《材料表征技术》实验指导05.docx

1、材料表征技术实验指导05材料表征技术课程实验指导书 汕头大学中心实验室2014年5月前言随着21世纪科学技术的飞速发展，要求材料不仅要有较好的力学性能，还要求具备特殊的物理和化学性能。这给材料检测提出了新的任务，它不仅要精确测定材料的各种性能和组织以满足不同的需求，而且还通过材料的组织结构和成分研究，找出材料各种性能产生的机理和失效的原因，为研制开发新材料和研究构件失效机理提供便捷的手段。材料表征技术课程介绍了几种主要的材料实验研究方法，根据本中心的实验条件，我们选择4个方向的实验，希望学生能熟悉材料研究仪器设备和实验技术，理解选择仪器设备的重要性，以及实验方法在材料研究的重要地位。目 录实验

2、一 SEM的构造、图像观察和试样制备实验实验二 SPM的构造、图像观察和试样制备实验实验三 X-射线粉末衍射物相分析实验实验四 DTA金属熔点测试实验实验一 扫描电镜的构造、图像观察和试样制备实验一、实验目的1、 熟悉JEOL JSM6360LA钨灯丝扫描电镜的基本构造及工作原理2、 了解主要性能指标3、 了解样品的制备知识4、 了解操作规范并进行图像观察二、实验原理扫描电镜的工作原理入图1所示。由电子枪发射出来的电子束（直径50um）在加速电压的作用下经过磁透镜系统会聚，形成直径为2nm 的电子束，聚焦在样品表面上，在第二聚光镜和物镜之间的偏转线圈作用下，电子束在样品上做光栅状扫描，电子和样

3、品相互作用，产生信号电子。这些信号电子经探测器收集并转换为光子，再通过电信号放大器加以放大处理，最终成像在显示系统上。图1 JSM-6360LA钨灯丝扫描电镜结构及工作原理示意图三、仪器设备 实验的仪器设备是JSM-6360LA钨灯丝扫描电镜、 JFC 1600 Atuo Fine Conter。JSM-6360LA钨灯丝扫描电镜，是日本电子株式会社推出的新型号数字化扫描电镜。主要特点为全数字化控制系统，高分辨率、高精度的变焦聚光镜系统、全对中样品台及高灵敏度半导体背散射探头；用于各种材料的形貌组织观察、金属材料断口分析和失效分析。1、 JSM-6360LA钨灯丝扫描电镜主要组成部分 （1）电

4、子束会聚系统：电子枪系统、磁透镜、扫描线圈（2）样品室：样品座、样品室拉门、XYZ控制轴、样品倾斜及转动控制轴（3）真空系统：机械泵、扩散泵（4）电子学系统：电源系统、信号电子成像系统（5）显示部分：显像管、照相机2 、JSM-6360LA钨灯丝扫描电镜的技术参数 （1）装置型号：JSM-6360LA，带低真空功能（2）EDS：装配JED(JED2300)（3）高真空模式分辨率：3.0nm30KV WD=8mm（4）低真空模式分辨率：4.0nm30KV WD=5mm（5）放大率：x5至x300000（6）低真空度：1to270Pa，高、低真空切换（7）加速电压：0.5kV至30kV，束流1pA

5、1uA。（8）试样台：中心式，x：80mm，y：40，z：43mm，倾斜-10+90度，旋转360度 最大试样尺寸：152mm，试样容许：48mm。（9）PC/OS功能： IBMPC/AT互换型机、Windows2000XP，用户登录，菜单，自动聚焦，自动非点补正，自动亮度对比，自动枪。（10）排气方式：高真空+低真空排气方式。（11）真空系统：马达驱动台能谱分析接口稳压电源循环水箱。（12）分辨率脉冲处理器：具有133eV等多数,只有分析时注入氮气,高性能x线数字处理器。3、 JSM-6360LA钨灯丝扫描电镜的主要特点（1）搭载了新型闪烁器二次电子检测器，因而提高了检测效率。同时由于对电子

