1、现代材料测试技术现代材料测试技术陶文宏陶文宏 主编主编 绪 论 第一章 X-射线衍射分析 第二章 电子光学基础 第三章 透射电子显微镜 第四章 扫描电子显微分析 第五章 晶体光学基础 第六章 光学显微分析 第七章 热分析技术 第八章 红外光谱分析 第九章 X光光谱显微分析 第十章 其他分析测试技术现代材料测试技术现代材料测试技术绪绪 论论用以制造有用的构件、器件或其它物品的物质。什么是材料？什么是材料？人类的生活和生产中，材料是必需的物质基础。新材料的使用对人类历史的发展起了重要的作用。20世纪70年代人们曾把材料、信息、能源归纳为现代文明的三大支柱，现在又预言新的技术革命即将来临，并且把信息
2、技术、生物技术和新型材料作为这次革命的重要标志。绪绪 论论材料科学的任务是研究、制造和使用材料。材料科学的任务是研究、制造和使用材料。材料是人类文明的物质基础，从远古的石器时代到青铜器时代，然后再进入铁器时代、蒸汽机时代，每一种新材料的出现和使用，都伴随着生产力和科学技术的发展，标志着人类文明的进步。石器时代 青铜器时代 铁器时代 蒸汽机时代绪论材料的分类：材料的分类：按化学成分分：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料等。按使用用途分：建筑材料、包装材料、信息材料、生物医用材料等。材料的组成、材料的组成、结构、生产工艺与性能的关系结构、生产工艺与性能的关系结构结构组成组成性能性能
3、 高性能材料的发展高性能材料的发展促使材料工作者去探求材料促使材料工作者去探求材料组成、结构、生产工艺和性能之间的关系。组成、结构、生产工艺和性能之间的关系。生产工艺生产工艺 材料的性能是材料内部因素在一定外界因素作用下的综合反映。物质的组成和结构取决于材料的生产工艺和使用条件。材料的性能主要决定于其化学成分、矿物组成、宏观结构以及微观结构。其中物相组成，尤其是结晶矿物相组成和微观结构特征是在化学成分确定后对物质的性质起着关键性的作用。因为物相组成及显微结构是无机材料生产过程和生产工艺条件的直接记录，每个生产环节发生的变化均在物相组成及显微结构上有所体现。而材料的组成和结构特征，又直接影响甚至
4、决定着材料的性能、质量、应用性状和效果。改变材料的化学组成、生产工艺，就能获得具有不同物相组成和结构的制品，制品的性能也就不同。为了获得具有所需要的使用性能的新型材 料，可以通过物相组成和显微结构的设计，选用合适的原料配方，采用特定的生产过程及工艺条件，通过试验和研究而获得需要的产品。材料的物相组成和显微结构的获得必须通过一材料的物相组成和显微结构的获得必须通过一定的测试方法和手段。定的测试方法和手段。“现代材料测试技术现代材料测试技术”课程就是为研究材料内课程就是为研究材料内部的物相组成和结构而设置的一门专业技术基础课。部的物相组成和结构而设置的一门专业技术基础课。每一个从事材料科学研究的科
5、技工作者、生产每一个从事材料科学研究的科技工作者、生产者都必须掌握和了解一定的材料测试方法方面的知者都必须掌握和了解一定的材料测试方法方面的知识。识。测试材料组成和结构的仪器方法X射线衍射分析电子显微分析热分析光谱分析表面分析等“现代现代材料测试技术”的的教学目的Why：了解研究材料结构、性能的重要性Understand why materials characterization is importantWhat：掌握材料结构、性能的测试方法Know what techniques are available for materials characterizationHow：了解影响材料测
6、试、分析结果的仪器因素Understand how strengths and weaknesses of characterization techniques affect our interpretation of results材料分析的种类材料分析的种类 化学成分分析、结构测定、图像分析分析仪器分析仪器 显微镜：显微组织观察 衍射仪：测定结构 谱仪：分析成分化学成分分析化学成分的表征包括元素成分分析和微区成分分析。所用仪器包括：光谱光谱（紫外光谱、红外光谱、荧光光谱、激光拉曼光谱等）色谱色谱（气相色谱、液相色谱、凝胶色谱等）热谱热谱（差热分析、热重分析、示差扫描量热分析等）表面分析谱
7、表面分析谱（X射线光电子能谱、俄歇电子能谱、电子探针、原子探针、离子探针、激光探针等）原子吸收光谱、质谱、核磁共振谱、穆斯堡尔谱等原子吸收光谱、质谱、核磁共振谱、穆斯堡尔谱等结构测定 包括晶体结构、薄膜结构、表面结构分析等 X射线衍射分析：晶体结构分析。电子衍射：选区晶体结构分析。中子衍射：晶体结构分析、晶体磁学性质研究等。俄歇电子能谱：表面结构分析。图像分析光学显微分析透射光显微镜、反射光显微镜电子显微分析（扫描电镜、透射电镜）隧道扫描显微镜、原子力显微镜等OMNi-Cr合金的铸造组织 SEMSPM云母的表面原子阵列XRD理学D/max 2000自动X射线仪20253035404550556
