1、材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:33 AM材料结构表征及应用材料结构表征及应用课程材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:33 AM授课教师基本情况介绍授课教师基本情况介绍 李文江李文江 办公室：化学化工学院办公室：化学化工学院 电话：电话：13516854189 电子邮件：电子邮件：liwenjiangupc.edu材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:33 AM课程教学内容课程教学内容材料结构表征绪论材料结构表征绪论分子光谱分析（红外吸收光谱）分子光谱分析（红外吸收光谱）分子光谱分析（拉曼光谱）分子光谱分析（拉曼光
2、谱）核磁共振波谱（核磁共振波谱（NMR）质谱（质谱（MS）X射线衍射分析射线衍射分析电子显微技术电子显微技术 X射线光电子能谱分析射线光电子能谱分析热分析热分析材料结构表征及应用材料结构表征及应用本课程特点本课程特点：（三多一少）三多一少）叙述性原理、规律多叙述性原理、规律多需要记忆的概念术语多需要记忆的概念术语多 课程内容头绪多课程内容头绪多理论计算少理论计算少相关学科多（物理学、化学、热力学、光学相关学科多（物理学、化学、热力学、光学以及高分子学等）以及高分子学等）材料结构表征及应用材料结构表征及应用学习方法学习方法：作为一门应用学科，基础理论知识要掌握，作为一门应用学科，基础理论知识要掌
3、握，在理解的基础上加强记忆，注意理论联系实在理解的基础上加强记忆，注意理论联系实践践要学以致用，本课程与材料的结构和表征紧要学以致用，本课程与材料的结构和表征紧密联系，善于归纳总结，用本学科的基本原密联系，善于归纳总结，用本学科的基本原理分析、解释生产中的问题和实验结果理分析、解释生产中的问题和实验结果重视课程的实践性环节重视课程的实践性环节材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:33 AM教学参考书目教学参考书目 材料结构表征及应用材料结构表征及应用 吴刚吴刚 主编，化学工业出版社主编，化学工业出版社 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，哈尔滨
4、工业大学出版社主编，哈尔滨工业大学出版社 仪器分析仪器分析 Christian G D Christian G D王镇浦译，北京大学出版社王镇浦译，北京大学出版社 仪器分析仪器分析，朱明华编，高等教育出版社，朱明华编，高等教育出版社，20002000年年7 7月第月第3 3版版n 热分析质谱法热分析质谱法 陆昌伟等编著，上海科学技术文献出版社陆昌伟等编著，上海科学技术文献出版社材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:33 AM1.课程教学要求课程教学要求材料结构表征及应用材料结构表征及应用是材料科学是材料科学与工程学科专业学生的必修基础课之与工程学科专业学生的必修基础课之
5、一一通过本课程学习：通过本课程学习：1.掌握常用材料微观分析方法的基本原理、掌握常用材料微观分析方法的基本原理、过程过程、装备、样品的制备和应用；、装备、样品的制备和应用；2.初步具有根据分析的目的，结合各种材初步具有根据分析的目的，结合各种材料分析测试方法的特点和应用范围，正料分析测试方法的特点和应用范围，正确选择分析测试方法的能力；确选择分析测试方法的能力；材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:33 AM3.看懂或会分析一般（典型、较简单）的看懂或会分析一般（典型、较简单）的测试结果（图谱与图象等）；测试结果（图谱与图象等）；4.可以与分析测试专业人员共同商讨有关可
6、以与分析测试专业人员共同商讨有关材料分析研究的实验方案和分析较复杂的材料分析研究的实验方案和分析较复杂的测试结果；测试结果；5.本课程将系统全面地介绍材料科学的基础本课程将系统全面地介绍材料科学的基础理论知识，是学生理论知识，是学生学习其它专业课学习其它专业课的基础，的基础，也是今后从事材料也是今后从事材料研究工作研究工作的基础。的基础。1.课程教学要求课程教学要求材料结构表征及应用材料结构表征及应用材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:33 AM考核与成绩考核与成绩材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:33 AM第一章第一章 绪论绪论材料与人类
