材料分析方法Word格式.docx
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它一般能使衍射峰宽化。
第三类应力是在若干原子范围存在并保持平衡的内应力。
它能使衍射线减弱。
5．透射电镜主要由几大系统构成?
各系统之间关系如何?
四大系统:
电子光学系统,真空系统,供电控制系统,附加仪器系统。
其中电子光学系统是其核心。
其他系统为辅助系统。
6．透射电镜中有哪些主要光阑?
分别安装在什么位置?
其作用如何?
主要有三种光阑：
①聚光镜光阑。
在双聚光镜系统中,该光阑装在第二聚光镜下方。
作用:
限制照明孔径角。
②物镜光阑。
安装在物镜后焦面。
提高像衬度；
减小孔径角，从而减小像差；
进行暗场成像。
③选区光阑:
放在物镜的像平面位置。
对样品进行微区衍射分析。
7．什么是消光距离?
影响晶体消光距离的主要物性参数和外界条件是什么?
消光距离:
由于透射波和衍射波强烈的动力学相互作用结果，使I0和Ig在晶体深度方向上发生周期性的振荡，此振荡的深度周期叫消光距离。
影响因素:
晶胞体积,结构因子,Bragg角,电子波长。
8．倒易点阵与正点阵之间关系如何?
画出fcc和bcc晶体的倒易点阵，并标出基本矢量a*,
b*,
c*。
倒易点阵与正点阵互为倒易。
9．红外测试样品需尽可能把游离水驱除干净。
含游离水样品的红外谱图中在哪两个波数范围会出现吸收峰?
答:
把样品放入110℃烘箱中干燥至少2小时，并抽真空；
含游离水样品的红外谱图在3000-3800cm-1
1590-1690cm-1存在吸收峰。
10．一种化合物含有两个基团与各含一个基团的两种化合物的混合物，其红外谱图有大的差别吗？
若该化合物中的两个基团是孤立的，通常两种测试样品的红外谱图没有大的差别，因此测试红外光谱时应尽可能把样品的各组份完全分离后测试。
二、综合及分析题（共5题，每题10分）
1．决定X射线强度的关系式是
，
试说明式中各参数的物理意义?
I0为入射X射线的强度；
λ为入射X射线的波长
R
为试样到观测点之间的距离；
V
为被照射晶体的体积
Vc
为单位晶胞体积
P
为多重性因子，表示等晶面个数对衍射强度的影响因子；
F
为结构因子，反映晶体结构中原子位置、种类和个数对晶面的影响因子；
φ（θ）为角因子，反映样品中参与衍射的晶粒大小，晶粒数目和衍射线位置对衍射强度的影响；
A（θ）
为吸收因子，圆筒状试样的吸收因子与布拉格角、试样的线吸收系数μl和试样圆柱体的半径有关；
平板状试样吸收因子与μ有关，
而与θ角无关。
表示温度因子。
2．比较物相定量分析的外标法、内标法、K值法、直接比较法和全谱拟合法的优缺点？
外标法就是待测物相的纯物质作为标样以不同的质量比例另外进行标定，并作曲线图。
外标法适合于特定两相混合物的定量分析，尤其是同质多相（同素异构体）混合物的定量分析。
内标法是在待测试样中掺入一定量试样中没有的纯物质作为标准进行定量分析，其目的是为了消除基体效应。
内标法最大的特点是通过加入内标来消除基体效应的影响，它的原理简单，容易理解。
但它也是要作标准曲线，在实践起来有一定的困难。
K值法是内标法延伸。
K值法同样要在样品中加入标准物质作为内标，人们经常也称之为清洗剂。
K值法不作标准曲线，而是选用刚玉Al2O3作为标准物质，并在JCPDS卡片中，进行参比强度比较，K值法是一种较常用的定量分析方法。
直接比较法通过将待测相与试样中存在的另一个相的衍射峰进行对比，求得其含量的。
直接法好处在于它不要纯物质作标准曲线，也不要标准物质，它适合于金属样品的定量测量。
以上四种方法都可能存在因择优取向造成强度问题。
Rietveld全谱拟合定量分析方法。
通过计算机对试样图谱每个衍射峰的形状和宽度，进行函数模拟。
全谱拟合定量分析方法，可避免择优取向，获得高分辨高准确的数字粉末衍射图谱，是目前X射线衍射定量分析精度最高的方法。
不足之处是：
必须配有相应软件的衍射仪。
3．请导出电子衍射的基本公式，解释其物理意义，并阐述倒易点阵与电子衍射图之间有何对应关系?
