材料分析方法天津大学.docx
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材料分析方法天津大学
材料分析方法天津大学
篇一：
材料分析方法案例（天津大学）
聚苯胺（Pani）米纤维的制备和表征
一、引言
近年来,一维微/纳米结构的聚苯胺（Pani）,如微/纳米棒、线、管及纤维等,由于在传感器及
其它的微/纳米器件等领域具有很好的应用前景,因此备受科学家们的关注。
一维微/纳米结构聚苯胺的合成方法可以采用径迹蚀刻聚合物膜和多孔氧化铝膜等为模板的硬模板法;也可以用液晶、聚电解质、胶束、表面活性剂等软物质为模板的软模板法,以及最近报道的界面聚合法及晶种法[63～66]。
聚苯胺（Pani）最早由macdiarmid[67]在酸性条件下使苯胺聚合而获得,具有电导率高且可调、密度小、原料价廉易得、易于合成等优点,在显示器件、二次电池、电磁屏蔽、气体分离、非线性光学器件等方面具有广阔的应用前景[68,69]。
然而,聚苯胺由于具有高度芳香性、较高的化学稳定性和热稳定性的结构,导致其不溶不熔,难以加工应用。
将纳米技术如静电纺丝方法等引入聚苯胺材料中,不仅能解决加工成型问题,而且还能使其集导电性和纳米效应于一体。
二、静电纺丝技术制备Pani纳米纤维
2.1试剂和仪器
2.1.1主要试剂
聚丙烯腈（=90,000nm）分析纯北京益利精细化学品有限公司苯胺（ani）分析纯广东汕头市西陇化工厂过硫酸铵（aPS）分析纯北京化工厂n,n-二甲基甲酰胺分析纯天津天泰精细化学品有限公司
无水乙醇分析纯北京化工厂
2.1.2主要仪器
magna560FT-iR红外光谱仪、Rigakud/max2500VPcX射线衍射仪、拉曼光谱（FT-
Raman）、HitachiS2570扫描电子显微镜、d2F-6050真空干燥箱（上海精宏实验设备有限公司）、SRJX-4-13单相自动温控电炉（沈阳电炉厂）、dJ-1电动搅拌器（山东省鄄城华鲁电热仪器有限公司）、cHJ-1磁力恒温搅拌器（上海南汇电讯器材厂）、Ja20XXn电子天平（上海精密科学仪器有限公司）。
自组装了一台纺丝装置。
2.2实验过程
取上一章介绍制备的纤维毡，先将纤维毡连同铝箔纸用剪刀剪成适当大小，然后将铝箔纸用尖嘴医用镊子小心撕掉，得到单纯的Pan/Pani前躯体纤维毡。
将其平铺在坩埚或方舟内，放置于马弗炉中，开始加热。
热处理在本文中是一个关键的步骤，升温速率的控制决定着氧化物纤维生长的形貌。
经过大量的实验研究，我们最终确定升温速度应该控制在约20°c/h，当温度上升至300°c，350°c，400°c，450°c时分别在这些温度下保持3h并且取样表征。
3结果与讨论
样品在热处理中发生了很大的变化，处理前是深紫色的纤维，300°c时体积明显收缩，
颜色加深，当达到350°c时，颜色变成灰褐色，以后，样品颜色也不再发生变化。
随着温度的升高，样品体积逐渐收缩，直至消失。
因Pan和Pani都为高聚物，加热到一定温度都会氧化分解，但Pan要比Pani的热分解温度低很多，我们就利用这个温度差值制备Pnai纳米纤维。
3.1扫描电镜（SEm）
图4-1不同温度处理的Pna/Pani复合纤维的样品扫描电镜照片：
（a）300°c（b）350°c
（c）400°c（d）450°c
经过不同温度煅烧的纤维的形貌如图4-1。
其中4-1（a）为煅烧到300°c的纤维，由扫描电镜的照片可以看出Pna/Pani复合纤维直径较大，直径大约为500纳米左右，表面相对光滑，彼此没有交联。
而由经过煅烧后的2-4（b）可以看出，由于纤维中的Pan逐渐分解，纤维产生非常明显的收缩，直径由原来的500nm减小到约400nm。
纤维在热处理过程中，除了体积上的明显收缩以外，纤维表面不再光滑，并且有一定的交联。
烧至400℃，纤维开始断裂，纤维变得粗细不均，有团聚迹象。
烧至450℃，纤维彻底变成微米片。
基于以上变化，我们认为变化是这样的，Pna/Pani复合纤维在煅烧前后起结构模板作用，通过缓慢控温氧化除去了Pan使Pani在缓慢分解后仍保持纤维状。
