华南理工大学材料测试技术历年真题及答案Word格式.docx
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原因：
因为能普仪检测的X射线能量较高，进行点分析效果比较好，可以一次性对分析点内的所有的元素进行分。
注意由于分辨率比较低，定量分析准确性不高。
而波普仪由于分光晶体使X射线强度下降，但是分辨率较高，适合做线分析和面分析，对试样进行扫描过程中，可以测得同种元素在不同区域的分布及含量。
注意：
要求样品表面平整光滑。
3.有一粉末样品，要分析其中的物相及其含量，用什么分析分析方法？
简述其步骤。
答：
分析粉末样品的物相及含量，可以用XRD的物相定量和定性分析。
定性分析步骤：
a）制成粉末样品，粒度要均匀合适，不能有明显的取向性，用衍射仪法得到试样的x衍射谱；
b）确定其衍射峰（d值和20）和相对强度
c）把d值按相对强度排列，取3强线，查找hanawalt索引或fink索引
d）根据前3强线，查找可能物相，再对照4到8强线，找出相应的物相
f）如果d值与相对强度都能对上，则鉴定完毕，如果没有，则可以剔除第一强线，用第2强线做最强线往下找，以此类推，直到找到全部衍射峰对应的物质。
定量分析的步骤:
a）在粉末中加入一定质量参比物（例a-Al2O3），用衍射仪法得出x衍射图，
b）测定样品中物相和参比物的相对强度
c）查表找出样品物相中所有物质的参比强度，如果没有，可以以1：
1的比例配置混合物，样品物相与参比物物相强度比就为参比强度K
d）由K值法，可以得到Xi=。
。
，就能得出相应的相的含量。
4.什么是背闪射电子像和二次电子像？
其特点和应用？
a）二次电子像：
是表面形貌衬度，它是利用对样品表面形貌变化敏感的物理信号作为调节信号得到的衬度像。
特点：
二次电子能量较低，容易改变方向，平均自由程较短，一般从表面5到10nm的深度范围内发射出来，信号收集率高，因此成像分辨率高，达5-10nm，景深大，立体感强，信号大，信噪比好。
成像原理：
不同的形貌产生的二次电子量不同，不同部位对于检测器收集信息的角度也不同，从而是样品表面不同区域形成不同的亮度，因而可以分析形貌。
应用：
适用于表面形貌分析，观察材料表面形貌、断口、内部显微结构等，常用于SEM的形貌分析。
b）背散射电子成像：
是原子系数衬度，是利用对样品微区原子系数或化学成分变化敏感的物理信号作为调制信号得到的衬度像。
特点：
背散射电子能量很高，不容易改变方向，信号收集率低，因此成像分辨率不高，只有50-200nm，一般不能做形貌，只能做成分分布分析。
不同的原子序数对入射电子的散射作用不同，原子序数越大，散射作用越大，散射电子量也就越多，成像亮度越高，因此能显示成分分布的信息。
应用:
适于微区成分分析，观察试样的平均原子系数和形貌，如在SEM中应用。
5.什么是明场像，暗场像？
二者的区别及应用？
明场像：
在电镜成像过程中，让光阑挡住衍射线而让透射线透过而成的像。
暗场像：
在电镜成像过程中，让光阑挡住透射线而让衍射线透过而成的像。
区别：
1）明场像是由透射线成的像，因此衍射强度高的地方在明场像中会很暗，其它部位则比较亮；
而暗场像是由衍射线成的像，因此衍射强的地方在暗场像中会很亮，而其他部位则比较暗。
2）暗场像的衬度明显高于明场像
可以用明暗场像照片对照，方便进行物相鉴定和缺陷分析。
例如样品厚度，样品变形，晶界，层错，位错等对衍射强度的影响，会造成有规律的消光现象，出现等厚消光条纹，弯曲消光条纹，倾斜晶界条纹，层错条纹，位错条纹等衍射衬度，可以利用这些条纹的特征分析样品的结构和存在的缺陷。
6．有一纳米级薄膜样品，在基体上分别什么方法分析其化学组成，相组成和表面形貌（分辨率<
1nm）?