解释为何对称入射（B//[uvw]）时，即只有倒易点阵原点在爱瓦尔德球面上，也能得到除中心斑点以外的一系列衍射斑点?
（1）由以下的电子衍射图可见
∵
2θ很小，一般为1~20
∴
）
由
代入上式
即
，L为相机裘度
这就是电子衍射的基本公式。
令
一定义为电子衍射相机常数
（2）、在0*附近的低指数倒易阵点附近范围，反射球面十分接近一个平面，且衍射角度非常小<
10，这样反射球与倒易阵点相截是一个二维倒易平面。
这些低指数倒易阵点落在反射球面上，产生相应的衍射束。
因此，电子衍射图是二维倒易截面在平面上的投影。
（3）这是因为实际的样品晶体都有确定的形状和有限的尺寸，因而，它的倒易点不是一个几何意义上的点，而是沿着晶体尺寸较小的方向发生扩展，扩展量为该方向实际尺寸的倒数的2倍。
4．单晶电子衍射花样的标定有哪几种方法？
图1是某低碳钢基体铁素体相的电子衍射花样，请以尝试—校核法为例，说明进行该电子衍射花样标定的过程与步骤。
图1某低碳钢基体铁素体相的电子衍射花样
一般，主要有以下几种方法：
1）当已知晶体结构时，有根据面间距和面夹角的尝试校核法；
根据衍射斑点的矢径比值或N值序列的R2比值法
2）未知晶体结构时，可根据系列衍射斑点计算的面间距来查JCPDS（PDF）卡片的方法。
3）标准花样对照法
4）根据衍射斑点特征平行四边形的查表方法
过程与步骤：
（1）测量靠近中心斑点的几个衍射斑点至中心斑点距离R1，R2，R3，R4••••（见图）
（2）根据衍射基本公式
求出相应的晶面间距d1，d2，d3，d4••••
（3）因为晶体结构是已知的，某一d值即为该晶体某一晶面族的晶面间距，故可根据d值定出相应的晶面族指数{hkl}，即由d1查出{h1k1l1}，由d2查出{h2k2l2}，依次类推。
（4）测定各衍射斑点之间的夹角。
（5）决定离开中心斑点最近衍射斑点的指数。
若R1最短，则相应斑点的指数应为{h1k1l1}面族中的一个。
对于h、k、l三个指数中有两个相等的晶面族（例如{112}），就有24种标法；
两个指数相等、另一指数为0的晶面族（例如{110}）有12种标法；
三个指数相等的晶面族（如{111}）有8种标法；
两个指数为0的晶面族有6种标法，因此，第一个指数可以是等价晶面中的任意一个。
（6）决定第二个斑点的指数。
第二个斑点的指数不能任选，因为它和第1个斑点之间的夹角必须符合夹角公式。
对立方晶系而言，夹角公式为
决定了两个斑点后，其它斑点可以根据矢量运算求得
即
h3=h1+h2
k3=k1+k2
L3=L1+L2
根据晶带定律求零层倒易截面的法线方向，即晶带轴的指数.
5．分别指出谱图中标记的各吸收峰所对应的基团及振动?