但煅烧至450℃纤维成为了微米片，这是由于Pani在高温分解所致。
3.2红外光谱
（FT-iR）
图4-2不同温度处理的Pna/Pani复合纤维的红外光谱：
（a）400°c（b）350°c（c）300°c
（d）Pan/Pani（e）Pan
图4-2不同温度处理的Pna/Pani复合纤维的样品400°c、350°c、300°c、
Pan/ani复合纳米纤维、纯Pan纳米纤维红外的结果，通过这些含有不同物质纤维样品的红外谱图，我们可以看出，随着处理温度的不断升高，Pan逐渐分解，我们可以明显的发现，Pan的2240cm-1处的c-n振动峰的消失，证明Pan已经完全分解。
对比图中（a）（b）、（c）谱线，我们发现随着温度的逐渐升高，1374.8cm-1处Pan的特征峰逐渐消失，当温度达到400℃时，在1304.1cm-1处出现了一个归属于Pani醌环上c-n伸缩振动峰，825cm-1、1611cm-1、3246.3cm-1处出现了Pani的对位二取代苯上c-H弯曲振动峰、醌环上的c-H弯曲振动峰、醌环上的n-H伸缩振动峰。
这表明在热处理到400℃时，Pan已除去了，同时获得了Pani纳米纤维。
3.3X-射线粉末衍射
（XRd）
图4-3不同温度处理的Pna/Pani复合纤维X-射线粉末衍射：
（a）300°c（b）350°c
（c）400°c（d）450°c
纤维的X-射线粉末衍射（扫描范围2θ=5°-90°）见图4-3。
由图中可以看出在2θ=20°附近有一个包络，这个包络归属于Pna/Pani复合纤维中Pan的半结晶峰，晶面为（100）面。
但在这个包络上包含了两个明显峰，分别位于2θ=22.6°和2θ=25.8°处。
2θ=22.6°是Pan的特征峰，由图中可以看出随着温度的升高，此峰在逐渐的消失，说明Pan在升温的过程中在不断地氧化消失。
2θ=25.8°是Pani的特征峰，在升温的过程中此峰强度并无明显变化，但与2θ=22.6°的相对峰强在增加，这一结果表明由于经过煅烧，Pan在不断消失，Pani并无明显变化。
3.4拉曼光谱（Raman）
不同温度处理的Pna/Pani复合纤维的激光拉曼光谱见图4-4。
拉曼光谱能够反映物质结构和化学键性质等物质内部的微观信息。
在本工作中，使用1064nm钕激光器。
由图中可以看出，一个位于1362.1cm-1拉曼散射峰，随着温度的不断升高，峰的相对强在不断的降低，这个散射峰是属于Pan的特征拉曼散射峰。
另一个位于1486.5cm-1的拉曼散射峰是属于Pani醌环上c=c的伸缩振动峰。
可以看出随着温度的升高，此拉曼散射峰并没有太的的变化。
由此我们可以推断出，经过煅烧，Pan在不断消失，Pani还存在。
4小结
本次实验应用溶胶-凝胶法与静电纺丝技术相结合的方法，利用Pan/Pani复合纤维为模板，通过控温缓慢氧化分解，在适当条件下制备了Pani纳米纤维。
从iR曲线看出当温度达到400℃时，在1304.1cm-1处出现了一个归属于Pani醌环上c-n伸缩震动峰。
XRd显示出在2θ=25.8°的Pani的特征峰在升温过程中并无减弱迹象，但2θ=22.6°的Pan的特征峰却在明显减弱。
Raman谱图显示出了Pani的特征峰，说明随着温度的不断升高，Pan在不断的氧化分解，Pani残留下来。
各种测试结果表明生成物是Pani纤维。
通过更高温度处理纤维升华为微米片。
当然一个人可以通过改善溶胶条件及纺丝煅烧条件，获得需要的纤维尺寸及行貌。
这个简便易行的方法使大量制备Pani纤维成为可能，为Pani应用提供广阔前景。
参考文献
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[65]HuangJX,VirjiS,BruceHw,etal.Polyanilinenanofibers:
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314-315.