简述其原理及分析精度。
纳米薄膜：
a）化学组成：
b）相组成：
可用XRD小角度掠射的方法，可以防止x射线穿透薄膜进入基底中，使衍射谱中含有基地的衍射线，因此通过小角度衍射测试出衍射花样，根据衍射花样的晶面间距和衍射线的相对强度，达到鉴别物相的组成，分析精度为1%。
c）表面形貌：
可以用原子力显微镜（AFM）（分辨率纵>
0.05nm,横向>
0.15nm）,用一个对力非常敏感的微悬臂，尖端有一接近原子尺寸的探针，当探针接触薄膜表面时微悬臂会弯曲，将悬臂的形变信号转为光电信号放大，可以得到原子间力的微弱信号。
保持恒定距离在试样表面扫面，针尖随着凹凸面做起伏运动，可得到纳米薄膜的三维形貌。
08年试题及答案
1.XRD的物相定性分析原理和定量分析原理?
定性分析原理：
不同的晶体有不同的衍射花样，根据衍射线的晶面间距（反映晶胞的大小，形状）和衍射线的相对强度（反映质点的种类，数量及所处的位置），这个是晶体结构的必然反映，可以用来鉴别物相。
定量分析的原理：
衍射线的相对强度与物相含量相关。
依据衍射线的强度随相含量的增加而提高，从而达到定量分析。
2.透射电镜的成像电子来自材料本身还是发射枪？
怎样在透射电镜中观察测试材料的电子衍射花样?
成像电子是透射电子，是来自发射枪。
衍射电子束在物镜背焦面上聚焦，让中间镜的物平面与物镜的背焦面重合，经放大后就会在荧光屏上就获得电子衍射图的放大像。
3.二次电子成像和背散射电子的成像特点和不同?
同上
4.能谱分析和波普分析的特点和不同?
5.DTA和DSC的原理和不同？
DTA：
在程序控制温度下，由于试样与参比物之间存在温度差而产生热电势，通过测量信号输出就能表征在加热过程中与热效应的物理变化和化学变化。
纵坐标：
试样与参比物的温度差，横坐标：
温度（T）或时间（t）。
DSC：
在程序控制温度下，测试样品与参比物之间的热量差，以表征加热过程中所有与热效应有关的物理变化和化学变化。
试样和参考物之间的功率差，横坐标：
DTA是测量△T-T的关系，而DSC是保持△T=0，测定△H-T的关系；
DTA只能测试△T的变化，不能反映△T与△H之间的关系；
DSC既能测试△T的变化，又能反映△T与△H之间的关系；
两者最大的差别是DTA只能定性或半定量，而DSC的结果可用定量分析。
6.哪些物理化学变化过程会产生吸热/放热效应?
吸热效应有：
a）物质受热分解放出气体（CO2，SO2，O2等）；
b）物质由结晶态转变为熔融态；
c）某些多晶转变，如加热过程中的石英晶形转变（β石英转化为α石英）；
d）物质内吸附气体的逸出。
放热效应有：
a）不稳定变体变为稳定变体的多晶转变（高温型石英转变为低温型石英）；
b）无定形物质转变为结晶物质、物质重结晶作用等；
c）从不平衡介质中吸收气体，如氧化反应、有机物燃烧等；
d）某些不产生气体的固相反应，如莫来石的形成；
e）物质由熔融态转变为结晶态，玻璃态物质析晶等。
7.影响峰位变化的因素?