6、光学系统和图像处理系统进行了改良，因而实现了更加清晰鲜明的图像。 （2）由于采用了维护性与扩张性同时兼备的新型电子光学系统，所以能安置最多种检测器口和选择口。（、等） （3）高灵敏度半导体式反射电子检测器是不需拿出放入操作的类型，可获得构成图像、凹凸 图像和立体图像。（4）所有的信号如、射线（）在工作距离10mm位置能被检测出来。射线的取出角度为度。 （5）利用优先特种载物台能插入直径为mm的大型试样。利用选项可安置轴马达、优 先特种载物台，最大程度能插入直径为203.2mm，高度为mm的大型试样。 （6）便于观察试样整个图像的最低倍数为。 （7）由于能集成化的、检测器、都是本公司自己研制开发

7、的产品，所以， 进一步提高了统一显示画面、装置设置面积小型化等整体系统的功能。 （8）由于功能是获得好评的微笑式影像。由于搭载了以最低倍率也不能观察的超宽范围的图像及能进行射线变换的新开发的分析站，所以添加了新型系列产品，利用这些产品可选择最合适的分析。四、实验步骤1、开机及样品准备（1）先打开稳压电源，再打开循环水开关。注意检查循环水系统,温度显示约18-22,为正常范围。 （2）打开电镜控制台电源开关，再打开电脑电源。 （3）电脑屏幕显示进入WINDOWS后，再用鼠标双击电镜扫描软件图标，进入操作程序界面。（4）取被测的PHA生物膜一小块，用导电胶固定在样品架上，用洗耳球吹去表面的粉末，放

8、入离子溅射仪中进行导电膜喷镀。（5）等待程序中【HTREADY】按键变亮，点击【VENT】打开样品室门，放入样品；关闭样品室门后点击【EVAC】进行抽真空，再等待【HTREADY】按键变亮，可以开始形貌观测。2、图像调节过程（1）点击【STAGE】按键，确定样品台规格，定好扫描位置。（2）点击【HTREADY】按键，打开高压，此时按键变为【HTON】。根据所需放大倍数，使用【】、【】按键。调节好聚焦、像散、亮度、对比度，最后完成拍照、保存图像。3、块样品的背散射电子像观察（1）被测金属试块用导电胶固定在样品架上，除去表面灰尘，放入样品到样品室中。（2）将检测信号切换到背散射状态，调节合适的加速

9、电压即可进行背散射电子像观察。4、拷贝图象为预防计算机病毒入侵，拷贝电镜图片时须用新光盘或电镜室专用CD-R光盘拷贝图片，严禁采用U盘或软盘拷贝。 5、关机 （1）先关高压，几分钟后点击【VENT】放气，打开样品室门取出样品后，重抽真空，等待【HTREADY】按键变亮，然后点击【EXIT】按键退出操作程序；关闭WINDOWS系统，关闭电镜控制台电源；等15分钟后关闭稳压源和循环水系统电源。 （2）在记录本上记录使用情况。五、讨论1、 在平时的操作中如何延长灯丝的寿命。2、常见样品的制备方法 块状样品：样品的尺寸有限制，大小不能超过样品座。当样品有污染时，要进行清洗，清洗方法一般用用丙酮酒精溶剂

10、清洗或用超声波清洗，使样品平表面的油脂、灰尘等污染去掉。清洗好的样品，用导电胶粘在样品架上。对于导电样品，干后便可供分析；对于非导电或导电性较差的样品，还需在样品表面喷镀一层导电膜，以避免观察图像时样品表面产生电荷积累，影响图像质量。粉末样品：第一种处理方法是把粉末颗粒样品混入液体分散剂（如酒精、超纯水或丙酮），再把混合液滴在基片（基片材料可以是玻璃片、铜片或云母片等）上，等溶液挥发后用导电胶粘在样品架上。第二种处理方法是直接将粉末涂在样品架的导电胶上。根据样品的导电性决定是否需要进行喷镀。生物样品：生物样品的处理过程比较复杂，简要的处理步骤是固定、漂洗、脱水、干燥和镀膜。六、注意事项1、交换

