、复合材料、生物材料和非金属材料、有机高分子材料、复合材料、生物材料和光电子材料等。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。复合材料测试方法复合材料测试方法 绪论绪论 现代材料科学的发展在很大程度上依赖对现代材料科学的发展在很大程度上依赖对材料性能材料性能和其他和其他成分结构及微观组织关系成分结构及
7、微观组织关系的理解。的理解。 对材料性能、结构的测试，是宏观和微观两个层次的对材料性能、结构的测试，是宏观和微观两个层次的分析测试。分析测试。 宏观上宏观上测试材料的各种性能；测试材料的各种性能；微观上微观上表征材料的结表征材料的结构、成分、和组织形貌构、成分、和组织形貌。这两个方面构成了。这两个方面构成了材料的检测材料的检测评价技术评价技术。在材料的发展过程中可以清楚地看到测试评。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。价新技术所起的重要作用。复合材料测试方法复合材料测试方法 绪论绪论1.1.材料结构与材料性能的关系材料结构与材料性能的关系复合材料测试方法复合材料测试方
8、法 绪论绪论 材料的固材料的固有性质有数百有性质有数百种之多，基本种之多，基本上可以归结为上可以归结为三类：化学性三类：化学性质、物理件质质、物理件质和力学性质。和力学性质。 材料的固材料的固有性质大都取有性质大都取决于物质的电决于物质的电子结构、原子子结构、原子结构和化学键结构和化学键结构。结构。复合材料测试方法复合材料测试方法 绪论绪论 曾有人提出材料研究曾有人提出材料研究的四大要素：材料的固的四大要素：材料的固有性质；材料结构与成有性质；材料结构与成分；材料的使用性能；分；材料的使用性能；材料的制备与合成、加材料的制备与合成、加工技术。工技术。 认为要解决材料科学认为要解决材料科学问题，
9、这问题，这4 4个方面缺一不个方面缺一不可。把上述组成与结构、可。把上述组成与结构、合成与生产过程、性质和合成与生产过程、性质和使用效能称为材料科学与使用效能称为材料科学与工程的四个要素。构成一工程的四个要素。构成一个四面体。个四面体。2.2.材料结构表征的基本方法材料结构表征的基本方法复合材料测试方法复合材料测试方法 绪论绪论 材料的结构按尺寸分为两个不同层次。最基本的材料的结构按尺寸分为两个不同层次。最基本的是原子是原子电子层次电子层次( (以以0.1nm0.1nm为尺度为尺度) )；其次是以大量原；其次是以大量原子、电子运动为基础的微观结构子、电子运动为基础的微观结构( (大约为大约为l
10、mlm为尺度为尺度) )。 材料的成分即其组成原子种类和数量材料的成分即其组成原子种类和数量( (包括微量杂包括微量杂质质) )。 材料结构的表征方法相当多，而且新的表征方法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。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。分分析、结构测定和形貌观察。2 21 1 化学成分分析化学成分分析 材料的化学成分分析除了
11、传统的化学分析技术外，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。如为常规的分析手段。如质谱质谱是鉴定未知有机化合物的基本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。素组成的信息。色谱色谱中特别是裂解气相色谱中特别是裂解气相色谱(PGC)(PGC)能较好能较好显示高分子类材料的组成特征。显示高分子类材料的组成特征。红外光谱红外光谱在高分子材料的在高分子材料的表征上有着特殊重要地位，不
12、仅方法简单，而且由于积累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。数据资料而使测试结果的解析更为方便。核磁共振核磁共振谱虽然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、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。法难以提