3100cm-1–宽而强的吸收,可能是羧基二聚体的O-H伸缩振动，2960--脂肪族的C-H反对称伸缩振动，2870--脂肪族的C-H对称伸缩振动，1720-羰基伸缩振动，1415-
甲基的弯曲振动，1290–可能是C-O伸缩振动，950–O-H面外弯曲振动。
材料现代分析方法试题2（参考答案）
1．实验中选择X射线管以及滤波片的原则是什么？
已知一个以Fe为主要成分的样品，试选择合适的X射线管和合适的滤波片？
实验中选择X射线管的原则是为避免或减少产生荧光辐射，应当避免使用比样品中主元素的原子序数大2~6（尤其是2）的材料作靶材的X射线管。
选择滤波片的原则是X射线分析中，在X射线管与样品之间一个滤波片，以滤掉Kβ线。
滤波片的材料依靶的材料而定，一般采用比靶材的原子序数小1或2的材料。
分析以铁为主的样品，应该选用Co或Fe靶的X射线管，它们的分别相应选择Fe和Mn为滤波片。
2．下面是某立方晶系物质的几个晶面，试将它们的面间距从大到小按次序重新排列：
（12
），（100），（200），（
11），（121），（111），（
10），（220），（130），（030），（2
1），（110）。
它们的面间距从大到小按次序是：
（100）、（110）、（111）、（200）、（
10）、（121）、（220）、（2
1）、（030）、（130）、（
11）、（12
）。
3．衍射线在空间的方位取决于什么？
而衍射线的强度又取决于什么？
衍射线在空间的方位主要取决于晶体的面网间距，或者晶胞的大小。
衍射线的强度主要取决于晶体中原子的种类和它们在晶胞中的相对位置。
4．罗伦兹因数是表示什么对衍射强度的影响？
其表达式是综合了哪几方面考虑而得出的？
罗仑兹因数是三种几何因子对衍射强度的影响，第一种几何因子表示衍射的晶粒大小对衍射强度的影响，罗仑兹第二种几何因子表示晶粒数目对衍射强度的影响，罗仑兹第三种几何因子表示衍射线位置对衍射强度的影响。
5．磁透镜的像差是怎样产生的?
如何来消除和减少像差?
像差分为球差,像散,色差.
球差是磁透镜中心区和边沿区对电子的折射能力不同引起的.增大透镜的激磁电流可减小球差.
像散是由于电磁透镜的周向磁场不非旋转对称引起的.可以通过引入一强度和方位都可以调节的矫正磁场来进行补偿.
色差是电子波的波长或能量发生一定幅度的改变而造成的.稳定加速电压和透镜电流可减小色差.
6．别从原理、衍射特点及应用方面比较X射线衍射和透射电镜中的电子衍射在材料结构分析中的异同点。
原理:
X射线照射晶体，电子受迫振动产生相干散射；
同一原子内各电子散射波相互干涉形成原子散射波；
晶体内原子呈周期排列，因而各原子散射波间也存在固定的位相关系而产生干涉作用，在某些方向上发生相长干涉，即形成衍射。
特点:
1）电子波的波长比X射线短得多
2）电子衍射产生斑点大致分布在一个二维倒易截面内
3）电子衍射中略偏离布拉格条件的电子束也能发生衍射
4）电子衍射束的强度较大，拍摄衍射花样时间短。
应用：
硬X射线适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析，软X射线可用于非金属的分析。
透射电镜主要用于形貌分析和电子衍射分析（确定微区的晶体结构或晶体学性质）
7．子束入射固体样品表面会激发哪些信号?
它们有哪些特点和用途?
主要有六种：
1）背散射电子:
能量高；
来自样品表面几百nm深度范围；
其产额随原子序数增大而增多.用作形貌分析、成分分析以及结构分析。
2）二次电子:
能量较低；
来自表层5—10nm深度范围；
对样品表面化状态十分敏感。
不能进行成分分析.主要用于分析样品表面形貌。
3）吸收电子:
其衬度恰好和SE或BE信号调制图像衬度相反;
与背散射电子的衬度互补。
吸收电子能产生原子序数衬度，即可用来进行定性的微区成分分析.