11、样品特别注意点：该电镜的样品台是5轴马达驱动的精密机械，定位精度高，同时也可以手动旋钮驱动。样品室中暴露着镜头极靴、二次电子探头、背散射电子探头、能谱探头等电镜的核心部件，样品台驱动过程中存在着碰撞的可能性，因此交换样品和驱动样品台时要特别小心。样品室门应轻拉轻推；样品要固定牢固，防止掉到镜筒里去。样品高度要合适，空样品座安全的Z轴标尺为10mm，若样品高于样品座，则Z轴标尺增加的长度相当于样品高于样品座的高度。Z轴移动样品或手动倾斜样品前，要特别注意样品距离极靴的位置。2、换样品过程：换样品前必须先检查灯丝电压是否已经关闭，条件符合，可按放气键（“VENT”）。交换样品台操作必须戴干净手套。

12、固定好样品台后（固紧内六角螺丝），必须测量样品高度，若样品不高于样品座，则Z轴标尺可以调到10mm，若样品高于样品座，则相应调节Z轴，使样品台下降，保证样品不会触及镜头极靴。将样品推进样品室，关上样品室门，点击抽真空软件键【EVAC】。抽真空过程中，不要手动调节样品台位置。 3、有关电脑的特别提醒 ：电镜的电脑是控制整台电镜的，电脑的CMOS管理，显示卡及驱动程序等与普通电脑不同，请不要当作普通电脑来使用。禁止修改电脑的任何设置，禁止安装任何软件。禁止使用USB接口（包括优盘）。使用光驱或软驱等需经电镜管理人员检查同意，严防病毒感染。电脑的许多指令要驱动电镜中的电气部件或机械部件的一系列动作，

13、时间可能较长，千万不要连续点击或按键，否则可能引起电脑死机。4、有关样品要求：需用电镜观测的样品必须干燥、无挥发性、无磁性、不易燃易爆、能与样品台牢固粘结（块状试样的下底部需平整，利于粘结）。不导电样品需做镀膜处理。5样品高度问题 ：对较高的样品在放入样品台前，首先把样品台高度下降；同一次装入电镜的样品，高度差不要超过1.5mm（包括同一块样品的表面高度也是如此）。对镶嵌块，断面样品等高度大的样品，千万不要对样品台平面聚焦，只能对样品上表面聚焦。6、更换钨灯丝时必须清洗好灯罩，以延长灯丝的寿命。7、每月最少对EDS进行抽一次真空，保持好EDS的良好状态。8、注意保持扫描电镜室的清洁卫生，所有进

14、入电镜室人员必须更换实验室专用拖鞋。七、思考题1、扫描电镜中加速电压的变化对扫描图像的影响如何？2、常用的样品如何制备？实验二 扫描探针显微镜的构造、图像观察和试样制备实验一、实验目的1、MultiMode Nanoscope a扫描探针显微镜的基本构造及工作原理2、了解主要性能指标3、了解操作规范并进行图像观察二、实验原理激光检测原子力显微镜的基本原理（如图2）是：将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂

15、直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。图2 激光检测原子力显微镜探针工作示意图三、仪器设备MultiMode Nanoscope a扫描探针显微镜是美国Digital Instrument公司生产的一款性能稳定的、功能多样的扫描探针显微镜。1、工作模式：SPM最早的两种形式：扫描隧道显微镜（STM）原子力学显微镜（AFM）AFM有三个初始模式：接触模式AFM轻敲模式AFM非接触模式AFMSPM的其它形式：线性力学显微镜（LFM）磁力显微镜（MFM）电力显微镜（EFM）电化学STM&AFM（ECM）扫描电

