功能无机材料 材料的表征课件

1、功能无机材料 材料的表征,1,第三章 材料的表征,讲授：赵宏滨,功能无机材料 材料的表征,2,功能无机材料 材料的表征,3,成分分析 结构测定 形貌观察,功能无机材料 材料的表征,4,1/22/2021 4:18 PM,什么是材料测试方法？,获取有关材料的组成，结构和性能等相关信息,材料结构与材料性能的关系,材料测试,材料分析,材料表征,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,功能无机材料 材料的表征,5,分子结构与聚集态结构 (XRD、 IR、XPS、ASS),材料测试与表征,表面与界面 (SEM、TEM、AFM SPM),力学、流变性能 万能材料试验机

2、 冲击试验机，流变仪,热性能 (TGA,DSC),功能无机材料 材料的表征,6,1/22/2021 4:18 PM,材料测试方法的概念与分类,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成两类：主动式和被动式,功能无机材料 材料的表征,7,1/22/2021 4:18 PM,激发源 （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）,材料,响应的传感与变换,数据采 集处理,与组成，结构，性能 等相关的某种响应,材料测试方法的概念与分类,功能无机材料 材料的表征,8,1/22/2021 4:18 PM,直接

3、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）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。,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,功能无机材料 材料的表征,9,1/22/2021 4:18 PM,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征，这两个方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的检验 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,材料研究与微观分析技术,

4、功能无机材料 材料的表征,10,1/22/2021 4:18 PM,回顾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料性能和其成分结构及微观组织关系的理解,合成与加工,固 有 性 质,使用性能,结 构 和 成 分,功能无机材料 材料的表征,11,1/22/2021 4:18 PM,材料的性质,物 理 性 质,力 学 性 质,化 学 性 质,化学组成 微观结构相结构 晶粒尺寸及分布 耐腐蚀性 杂质含量 结晶度分子量及分布 立体结构 晶体结构空隙度,熔点 热性质 磁性质 光学性质 电学性质 重力性质,拉伸性 韧性 延展性 疲劳度 硬度 蠕变性 延伸性 抗冲击性 压缩性 动态力学性质

5、 模量,功能无机材料 材料的表征,12,1/22/2021 4:18 PM,结构与性能的关系,传统的“炒菜”法,电子结构，原子结构和化学键决定了材料的固有性质,新材料 开发方法,材料设计,发展方向,所谓材料设计，就是根据对材料的组成、微结构与性能关系的认识（“炒菜”经验材料微观分析），按指定性能“定做”新材料，按生产要求“设计”最佳的制备和加工方法。,功能无机材料 材料的表征,13,1/22/2021 4:18 PM,材料结构表征的基本方法,材料结构的表征目的:成分分析, 结构测定和形貌观察,材料组成分析（化学成分分析） 1. 元素组成 2. 化合物组成 材料亚微观结构分析（形貌分析） 微米或

6、亚微米尺度，相层次结构 材料微观结构分析 0.1nm尺度，原子及原子组合层次结构,功能无机材料 材料的表征,14,1/22/2021 4:18 PM,材料化学成分分析1,元素组成分析方法,传统的化学分析技术 电子探针X射线能谱显微分析 原子光谱（吸收、发射、荧光） 质谱与二次离子质谱 核磁共振 电子自旋共振 光电子与俄歇电子能谱,功能无机材料 材料的表征,15,1/22/2021 4:18 PM,材料化学成分分析2,化合物组成分析方法,传统的化学分析技术 分子吸收光谱（紫外可见吸收光谱） 分子振动光谱（红外、拉曼光谱） 分子发射光谱（荧光光谱） 气相、液相、凝胶色谱,功能无机材料 材料的表征,

7、16,1/22/2021 4:18 PM,材料形貌分析,光学显微镜 光学干涉仪 激光散射谱 扫描电子显微镜 透射电子显微镜,功能无机材料 材料的表征,17,1/22/2021 4:18 PM,形貌分析的图例,昆虫标本（500倍）,螺旋形碳管（9，157倍）,化学方法生长的ZnO纳米阵列（100，000倍）,担载Pt金属颗粒的纳米碳粒子（400，000倍）,功能无机材料 材料的表征,18,1/22/2021 4:18 PM,材料结构分析,高分辨透射电子显微镜（HTEM） 场离子显微镜（FIM） 扫描隧道显微镜（STM） 原子力显微镜（SFM） X射线衍射分析（XRD） 小角X射线衍射分析（SAX