7、发展的关系材料与人类发展的关系材料结构与材料性能关系材料结构与材料性能关系1.材料测试方法的概念与分类材料测试方法的概念与分类2.材料测试方法的三个基本要素材料测试方法的三个基本要素材料结构表征的基本方法材料结构表征的基本方法1.1.化学成分分析化学成分分析n结构测定结构测定n形貌观察形貌观察主要讲述内容：主要讲述内容：材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:33 AM一、一、2020世纪化学的回顾与化学学科发展的趋势世纪化学的回顾与化学学科发展的趋势1、科技发展的基本考虑、科技发展的基本考虑2020世纪人类认识和利用物质经历三个历世纪人类认识和利用物质经历三个历史阶段：
8、史阶段：人类生存：人类生存：人类生存质量：人类生存质量：人类生存安全：人类生存安全：材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:33 AM20世纪有七大技术，第一是合成化学技术世纪有七大技术，第一是合成化学技术2020世纪发明了六大技术世纪发明了六大技术（1 1）无线电、半导体、计算机、芯片和网络技术；）无线电、半导体、计算机、芯片和网络技术；（2 2）基因重组、克隆和生物芯片等生物技术；）基因重组、克隆和生物芯片等生物技术；（3 3）核科学和核武器技术；）核科学和核武器技术；（4 4）航空航天和导弹技术；）航空航天和导弹技术；（5 5）激光技术；（）激光技术；（6 6）纳米
9、技术。）纳米技术。新药物、新材料、高分子、化肥、农药的化学合成技术。新药物、新材料、高分子、化肥、农药的化学合成技术。如果没有发明合成氨和合成尿素，合成第一、二、三代农药，如果没有发明合成氨和合成尿素，合成第一、二、三代农药，6060亿人口将一半饿死；没有发明合成抗生素和新药物，人类寿亿人口将一半饿死；没有发明合成抗生素和新药物，人类寿命缩短；没有三大合成，人类生活受很大影响，没有合成新分命缩短；没有三大合成，人类生活受很大影响，没有合成新分子、新材料，上述六大技术无法实现。子、新材料，上述六大技术无法实现。因此，化学与材料在推动人类进步和科技发展中起了核心的作用因此，化学与材料在推动人类进步
10、和科技发展中起了核心的作用材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:33 AM什么是材料？材料材料，是指人类能用来制作有用物件的物质；材料有那些呢？材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:33 AM新材料主要有新材料主要有按照材料的物质组成的不同，主要分为：按照材料的物质组成的不同，主要分为：在电子技术和微电子技术中使用的材料，包括在电子技术和微电子技术中使用的材料，包括半导体材料、介电材料、压电及铁电材料、磁半导体材料、介电材料、压电及铁电材料、磁性材料、某些金属材料、高分子材料以及其他性材料、某些金属材料、高分子材料以及其他相关材料则可称为电子和光
11、电子材料。相关材料则可称为电子和光电子材料。金属材料，无机非金属材料，新型的有金属材料，无机非金属材料，新型的有机高分子材料，复合材料等。机高分子材料，复合材料等。材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:33 AM材料与材料科学材料与材料科学材料就是用以制造有用物件的（凝聚态）物质材料就是用以制造有用物件的（凝聚态）物质材料的发明与使用是人类进步里程的重要标志之一材料的发明与使用是人类进步里程的重要标志之一材料、信息与能源为当代文明的三大支柱材料、信息与能源为当代文明的三大支柱新材料、信息技术和生物技术是新技术革命的主要标志新材料、信息技术和生物技术是新技术革命的主要标志
12、材料科学，一门多学科交叉的新兴学科材料科学，一门多学科交叉的新兴学科材料科学工作者必须具有广泛而坚实的跨学科基础知识材料科学工作者必须具有广泛而坚实的跨学科基础知识 材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:33 AM材料？材料？材料发展与人类文明的材料发展与人类文明的关系：关系：新材料是人类文明进新材料是人类文明进步的标志！步的标志！1：远古文明：远古文明：发现与使用发现与使用自然界材料自然界材料（石器石器）2：现代文明：现代文明：自由地合自由地合成和设计材料成和设计材料（自然界不自然界不存在的各种新材料存在的各种新材料）3：未来文明：未来文明：赋予材料赋予材料类似生命体
13、功能类似生命体功能？人类文明进步与材料发展的关系示意图人类文明进步与材料发展的关系示意图青铜器，铁器青铜器，铁器材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:33 AM现代文明：现代文明：蒸汽机的发明，蒸汽机的发明，新型人工合成材料（半导体硅材料为代表）新型人工合成材料（半导体硅材料为代表）的发现。的发现。电子时代电子时代 光子时代光子时代材料材料？材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:33 AM什么是材料测试方法？什么是材料测试方法？获取有关材料的组成，结构获取有关材料的组成，结构和性能等相关信息和性能等相关信息材料结构与材料性能的关系材料结构与材料性