13、供的。复合材料测试方法复合材料测试方法 绪论绪论 复合材料测试方法复合材料测试方法 绪论绪论 材料的无机成分分析除化学分析外，还包括材料的无机成分分析除化学分析外，还包括等离子等离子质谱分析质谱分析、原子光谱分析原子光谱分析、X X 射线荧光光谱射线荧光光谱、电子探针、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。如已成为普及的常规的分析手段。如原子光谱分析、原子光谱分析、 X X 射射线荧光光谱、等离子质谱分析线荧光光谱、等离子质谱分析已是鉴定材料无机组成的已是鉴定材料无机组成的基本手段。基本手段。 需要特
14、别提及的是，近年来由于对材料的表面优化需要特别提及的是，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。一种以迫切。一种以X X射线光电子能谱射线光电子能谱、俄歇电子能谱俄歇电子能谱为代表的为代表的分析系统的使用日益重要。其中分析系统的使用日益重要。其中X X射线光电子能谱射线光电子能谱可以无可以无标样直接确定元素及元素含量。标样直接确定元素及元素含量。复合材料测试方法复合材料测试方法 绪论绪论2 22 2 结构测定结构测定 材料结构的测定仍以材料结构的测定仍以衍射衍射方法为主。衍射方法主要方法为主。衍射方法主要有
15、有X X 射线衍射射线衍射、电于衍射电于衍射、中子衍射中子衍射、穆斯堡谱穆斯堡谱等。等。 应用最多最普遍的是应用最多最普遍的是X X 射线衍射射线衍射，这一技术包括德，这一技术包括德拜粉末照相分析、背反射和透射劳厄照相，测定单晶结拜粉末照相分析、背反射和透射劳厄照相，测定单晶结构等。构等。 X X射线的衍射强度是晶胞参数、衍射角和样品取向度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。的函数。衍射图用以确定样品的相态和测量结构性质。X X射线衍射也能确定材料和多层膜的成分深度分布、膜的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。
16、厚度和原子排列。 由于电子与物质的相互作用比由于电子与物质的相互作用比X X射线强四个数量级，射线强四个数量级，而且电子束可以汇聚得很小，所以而且电子束可以汇聚得很小，所以电子衍射电子衍射特别适用于特别适用于测定细微晶体或材料的亚微米尺度结构。测定细微晶体或材料的亚微米尺度结构。 复合材料测试方法复合材料测试方法 绪论绪论 中子衍射中子衍射技术经过技术经过5050年的发展，特别是年的发展，特别是2020世纪世纪7070年年代以后，随着高通量核反应堆的建成及电子计算机技术代以后，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。它与的飞速发展，已经成为更加完善的
17、结构分析手段。它与X X射线衍射和电子衍射及多种能谱分析结合起来，相互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于能穿透微米量级的X X射线。射线。中子衍射中子衍射用途是测定材料用途是测定材料( (主要是金属、合金材料主要是金属、合金材料) )的缺陷、空穴、位错、沉淀相、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磁不匀性的大小和分布。此外它还可以研究
18、生物大分子在空间的构型。在空间的构型。 复合材料测试方法复合材料测试方法 绪论绪论 在结构测定方法中，值得一提的是在结构测定方法中，值得一提的是热分析热分析技术。技术。热分析热分析技术虽然不属于衍射法的范畴，但它是研究材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化时( (如升华、氧化、聚合、固化、脱水、结晶、降解、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熔融、品格改变及发生化学反
19、应) )，往往伴随着热力学，往往伴随着热力学性质性质( (如热焓、比热容、导热系数等如热焓、比热容、导热系数等) )的变化，因此可的变化，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。目前变化过程。目前热分析热分析已经发展成为系统的分析方法，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。获得结构方面的信息，而且还能测定一些物理性能。 复合材料测试方法复合材料测试方法 绪论绪论2 23 3 形貌观察形貌观察 主要是依