8、S）,功能无机材料 材料的表征,19,1/22/2021 4:18 PM,材料结构分析结果,硅纳米线的不同形貌(a)呈直线或弯曲状态，(b)呈螺旋结构，(c)呈辫子结构,功能无机材料 材料的表征,20,1/22/2021 4:18 PM,材料结构分析-直接法,硅纳米线的显微结构 高分辨电子显微像（HTEM） (a)111带轴的硅纳米线的单晶结构，它的生长方向为112 (b)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硅纳米线,功能无机材料 材料的表征,21,1/22/2021 4:18 PM,材料结构分析-直接法,五次对称性镍钛准晶的高分辨电子显微像,功能无机材料 材料的表征,22

9、,1/22/2021 4:18 PM,材料结构分析-直接法,扫描隧道显微分析拍摄的硅片上的单个原子图像,功能无机材料 材料的表征,23,1/22/2021 4:18 PM,材料结构分析-间接法,材料结构分析,X射线衍射 电子衍射 中子衍射 射线衍射 穆斯堡尔谱 扩展X射线吸收谱（EXAFS） 热分析（TG、TA、DSC）,功能无机材料 材料的表征,24,1/22/2021 4:18 PM,材料结构分析-间接法,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,功能无机材料 材料的表征,25,1/22/2021 4:18 PM,材料结构分析-间接法,CVD方法制备的氧化镓纳米带（A）与纳米片（

10、B）的透射电镜与选区电子衍射分析 电子衍射证实了这些纳米相为单斜晶系 的Ga2O3单晶,功能无机材料 材料的表征,26,1/22/2021 4:18 PM,材料微观分析技术的选择,功能无机材料 材料的表征,27,1/22/2021 4:18 PM,3.材料微观分析技术的选择,功能无机材料 材料的表征,28,1/22/2021 4:18 PM,3.材料微观分析技术的选择,功能无机材料 材料的表征,29,1/22/2021 4:18 PM,3.材料结构分析-电子显微,功能无机材料 材料的表征,30,1/22/2021 4:18 PM,材料微观分析技术的应用,水晶 or 水晶玻璃？ 真，假钻石？ 可

11、口可乐配方？ “勇气”号探测车的火星岩石分析？,功能无机材料 材料的表征,31,1/22/2021 4:18 PM,材料微观分析技术的应用,“勇气”号机械臂上的四大法宝,1.岩石磨损工具 2. 显微成像仪 3. 穆斯堡尔分光光度计 4. 阿尔法粒子射线分光计,功能无机材料 材料的表征,32,1/22/2021 4:18 PM,材料微观分析技术的应用,功能无机材料 材料的表征,33,1/22/2021 4:18 PM,材料微观分析技术的应用,功能无机材料 材料的表征,34,1/22/2021 4:18 PM,材料微观分析技术的应用,功能无机材料 材料的表征,35,1/22/2021 4:18 P

12、M,材料微观分析技术的应用,功能无机材料 材料的表征,36,1/22/2021 4:18 PM,材料微观分析技术的应用,功能无机材料 材料的表征,37,1/22/2021 4:18 PM,材料微观分析技术的应用,功能无机材料 材料的表征,38,1/22/2021 4:18 PM,材料微观分析技术的应用,功能无机材料 材料的表征,39,1/22/2021 4:18 PM,材料微观分析技术的应用,功能无机材料 材料的表征,40,1/22/2021 4:18 PM,材料微观分析技术的应用,功能无机材料 材料的表征,41,整理,如何对材料进行表征？ 表征要有目的性，不是全部的表征都要做 要有选择的去表

13、征，以节省资源和时间 表征要分顺序，有急缓之分 表征要跟合成和性能测试相结合 基本顺序是：先定物相、再定组成、然后是形貌和结构分析。当然性能测试也可能放在前面。,功能无机材料 材料的表征,42,下面就较常用的几种材料表征方法向大家介绍,同步辐射光源 热分析 透射电子显微镜 扫描电子显微镜 X射线衍射仪 X射线光电子能谱 衰减全反射红外光谱,功能无机材料 材料的表征,43,第一节 热分析技术,什么是热分析技术？ 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。 热分析的重要意义： 通过热分析技术，了解合成过程中的材料及前驱体的物理性质