14、能的关系材料测试材料测试材料分析材料分析材料表征材料表征 现代材料科学的发展在很大程度上依赖对材现代材料科学的发展在很大程度上依赖对材料性能和其成分结构及微观组织关系的理解料性能和其成分结构及微观组织关系的理解材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:33 AM材料测试方法的概念与分类材料测试方法的概念与分类材料测试方法如何分类？材料测试方法如何分类？从功能上讲，可分为组成测试，结从功能上讲，可分为组成测试，结构测试和性能测试三种方法构测试和性能测试三种方法从技术上讲，材料测试方法可以分从技术上讲，材料测试方法可以分成两类：主动式和被动式成两类：主动式和被动式材料结构表征及
15、应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:33 AM激发源激发源（电磁波，粒子束，电场，磁场，热，力等）（电磁波，粒子束，电场，磁场，热，力等）主动式（含激发源式材料测试方法）主动式（含激发源式材料测试方法）材料材料响应的传感与变换响应的传感与变换数据采数据采集处理集处理与组成，结构，性能与组成，结构，性能等相关的某种响应等相关的某种响应材料测试方法的概念与分类材料测试方法的概念与分类材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:33 AM直接获得有关材料物理、化学性能等固直接获得有关材料物理、化学性能等固有信息，如尺寸大小、状态、重（质）有信息，如尺寸大小、状态、重（质
16、）量、颜色、形状、运动情况等等；量、颜色、形状、运动情况等等；亦可根据材料物理、化学性能的差异间亦可根据材料物理、化学性能的差异间接推断材料的组成和结构信息，如色谱接推断材料的组成和结构信息，如色谱分析法、原子力显微分析等。分析法、原子力显微分析等。被动式（无激发源式材料测试方法）被动式（无激发源式材料测试方法）材料测试方法的概念与分类材料测试方法的概念与分类材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:33 AM材料微观分析技术绪论材料微观分析技术绪论宏观上的性能测试和微观上的组成与结构表宏观上的性能测试和微观上的组成与结构表征，这两个方面构成了材料的检测评价技术征，这两个方
17、面构成了材料的检测评价技术材料设计的重要依据来源于对材料的微观组材料设计的重要依据来源于对材料的微观组成和结构分析成和结构分析材料制备的实际效果必须通过材料微观分析材料制备的实际效果必须通过材料微观分析的检验的检验材料科学的进展极大地依赖于对材料进行微材料科学的进展极大地依赖于对材料进行微观分析表征的技术水平观分析表征的技术水平材料研究与微观分析技术材料研究与微观分析技术材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:33 AM材料研究的四大要素材料研究的四大要素 现代材料科学的发展在很大程度上依赖对材现代材料科学的发展在很大程度上依赖对材料性能和其成分结构及微观组织关系的理解料
18、性能和其成分结构及微观组织关系的理解合成与加工合成与加工固固有有性性质质使用性能使用性能结结构构和和成成分分材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:33 AM材料的性质材料的性质物物理理性性质质力力学学性性质质化化学学性性质质化学组成化学组成微观结构微观结构相结构相结构晶粒尺寸晶粒尺寸及分布及分布耐腐蚀性耐腐蚀性杂质含量杂质含量结晶度分结晶度分子量及分子量及分布布立体结构立体结构晶体结构晶体结构空隙度空隙度熔点熔点热性质热性质磁性质磁性质光学性质光学性质电学性质电学性质重力性质重力性质拉伸性拉伸性韧性韧性延展性延展性疲劳度疲劳度硬度硬度蠕变性蠕变性延伸性延伸性抗冲击性抗冲
19、击性压缩性压缩性动态力学性质动态力学性质模量模量材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:33 AM结构与性能的关系结构与性能的关系传统的传统的“炒菜炒菜”法法电子结构，原子结构和化学键决定电子结构，原子结构和化学键决定了材料的固有性质了材料的固有性质新材料新材料开发方法开发方法材料设计材料设计发展方向发展方向所谓材料设计，就是根据对材料的组成、微结构与性能关系所谓材料设计，就是根据对材料的组成、微结构与性能关系的认识的认识（“炒菜炒菜”经验材料微观分析）经验材料微观分析），按指定性能，按指定性能“定定做做”新材料，按生产要求新材料，按生产要求“设计设计”最佳的制备和加工方