[66]zhangXY,GouxwJ,manoharSK.SynthesisofPolyanilinenanofibersby”nanofiberSeeding”[J].JournaloftheamericanSociety.20XX,126（14）:
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[69]王利祥,王佛松.导电聚苯胺的研究进展（Ⅰ）[J].应用化学,1990,7（5）:
225.
篇二：
材料分析方法作业一
作业
1、电子波有何特征？
与可见光有何异同？
答：
·电子波特征：
电子波属于物质波。
电子波的波长取决于电子运动的速度和质量，?
=h
mv若
电子速度较低，则它的质量和静止质量相似；若电子速度具有极高，则必须经过相对论校正。
·电子波和光波异同：
不同：
不能通过玻璃透镜会聚成像。
但是轴对称的非均匀电场和磁场则可以让电子束折射，从而产生电子束的会聚与发散，达到成像的目的。
电子波的波长较短，其波长取决于电子运动的速度和质量，电子波的波长要比可见光小5个数量级。
另外，可见光为电磁波。
相同：
电子波与可见光都具有波粒二象性。
补充：
光学显微镜的分辨本领取决于照明光源的波长。
2、分析电磁透镜对电子波的聚焦原理，说明电磁透镜的结构对聚焦能力的影响。
聚焦原理：
电子在磁场中运动，当电子运动方向与磁感应强度方向不平行时，将产生一个与运动方向垂直的力（洛仑兹力）使电子运动方向发生偏转。
在一个电磁线圈中，当电子沿线圈轴线运
动时，电子运动方向与磁感应强度
方向一致，电子不受力，以直线运
动通过线圈；当电子运动偏离轴线
时，电子受磁场力的作用，运动方
向发生偏转，最后会聚在轴线上的
一点。
电子运动的轨迹是一个圆锥
螺旋曲线。
右图短线圈磁场中的电子运动显
示了电磁透镜聚焦成像的基本原理：
结构的影响：
1）增加极靴后的磁线圈内的磁场强度可以有效地集中在狭缝周围几毫米的范围内；
2）电磁透镜中为了增强磁感应强度，通常将线圈置于一个由软磁材料（纯铁或低碳钢）制成的具有内环形间隙的壳子里，此时线圈的磁力线都集中在壳内，磁感应强度得以加强。
狭缝的间隙越小，磁场强度越强，对电子的折射能力越大。
3）改变激磁电流可以方便地改变电磁透镜的焦距
3、电磁透镜的像差是怎样产生的，如何消除和减少像差？
像差有几何像差（球差、像散等）和色差
球差是由于电磁透镜的中心区域和边沿区域对电子的会聚能力不同而造成的；为了减少
由于球差的存在而引起的散焦斑，可以通过减小球差系数和缩小成像时的孔径半角来实现
像散是由透镜磁场的非旋转对称而引起的；透镜磁场不对称，可能是由于极靴内孔不圆、上下极靴的轴线错位、
制作极靴的材料材质不均匀以及极靴孔周围局部
污染等原因导致的。
像散可通过引入一个强度和方向都可以调节的矫正电磁消像散器来矫正
色差是由于入射电子波长（或能量）不同造成的；使用薄试样和小孔径光阑将散射角大的非弹性散射电子挡掉，也可以采取稳定加速电压的方法来有效减小色差。
4、说明影响光学显微镜和电磁透镜分辨率的关键因素是什么？
如何提高电磁透镜分辨率？
光学显微镜的分辨本领取决于照明光源的波长；球差是限制电磁透镜分辨本领的主要因素；孔径半角α减小，球差减小，但从衍射效应来看，α减小使?