化学键的振动频率不仅与其性质有关，还受分子的内部结构和外部因素影响。
1、内部因数：
1）电子效应：
诱导效应（吸电子基团使吸收峰向高频方向移动（兰移）），共轭效应；
2）空间效应：
场效应、空间位阻、环张力。
2、氢键效应：
氢键（分子内氢键、分子间氢键）：
对峰位，峰强产生极明显影响，使伸缩振动频率向低波数方向移动。
DSC测试结果的影响因素：
a）基线的影响：
指的是被测样品没有吸热和放热反应时，测量的整个系统随温度变化，基线是一切计算的基础。
b）温度和灵敏度校正：
热电偶测量温度信号与样品实际温度之间存在一定偏离。
校正：
实际测试温度和能量与理论值建立对应关系。
c）实验条件的影响：
升温速率（影响峰的形状，位置，相邻峰的分辨率下降）；
气体性质；
气体流量。
d）试样特性的影响：
试样的用量（一般较小的样品用量为宜，5-15mg）；
粒度；
几何形状（厚度稍小）；
热历史；
填装情况；
纯度
2010年试题及答案
一、填空题
1．XPS分析是通过能量分析器测定光电子的动能，计算出光电子的结合能，从而进行样品的表面元素分析，并根据光电子的强度进行元素的定量分析。
2．原子力显微镜有两种工作模式，分别为：
接触式和轻敲式，对于易损伤软或脆的样品，采用轻敲式工作模式。
3．要通过成像来直观了解样品中的元素分布可采用BSE、WDS和AES分析
4．要在同一测试中检测出样品含有哪些元素可以采用XRF、XPS或EDS分析
5．样品的化学成分定量分析可采用XRF方法；
样品的微区元素定量分析可采用WDS方法；
样品表面元素的价态分析可采用XRF、XPS、AES方法。
二、问答题
1．采用红外光谱法分析样品时，对于气体、液体和固体样品常用的制样方法有哪些？
对于固体样品，常用的制样方法有以下四种：
（１）压片法（卤化物）：
是把固体样品的细粉，均匀地分散在碱金属卤化物中并压成透明薄片的一种方法；
（２）粉末法：
是把固体样品研磨成２μm以下的粉末，悬浮于易挥发溶剂中，然后将此悬浮液滴于KBr片基上铺平，待溶剂挥发后形成均匀的粉末薄层的一种方法；
（３）薄膜法：
是把固体试样溶解在适当的的溶剂中，把溶液倒在玻璃片上或KBr窗片上，待溶剂挥发后生成均匀薄膜的一种方法；
（４）研糊法（液体石蜡法）：
是把固体粉末分散或悬浮于石蜡油等糊剂中，然后将糊状物夹于两片KBr等窗片间测绘其光谱。
其中最常用的是压片法，但此法常因样品浓度不合适或因片子不透明等问题需要一再返工。
对于液体样品，常用的制样方法有以下三种：
（１）液膜法（难挥发性液体）：
是在可拆液体池两片窗片之间，滴上１～２滴液体试样，使之形成一薄的液膜；
（BP>
80℃）
（２）溶液法（液体池）：
是将试样溶解在合适的溶剂中，然后用注射器注入固定液体池中进行测试；
用刮刀取适量的试样均匀涂于窗片上，然后将另一块窗片盖上，稍加压力，来回推移，使之形成一层均匀无气泡的液膜。
其中最常用的是液膜法，此法所使用的窗片是由整块透明的溴化钾（或氯化钠）晶体制成，制作困难，价格昂贵，稍微使用不当就容易破裂，而且由于长期使用也会被试样中微量水分将其慢慢侵蚀，到一定时候这对窗片也就报废了。
对于气体样品，常用制样方法为：
气体池—气态物质与液态、固态物质相比，其分子间距离大、密度小，因此气体池的厚度要大得多，一般厚100mm，液体池的厚度一般为0.01－1mm。
气体池还分为常规气体池、小体积气体池、长光程气体池、加压气体池。
2．影响热分析曲线的仪器因数和样品因数有哪些？
请简述其影响规律。
仪器因素：
1）气体浮力和对流的影响：
气体的密度与温度有关，随温度升高，样品周围的气体密度变小，从而气体的浮力变小，因而试样质量增加，这种样品质量随温度升高而增重现象称之为表观增重。
