材料研究方法作业集合及复习思考题Word格式.docx

1、（3）试样结晶，纯度： 结晶度峰形更尖锐（4）参比物：选择与试样导热系数尽可能相近的参比物。3.实验条件：（1）升温速度：升温速度更多反应将发生在相同的时间内，峰高峰温峰形状尖锐，灵敏度分辨率升温速度使相邻峰易于分开（2）炉内压力和气氛：外界压力热反应温度炉内气体与试样的热分解产物一致时，分解反应温度静态气氛和动态气氛6、热分析仪器由哪四部分组成？程序温度控制、气氛控制、物性测量单元、显示记录7、热天平的主要组成？热天平由精密天平和线性程序控温加热炉组成。8、热重分析的影响因素是什么？ 1）升温速率：V热滞后现象反应起始温度和终止温度2）气氛影响：静态：可逆反应影响反应速率。动态：N2控制气氛

2、有助于深入了解反应过程的本质易于识别反应类型和释放的气体。3） 基线飘移：试样重量没有变化而记录曲线却指示出有质量变化的现象。4）热电偶的位置：热电偶测量温度与试样的真实温度之间存在着差别，有热效应时，试样温度分布紊乱引起较大的温度测量误差。要获得准确的温度数据，采用标准物质来校核热重分析仪。5）坩埚形式：其结构和几何形状都会影响热重分析的结果。9、积分型热重曲线和微分型热重曲线的联系与区别是什么？TG曲线表示加热过程中样品失重累积量，为积分型曲线；DTG曲线是TG曲线对温度或时间的一阶导数，即质量变化率，dW/dT 或 dW/dt。DTG曲线表明的是质量变化速率,DTG曲线上出现的峰指示质量

3、发生变化，峰的面积与试样的质量变化成正比，峰顶与失重变化速率最大处相对应。在TG曲线中形成的每一拐点，在DTG曲线上都有对应的峰 TG曲线台阶数与DTG曲线的峰数相等 DTG曲线的峰面积与样品的失重量成正比 10、静态热分析与动态热分析静态热机械分析: 是在程序控制温度下,分析物质承受拉、压、弯、剪、针入等力的作用下，所发生的形变与温度的函数关系。动态热机械分析: 是在程序控制温度下，测量物质在振荡负荷下的动态模量或阻尼随温度变化的一种技术。11、什么是基线偏移？影响因素有哪些？如何解决？基线飘移： 影响因素：加热炉内气体的浮力效应、对流影响、Kundsen力、温度与静电。减少热重曲线飘移的方

4、法是：采取对称加热方式。第六章：光谱分析作业：1、分子振动的实质是什么？有哪些振动类型？分子振动的实质是化学键的振动；有伸缩振动和弯曲振动。2、试举例说明影响基团位移的因素有哪些？主要分为内部因素和外部因素。内部因素主要有：1.诱导效应：由于吸电子基团的影响，吸收峰会向高波数方向移动（COF2COCl2）；2.共轭效应：分子中形成大键所引起的共轭效应，使其电子云密度平均化，结果使原来双键伸长，力常数减小，因此伸缩振动频率向低波数方向移动。（二苯甲酮苯甲醛）3.空间效应：在分子立体结构上相邻基团间作用所引起的电子云分布变化，使键力常数变化，导致基团频率变化。（氯化丙酮的两个异构体）4.氢键：分子

5、内或分子间形成氢键后，通常引起它的伸缩振动频率向低波数方向显著位移，并且峰强增高、峰形变宽。（游离羧酸羰基频率1760cm-1，液态固态1700cm-1）5.互变异构：分子发生互变异构时，其吸收峰产生位移。（乙酰丙酮的酮式与烯醇异构体）外部因素主要有：1.固态效应：例如丙酮在气态时C=O为1738cm-1，而在液态时C=O为1715cm-1。2.溶剂效应：溶剂极性极性基团伸缩振动频率吸收峰强度3、影响红外吸收峰数目的因素有哪些？1）在中红外吸收光谱上除基频峰外，还有倍频峰。2）分子振动能否出有红外吸收峰与偶极距有关，对称强偶极距小出峰小。3）振动频率的简并。4）仪器的分辨率不高，对一些频率接近