r0变大，
分辨本领下降，关键是电磁透镜确定电磁透镜的最佳孔径半角，使衍射效应airy斑和球差散焦斑尺寸大小相等，表明两者对透镜分辨本领影响效果一样。
5、电磁透镜景深和焦长主要受哪些因素影响？
说明电磁透镜的景深大、焦长长，是什么因素影响的结果？
假设电磁透镜没有像差，也没有衍射airy斑，即分辨率极高，此时它的景深和焦长如何？
景深受分辨本领和孔径半角α的影响
焦长受分辨本领、放大倍数和孔径半角的影响
电磁透镜景深大、焦长长，是孔径半角α影响的结果
分辨率极高，景深和焦长将减小（趋于0）
1.透镜电镜主要由几大系统构成？
各系统之间关系如何？
透射电镜由电子光学系统、电源与控制系统、真空系统三部分组成。
电子光学系统是核心，其它两个部分为辅助部分，三大系统相互联系，缺一不可。
2.照明系统的作用是什么？
它应满足什么要求？
作用：
提供一个亮度高，照明孔径角小，平行度好，束流稳定的照明电子束。
为满足明场与暗场成像需要，照明束可在2o~3o范围内倾斜。
3.成像系统的主要构成及其特点是什么？
构成：
成像系统主要由物镜、中间镜和投影镜组成。
1）物镜。
特点：
⑴是强激磁短焦距的透镜（?
=1~3mm），透射电子显微镜分辨本领的高低主要取决于物镜；⑵放大倍数较高，一般在100~300倍；⑶最高分辨率可达0.1nm左右。
物镜的背焦面上有物镜光阑（4）在电子显微镜进行图像分析时，物镜和样品之间的距离总是固定不变的。
2）中间镜。
特点：
⑴弱激磁长焦距；⑵可变倍率，可在0~20倍调节（其放大倍数大于1，放大物镜像；放大倍数小于1时，缩小物镜像）。
主要利用中间镜的可变倍率来控制电镜的放大倍率数。
3）投影镜。
特点：
（1）强激磁短焦距透镜；孔径角很小，因此景深和焦长都非常大。
作用是把中间镜放大（或者缩小）的像（或者衍射花样）进一步放大，并投在荧光屏上。
4.分别说明成像操作与衍射操作时各级透镜（像平面与物平面）之间的相对位置关系，并画出光路图。
（要知道）成像操作：
如果把中间镜的物平面和物镜的像平面重合，则在荧光屏上得到一幅放大像，这就是成像操作
（要知道）衍射操作：
如果把中间镜的物平面和物镜的背焦面重合，则在荧光屏
上得到一幅电子衍射花样，这就是衍射操作
光路图如下：
图透射电镜成像系统的两种基本操作
（a）将衍射谱投影到荧光屏（b）将显微像投影到荧光屏
5.透射电镜中有哪些主要光阑，在什么位置？
其作用如何？
透射电镜中有聚光镜光阑、物镜光阑、选区光阑三类主要光阑。
1）聚光镜光阑——第二聚光镜下方，限制照明孔径角。
2）物镜光阑（衬度光阑）——常安放在物镜的后焦面上，作用是①减小物镜孔径角，以减小像差，获得衬度较大的、质量较高的显微图像；②在物镜的后焦面上套取衍射束的斑点（副焦点）成像——获得暗场像。
3）选区光阑（场限光阑或视场光阑）——常安放在物镜的像平面上。
主要作用：
用于选区衍射，也就是选择样品上的一个微小的区域进行晶体结构分析，限制电子束只能通过光阑孔限定的微区成像。
6.点分辨率和晶格分辨率有何不同？
同一电镜的这两种分辨率哪个高？
为什么？
1）点分辨率：
透射电镜刚能分清的两个独立颗粒的间隙或中心距离。
在非相干照明条件下，点分辨率是振幅衬度。
2）晶格分辨率：
当电子束射入样品后，通过样品的透射束和衍射束间存在位相差。
由于透射和衍射束间的位相不同，它们间通过动力学干涉在相平面上形成能反映晶面间距大小和晶面方向的条纹像，即晶格条纹像
晶格分辨率与点分辨率是不同的，点分辨率就是实际分辨率，晶格分辨率的晶格条纹像是因位相差引起的干涉条纹，实际是晶面间距的比例图像。
晶格分辨率更高。
1.