20、靠显微镜，光学显微镜是在微米尺度上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。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、晶高聚物的球晶大小完善程度、共混物中分散相的大小、分布与连续相分布与连续相( (母体母体)
21、)的混溶关系等。透射电镜的试样制备的混溶关系等。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。上是十分有用的。 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜(STM)(STM)和原子力显微镜和原子力显微镜(SFM)(SFM)。克服了。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。间达到原子分辨率。 复合材料测试方法复合材料测试方法 绪论绪论 根据需
22、要进行选择测试方法根据需要进行选择测试方法 粘土粘土/ /聚合物纳米复合材料是一种典型的无机有机杂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：级的分散。根据这个尺度要求，可选用的测试技术有：形貌观察：透射电镜是首选的仪器，在透射电镜照片中可形貌观察：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。结构测定：粘土层间嵌入了体积较大的距发生的变化。结构
23、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，在试样的试样的X X射线衍射实验中出现不同角度和衍射强度的衍射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峰。纯粘土晶层的层间距通常为0.96nm0.96nm。据此可以计算有。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，径，还可以进一步推算出有机分子在粘土层间的排列层数，以及排列的形态以及排列的形态( (层间夹角等层间夹角
24、等) )。 复合材料测试方法复合材料测试方法 绪论绪论 化学成分分析：由于粘土的主要成分为硅酸盐，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。热性质分析：主要手段是示差扫描量热法的新峰。热性质分析：主要手段是示差扫描量热法（DSCDSC），在与纯的有机大分子的），在与纯的有机大分子的DSCDSC谱图对比，
25、往往发谱图对比，往往发现有机分子嵌入粘土晶层后的现有机分子嵌入粘土晶层后的DSCDSC谱图发生许多有趣的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。变温度的漂移，减弱其至消失的现象。实例磷酸二酯酶抑制剂磷酸二
26、酯酶抑制剂Rolipram Rolipram 的核磁碳谱的核磁碳谱：1.1.材料在当今社会的重要性以及掌握先进材料材料在当今社会的重要性以及掌握先进材料的必要性。的必要性。2.2.材料结构对性能影响的关系与材料结构测试材料结构对性能影响的关系与材料结构测试技术在材料科学中占有的地位。技术在材料科学中占有的地位。3.3.如何根据实际需要选择有效地测试方法和技如何根据实际需要选择有效地测试方法和技术？术？ 问题复合材料测试方法复合材料测试方法 吉林大学化学学院 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章第第1章章 X射线衍射分析射线衍射分析 第一节第一节 X射线的产生及性质射线的产生及性质 1
27、. X射线的发现和X射线学的发展过程 2. X射线的性质 3. 产生X射线的条件 4. 连续X射线谱 5. 特征X射线谱 第二节 X射线与物质的作用 第三节 X射线衍射原理 第四节 X射线衍射分析方法 第五节 X射线衍射分析的应用 第一章第一章 X X射线衍射分析射线衍射分析第一节第一节 X X射线的产生及其性质射线的产生及其性质 1. X1. X射线的发现和射线的发现和X X射线学的发展过程射线学的发展过程 18951895年，德国物理学家年，德国物理学家伦琴伦琴(W.C.Rontgen(W.C.Rontgen，1845-1845-19231923年年) )在实验中偶然发现，放在阴极射线管附