16、容显微镜（SCM）扫描热显微镜（SThM）近场扫描光学显微镜（NSOM或SNOM）光子扫描隧道显微镜（PSTM）弹道电子发射显微镜（BEEM）2、原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）系统中的三个部分（图3）：图3 原子力显微镜(AFM)系统结构（1）力检测部分 在原子力显微镜（AFM）的系统中，所要检测的力是原子与原子之间的范德华力。所以在本系统中是使用微小悬臂（cantilever）来检测原子之间力的变化量。这微小悬臂有一定的规格，例如：长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状，而这些规格的选择是依照样品的特性，以及操作模式的不同，而选择不同类型的探针。（2）位置

17、检测部分 在原子力显微镜（AFM）的系统中，当针尖与样品之间有了交互作用之后，会使得悬臂cantilever摆动，所以当激光照射在cantilever的末端时，其反射光的位置也会因为cantilever摆动而有所改变，这就造成偏移量的产生。在整个系统中是依靠激光光斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以供SPM控制器作信号处理。（3）反馈系统 在原子力显微镜（AFM）的系统中，将信号经由激光检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号，作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷管制作的扫描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持合适的作用力。原子力显微镜（AFM）便是结合以上三个部分来将

18、样品的表面特性呈现出来的：在原子力显微镜（AFM）的系统中，使用微小悬臂（cantilever）来感测针尖与样品之间的交互作用，这作用力会使cantilever摆动，再利用激光将光照射在cantilever的末端，当摆动形成时，会使反射光的位置改变而造成偏移量，此时激光检测器会记录此偏移量，也会把此时的信号给反馈系统，以利于系统做适当的调整，最后再将样品的表面特性以影像的方式给呈现出来。3、主要性能指标：（1）样品尺寸： 15x15毫米,厚度6毫米（2）最大水平扫描范围： 125mm125mm（3）最大垂直扫描范围： 5mm（4）最高水平分辨率： 0.1nm（5）最高Z方向分辨率： 0.01n

19、m（6）X,Y方向D/A: 16 bits（7）数据采集通道数： 4（8）隧道电流测量范围： 30pA-50nA(标准STM探头)， 3pA-5nA(低电流STM探头)（9）最大扫描点数： 1000x1000（10）放大倍数： 100万倍四、实验步骤1、开机（1）打开计算机，把测试台放置在减震台上，进入原子力显微镜软件操作程序。（2）打开控制器和监控屏幕和灯源。2、有关激光位置的调节（1）装上探针，通过测试台顶部的激光校准旋钮，调节好激光的位置，使激光点恰好落在探针的针尖上，并配合测试台激光反光镜的调节，使得测试台显示屏上的SUM值最大化。（2）通过调节测试台的反射镜旋钮，尽量使测试台显示屏上

20、VERT Defl 和HORZ Defl的值接近0。3、有关样品的操作（1）AFM的样品制备比较简单，取被测膜样品一小块，用双面胶粘在圆形小铁片上，注意样品要平整。（2）样品尺寸不能大于15x15毫米,厚度不能超过6毫米。（3）样品要平整，否则容易损坏探针。（4）样品用专用双面胶粘贴在配备的小铁片上，要注意是否固定好。（5）先卸下探针，用镊子将粘有样品的小铁片放入测试台，再装上探针。4、图像的调节过程（1）手动调节待测样品与探针之间的距离，注意观察监视器中探针与样品表面之间的间距，避免探针太接近样品造成探针损坏。（2）调节探针的XY微调旋钮，寻找合适的检测点。（3）在操作软件中确定好Profi

21、le和Scanner（Tapping Mode 和E Scanner）。（4）点击【DOWN】按键，使探针自动下降，直到样品表面。（5）探针接触到样品时，系统自动对样品进行扫描。根据需要调节Scan Size、Scan Rate、Set Point、Integral Gain、Proportional Gain 的值，使Trace和Retrace 两条扫描线重合程度最佳。5、图像保存当相关参数调节后，图像开始扫描，点击保存图片的按键，耐心等待，探针扫描完毕使自动保存图像，注意记录自动保存的文件名。6、关机（1）点击【UP】抬起探针（可以连续点击几次），停止扫描；再手动抬高探针至一定高度，卸下探