对流的产生，是常温下，试样周围的气体受热变轻形成向上的热气流，作用在热天平上，引起试样的表观质量损失。
为了减少气体浮力和对流的影响，试样可以选择在真空条件下进行测定，或选用卧式结构的热重仪进行测定。
2）坩埚的影响：
坩埚的物理性状，如坩埚的形状、尺寸、多孔性可能影响实验结果。
坩埚大小与试样量有关，直接影响试样的热传导和热扩散；
坩埚的形状则影响试样的挥发速率。
因此，通常选用轻巧、浅底的坩埚，可使试样在埚底摊成均匀的薄层，有利于热传导、热扩散和挥发。
此外，坩埚的材质通常应该选择对试样、中间产物、最终产物和气氛没有反应活性和催化活性的惰性材料，如Pt、Al2O3等。
3）挥发物冷凝的影响：
样品受热分解、升华、逸出的挥发性物质，往往会在仪器的低温部分冷凝。
这不仅污染仪器，而且使测定结果出现偏差。
若挥发物冷凝在样品支架上，则影响更严重，随温度升高，冷凝物可能再次挥发产生假失重，使TG曲线变形。
为了减少挥发物冷凝的影响，可在坩埚周围安装耐热屏蔽套管；
采用水平结构的天平；
在天平灵敏度范围内，尽量减少样品用量；
选择合适的净化气体流量。
实验前，对样品的分解情况有初步估计，防止对仪器的污染。
试样的影响：
1）样品量的影响：
样品量多少对热传导、热扩散、挥发物逸出都有影响。
样品量用多时，热效应和温度梯度都大，对热传导和气体逸出不利，导致温度偏差。
样品量越大，这种偏差越大。
加大试样量，会使曲线的清晰度变差，并移向较高的温度，反应所需时间也会加长。
但样品量大有时并非坏处，它可以扩大两试样间的较小差异。
2）样品粒度、形状的影响：
样品粒度及形状同样对热传导和气体的扩散有影响。
粒度不同，会引起气体产物扩散的变化，导致反应速度和热重曲线形状的改变。
粒度越小，反应速度越快，热重曲线上的起始分解温度和终止分解温度降低，反应区间变窄，而且分解反应进行得完全。
实验条件因素（补充）：
1）升温速率的影响：
这是对热重曲线影响最大的因素。
升温速率越大温度滞后越严重，开始分解温度Ti及终止分解温度Tf都越高，温度区间也越宽，故影响越大。
（因为样品受热升温是通过介质-坩埚-样品进行热传递的，在炉子和样品坩埚之间可形成温差。
升温速率越快，这种温差随之增加。
炉子和样品坩埚间的温差就不同，导致测量误差。
）升温速率不同，可导致热重曲线的形状改变。
升温速率快，往往不利于中间产物的检出，使热重曲线的拐点不明显。
升温速率慢，可以显示热重曲线的全过程。
一般来说，升温速率为5和10℃/min时，对热重曲线的影响不太明显。
升温速率可影响热重曲线的形状和试样的分解温度，但不影响失重量。
慢速升温可以研究样品的分解过程，有利于中间体的鉴定与解析。
但快速升温与慢速升温的选择，要看具体的实验条件和目的，并非慢速升温就一定优越。
当样品量很小时，快速升温能检查出分解过程中形成的中间产物，而慢速升温则不能达到此目的。
2）气氛的影响：
气氛对热重实验结果也有影响，它可以影响反应性质、方向、速率和反应温度，也能影响热重称量的结果。
气体流速越大，表观增重越大。
所以送样品做热重分析时，需注明气氛条件，包括：
静态还是动态气氛；
气氛的种类；
气氛的流量。
所谓静态是指气体稳定不流动，动态就是气体以稳定流速流动。
在静态气氛中，产物的分压对TG曲线有明显的影响，使反应向高温移动；
而在动态气氛中，产物的分压影响较小。
因此，我们测试中都使用动态气氛，气体流量为20mL/min。
而气氛有如下几类：
惰性气氛，氧化性气氛，还原性气氛，腐蚀性气体，还有其它如CO2、Cl2、F2等。
3．请写出布拉格方程，并说明方程式中各参数的物理意义。
布拉格方程为：
2dSinθ=nλ，式中d表示晶面的面网间距；