28、近密封在实验中偶然发现，放在阴极射线管附近密封好的照相底片被感光。好的照相底片被感光。 伦琴伦琴当时就断言，这种现象必定是一种不可见的未当时就断言，这种现象必定是一种不可见的未知射线作用的结果。由于当时没有找到更适当的名称来知射线作用的结果。由于当时没有找到更适当的名称来称呼这种射线。称呼这种射线。伦琴伦琴就以数学上常用的未知数就以数学上常用的未知数X X作为它作为它的代名词，给这种射线取名为的代名词，给这种射线取名为X X射线，射线，也称也称伦琴伦琴射线射线。 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 伦琴伦琴对对X X射线的性质进行了多方
29、面的观察和实验射线的性质进行了多方面的观察和实验后，在他的论文后，在他的论文(Nature(Nature、18961896年年) )中指出，中指出，X X射线穿射线穿过物质时会被过物质时会被吸收吸收；原子量及密度不同的物质，对；原子量及密度不同的物质，对X X射线的吸收情况不一样；轻元素物质对射线的吸收情况不一样；轻元素物质对X X射线几乎是射线几乎是透明的，而透明的，而X X射线通过重元素物质时，透明程度明显射线通过重元素物质时，透明程度明显地被减弱。地被减弱。X X射线的突出特点就是它能穿过不透明物射线的突出特点就是它能穿过不透明物质。质。 伦琴在他的论文中还指出，伦琴在他的论文中还指出，
30、X X射线能使亚铂氰酸射线能使亚铂氰酸钡等荧光物质发出钡等荧光物质发出荧光荧光，能使照相底片被，能使照相底片被感光感光以及以及气体发生气体发生电离电离等。等。 X X射线的这些性质很快就首先在射线的这些性质很快就首先在医学和工程探伤上得到应用，且至今不衰。医学和工程探伤上得到应用，且至今不衰。 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 在X射线发现后的17年里，人们对X射线的本质一直没有深入全面的了解。当时有人认为X射线是快速运动的微小粒子束， 与电子束相似；也有人认为X射线是一种电磁破，同光波、无线电波一样，只不过波长很短而已。这个问题经过多年的研究都未得出肯定的结果。 1912年，劳
31、厄劳厄(M . V. Laue)等人，在前人研究的基础上，提出了X射线是电磁波的假设。劳厄假定这种电磁波的波长仅是原子线度的十分之一。当时晶体点阵理论已经成熟，劳厄对比了晶体点阵与平面光栅空间周期性的共同特点，推测波长与晶面间距(晶体中相邻两原子间的距离)相近的X射线通过晶体时，必定会发生衍射现象。这个假设被著名物理学家索末菲索末菲的助手弗里德利希实验证实。 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 1908191119081911年，年，巴克拉巴克拉(C(CG GBarkla)Barkla)发现物质发现物质被被X X射线照射时，会产生次级射线照射时，会产生次级X X射线。次级射线。次级
32、X X射线由两射线由两部分组成，一部分与初级部分组成，一部分与初级X X射线相同，另一部分与被射线相同，另一部分与被照射物质组成的元素有关，即每种元素都能发射出各照射物质组成的元素有关，即每种元素都能发射出各自的自的X X射线。巴克拉称这种与物质元素有关的射线的射线。巴克拉称这种与物质元素有关的射线的谱线为谱线为标识谱标识谱( (或特征或特征X射线射线谱）谱），并对这些谱线分别，并对这些谱线分别以以K K，L L，M M，N N，O O，等命名，以便区分。巴克拉等命名，以便区分。巴克拉同时还发现不同元素的同时还发现不同元素的X X射线吸收谱具有不同的吸收射线吸收谱具有不同的吸收限。经巴克拉严格
33、测定的限。经巴克拉严格测定的X X射线谱为后来的德国物理射线谱为后来的德国物理学家劳厄的实验研究提供了方便条件。学家劳厄的实验研究提供了方便条件。 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 就在就在劳厄劳厄的假定得到验证的同时，英国物理学家的假定得到验证的同时，英国物理学家布拉布拉格格(Bragg)父子从反射的观点出发，提出了父子从反射的观点出发，提出了X射线照射在晶射线照射在晶体中一系列相互平行的原子面上将会体中一系列相互平行的原子面上将会发生反射发生反射的设想。的设想。 他们认为，只有当相邻两晶面的反射线因叠加而加强他们认为，只有当相邻两晶面的反射线因叠加而加强时才有反射；如果叠加相