6、的峰分不开；仪器的灵敏度不高，检测不出一些较弱的峰。4、红外活性与拉曼活性红外活性：只有发生偶极矩变化的振动才能引起可观测的红外吸收谱带称这种振动活性为红外活性。拉曼活性：伴随有极化率变化的振动引起可观测的拉曼光谱称这种振动活性为拉曼活性。5、红外光谱产生的条件？1）分子中某个基团的振动频率与外界的红外光频率相一致。2）分子中的偶极矩不为零。6、红外、紫外、核磁吸收峰是何种跃迁？红外吸收峰：引起分子中成键原子振动和转动能级的跃迁而产生。紫外吸收峰：吸收的能量引起分子中价电子跃迁而产生。核磁吸收峰：引起分子中核自旋能级跃迁而产生。7、红外光谱定性分析的步骤有哪些？1.试样的分离和精制。2.了解与

7、试样性质有关的其他方面的资料。3.谱图的解析。4.和标准谱图进行对照。8、红外光谱仪主要分哪两大类？分为色散型红外光谱仪和傅立叶变换红外光谱仪。9、红外光谱吸收峰的强度有哪些因素有关？强度与分子振动的对称性：对称性偶极矩变化强度强度与基团极性：极性偶极矩变化强度强度与分子振动能级跃迁几率：跃迁几率强度强度与样品浓度：样品浓度强度10、高聚物在进行红外分析时常用的制样方法有哪些？固体样品的制备：压片法；石蜡糊法；薄膜法；溶液法。液体样品的制备：液膜法；液体吸收池法；样品滴入压好的KBr薄片上测试。气态样品的制备:气态样品一般都灌注于气体池内进行测试。11、傅里叶变换红外光谱仪的组成部分有哪些？核

8、心部分是什么？傅里叶变换红外光谱仪没有色散元件，主要由光源（硅碳棒、高压汞灯）、迈克尔逊干涉仪、检测器、计算机和记录仪组成。核心部分为迈克尔逊干涉仪。12、拉曼散射效应中有哪些散射？各有什么特点？拉曼散射（拉曼散射波长改变）：入射光与样品分子之间发生非弹性碰撞，即在碰撞时有能量交换。a.斯托克斯线：波长变长；b.反斯托克斯线：波长变短。瑞利散射（瑞利散射波长不变）：发生弹性碰撞，即两者之间没有能量交换。13、拉曼光谱与红外光谱分析方法有哪些不同？拉曼光谱红外光谱光谱范围40-4000cm-1光谱范围400-4000cm-1水可作为溶剂水不能作为溶剂样品可盛于玻璃瓶，毛细管等容器中直接测定不能用

9、玻璃容器测定固体样品可直接测定需要研磨制成KBr压片或直接测定TEM1、电子与固体物质相互作用可以产生哪些物理信号，各有什么特点？背散射电子：被固体样品中的原子反弹回来的一部分入射电子。二次电子：在入射电子束作用下被轰击出来并离开样品表面的样品的核外层电子。吸收电子：入射电子进入样品后，经多次非弹性散射能量损失殆尽，最后被样品吸收。透射电子：如果被分析的样品很薄，那么就会有一部分入射电子穿过薄样品而成为透射电子。特征X射线：当样品原子的内层电子被入射电子激发，原子就会处于能量较高的激发状态，此时外层电子将向内层跃迁以填补内层电子的空缺，从而使具有特征能量的射线释放出来。俄歇电子：在特征x射线过

10、程中，如果在原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量并不以X射线的形式发射出去，而是用这部分能量把空位层内的另个电子发射出去，这个被电离出来的电子称为俄歇电子。2、如何提高显微镜分辨本领？电子透镜的分辨本领受哪些条件限制？减小照明源的波长增大加速电压电子透镜的分辨本领受到衍射效应、透镜的像差的限制。3、透射电子显微镜的成像原理是什么？成像原理与光学显微镜类似，透射电镜以电子作为照明束，通过磁透镜聚焦成像。电子枪产生的电子束经1-2级聚光镜会聚后均匀照射到试样某一待观察的微小区域上，入射电子与试样物质相互作用，由于试样很薄，绝大部分电子穿过试样，其强度分布与所观察的形貌、组织结构一一对应，透射出

11、试样的电子经物镜、中间镜、投影镜三级磁透镜放大投射到观察图形的荧光屏上，荧光屏把电子强度分布转变为人眼可见的光强分布呈现相应的图象。4、透射电镜样品的制样方法有哪些？直接法：支持膜分散粉末法、胶粉混合法、离子溅射法、超薄切片法。间接法：一级复型（碳膜一级复型、塑料膜一级复型）、二级复型（塑料膜-碳膜二级复型）。半间接法：萃取复型。5、透射图像衬度的概念，TEM的主要图像衬度。衬度指试样不同部位由于对入射电子作用不同，经成像放大系统后，在显示装置上显示的强度差异，即图像上明暗的差异，按形成的机理可分为质量-厚度衬度、衍射衬度和相位衬度。6、透射电镜的结构。电子光学系统、电源系统、真空系统、操作系