θ为入射线与晶面的夹角，等于入射线与衍射线夹角的一半，称为掠射角，可表征衍射的方向，2θ称为衍射角；
n为反射级数，λ表示入射X射线的波长。
4．进行α-Fe2O3和Fe3O4混合物的XRD分析，得到两相的最强线的强度比为Iα-Fe2O3/IFe3O4=1.3，经查标准衍射卡片得两相的参比强度分别为Kα-Fe2O3=Iα-Fe2O3/Iα-Al2O3=3.27，KFe3O4=IFe3O4/Iα-Al2O3=5.07，请计算它们的含量。
解：
测量两相混合物的相组成可用外标法，但也可用K值法分别测定其中一相的相组成，本题采用K值法计算。
令X1为α-Fe2O3的百分含量，X2为Fe3O4的百分含量，Xs为参比物Al2O3的含量。
由公式有：
=
，
=
→
又
，且
，
则
=1，则
5．TEM和SEM在成像的原理和调节放大倍数的原理上有何差异？
TEM和SEM分析对制样有何要求？
1）TEM的成像原理：
是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像，并一次成像。
SEM的成像原理：
是利用电磁透镜聚焦的细高能电子束，在扫描线圈的磁场作用下，电子束在样品表面逐点扫描时激发出的各种物理信号来调制成像。
2）TEM的调节放大倍数原理：
样品与物镜之间的距离固定不变，通过改变物镜的焦距和像距来改变放大倍数；
SEM的调节放大倍数原理：
是通过调节扫描线圈的电流，改变电子束在试样上扫描的范围来改变放大倍数，其定义为电子束在荧光屏上的最大扫描距离与在样品表面的扫描距离之比。
3）TEM对制样的要求：
试样必须很薄，电子才能透过试样成像，厚度不超过100nm，一般为50nm。
对薄膜样品的要求：
①薄膜样品的组织结构必须与大块样品相同；
②样品要足够薄，以便电子束能够透过；
③样品应有一定的强度和刚度，以便在制备、夹持和操作过程中不产生形变和损伤。
④在制样过程中表面不氧化、腐蚀或污染（影响透明度和产生假像）。
对粉末样品的要求：
必须先制备一种很薄的支持膜才能送入电镜观察；
支持膜需要有一定的强度，对电子的穿透性能好，并且不显示自身的结构，支持膜常用塑料支持膜、塑料-碳支持膜、碳支持膜三种。
此外，将粉末均匀分散地撒在支持膜上也十分重要。
对于电子不透明的大块材料不能直接放入电镜中观察，可以选择适当的材料，将被研究材料的表面复制成薄膜形态，而把复制品放入电镜中观察。
SEM对制样的要求：
样品大小要适合仪器专用样品座尺寸，一般为直径30-50mm，高度一般为5-10mm；
样品必须无油污、无腐蚀、不释放气体、干燥，通常要对样品进行超声波清洗，以清除油污、尘埃、碎屑等，具体如下：
试样应先烘干、表面洁净；
磁性试样应预先去磁；
对块状样品，除满足样品台尺寸外，基本上不需要其他处理，用导电胶粘在样品台上即可；
对于块状非导体或导电性能差的试样，应进行镀膜处理，镀上导电膜；
对于粉末样品有直接制样和湿法制样两种，样品需先粘结在样品座上。
6．二次电子成像是最常用的形貌观察方法，简述其特点。
同上。
7．为什么能谱（EDS）更适合做“点”的元素全分析，而波普（WDS）更适合做“线”和“面”的元素分布分析和定量分析。
EDS在瞬间能探测各种能量的X射线，而不同元素具有不同的能级结构，发射出来的X射线光子的能量和波长也不同，因此在某个区域的各种元素都能被其探测到，故更适合做“点”分析；
而WDS在瞬间只能探测波长满足某种条件的X射线，即只能探测某些特定的范围内的X射线，故不能完全探测到某个区域的全部元素，更适合做“线”和“面”的元素分析；
此外，WDS分析精度高，元素含量>
10%时，分析误差可控制在1%以内，故适合做定量分析，且是目前微区元素定量分析最准确的方法。
2011年试题及答案
1．X射线光电子能谱（XPS）