34、消，便不能发生反射，即反射是时才有反射；如果叠加相消，便不能发生反射，即反射是有选择性的。布拉格父子根据这一想法进行了数学演算，有选择性的。布拉格父子根据这一想法进行了数学演算，导出了著名公式：导出了著名公式： 2dsinn 这个公式就是著名的这个公式就是著名的布拉格定律布拉格定律。这为。这为X射线衍射分射线衍射分析奠定了理论基础。析奠定了理论基础。 1913年年布拉格布拉格根据这一原理，制作出了根据这一原理，制作出了X射线分光计，射线分光计，并使用该装置确定了并使用该装置确定了巴克拉巴克拉提出的某些标识提出的某些标识X射线谱的波射线谱的波长，首次利用长，首次利用X射线衍射的方法测定了射线衍射
35、的方法测定了NaCl的晶体结构，的晶体结构，从此开始了从此开始了X射线晶体结构分析的历史。射线晶体结构分析的历史。 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 伦琴、劳厄和布拉格的工作，为人们以后从事伦琴、劳厄和布拉格的工作，为人们以后从事X X射射线衍射和线衍射和X X射线光谱研究奠定了理论和实验基础。射线光谱研究奠定了理论和实验基础。 他们杰出的工作对他们杰出的工作对X X射线学发展的整个进程都具有射线学发展的整个进程都具有重要的指导意义，重要的指导意义，所以伦琴、劳厄和布拉格分别在所以伦琴、劳厄和布拉格分别在1901年、年、 1914年、年、1915年均获得诺贝尔奖。年均获得诺贝尔奖
36、。2. X射线的性质射线的性质 劳厄的实验指出，劳厄的实验指出，X射线是一种波长很短的电磁波，射线是一种波长很短的电磁波，波长范围约波长范围约0.001l0nm。在电磁波谱上它处于紫外线。在电磁波谱上它处于紫外线和和射线之间射线之间(见图）。见图）。电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列 射线射线 X X 射线射线紫外光紫外光可见光可见光红外光红外光微波微波无线电波无线电波复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 测量其波长通常应用的单位是，国际单位制中的测量其波长通常应用的单位是，国际单位制中的nmnm。用于衍射分析的用于衍射分析的X X射线波
37、长为射线波长为0.05-0.25nm0.05-0.25nm。一般波长短的一般波长短的X射线称为硬射线反之称为软射线称为硬射线反之称为软X射线。射线。 作为电磁波的作为电磁波的X X射线，它与可见光和所有的其他基本射线，它与可见光和所有的其他基本粒子一样，同时具有波动及微粒双重特性，简称为波粒二粒子一样，同时具有波动及微粒双重特性，简称为波粒二象性；它的波动性主要表现为以一定的频率和波长在空间象性；它的波动性主要表现为以一定的频率和波长在空间传播；它的微粒性主要表现为以光子形式辐射和吸收时，传播；它的微粒性主要表现为以光子形式辐射和吸收时，具有一定的质量、能量和动量。具有一定的质量、能量和动量。
38、X X射线的频率射线的频率、波长、波长以及光子的能量以及光子的能量E E、动量、动量P P之间存在如下的关系：之间存在如下的关系： E Eh h =h =hc c P Ph h h hc c式中：式中： h h为普朗克常数，等于为普朗克常数，等于6.6266.6261010-34-34J Js s c c为光在真空中的传播速度，等于为光在真空中的传播速度，等于2.9982.99810101010cm/scm/s 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 波粒二象性是波粒二象性是X射线的客观属性。但是，在一定条射线的客观属性。但是，在一定条件下，可能只有某一方面的属性表现得比较明显，而当件