复型样品在透镜电镜下的衬度是如何形成的？
衬度是指在荧光屏或照片底片上，眼睛能观察到的光强度或感光度的差别。
1）所谓小孔径角成像是指在物镜背焦平面上沿径向插入一个小孔径的物镜光阑，挡住散射角大于α的电子，只允许散射角小于α的电子通过物镜光阑参与成像，而图像的衬度就取决于透过物镜光阑投影到荧光屏或照相底片上不同区域的电子强度差别。
2）质厚衬度原理是建立在非晶体样品中原子对入射电子的散射和衍射电子显微镜小孔径角成像基础上的成像原理，是是解释非晶态样品电子显微图像衬度的理论依据。
补充：
（掌握）质厚衬度原理：
非晶（复型）样品电子显微图像衬度是由于样品不同微区间存在原子序数或厚度的差异而形成的，即质厚衬度。
它是建立在非晶样品中原子对电子的散射和透射电子显微镜小孔径成像的基础上的。
质厚衬度的成像原理见下图。
2.说明如何用透射电镜观察超细粉末的尺寸和形态？
如何制备样品？
关键工作是粉末样品的制备，样品制备的关键是如何将超细粉的颗粒分散开来，各自独立而不团聚。
制备样品：
方法主要包括胶粉混合法和支持膜分散粉末法。
P133
1、分析电子衍射与X衍射有何异同？
相同：
①原理相似，以满足（或基本满足）布拉格方程作为产生衍射的必要条件②两种衍射技术所得到的衍射花样在几何特征上也大致相似。
不同：
①电子波波长比X射线短得多，在同样满足布拉格条件时，它的衍射角?
很小，约为10-2rad，X射线衍射角最大可接近?
2
②进行电子衍射操作时采用薄晶样品，薄样品的倒易阵点会沿着样品厚度方向延伸成杆状，因此，增加了倒易阵点和埃瓦尔德球相交截的机会，结果使略为偏离布拉格条件的电子束也能发生衍射。
③因为电子波波长短，可以认为电子衍射产生的衍射斑点大致分布在一个二维倒易截面内。
④原子对电子的散射能力远高于它对X射线的散射能力（约高出四个数量级）
，
故电子衍射束的强度较大，摄取衍射花样时曝光时间仅需数秒钟。
2．倒易点阵与正点阵之间的关系如何？
倒易点阵与电子衍射斑点之间有何对应关系？
·倒易点阵与正点阵之间的关系：
①正倒点阵异名基矢点乘为0，同名基矢点乘为1，即
a?
b?
a?
c?
b?
a?
b?
c?
c?
a?
c?
b?
0a?
a?
b?
b?
c?
c?
1*********
②倒易矢量ghkl垂直于正点阵中相应的（h，k，l）晶面，或平行于它的法向nhkl；倒易点阵中的一个点代表的是正点阵中的一组晶面。
③倒易矢量的长度等于正点阵中相应晶面间距的倒数，即ghkl?
1/dhkl④对正交点阵，有
a//a,b//b,c//c,a?
****1
a,b*?
1
b,c*?
1
c
⑤只有在立方点阵中，晶面法向和同指数的晶向是重合（平行）的。
即倒易矢量ghkl是与相应的指数的晶[hkl]平行的。
·倒易点阵与电子衍射斑点之间的对应关系：
电子衍射斑点就是与晶体相对应的倒易点阵中某一截面上阵点排列的像。
3.用爱瓦尔德图解法证明布拉格定律
以o为中心，为半径作一个球，入射波矢?
?
1量为k，k?
。
?
1
此时若有倒易阵点G（指数为hkl）正好落在
爱瓦尔德球的球面上，则相应的晶面组（hkl）
与入射束方向比满足布拉格条件，而衍射束方
?
?
?
?
?
?
?
向即oG，或者写成波矢量为k'，其长度也为
1
?
。
?
?
?
?
?
?
根据倒易矢量的定义，o*G?
g，于是得到
?
?
?
?
?
k'?
k?
g
由o向o*G作垂线，垂足为d，因为g//nhkl，所以od就是正空间中（hkl）晶
面的方位，若它与入射束方向的夹角为?
，则有
od?
oosin?
**?
，g
2?
ksin?
，g?
1
d，k?
1
?
?
2dsin?
?
?