22、针，取下样品。（2）根据需要选择图像的输出格式，把图像转换成WINDOWS可以打开的文件。（3）关闭控制器和监控屏幕和灯源。（4）退出操作软件，关闭计算机。五、讨论 Set Point、Integral Gain、Proportional Gain 的大小对图像的影响。六、注意事项1、注意不要使激光射入眼睛，尤其需要注意的是，当使用高反射的样品时，要小心不要用眼睛注视激光。2、注意不要把溶剂溅到扫描管上，因为有可能会损坏扫描管。3、特别注意开机和关机顺序，否则会损坏控制器。4、在更换了扫描管之后，在软件中要选择相应的扫描管，否则所得出的图像将不正确。5、使用光学显微镜粗调样品与探针之间的间距时

23、，要注意探针与样品之间的间距，否则有可能损坏探针。七、思考题1、AFM有哪几种模式？2、简述接触模式AFM与轻敲模式AFM的优缺点。实验三 X射线粉末衍射物相分析实验一、实验目的1. 了解X射线粉末衍射仪的构造与操作原理;2. 了解衍射仪法所得粉末衍射花样的基本特征及计算机检索的方法;3. 掌握物相分析的方法与步骤。二、实验原理相是材料中各元素作用形成的具有同一聚集状态、同一结构和性质的均匀组成部分,分为化合物和固溶体两类。物相分析,是指确定材料由哪些相组成和确定各组成相的含量。根据晶体对X射线的衍射特征衍射线的方向及强度来鉴定结晶物质的物相的方法,就是X射线物相分析方法。组成物质的各种相都具

24、有各自特定的晶体结构(点阵类型、晶胞形状与大小及各自的结构基元等),因而具有各自的X射线衍射花样特征(衍射线位置与强度)。对于多相物质,其衍射花样则由其各组成相的衍射花样简单叠加而成。由此可见,物质的X射线衍射花样特征就是分析物质相组成的“指纹脚印”。制备各自标准单项物质的衍射花样并使之规范化,将待分析物质(样品)的衍射花样与之对照,从而确定物质的相组成,这就是物相定性分析的基本原理与方法。三X射线衍射仪的基本构造本次实验使用的是德国布鲁克Bruker D8 Advance型X射线粉末衍射仪。仪器主要分为如下几部分：X射线发生装置、X射线测角仪、光路系统、辐射探测器、电脑。图1. 德国布鲁克D

25、8 Advance型X射线粉末衍射仪主要部件简述如下：1 X射线管图2. X射线管示意图X射线管是由玻璃外罩将发射X射线的阴极与阳极密封在高真空(10-510-7mmHg)之中的管状装置。阴极: 由绕成螺线形的钨丝组成，用高压电缆接负高压，并加到灯丝电流，灯丝电流发射热电子。管壳做成U形，目的是加长阴极与阳极间放电的距离。阳极: 又称靶，是使电子突然减速和发射X射线的地方，靶材为特定的金属材料（例如铜靶，钼靶等）。靶安装在靶基上（多为铜质），靶基底部通冷却水管，在工作过程中不断喷水冷却，并与衍射仪的管座相接并一起接地。操作时由高压电缆接预高压，并加以灯丝电流。管壳应经常保持干燥清洁。2 测角仪

26、测角仪安装在衍射仪前部，用于安置试样，各类附件及各种计数器，其相对位置如图3所示：四测角仪的工作原理 入射线从X射线管焦点S出发,经过入射光阑系统DS投射到试样P表面产生衍射,衍射线经过接收光阑系统RS进入计数器C。扫描方式主要有-连动与-2连动两种。(1) -2连动:试样台H、计数器C可以分别独立地沿测角仪轴心转动，工作时试样与计数管以1：2的角速度同时扫描（-2连动）。试样与计数管的转角度数可在测角仪圆盘上的刻度读出。(2) -连动: X射线发生装置S、计数器C可以分别独立地沿测角仪轴心转动，工作时试样台H 固定不动, X射线发生装置与计数管以1：1的角速度同时扫描（-连动）。X射线发生装