4）透射电子：
透射电子信号由微区的厚度、成分和晶体结构决定.可进行微区成分分析。
5）特征X射线:
用特征值进行成分分析，来自样品较深的区域
6）俄歇电子:
各元素的俄歇电子能量值很低；
来自样品表面1—2nm范围。
它适合做表面分析。
8．为波谱仪和能谱仪？
说明其工作的三种基本方式，并比较波谱仪和能谱仪的优缺点。
波谱仪：
用来检测X射线的特征波长的仪器
能谱仪：
用来检测X射线的特征能量的仪器
优点:
1）能谱仪探测X射线的效率高。
2）在同一时间对分析点内所有元素X射线光子的能量进行测定和计数，在几分钟内可得到定性分析结果，而波谱仪只能逐个测量每种元素特征波长。
3）结构简单，稳定性和重现性都很好
4）不必聚焦，对样品表面无特殊要求，适于粗糙表面分析。
缺点：
1）分辨率低.
2）能谱仪只能分析原子序数大于11的元素；
而波谱仪可测定原子序数从4到92间的所有元素。
3）能谱仪的Si（Li）探头必须保持在低温态，因此必须时时用液氮冷却。
9．如何区分红外谱图中的醇与酚羟基的吸收峰？
它们的吸收峰的峰位不同。
酚羟基在3610cm-1和1200cm-1存在吸收峰，醇羟基则分别在3620-3640和1050-1150cm-1范围内存在吸收；
而且含酚羟基的物质存在苯环的特征吸收峰。
10．紫外光谱常用来鉴别哪几类有机物？
普通紫外光谱用来鉴别具有共轭双键、电荷迁移跃迁和配位场跃迁的物质。
但紫外光谱常作为辅助的鉴别手段。
二、综合分析题（共5题，每题10分）
1．试比较衍射仪法与德拜法的优缺点？
与照相法相比，衍射仪法在一些方面具有明显不同的特点，也正好是它的优缺点。
（1）简便快速：
衍射仪法都采用自动记录，不需底片安装、冲洗、晾干等手续。
可在强度分布曲线图上直接测量2θ和I值，比在底片上测量方便得多。
衍射仪法扫描所需的时间短于照相曝光时间。
一个物相分析样品只需约15分钟即可扫描完毕。
此外，衍射仪还可以根据需要有选择地扫描某个小范围，可大大缩短扫描时间。
（2）分辨能力强：
由于测角仪圆半径一般为185mm远大于德拜相机的半径（57.3/2mm），因而衍射法的分辨能力比照相法强得多。
如当用CuKa辐射时，从2θ30o左右开始，Kα双重线即能分开；
而在德拜照相中2θ小于90°
时Kα双重线不能分开。
（3）直接获得强度数据：
不仅可以得出相对强度，还可测定绝对强度。
由照相底片上直接得到的是黑度，需要换算后才得出强度，而且不可能获得绝对强度值。
（4）低角度区的2θ测量范围大：
测角仪在接近2θ=0°
附近的禁区范围要比照相机的盲区小。
一般测角仪的禁区范围约为2θ＜3°
（如果使用小角散射测角仪则更可小到2θ＝0.5～0.6°
），而直径57．3mm的德拜相机的盲区，一般为2θ＞8°
。
这相当于使用CuKα辐射时，衍射仪可以测得面网间距d最大达3nmA的反射（用小角散射测角仪可达1000nm），而一般德拜相机只能记录d值在1nm以内的反射。
（5）样品用量大：
衍射仪法所需的样品数量比常用的德拜照相法要多得多。
后者一般有5～10mg样品就足够了，最少甚至可以少到不足lmg。
在衍射仪法中，如果要求能够产生最大的衍射强度，一般约需有0.5g以上的样品；
即使采用薄层样品，样品需要量也在100mg左右。
（6）设备较复杂，成本高。
显然，与照相法相比，衍射仪有较多的优点，突出的是简便快速和精确度高，而且随着电子计算机配合衍射仪自动处理结果的技术日益普及，这方面的优点将更为突出。
所以衍射仪技术目前已为国内外所广泛使用。
但是它并不能完全取代照相法。
特别是它所需样品的数量很少，这是一般的衍射仪法远不能及的。
2．试述X射线衍射单物相定性基本原理及其分析步骤？
X射线物相分析的基本原理是每一种结晶物质都有自己独特的晶体结构，即特定点阵类型、晶胞大小、原子的数目和原子在晶胞中的排列等。
因此，从布拉格公式和强度公式知道，当X射线通过晶体时，每一种结晶物质都有自己独特的衍射花样，衍射花样的特征可以用各个反射晶面的晶面间距值d和反射线的强度I来表征。
其中晶面网间距值d与晶胞的形状和大小有关，相对强度I则与质点的种类及其在晶胞中的位置有关。
通过与物相衍射分析标准数据比较鉴定物相。
单相物质定性分析的基本步骤是：
（1）计算或查找出衍射图谱上每根峰的d值与I值；
（2）利用I值最大的三根强线的对应d值查找索引，找出基本符合的物相名称及卡片号；
（3）将实测的d、I值与卡片上的数据一一对照，若基本符合，就可定为该物相。
3．扫描电镜的分辨率受哪些因素影响?