12、统。SEM1、扫描电镜的基本原理。SEM是利用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像，试样为块状或粉末颗粒，成像信号可以是二次电子、背散射电子或吸收电子等，其中二次电子是最主要的成像信号。扫描电镜的工作原理与闭路电视系统相似逐点逐行扫描。可以简单地归纳为“光栅扫描，逐点成像”。由三极电子枪发射出来的电子束，在加速电压作用下，经过23个电子透镜聚焦后，在样品表面按顺序逐行进行扫描，激发样品产生各种物理信号，如二次电子、背散射电子等。这些物理信号的强度随样品表面特征而变。它们分别被相应的收集器接受，经放大器按顺序、成比例地放大后，送到显像管的栅极上，用来同步地调制显像管的电子束强度，即显像管荧光屏上的亮

13、度。由于供给电子光学系统使电子束偏向的扫描线圈的电源也就是供给阴极射线显像管的扫描线圈的电源，此电源发出的锯齿波信号同时控制两束电子束作同步扫描。因此，样品上电子束的位置与显像管荧光屏上电子束的位置是一一对应的。这样，在荧光屏上就形成一幅与样品表面特征相对应的画面某种信息图，如二次电子像、背散射电子像等。画面上亮度的疏密程度表示该信息的强弱分布。2、扫描电镜的结构和特点（与TEM进行对比）。 SEM主要由电子光学系统、扫描系统、信号收集系统、图像显示记录系统、真空系统和电源系统。SEM的电子枪和聚光镜与透射式电子显微镜的大致相同，但是为了使电子束更细，在聚光镜下又增加了物镜和消像散器，在物镜内

14、部还装有两组互相垂直的扫描线圈。物镜下面的样品室内装有可以移动、转动和倾斜的样品台。TEM镜筒的顶部是电子枪，电子由钨丝热阴极发射出、通过第一，第二两个聚光镜使电子束聚焦。电子束通过样品后由物镜成像于中间镜上，再通过中间镜和投影镜逐级放大，成像于荧光屏或照相干版上；SEM的电子束不穿过样品，仅在样品表面扫描激发出二次电子、背散射电子成像。3、扫描电镜图像衬度的产生原因、类型及主要特点。SEM像衬度的形成主要基于样品微区如表面形貌、原子序数、晶体结构、表面电场和磁场等方面存在着差异。入射电子与之相互作用，产生各种特征信号，其强度就存在着差异，最后反映到显像管荧光屏上的图像就有一定的衬度。（1）二

15、次电子像：分辨率高，立体感强，主要反映形貌特征。图像衬度主要是形貌衬度、成分衬度和电位衬度。（2）背散射电子像：分辨率低，立体感差，但既能反映形貌特征，又能定性探测元素分布。图像衬度有形貌衬度和原子序数衬度（化学成分衬度）。4、扫描电镜成像的物理信号及特点。（1）二次电子：入射电子与样品相互作用后，使样品原子较外层电子（价带或导带电子）电离产生的电子，称二次电子。二次电子能量比较低，习惯上把能量小于50eV电子统称为二次电子，仅在样品表面5nm10nm的深度内才能逸出表面，这是二次电子分辨率高的重要原因之一。（2）背散射电子：背散射电子是指入射电子与样品相互作用（弹性和非弹性散射）之后，再次逸

16、出样品表面的高能电子。其能量接近于入射电子能量（能量高）。背射电子的产额随样品的原子序数增大而增加，所以背散射电子信号的强度与样品的化学组成有关，即与组成样品的各元素平均原子序数有关。5、扫描电镜的在材料研究中的主要用途。（1）形貌相研究适用于微细矿物材料的形态、解理、晶面花纹、生长纹、断口及裂理纹等表面特征和矿物颗粒的空间关系等。（2）成分相的研究WDS或EDS附件通过点扫描、线扫描和面扫描等方式分析具有色差、色带材料的成分差异。能谱、波谱、AES1、电子探针分析的基本原理电子探针仪是一种微区成分分析仪器，它利用被聚焦成小于1mm的高速电子束轰击样品表面，由X射线波谱仪或能谱仪检测从试样表面

17、有限深度和侧向扩展的微区体积内产生的特征X射线的波长（可知元素的种类）和强度（可知元素的含量），得到1mm3微区的定性或定量的化学成分。特别适用于分析试样中微区的化学成分。2、电子探针的主要分析方法可进行微区结构及成分分析。电子探针是最准确的微区定量分析手段，微区分析（几个立方m范围）是它的一个重要特点之一, 它能将微区化学成份与显微结构对应起来，是一种显微结构的分析。而一般化学分析、X荧光分析及光谱分析等，是分析试样较大范围内的平均化学组成，也无法与显微结构相对应, 不能对材料显微结构与材料性能关系进行研究。3、能谱分析与波谱分析有何异同点相同点： 都是分析特征X射线来分析元素种类和含量。