8、0Two Theta(degree)Intensity图2 锆英石为主晶相的X射线谱t-ZrO2ZrSiO4TEMEPMA島津EPMA-1600EDS应用举例浸炭不浸炭不良部良部不良品不良品良品良品 不良品不良品良品良品齿轮疲劳失效，是由于渗碳处理不均匀，根本原因在于硅的偏聚。X射线荧光光谱（XPS）本课程的特点本课程的特点1 1）系统性。依照材料研究方法的基本原理，将各种分析手段按照材料研究）系统性。依照材料研究方法的基本原理，将各种分析手段按照材料研究的本质分类。的本质分类。2 2）本质性。提炼出每一类分析方法共同的本质，对共同原理进行深入分析）本质性。提炼出每一类分析方法共同的本质，对共
9、同原理进行深入分析和介绍，便于学生从本质上理解基本原理。和介绍，便于学生从本质上理解基本原理。3 3）选择性。现代材料分析手段纷繁复杂，很难也没有必要在一本教材里对）选择性。现代材料分析手段纷繁复杂，很难也没有必要在一本教材里对每种方法进行详细地介绍。本教材首先是精选出若干种最常规和广泛使每种方法进行详细地介绍。本教材首先是精选出若干种最常规和广泛使用的分析手段，其次着重从每种分析手段的分析原理上介绍，而避免对用的分析手段，其次着重从每种分析手段的分析原理上介绍，而避免对仪器细节和公式推导的过多铺陈，从而有助于学生抓住重点，获得明晰仪器细节和公式推导的过多铺陈，从而有助于学生抓住重点，获得明晰
10、的认识。的认识。4 4）前沿性。使用大量典型研究成果作为范例，使学生对于仪器的使用效果）前沿性。使用大量典型研究成果作为范例，使学生对于仪器的使用效果产生直观的认识，有助于将来的实际运用。产生直观的认识，有助于将来的实际运用。通过本课程的学习，并结合相配套的各通过本课程的学习，并结合相配套的各种实验、实践教学，达到以下目标：种实验、实践教学，达到以下目标：在X射线衍射分析部分，要求掌握X射线衍射技术、单物相定性分析、多晶混合物相定性分析、X射线定量相分析、晶体晶粒大小和晶格畸变的测定、宏观残余应力的测定、多晶体织构的测定等。在电子显微分析部分，要着重掌握几种常用电子显微分析仪器的基本概念和原理
11、、熟悉仪器结构、性能、实验操作方法，并了解和基本掌握它们在材料微观组织结构和成分分析中的应用，掌握样品制备方法和实验参数的选择，并学会对各种电镜图像和信息进行识别和分析。了解热分析的应用，能够通过热分析，获得所需的实验数据，并进行正确的分析。了解材料现代电子显微分析领域的新技术及其发展动态。了解成分测试的谱分析技术。主要参考书主要参考书1 1、杨南如、杨南如.无机非金属材料测试方法无机非金属材料测试方法.武汉工业大学出武汉工业大学出版社版社,1993,19932 2、王成国、王成国,等等.材料分析测试方法材料分析测试方法.上海交通大学出版上海交通大学出版社社,1994,1994 3 3、物相分
12、析、物相分析.武汉工业大学出版社武汉工业大学出版社,1994,19944 4、王英华、王英华.X.X光衍射技术基础光衍射技术基础.原子能出版社原子能出版社,1993,19935 5、邵国有、邵国有.硅酸盐岩相学硅酸盐岩相学.武汉工业大学出版社武汉工业大学出版社,2019,20196 6、常铁军、常铁军,等等.材料近代分析测试方法材料近代分析测试方法.哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学出版社出版社,2019,20197 7、孙业英、孙业英.光学显微分析光学显微分析.清华大学出版社，清华大学出版社，20192019考试总成绩出勤率(20)作业(20)考试(60)100授课方式课堂练习（课堂练习（1010
13、学时）学时）课堂讨论课堂讨论课堂讲授（课堂讲授（3636学时）学时）课后思考题课后思考题专业文献阅读专业文献阅读1.材料测试分析技术主要包括哪些内容？材料测试分析技术主要包括哪些内容？材料的表面和内部的形貌、显微结构；晶体材料的相结构；化学成分分析；分子结构分析；热分析。试列举以上测试分析技术对应分析手段有哪些？2.材料测试技术的共同之处在哪里？材料测试技术的共同之处在哪里？除了个别的测试手段（扫描探针显微镜）外，各种测试技术都是利用入射的电磁波或物质波（如X射线、高能电子束、可见光、红外线）与材料试样相互作用后产生的各种各样的物理信号（射线、高能电子束、可见光、红外线），探测这些出射的信号并进行分析处理，就课获得材料的显微结构、外观形貌、相组成、成分等信息。