用不同的信号成像时，其分辨率有何不同?
所谓扫描电镜的分辨率是指用何种信号成像时的分辨率?
电子束束斑大小,检测信号类型,检测部位原子序数.
SE和HE信号的分辨率最高,
BE其次,X射线的最低.
扫描电镜的分辨率是指用SE和HE信号成像时的分辨率.
4．举例说明电子探针的三种工作方式（点、线、面）在显微成分分析中的应用。
（1）.定点分析：
将电子束固定在要分析的微区上用波谱仪分析时，改变分光晶体和探测器的位置，即可得到分析点的X射线谱线；
用能谱仪分析时，几分钟内即可直接从荧光屏（或计算机）上得到微区内全部元素的谱线。
（2）.线分析：
将谱仪（波、能）固定在所要测量的某一元素特征X射线信号（波长或能量）的位置把电子束沿着指定的方向作直线轨迹扫描，便可得到这一元素沿直线的浓度分布情况。
改变位置可得到另一元素的浓度分布情况。
（3）.面分析：
电子束在样品表面作光栅扫描，将谱仪（波、能）固定在所要测量的某一元素特征X射线信号（波长或能量）的位置，此时，在荧光屏上得到该元素的面分布图像。
也是用X射线调制图像的方法。
5．分别指出谱图中标记的各吸收峰所对应的基团?
3250–含氢键的O-H.伸缩振动，2820–可能是醛的C-H，1690–对应C=O但存在共轭，3120和1200—分别是芳香族C-H和酚C-O吸收带，1600&
1500对应芳香核，780和720对应取代基定位峰。
材料现代分析方法试题3（参考答案）
1．什么是光电效应？
光电效应在材料分析中有哪些用途？
光电效应是指：
当用X射线轰击物质时，若X射线的能量大于物质原子对其内层电子的束缚力时，入射X射线光子的能量就会被吸收，从而导致其内层电子被激发，产生光电子。
材料分析中应用光电效应原理研制了光电子能谱仪和荧光光谱仪，对材料物质的元素组成等进行分析。
2．什么叫干涉面？
当波长为λ的X射线在晶体上发生衍射时，相邻两个（hkl）晶面衍射线的波程差是多少？
相邻两个HKL干涉面的波程差又是多少？
晶面间距为d’/n、干涉指数为nh、nk、nl的假想晶面称为干涉面。
当波长为λ的X射线照射到晶体上发生衍射，相邻两个（hkl）晶面的波程差是nλ，相邻两个（HKL）晶面的波程差是λ。
3．测角仪在采集衍射图时，如果试样表面转到与入射线成300角，则计数管与入射线所成角度为多少？
能产生衍射的晶面，与试样的自由表面是何种几何关系？
当试样表面与入射X射线束成30°
角时，计数管与入射X射线束的夹角是600。
能产生衍射的晶面与试样的自由表面平行。
4．宏观应力对X射线衍射花样的影响是什么？
衍射仪法测定宏观应力的方法有哪些？
宏观应力对X射线衍射花样的影响是造成衍射线位移。
衍射仪法测定宏观应力的方法有两种，一种是0°
-45°
法。
另一种是sin2ψ法。
5．薄膜样品的基本要求是什么?