18、一般作为电镜等大型仪器的附件，用来测试样品微区的化学成分。 为无损或微损的测试方法。不同点： 元素分析时能谱是同时测量所有元素，而波谱要一个一个元素测量，所以能谱分析速度远比波谱快。 能谱探头紧靠试样，使X 射线收集效率提高，这有利于试样表面光洁度不好及粉体试样的元素定性、定量分析。 能谱分析时所需探针电流小，对电子束照射后易损伤的试样，例如生物试样、快离子导体等试样损伤小。 但能谱也有缺点，如分辨率差，谱峰重叠严重，定量分析结果一般不如波谱等。4、电子探针对材料成分分析与EDXRF成分分析有何异同点？EPMA 和XRF都能够对材料进行元素分析，但是有所区别的是：EPMA分析微区表面的成分，可

19、以检测样品的点、线、面的不均匀性。而XRF分析材料的成分，XRF分析的样品面积和深度要比EPMA大。质谱分析1、质谱分析的基本原理。试样在高真空条件下气化 一束气态分子流受高能电子流轰击一束阳离子流（每一个分子失去一个外层电子，成为带一个正电荷的阳离子-分子离子，M+）加速产生动能（1）1/2mv2 =zU（z：离子电荷，U：加速电压）被加速的阳离子流进入磁场受到一个垂直于运动方向的作用力，使运动方向发生偏转而作弧形运动，向心力等于离心力：（2）mv2/R = HzU由（1）、（2）得：m/z=H2R2/2U当收集狭缝R和U固定不变时，m/zH2H，各离子依次按质荷比值大小顺序达到收集器，产生

20、信号信号经放大器放大记录仪质谱图。2、质谱仪的种类。分类（依应用） 有机质谱仪-测定有机化合物的分子结构气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）液相色谱-质谱联用仪（LC-MS）基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪（MALDI-TOFMS）傅立叶变换质谱仪（FT-MS） 无机质谱仪测定无机化合物火花源双聚焦质谱仪（SSMS）感应耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）辉光放电质谱（GDMS）二次离子质谱仪（SIMS） 同位素质谱仪测同位素丰度 气体分析质谱仪-主要有呼气质谱仪，氦质谱检漏仪分类（根据质量分析器） 双聚焦质谱仪 四极杆质谱仪 飞行时间质谱仪 离子阱质谱仪 傅立叶变换质谱仪等3、质谱仪的组成及组成部

21、分的作用。离子源（将被分析的气体或者蒸汽转化为离子）、质量分析器（将离子按质荷比顺序分开并排列成谱）、检测器（检测不同质荷比离子的强度）和真空系统（保证质谱仪的离子源和分析器达到真空条件）4、质谱图上出现的主要离子类型。分子离子、同位素离子、碎片离子、亚稳离子、多电荷离子5、分子离子峰如何识别？1.在质谱图中，分子离子峰应是最高质荷比的离子峰。（同位素离子及准分子离子峰除外）。2.分子离子峰质量数的规律（氮规则） 由C，H，O组成的有机化合物，M一定是偶数。 由C，H，O，N组成的有机化合物，N奇数，M奇数。 由C，H，O，N组成的有机化合物，N偶数，M偶数。3.分子离子峰与相邻峰的质量差必须

22、合理4.降低电子轰击源能量，观察质荷比最大的峰是否最后消失。6、质谱仪中离子源的作用及常用的离子源种类。离子源的作用是将试样分子转化为正离子，并使正离子加速、聚焦为离子束，此离子束通过狭缝而进入质量分析器。电子电离源、化学电离源、快原子轰击源、电喷雾源、大气压化学电离源、激光解吸源7、质谱仪中质量分析器的主要类型；单聚焦质量分析器、双聚焦质量分析器、四极杆分析器、飞行时间质量分析器、离子阱质量分析器、傅立叶变换离子回旋共振分析器8、无机质谱的常见类型及主要用途；（1）火花源双聚焦质谱仪（SSMS）：进行无机高纯固体材料直接和全面分析的主要分析技术。（2）感应耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）：