4、何为零层倒易截面和晶带定理？
说明同一晶带中各种晶面及其倒易矢量与晶带轴之间的关系。
·零层倒易截面：
由于晶体的倒易点阵是三位点阵，如果电子束沿晶带轴
[uvw]
篇三：
材料分析方法
现代材料分析测试技术教案
（初稿）
江苏大学材料学院
陈康敏
绪论
【教学内容与目标】
绪论部分主要阐述现代分析方法在研究材料组成与结构中的意义，介绍材料组成、结构与性能的关系；概略介绍课程教学内容，课程教学目的与要求，以及教学安排。
通过绪论部分的学习让学生对本课程教学目的、要求、内容与安排有所了解。
导言
材料现代分析方法是一门技术性实验方法性的课程。
它是在具备物理学、结晶学和材料基础知识之后开设的一门重要的专业基础课。
它要掌握材料现代各种测试方法，了解各种测试仪器的基本原理、仪器结构、仪器工作原理、图谱分析解译方法，并学会在材料研究中的应用。
材料科学与工程就是研究有关材料组成、结构、制备工艺流程与材料性能和用途的关系的知识。
换言之，材料科学与工程是研究材料组成与结构（composition-structure）、合成与生产过程（synthesis-proccessing）、性质（propeties）及使用效能（performance）称之为材料科学与工程的四个基本要素（basicelements）。
把四要素连结在一起，便形成一个四面体（tetrahedron），如图1（a）。
公认的材料科学与工程四大要素：
考虑在四要素中的组成结构并非同义词，即相同成分或组成通过不同的合成或加工方法，可以得出不同结构，从而材料的性质或使用效能都不会相同。
因此，
我国有人提出一个五个基本要素的模型，即成分（composition）、合成/加工（systhesis/proccessing）、结构（structure）、性质（propeties）和使用效能（performance）。
如果把它们连接起来，则形成一个六面体（hexahedron），如图1（b）
不管是四要素，还是五要素都包括成分组成与组织结构，研究材料离不开组成与结构，它决定了材料的性能。
一、材料的组成结构与性能的关系
材料的性能是决定一种材料应用的重要因素。
例如金属材料如铜有很强的延展性、导电性等。
一些非金属材料如金刚石有很高的硬度等。
不同的材料其性能是不同的，那么材料的性能与什么因素有关呢？
总的来说一种材料或一种物质其性能取决于它本身的二个属性。
（1）化学成分，如铁与铜、金刚石（c）、闪锌矿（znS）。
（2）组织结构，所谓内部的组织结构，对单晶体来说就是它的晶体结构，即晶体中原子的排列。
二种晶体若其成分相同而结构不同，性能是完全不同的。
如金刚石和石墨，二者的成分完全相同但结构不同。
（展示金刚石与石墨的结构图片）。
一个是架状结构，一个是层状结构，因此，它们的性能是完全不同的。
可见从某种意义上说，结构对材料性能的影响是很大的。
因此，有人说，结构决定性能是自然界永恒的规律。
所以，在研究材料时，不仅了解它的化学成分，还要了解其结构。
也就是说，当一个人问这个材料是什么时，你不能仅仅说它是碳，而还要了解它是石墨还是金刚石。
这里必须引进一个“相”的概念，经常也叫“物相”。
大家知道，在物理化学中“相”的定义是：
在体系内部物理性质和化学性质完全均匀的一部分称为“相”（phase）。
更明白的表述是：
成分和结构完全相同的部分才称为同一个相。
成分相同而结构不同者属于不同的相。
以后要讲的物相分析中的相即是指这个概念。
因此，不同的相不能仅仅用化学元素来表示。
因为，它只能反映它的化学成分。
对成分相同而结构不同的物相的命名有时采用不同的名称。
如矿物或非金属材料中常用不同名字来表示不同的物相。
如金刚石、石墨；
Tio2的三个物相----金红石、锐钛矿和板钛矿。
金属学中的马氏体、奧氏体指铁的不同相。
有时也用不同的符号来表示成分，如α-al2o3、β-al2o3。
对于一种多晶质或多相的体系来说，材料的组织结构还包括晶粒（相）的大小、形态、各相的分布、排列、含量，界面、位向关系和内应力等。
这些因素也极大影响了材料的性
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