具体工艺过程如何?
双喷减薄与离子减薄各适用于制备什么样品?
样品的基本要求：
1）薄膜样品的组织结构必须和大块样品相同，在制备过程中，组织结构不变化；
2）样品相对于电子束必须有足够的透明度
3）薄膜样品应有一定强度和刚度，在制备、夹持和操作过程中不会引起变形和损坏；
4）在样品制备过程中不允许表面产生氧化和腐蚀。
样品制备的工艺过程
1）切薄片样品
2）预减薄
3）终减薄
离子减薄：
1）不导电的陶瓷样品
2）要求质量高的金属样品
3）不宜双喷电解的金属与合金样品
双喷电解减薄：
1）不易于腐蚀的裂纹端试样
2）非粉末冶金试样
3）组织中各相电解性能相差不大的材料
4）不易于脆断、不能清洗的试样
6．图说明衍衬成像原理，并说明什么是明场像、暗场像和中心暗场像。
设薄膜有A、B两晶粒
B内的某（hkl）晶面严格满足Bragg条件，或B晶粒内满足“双光束条件”，则通过（hkl）衍射使入射强度I0分解为Ihkl和IO-Ihkl两部分
A晶粒内所有晶面与Bragg角相差较大，不能产生衍射。
在物镜背焦面上的物镜光阑，将衍射束挡掉，只让透射束通过光阑孔进行成像（明场），此时，像平面上A和B晶粒的光强度或亮度不同，分别为
IAI0
IB
I0-Ihkl
B晶粒相对A晶粒的像衬度为
明场成像：
只让中心透射束穿过物镜光栏形成的衍衬像称为明场镜。
暗场成像：
只让某一衍射束通过物镜光栏形成的衍衬像称为暗场像。
中心暗场像：
入射电子束相对衍射晶面倾斜角，此时衍射斑将移到透镜的中心位置，该衍射束通过物镜光栏形成的衍衬像称为中心暗场成像。
7．说明透射电子显微镜成像系统的主要构成、安装位置、特点及其作用。
P131
主要由物镜、物镜光栏、选区光栏、中间镜和投影镜组成.
1）物镜：
强励磁短焦透镜（f=1-3mm）,放大倍数100—300倍。
作用：
形成第一幅放大像
2）物镜光栏：
装在物镜背焦面，直径20—120um，无磁金属制成。
a.提高像衬度，b.减小孔经角，从而减小像差。
C.进行暗场成像
3）选区光栏：
装在物镜像平面上，直径20-400um，
对样品进行微区衍射分析。
4）中间镜：
弱压短透镜，长焦，放大倍数可调节0—20倍
作用a.控制电镜总放大倍数。
B.成像/衍射模式选择。
5）投影镜：
短焦、强磁透镜，进一步放大中间镜的像。
投影镜内孔径较小，使电子束进入投影镜孔径角很小。
小孔径角有两个特点：
a.
景深大，改变中间镜放大倍数，使总倍数变化大，也不影响图象清晰度。
焦深长，放宽对荧光屏和底片平面严格位置要求。
8．何为晶带定理和零层倒易截面?
说明同一晶带中各晶面及其倒易矢量与晶带轴之间的关系。
晶体中，与某一晶向[uvw]平行的所有晶面（HKL）属于同一晶带，称为[uvw]晶带，该晶向[uvw]称为此晶带的晶带轴，它们之间存在这样的关系：
取某点O*为倒易原点，则该晶带所有晶面对应的倒易矢（倒易点）将处于同一倒易平面中，这个倒易平面与Z垂直。
由正、倒空间的对应关系，与Z垂直的倒易面为（uvw）*,即[uvw]⊥（uvw）*，因此，由同晶带的晶面
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