20、法最佳的制备和加工方法。材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:33 AM材料结构表征的基本方法材料结构表征的基本方法材料结构的表征目的材料结构的表征目的:成分分析成分分析,结构测定结构测定 和和 形貌观察形貌观察材料组成分析（材料组成分析（化学成分分析化学成分分析）1.元素组成元素组成 2.化合物组成化合物组成材料亚微观结构分析（材料亚微观结构分析（形貌分析形貌分析）微米或亚微米尺度，相层次结构微米或亚微米尺度，相层次结构材料微观材料微观结构分析结构分析 0.1nm尺度，原子及原子组合层次结构尺度，原子及原子组合层次结构材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/20
21、22 11:33 AM材料化学成分分析材料化学成分分析1元素组成分析方法元素组成分析方法传统的化学分析技术传统的化学分析技术电子探针电子探针X射线能谱显微分析射线能谱显微分析原子光谱（吸收、发射、荧光）原子光谱（吸收、发射、荧光）质谱与二次离子质谱质谱与二次离子质谱核磁共振核磁共振电子自旋共振电子自旋共振光电子与俄歇电子能谱光电子与俄歇电子能谱材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:33 AM材料化学成分分析材料化学成分分析2化合物组成分析方法化合物组成分析方法传统的化学分析技术传统的化学分析技术分子吸收光谱（紫外分子吸收光谱（紫外可见吸收光谱）可见吸收光谱）分子振动光谱
22、（红外、拉曼光谱）分子振动光谱（红外、拉曼光谱）分子发射光谱（荧光光谱）分子发射光谱（荧光光谱）气相、液相、凝胶色谱气相、液相、凝胶色谱材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:33 AM材料形貌分析材料形貌分析光学显微镜光学显微镜光学干涉仪光学干涉仪激光散射谱激光散射谱扫描电子显微镜扫描电子显微镜透射电子显微镜透射电子显微镜材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:33 AM形貌分析的图例形貌分析的图例昆虫标本（昆虫标本（500倍）倍）螺旋形碳管（螺旋形碳管（9，157倍）倍）化学方法生长的化学方法生长的ZnO纳米纳米阵列（阵列（100，000倍）倍）
23、担载担载Pt金属颗粒的纳米金属颗粒的纳米碳粒子（碳粒子（400，000倍）倍）材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:33 AM3.3.材料结构分析材料结构分析高分辨透射电子显微镜（高分辨透射电子显微镜（HTEM）场离子显微镜（场离子显微镜（FIM）扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM）原子力显微镜（原子力显微镜（SFM）材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:33 AM材料结构分析材料结构分析结果结果硅纳米线的不同形貌硅纳米线的不同形貌(a)呈直线或弯曲状态，呈直线或弯曲状态，(b)呈螺旋结构，呈螺旋结构，(c)呈辫子结构呈辫子结构材料结构表征及
24、应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:33 AM材料结构分析材料结构分析-直接法直接法硅纳米线的显微结构硅纳米线的显微结构高分辨电子显微像（高分辨电子显微像（HTEM）(a)110带轴的硅纳米线的单带轴的硅纳米线的单晶结构，它的生长方向为晶结构，它的生长方向为112(b)存在高阶孪晶的硅纳米线存在高阶孪晶的硅纳米线(c)具有堆垛层错和孪晶等缺陷的具有堆垛层错和孪晶等缺陷的硅纳米线硅纳米线材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:33 AM材料结构分析材料结构分析-直接法直接法五次对称性镍钛准晶的高分辨电子显微像五次对称性镍钛准晶的高分辨电子显微像材料结构表征及应用
25、材料结构表征及应用8/13/2022 11:33 AM材料结构分析材料结构分析-直接法直接法扫描隧道显微分析拍摄的硅片上的单个原子图像扫描隧道显微分析拍摄的硅片上的单个原子图像材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:33 AM材料结构分析材料结构分析-间接法间接法材料结构分析材料结构分析X射线衍射射线衍射电子衍射电子衍射中子衍射中子衍射射线衍射射线衍射穆斯堡尔谱穆斯堡尔谱扩展扩展X射线吸收谱（射线吸收谱（EXAFS）热分析（差热、差动、热重）热分析（差热、差动、热重）材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:33 AM材料结构分析材料结构分析-间接法间