39、下，可能只有某一方面的属性表现得比较明显，而当条件改变时，可能使另一方面的属性表现得比较明显。条件改变时，可能使另一方面的属性表现得比较明显。例如，例如，X射线在传播过程中发生的干涉、衍射现象就突射线在传播过程中发生的干涉、衍射现象就突出地表现出它的波动特性，而在和物质相互作用交换能出地表现出它的波动特性，而在和物质相互作用交换能量时，就突出地表现出它的微粒特性。量时，就突出地表现出它的微粒特性。 从原则上讲，对同一个辐射过程所具有的特性，既从原则上讲，对同一个辐射过程所具有的特性，既可以用时间和空间展开的数学形式来描述，也可以用在可以用时间和空间展开的数学形式来描述，也可以用在统计上确定的时
40、间和位置出现的粒子来描述。因此，必统计上确定的时间和位置出现的粒子来描述。因此，必须同时接受波动和微粒两种模型。强调其中的哪一种模须同时接受波动和微粒两种模型。强调其中的哪一种模型来描述所发生的现象要看具体的情况而定。但是，由型来描述所发生的现象要看具体的情况而定。但是，由于于X射线的波长较短，它的粒子性表现得比较突出。射线的波长较短，它的粒子性表现得比较突出。 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 阴极加热放阴极加热放射出辐射电子，射出辐射电子，在阴、阳两极间在阴、阳两极间的直流高压作用的直流高压作用下，高速奔向阳下，高速奔向阳极。极。 高速电子撞高速电子撞击使阳极元素的击使阳极元
41、素的内层电子激发；内层电子激发；产生产生X X射线辐射。射线辐射。产生产生X射线的电射线的电气线路示意图气线路示意图X线管工作原理示意复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章3.3.产生产生X X射线的条件射线的条件 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章产生X射线须具备如下条件： （1）产生自由电子的电子源，如加热钨丝发射热电子； （2）设置自由电子撞击靶子，如阳极靶，用出产生X射线； （3）施加在明极和阳极之间的高压，用以加速阴极电子朝阳极靶方向加速运动，如高压发生器； （4）将阴阳极封闭在10-3 Pa的高真空中，保持两极间的纯洁，促使加速电子无阻地撞击到阳极靶上。4.4.
42、连续连续X X射线谱射线谱 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 X射线谱射线谱指的是指的是X射线的强度射线的强度I随波长随波长变化的关系变化的关系曲线。曲线。 X射线强度大小由单位时间内通过与射线强度大小由单位时间内通过与X射线传播方射线传播方向垂直的单位面积上的光量子数决定。实验表明，向垂直的单位面积上的光量子数决定。实验表明，X射射线管阳极靶发射出的线管阳极靶发射出的X射线谱分为两类：射线谱分为两类：连续连续X射线谱射线谱和和特征特征X射线谱射线谱。 连续连续X射线射线是高速运动的电子被阳极靶突然阻止是高速运动的电子被阳极靶突然阻止而产生的。它由某一短波限而产生的。它由某一短波
43、限0开始一直到波长等于无开始一直到波长等于无穷大穷大的一系列波长组成。的一系列波长组成。复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章它具有如下实验规律它具有如下实验规律： （1 1）当增加）当增加X X射线管电压时，各种波长射线的相对射线管电压时，各种波长射线的相对强度强度致增高，最大强度致增高，最大强度X X射线的波长射线的波长 m m和短波限和短波限 0 0变变小。小。 （2 2）当管电压保持恒定、增加管电流时各种波）当管电压保持恒定、增加管电流时各种波长长X X射线的相对强度一致增高，但射线的相对强度一致增高，但 m m和和0数值大小不变。
44、数值大小不变。 （3 3）当改变阳极靶元素时，各种波长的相对强度）当改变阳极靶元素时，各种波长的相对强度随靶元素的原子序数随靶元素的原子序数Z Z增加而增高，而增加而增高，而 m和和0数值大小数值大小不变。不变。 在阳极靶所辐射的全部在阳极靶所辐射的全部X射线光子中，射线光子中， X射线光子射线光子能量的最大值不能大于入冲电子的能量，具有最大能量能量的最大值不能大于入冲电子的能量，具有最大能量的光子波长为短波极限的光子波长为短波极限0 。 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 这些实验规律可以用电动力学知识解释：这些实验规律可以用电动力学知识解释： 当当X X射线管中高速运动的电子和