14、与温度之间的关系。从而为材料合成提供必要的温度和时间参数。 例如：高温固相法合成磷酸铁锂电极材料，温度对材料的结构和形貌有重要的影响。,功能无机材料 材料的表征,44,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。 直接测量出这些变化过程中所吸收或放出的能量，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、转变熵、固态转变能等。,热分析技术的应用,功能无机材料 材料的表征,45,热重法(TG) 差热分析（DTA） 差示扫描量热法（DSC）,功能无机材料 材料的表征,46,一、热重法(TG),在程序控制温度条件下

15、，测量物质的质量与温度关系的一种热分析方法。,等温热重法？ 在恒温下测量物质质量变化与时间的关系 非等温热重法？ 在程序升温下测量质量变化与温度的关系,热重法通常有下列两种类型：,功能无机材料 材料的表征,47,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。,功能无机材料 材料的表征,48,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)。,1热重曲线TG 2微分热重曲线DTG,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。,功能

16、无机材料 材料的表征,49,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。,功能无机材料 材料的表征,50,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。,功能无机材料 材料的表征,51,参比物： 在测定条件下不产生任何热效应的惰性物质。如 -Al2O3、石英、硅油

17、等。,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。,功能无机材料 材料的表征,52,1. 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。,功能无机材料 材料的表征,53,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。,功能无机材料 材料的表征,54,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,功能

18、无机材料 材料的表征,55,应用DTA对材料进行鉴别: 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,功能无机材料 材料的表征,56,三、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：使用的温度范围

19、 (-175-725)比较宽，分辨能力高，灵敏度高。 应用范围：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，如热焓、熵和比热等。,功能无机材料 材料的表征,57,差示扫描量热仪,功能无机材料 材料的表征,58,典型的DSC曲线,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(t)。,功能无机材料 材料的表征,59,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

20、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：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。 DSC可以直接可以测量试样在发生变化时的热效应。,功能无机材料 材料的表征,60,下图是CaC2O4H2O的TG曲线，由图可以发现CaC2O4H2O的热分解过程：,CaC2O4,CaCO3,CaO,CaC2O4.H2O,功能无机材料 材料的表征,61,差热分析(DTA)是在试样与参比物处于控制速率下进行加热或冷却的环境中，在相同的温度条件时，记录两者之间的温度差随时间或温度的变化，差示扫描量热分析(DSC)记录的则是在二

21、者之间建立零温度差所需的能量随时间或温度的变化。,典型的DTA曲线和DSC曲线,功能无机材料 材料的表征,62,功能无机材料 材料的表征,63,CaC2O4H2O热分解时发生了三个吸热反应。 其中，TG曲线显示的是试样的质量随温度的升高而发生的变化。 DSC(或DTA)反映的是所测试样在不同的温度范围内发生的一系列伴随着热现象的物理或化学变化。,功能无机材料 材料的表征,64,第二节、显微技术,显微技术是一种直观表征材料微观外貌的方法，显微镜是主要的材料分析手段之一。 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 显微镜可以观察某一材料的表面或断面，有时也可以是专门的制样，如

22、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、生物组织等。 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。,功能无机材料 材料的表征,65,一、透射电子显微镜(TEM),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。 TEM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0.10.2nm，放大倍数 为几万几十万倍。,功能无机材料 材料的表征,66,电子光学系统 真空系统 电器系统,功能无机材料

23、 材料的表征,67,1. 电子照明部分 2. 试样室 3. 成像放大部分 4. 图象记录装置,电子光学系统是电子显微镜的核心部分,（一）电子光学系统,功能无机材料 材料的表征,68,（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。,功能无机材料 材料的表征,69,介孔碳 Pt/MWCNTs催化剂的TEM照片,TEM的应用：,透射电子显微镜主要用于材料形貌观察，晶体结构分析。,请通过视频进行直观了解