26、接法五次对称性镍钛准晶的高分辨电子显微像与电子衍射斑点五次对称性镍钛准晶的高分辨电子显微像与电子衍射斑点材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:33 AM材料结构分析材料结构分析-间接法间接法CVDCVD方法制备的氧化镓纳米带（方法制备的氧化镓纳米带（A A）与纳米片（）与纳米片（B B）的透射电镜）的透射电镜与选区电子衍射分析与选区电子衍射分析 电子衍射证实了这些纳米相为电子衍射证实了这些纳米相为单斜晶系单斜晶系 的的Ga2O3单晶单晶材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:33 AM材料微观分析技术的选择材料微观分析技术的选择材料结构表征及应用材
27、料结构表征及应用8/13/2022 11:33 AM3.3.材料微观分析技术的选择材料微观分析技术的选择材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:34 AM3.3.材料微观分析技术的选择材料微观分析技术的选择材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:34 AM3.3.材料结构分析材料结构分析-电子显微电子显微固体试样固体试样电子束电子束透射电子透射电子相干散射电子相干散射电子背散射电子背散射电子二次电子二次电子俄歇电子俄歇电子阴极荧光阴极荧光特征特征X射线射线nA吸收电子吸收电子材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:34 AM材料
28、微观分析技术的应用材料微观分析技术的应用水晶水晶 or 水晶玻璃？水晶玻璃？真，假钻石？真，假钻石？可口可乐配方？可口可乐配方？“勇气勇气”号探测车的火星岩石分析？号探测车的火星岩石分析？材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:34 AM材料微观分析技术的应用材料微观分析技术的应用材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:34 AM3.3.材料微观分析技术的应用材料微观分析技术的应用材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:34 AM3.3.材料微观分析技术的应用材料微观分析技术的应用材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2
29、022 11:34 AM材料微观分析技术的应用材料微观分析技术的应用材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:34 AM材料微观分析技术的应用材料微观分析技术的应用材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:34 AM材料微观分析技术的应用材料微观分析技术的应用材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:34 AM材料微观分析技术的应用材料微观分析技术的应用材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:34 AM材料微观分析技术的应用材料微观分析技术的应用材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:34
30、AM材料微观分析技术的应用材料微观分析技术的应用“勇气勇气”号号机械臂上的四大法机械臂上的四大法宝宝1.岩石磨损工具岩石磨损工具2.显微成像仪显微成像仪3.穆斯堡尔分光光度计穆斯堡尔分光光度计4.阿尔法粒子射线分光计阿尔法粒子射线分光计材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:34 AM材料微观分析技术的应用材料微观分析技术的应用材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:34 AM材料微观分析技术的应用材料微观分析技术的应用材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:34 AM材料微观分析技术的应用材料微观分析技术的应用材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:34 AM材料微观分析技术的应用材料微观分析技术的应用材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:34 AM材料微观分析技术的应用材料微观分析技术的应用材料结构表征及应用材料结构表征及应用8/13/2022 11:34 AM材料微观分析技术的应用材料微观分析技术的应用