23、是一种新型的无机元素和同位素分析技术，可快速同时检测周期表上几乎所有元素。也可进行同位素分析、单元素和多元素分析；环境样品分析；玻璃、陶瓷和矿冶等样品分析；地质学研究；生物食品及医药临床研究；核材料分析；石油化工样品分析；（3）辉光放电质谱（GDMS）：金属及合金材料；半导体材料；无机非金属材料；薄层分析、深度分布剖面分析等（4）二次离子质谱仪（SIMS）：二次离子质谱可以分析包括氢在内的全部元素，并能给出同位素的信息，分析化合物组分和分子结构。二次离子质谱具有很高的灵敏度，可达到ppm甚至ppb的量级，还可以进行微区成分成像和深度剖面分析 。附：材料研究方法复习题1. X射线的波长范围大致为

24、多少？X射线产生的基本原理及X射线管的基本结构（1）0.01-10nm（2）高速运动的自由电子被突然减速便产生X射线；（3）X射线管的基本结构：使用最广泛的是封闭式热阴极X射线管，包括一个热阴极（绕成螺线形的钨丝）和一个阳极（靶），窗口，管内高真空（10-7Torr）2. X射线谱的基本类型及其特点X射线强度 I 随波长的变化曲线称为X射线谱，可分为连续X射线（由连续的各种波长组成，其波长与工作条件V、I有关）和特征X射线（又称标识X射线，不随工作条件而变，只取决于阳极靶的物质）。3. 描述X射线于物质的相互作用（俄歇效应和光电效应）课本图3.8补充俄歇效应：当较外层的电子跃迁到空穴时，所释放

25、的能量随即在原子内部被吸收而逐出较外层的另一个次级光电子，此称为俄歇效应，所逐出的次级光电子称为俄歇电子。它的能量是特征的，与入射辐射的能量无关。4. X射线衍射的几何条件（布拉格方程或定律）X射线通过物质（晶体）后衍射线特征包括方向和强度，其中衍射线的方向与晶体的点阵参数（晶胞大小和形状）、入射线的方位及X射线波长有关，具体表现为：劳厄方程式、布拉格定律和倒易空间衍射公式.5. X射线衍射分析的方法主要有哪些？各自的特点是什么？（注意和的变化）单晶：劳厄法（变，不变）；转晶法（不变，部分变化）粉末：粉末照相法（粉末法或粉晶法） （不变，变）；粉末衍射仪法（不变，变化）6. X射线衍射物相分析

26、的基本原理（I/I0、2）X射线衍射线的位置决定于晶胞的形状和大小，即决定于各晶面的晶面间距，而衍射线的强度决定于晶胞内原子种类、数目及排列方式，每种结晶物质具有独特的衍射花样，且试样中不同物质的衍射花样同时出现互不干涉，某物相的衍射强度取决于它在试样中的相对含量，当试样的衍射图谱中d值和I/I0与已知物质的数值一致时，即可判定试样中含有该已知物质。7. 说明X射线衍射仪法定性分析物相组成的基本过程，注意事项及PDF卡片的检索方法（1）X射线衍射定性分析是将试样的衍射谱与标准衍射谱进行比较鉴别，确定某种物相的存在以及确定该物相的结晶状态。其过程为：获得试样的衍射图谱求d值和I/I0值查索引核对

27、卡片。（2）注意事项：1）d值的数据比相对强度的数据重要，d值一般要到小数点后第二位才允许有误差；2）低角度区域的数据比高角度区域的数据重要；3）了解试样的来源、化学成分和物理特性对作出正确结论十分有帮助；4）进行多样混合试样分析时要多次核对，若某些物质含量少，只出现一两条衍射线，以致无法鉴定；5）尽量与其它方法结合起来使用，如偏光显微镜、电子显微镜等；6）从目前所应用的粉末衍射仪看，绝大部分仪器均是由计算机进行自动物相检索过程，需结合专业人员的丰富专业知识，判断物相，给出正确的结论。（3）检索方法：字母索引：对已知物质，按物质英文名称的字母顺序排列；哈那瓦特法（Hanawalt method

28、）：未知矿物，三强线或数值索引；芬克索引（Fink method）8. 何为X射线和荧光X射线？（1）X射线的产生见第一题（2）当较外层的电子跃入内层空穴所释放的能量不在原子内被吸收，而是以辐射形式放出，便产生荧光X射线，其能量等于两能级之间的能量差。9. X射线荧光光谱分析的基本原理和主要用途（1）荧光X射线的能量或波长是特征性的，与元素有一一对应的关系。测出荧光X射线的波长或能量,就可以知道元素的种类（定性分析基础）。此外,荧光X射线的强度与相应元素的含量有一定的关系（定量分析基础）。（2）定性分析：根据荧光X射线的波长或能量可以确定元素的组成。定量分析：定量分析的依据是元素的荧光X射线强度Ii与试样中该元素的含量