24、,功能无机材料 材料的表征,70,二、扫描电子显微镜（SEM）,1.原理：SEM的工作原理是用一束极细的电子束在样 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。,功能无机材料 材料的表征,71,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（1.3310-2 -1.3310-3Pa）,2.构造,功能无机材料

25、 材料的表征,72,3.特点 分辨率比较高，二次电子成像5-10nm 放大倍数连续可调，几十倍到二十万倍 景深大，立体感强 试样制备简单 一机多用,功能无机材料 材料的表征,73,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。,4.应用, 观察纳米材料,具有纳米孔阵列结构的氧化铝薄膜,功能无机材料 材料的表征,74, 材料断口的分析,注射针头的扫描电镜照片,功能无机材料 材料的表征,75, 直接观察大试样的原始表面,（a）陶瓷烧结体的表面图像（b）多孔硅的剖面图,功能无机材料 材料的表征,76, 观察厚试样并能得到最真实的形貌。

26、,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,功能无机材料 材料的表征,77, 观察生物试样,果蝇： 不同倍率的扫描电镜照片,功能无机材料 材料的表征,78,巨噬细胞吞噬细菌的电子显微镜图像,人体寄生虫,功能无机材料 材料的表征,79,第三节 X-射线衍射技术,X射线衍射分析(X-ray diffraction，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射线衍射分析分为：粉末法X射线衍射分析 单晶法X射线衍射分析,功能无机材料 材料的表征,80,一、原理,当一束X射线照到晶体上时，原子或离子

27、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。,功能无机材料 材料的表征,81,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。,面中点阵散射波干涉 散射波干涉包括 面间点阵散射波干涉,功能无机材料 材料的表征,82,任一平面上的点阵,1.面中点阵散射波干涉,功能无机材料 材料的表征,83,由于X射线的波长短，穿透能力强，所以它

28、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：,2dsin=n,d相邻晶面的垂直距离 入射X射线与晶面的夹角（布喇格角） n正整数 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。,2.面间点阵散射波的干涉,功能无机材料 材料的表征,84,功能无机材料 材料的表征,85,第一组晶面族，晶格常数为d1 第二组晶面族，晶格常数为d2 第三组晶面族，晶格常数为d3 ,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。,对

29、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。,功能无机材料 材料的表征,86,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。,功能无机材料 材料的表征,87,二、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。,功能无机材料 材料的表征,88

30、,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。,功能无机材料 材料的表征,89,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2，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).,功能无机材料 材料的表征,90,3.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。,功能无机材料 材料的表征,91,目前常用衍射仪法得到衍射图谱，用“粉末衍射标准联合会(JCPD

31、S)”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 例如：（FeO,Fe2O3,Fe3O4） 能区别同分异构体：C60、石墨、碳管 能区别是混合物还是固溶体：混合物衍射峰叠加；固溶体是新相形成 对各种组分进行定量分析（根据各相衍射的强度正比于该组分存在的量）,功能无机材料 材料的表征,92,（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a = b = c , = = = 90,由立方晶系中晶面间距公式和布拉格方程可容 易推得下式：,功能无机材料 材料的表征

32、,93,因为在立方晶系/(2a)2为一个常数，任意两 条衍射线的sin2之比等于h2+k2+l2之比。因此有：,sin21:sin22:sin23:.sin2k= h12+k12+l12:h22+k22+l22:h32+k32+l32:.hk2+kk2+lk2,只要求出每条衍射线的sin2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。,功能无机材料 材料的表征,94,依照粉末线(由小到大)的顺序, sin2值的比 例(即h2+k2+l2)必有如下规律:,P: 1:2:3:4:5:6:8:9（缺7，15，23等） I: 1:2:3:4:5:6

33、:7:8:9（不缺） F: 3:4:8:11:12:16:19:20 (出现二密一稀的规律),功能无机材料 材料的表征,95,（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,功能无机材料 材料的表征,96,（4）晶粒尺寸和点阵畸变的测定,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的数学关系:,Sche

34、rrer方程： D = K/B1/2cos 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。,功能无机材料 材料的表征,97,物质状态的鉴别,不同的物质状态对X射线的衍射作用是不相同的，因此可以利用X射线衍射谱来区别晶态和非晶态。,不同材料状态以及相应的XRD谱示意图,功能无机材料 材料的表征,98,三、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0.1-1mm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。,功能无机材料 材料的表征,