45、阳极靶碰撞时、射线管中高速运动的电子和阳极靶碰撞时、产生极大的负加速度，电子周围的电磁场将发生急剧产生极大的负加速度，电子周围的电磁场将发生急剧的变化，辐射出电磁波。由于大量电子轰击阳极靶的的变化，辐射出电磁波。由于大量电子轰击阳极靶的时间和条件不完全相同，辐射出的电磁波具有各种不时间和条件不完全相同，辐射出的电磁波具有各种不同的波长，因而形成了连续同的波长，因而形成了连续X X射线谱。射线谱。 也可根据量子力学观点解释，能量为根据量子力学观点解释，能量为eVeV的电子和的电子和阳极靶碰撞时产生光子，从数值上看光子的能量应该阳极靶碰撞时产生光子，从数值上看光子的能量应该小于或最多等于该电子的能
46、量。因此，光子能量有一小于或最多等于该电子的能量。因此，光子能量有一频率上限频率上限m或短波限或短波限0与它相对应，可以表示为：与它相对应，可以表示为： eV= h eV= hm=hc/ 0 0=hc/eV = 1.24/V (nm) V:千伏千伏 e=1.60210-19 ; h=6.62610-34Js ；c= 2.9981010cm/s 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 连续连续X射线谱有短波限射线谱有短波限0存在，且与电压成反比。存在，且与电压成反比。但是，在被加速的电子中的大多数高速电子与阳极靶但是，在被加速的电子中的大多数高速电子与阳极靶撞击时，其部分能量撞击时，其部
47、分能量 要消耗在电子对阳极靶的各种要消耗在电子对阳极靶的各种激发作用上，所以转化为激发作用上，所以转化为X射线光量子的能量要小于射线光量子的能量要小于加速电子的全部能量：加速电子的全部能量： 即即 eV- 此外，一个电子有时要经过几次碰撞才能转换成光此外，一个电子有时要经过几次碰撞才能转换成光量子，或者一个电子转换为几个光量子，这说明大多量子，或者一个电子转换为几个光量子，这说明大多数辐射的波长均应大于短波极限数辐射的波长均应大于短波极限0 ，因而组成了连续，因而组成了连续X射线谱。射线谱。 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 库伦坎普弗库伦坎普弗(Kulenkampff)综合各种
48、连续综合各种连续X射线强度射线强度分布的实验结果，得出一个经验公式：分布的实验结果，得出一个经验公式：IdKZI-2（1/0 1/）d 式中：式中： Id表示波长在表示波长在+d之间之间X射线谱线的强度射线谱线的强度(I称为对于波长称为对于波长的的X射线谱的强度密度射线谱的强度密度)；Z是阳极靶元是阳极靶元素的原子序数；素的原子序数；I是是X射线管的电流强度：射线管的电流强度：K为常数。为常数。 X X射线的强度是一个物理量，它是指垂直于射线的强度是一个物理量，它是指垂直于X X射线射线传播方向的单位面积上单位时间内通过的光子数目的传播方向的单位面积上单位时间内通过的光子数目的能量总和。能量总
49、和。 X X射线的强度射线的强度I I和它的数目和它的数目n n和光子的能量和光子的能量hh两个因素所决定的。两个因素所决定的。 即：即：I= nh 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 对上式从对上式从0到到进行积分就得到在某一实验条件进行积分就得到在某一实验条件下发出的连续下发出的连续X射线的总强度：射线的总强度： I连连=KIZV2 式中，式中，K为常数，此实验测得为常数，此实验测得K1.1-1.510-9。此式说明连续此式说明连续X射线强度与靶的原子序数射线强度与靶的原子序数Z 、管电流以、管电流以及管电压及管电压V的平方成正比。的平方成正比。 X射线管的效率射线管的效率定义
50、为定义为X射线强度与射线强度与X射线管功率射线管功率的比值的比值 ：= KIZV2/IV =KZV 当用钨阳极管当用钨阳极管Z74，管电压为，管电压为100kv时，时，X射线管射线管的效率为的效率为1或者更低，这是由于或者更低，这是由于X射线管中电子的能射线管中电子的能量绝大部分在和阳极靶碰撞时产生热能而损失，只有量绝大部分在和阳极靶碰撞时产生热能而损失，只有极少部分能量转化为极少部分能量转化为X射线能。所以射线能。所以X射线管工作时必射线管工作时必须以冷却水冲刷阳极，达到冷却阳极的目地。须以冷却水冲刷阳极，达到冷却阳极的目地。5.5.特征特征X X射线谱射线谱 复合材料测试方法复合材料测试方