用单色X射线照射样品，具有一定能量的X射线光子把全部能量交给原子中某壳层上一个受束缚的电子。
如果电子获得的能量超过该电子的结合能，这个电子就会被激发，而高出结合能的能量转化为电子的动能，电子被发射出去，成为自由光电子，原子变成激发态。
根据测得的光电子动能，可以确定表面存在什么元素和元素的化学状态；
根据具有某种能量的光电子的数量，可计算出该元素在试样表面的含量。
特点：
通过XPS可获得丰富的化学信息，对样品损伤轻，微定量精度较好。
缺点是X-ray照射面积较大，不适于做微区分析；
一般检测极限（灵敏度）大约为0.1%，且一般用能量较低的软X射线（如Al和Mg的Kα线），穿透深度很浅，故是一种表面分析方法。
定性分析：
不同元素、不同价态的电子结合能有其固定值，根据所测得的谱峰（主峰）位置，对照《X射线光电子能谱手册》，可确定试样表面含有哪些元素，以及这些元素存在于什么化合物中（元素的化学状态）。
定量分析：
光电子的强度（数量）主要取决于样品中所测元素的含量，但由于不同元素的原子或同一原子不同壳层的电子对光照的敏感性不同，因此不能直接用谱线的强度来定量，一般采用元素灵敏度因子法来定量。
定量准确性比俄歇能谱好，误差一般不超过20％，属于半定量分析。
样品的制备：
通常只用于固体样品的分析。
样品一般都需要经过一定的预处理：
样品大小：
长宽小于10mm，高度小于5mm；
粉体样品：
用双面胶带直接把粉体固定在样品台或把粉体样品压成薄片；
含挥发性物质：
加热或用溶剂清洗除掉挥发性物质；
表面污染：
通过溶剂清洗、抛光、离子溅射去污；
微弱磁性：
弱磁性样品去磁，禁止分析磁性样品；
对于不导电样品，由于荷电效应，经常会使结合能发生变化，导致定性分析得出不正确的结果。
运用：
1）.固体材料表面元素全分析；
2）.样品元素组分沿纵深度变化的检测；
3）.离子化学态分析及不同离子价态的比例：
如Ti4+和Ti3+；
4）.表面元素的定量分析
5）.高分子结构分析。
（补充）俄歇电子能谱（AES）
电子束（或X射线）激发试样表面原子的壳层电子，较外层电子跃迁填充较内层电子空位，多余的能量发射一个具有特征能量的俄歇电子，通过检测俄歇电子的能量和强度，进行样品表层化学成分的定性和定量分析。
主要用于微区（～50nm）表面化学成分分析。
逸出的俄歇电子来源于表面～1nm的深度范围，大于3nm深度产生的俄歇电子会因非弹性散射而被样品吸收。
可分析除H、He以外的所有元素，特别适合轻元素的分析。
分析技术分类：
定性分析，定量分析（属半定量），深度分析（成分随着表面深度的变化）
微区分析（选点分析、线分析和面分析），价态分析。
俄歇电子的能量仅与原子本身的轨道能级有关，与入射电子的能量无关，也就是说与激发源无关。
对于特定元素及特定俄歇跃迁过程，其俄歇电子的能量是特征的。
由此，可以根据俄歇电子的动能用来定性分析样品表面物质的元素种类。
定性分析可适用于除H、He以外的所有元素，且由于每个元素会有多个俄歇峰，定性分析的准确度很高。
因此，AES技术是适用于对所有元素进行一次全分析的有效定性分析方法，这对于未知样品的定性鉴定是非常有效的。
俄歇电子的强度与样品中该原子的浓度有线性关系，定量分析是根据峰的强度来计算，以摩尔百分比含量表示。
一般采用相对灵敏度因子法，精度较低，在常规情况下，误差在30%左右，属于半定量分析。
AES定量分析影响因素多，样品表面的C、O污染以及吸附物的存在都会严重影响分析的结果。
该法虽然准确性较低，但由于不需标样，因而仍有较广范的应用。
俄歇电子能谱通常只能分析固体导电样品，绝缘体固
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