35、99,分子结构透视图,晶胞图,功能无机材料 材料的表征,100,小角X射线衍射分析-SAXS,小角度的X射线衍射峰可以用来研究纳米介孔材料的介孔结构。这是目前测定纳米介孔材料结构最有效的方法之一 由于介孔材料可以形成很规整的孔，所以可以把它看做周期性结构，样品在小角区的衍射峰反映了孔洞周期的大小 对于孔排列不规整的介孔材料，此方法不能获得其孔经周期的信息,功能无机材料 材料的表征,101,介孔结构测定-SAXS,六方孔形MCM-41 密堆积排列示意图,合成产物的XRD图谱,功能无机材料 材料的表征,102,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

36、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。,第三节 材料的表面分析技术,功能无机材料 材料的表征,103,一、衰减全反射红外光谱,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。,功能无机材料 材料的表征,104,衰减

37、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n1，样品的折射率是n2，n1n2，当入射角大 于临界角时, 即sinn2/n1，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。,功能无机材料 材料的表征,105,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,功能无机材料 材料的表征,106,无机化合物的基团振动频率,无机化合物在中红外区的吸收，主要是由阴离子（团）的晶

38、格振动引起的，与阳离子关系较小，通常当阳离子的原子序数增大时，阴离子团的吸收位置将向低波数方向作微小的位移。着重于阴离子团的振动频率。 氢氧化物中无水碱性氢氧化物中OH-的伸缩振动频率都在3550-3720 cm-1范围内. 碳酸盐离子CO32-和SO42-、PO43-或OH-都具有强的共价键，力常数较高未受微扰的碳酸根离子是平面三角形对称型（D3h）,它的简正振动模式有对称伸缩振动 1064 cm-1,非对称伸缩振动 1415 cm-1, 面内弯曲振动 680 cm-1, 面外弯曲振动 879 cm-1.,功能无机材料 材料的表征,107,MO化合物 这类氧化物大部分具有NaCl结构，所以它

39、只有一个三重简并的红外活性振动模式，如MgO、NiO、CoO分别在400、465、400 cm-1有吸收谱带。 M2O3 化合物 有Al2O3、Cr2O3、Fe2O3等，它们的振动频率低且谱带宽，在700-200 cm-1。其中Fe2O3的振动频率低于相应的Cr2O3。 AB2O4尖晶石结构化合物,在700-400 cm-1有两个大而宽的吸收谱带，是B3+-O的振动引起,功能无机材料 材料的表征,108,二、 激光拉曼物相分析,当一束激发光的光子与作为散射中心的分子发生相互作用时，大部分光子仅是改变了方向，发生散射，而光的频率仍与激发光源一致，称为瑞利散射 但也存在很微量的光子不仅改变了光的传

40、播方向，而且也改变了光波的频率，这种散射称为拉曼散射。其散射光的强度约占总散射光强度的1061010。 拉曼散射的产生原因是光子与分子之间发生了能量交换，改变了光子的能量。,功能无机材料 材料的表征,109,Raman光谱可获得的信息,Raman 特征频率,材料的组成,Raman 谱峰的改变,加压/拉伸状态,Raman 偏振峰,晶体的对称性和取向,Raman 峰宽,晶体的质量,功能无机材料 材料的表征,110,三、X射线光电子能谱分析,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=Ek+Eb+,式中

41、: hv：X光子的能量； Ek：光电子的能量； Eb：电子的结合能； ：功函数。,功能无机材料 材料的表征,111,各种原子，分子的轨道电子结合能是一定的。因此，通过对样品产生的光子能量的测定，就可以了解样品中元素的组成。确定元素所处的状态。 X光电子能谱法是一种表面分析方法，提供的是样品表面的元素含量与形态，而不是样品整体的成分。其信息深度约为3-5nm。,仪器材料的功函数是一个定值，约为4eV，入 射X光子能量已知，这样，如果测出电子的动能Ek， 便可得到固体样品电子的结合能。,Eb = hv - Ek- ,功能无机材料 材料的表征,112,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。,功能无机材料 材料的表征,113,2.应用,各种元素都有它的特征的电子结合能，因此在 能谱图中就出现特征谱线，可以根据这些谱线在能 谱图中的