27、置与计数管的转角度数可在测角仪圆盘上的刻度读出。 图3. 测角仪构造示意图五、实验使用仪器的主要配置及技术参数仪器名称: Bruker D8 Advance X射线粉末衍射仪主要配置: 铜靶X射线陶瓷光管、NaI闪烁计数器技术参数测角仪角度重现性: 0.0001度闪烁计数器线性范围: 2106cps测量角度范围(2): 4140度扫描方式: /联动六、实验内容1. 制备好样品,设定好测试参数和狭缝,在衍射仪上进行测量。作出衍射图,记录测量的实验条件如靶材、光管电流、光管电压、狭缝、扫描时间、扫描步长、量程、滤波片。2. 进行图谱处理:扣除背景、平滑、除去K2峰、寻峰、标注d值。3. 检索/匹配

28、:在Search/Match框内点击“Search”,进行微机检索/匹配确认物相,同时记录所属晶系、晶胞参数、(hkl)值、卡片号、z值等。七、实验步骤1. 粉末样品制备:将被测试样品在玛瑙研钵中研成10微米左右(200300目)的细粉,然后将适量的细粉填入样品架的凹槽,用平整的玻璃将其压平。2. 数据采集2.1 将制备好的试样放入样品台,关好防护门,即可开始实验测试。2.2 打开桌面的DIFFRACplus Measurement Part 文件夹。2.3 点击XRD Commander,进入软件操作系统。2.4 按样品要求,输入参数,点击START开始测试。3. 数据处理3.1 打开桌面的

29、DIFFRACplus Evaluation文件夹。3.2 点击EVA,单击File/Import/Scan调入原始数据文件*.raw。3.3 在ToolBox框内进行数据处理:* 背景处理:点击Backgnd,把门槛threshold改为“0”,上下移动滑块调整至合适背景,点击“Replace”显示背景处理后数据.* 删除k2峰:单击Strip k2,单击“Replace”消失.* 平滑处理:点击Smooth,设定需要平滑的参数,上下移动滑块进行调整,至调整合适后,单击“Replace”.* 寻峰:单击Peak Search自动寻峰,设定寻峰参数对全谱衍射数据进行检索.参数门槛是高门槛thr

30、eshold(低于此高度的峰不标定)与峰宽,设定最小峰宽With(最小min与最大max,高与低于此峰不标定),可上下移动滑块进行调整,点击“Append tolist”标定全谱衍射数据d/2值,此时数据在peak状态列于框内.标定漏标峰只需按左键“”拖移至峰顶点击即可,删除峰可点击手册峰与“x”3.4 检索/匹配:点击View,在Search/Match框内点击Search,进行微机检索/匹配确认物相;在Toolbox框内点击PDF Database,查看卡片内容八、作业题1. 打开X射线光管之前为何一定要先开启冷却水?2. 狭缝设置的原则是什么?3. 简述样品制备可能对检测结果造成哪些影响?3. 打印标识图谱,记录相关参数及实验数据,通过微机检索/匹配确认物相.X射线粉末衍射物相分析实验记录班级: 姓名: 实验日期:仪器名称与型号: 靶材: 探测器: 电流: 电压: 发散狭缝(DS): 散射狭缝(SS): 接收狭缝(RS): 扫描范围: 扫描步长: 每步扫描时间: 滤波片材料: 找出各衍射峰的2及对应的hkl值2hkl2hkl衍射花样与PDF卡片库中哪张卡片相吻合: 所属晶系: 晶胞参数: Z值:样品号及物相分析结果: