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1、现代材料分析测试技术河南理工大学材料科学与工程学院材料篇绪绪 论论p目的与要求目的与要求使用使用/效能效能合成合成/加工加工成分成分/结构结构性能性能u材料科学与工程材料科学与工程是研究其成分是研究其成分/结构、结构、制备制备/加工、性能、加工、性能、使用性能及其关系使用性能及其关系的科学。的科学。材料科学与工程的定义（国际公认）是：研究有关材料成份材料科学与工程的定义（国际公认）是：研究有关材料成份/结构、制备结构、制备/合成、合成、性能性能/组织和使用效能及其关系的科学技术与生产。对材料四要素的认识和理解，要组织和使用效能及其关系的科学技术与生产。对材料四要素的认识和理解，要有动态的观念，
2、材料科学与工程四个基本要素的说明和控制应放在更高、更深的层有动态的观念，材料科学与工程四个基本要素的说明和控制应放在更高、更深的层次，即分子、原子尺度来阐释和控制。次，即分子、原子尺度来阐释和控制。=材料的结构与成分应更着重于包括分子、原子的类型及所观察尺度范围（纳材料的结构与成分应更着重于包括分子、原子的类型及所观察尺度范围（纳 米、介观、微米、介观、微 观、宏观）内分子、原子的排列组合。观、宏观）内分子、原子的排列组合。使原子（原子团），分子可得到特定排列组合的合成与加工；使原子（原子团），分子可得到特定排列组合的合成与加工；=由不同原子（原子团）、分子及其排列组合所得到的使材料具有值得研
3、究和使用由不同原子（原子团）、分子及其排列组合所得到的使材料具有值得研究和使用的性能；的性能；考虑经济和社会效益的材料使用服役实际条件及其有效性的度量。考虑经济和社会效益的材料使用服役实际条件及其有效性的度量。=四要素是一个整体，内部有机联系是其核心与活力所在。四要素是一个整体，内部有机联系是其核心与活力所在。使用使用/效能效能合成合成/加工加工成分成分/结构结构性能性能“四要素四要素”基本内涵基本内涵 （1 1）材料的成分、组成与结构）材料的成分、组成与结构 从电子、原子尺度到宏观尺度从电子、原子尺度到宏观尺度 成分与分布成分与分布 结构无限变化导演材料复杂性能结构无限变化导演材料复杂性能
4、成分与结构表征成分与结构表征 分析与建模技术分析与建模技术煤炭、金属、水泥、陶瓷等等煤炭、金属、水泥、陶瓷等等（1 1）成分、组成与结构）成分、组成与结构 l成成 分分 设设 计计 “四要素四要素”基本内涵基本内涵l组组 织织 设设 计计 （1 1）成分、组成与结构）成分、组成与结构 “四要素四要素”基本内涵基本内涵l复复 合合 设设 计计 （1 1）成分、组成与结构）成分、组成与结构 “四要素四要素”基本内涵基本内涵（2 2）合成与加工）合成与加工l 所有尺度上原子所有尺度上原子、分子及分子团对结构的控制分子及分子团对结构的控制 l 新结构转化为材料与结构的演化过程新结构转化为材料与结构的演
5、化过程l 宏观加工引发的微观结构变化与宏观加工引发的微观结构变化与“意外意外”现象现象 决定工业生产效率与竞争力决定工业生产效率与竞争力“四要素四要素”基本内涵基本内涵（3 3）性质）性质 材料对外界刺激的整体响应材料对外界刺激的整体响应 各种尺度上的性能测试与分析各种尺度上的性能测试与分析 导向所需综合性能的设计导向所需综合性能的设计“四要素四要素”基本内涵基本内涵（4 4）使用行为）使用行为 材料固有性质与构件功能、能力相结合材料固有性质与构件功能、能力相结合 使用中材料固有性质变化、预测与改善使用中材料固有性质变化、预测与改善 环境中固有性能变化与预测环境中固有性能变化与预测“四要素四要
6、素”基本内涵基本内涵时效行为时效行为组织稳定性组织稳定性蠕变变形蠕变变形老化老化辐照脆化辐照脆化疲劳行为疲劳行为弯曲疲劳弯曲疲劳接触疲劳接触疲劳拉压疲劳拉压疲劳振动疲劳振动疲劳腐蚀行为腐蚀行为环境腐蚀环境腐蚀应力腐蚀应力腐蚀氢脆氢脆复合环境行为复合环境行为 腐蚀腐蚀+疲劳疲劳疲劳疲劳+蠕变蠕变“四要素四要素”基本内涵基本内涵控控性性控控构构控控形形力学性能力学性能物理性能物理性能化学性能化学性能近终形近终形表面完整性表面完整性尺寸精度尺寸精度宏宏观观组组织织（晶晶 粒粒 形形态态与尺寸）与尺寸）微微观观组组织织（亚亚晶晶界界、枝晶间距、次生相）枝晶间距、次生相）强强化化相相的的形形态态、尺尺寸
7、寸及分布及分布多相合金的相结构多相合金的相结构组织均匀性组织均匀性成成分分均均匀匀性性（宏宏观观与与微观偏析）微观偏析）组织致密性组织致密性夹杂、气孔等夹杂、气孔等应力、变形、开应力、变形、开 裂等裂等晶晶体体结结构构缺缺陷陷（点点缺缺陷、位错、孪晶等）陷、位错、孪晶等）非非晶晶、微微晶晶、纳纳米米晶晶及非平衡晶及非平衡晶 设设计计（成成分分结结构构）合合 成成 材料科学与工程材料科学与工程 加加 工工服役服役使用使用14 成份成份/价键、非晶价键、非晶/结晶、微结构结晶、微结构 力学性能力学性能 物理性能物理性能 分析方法分析方法(XRD,TEM,SEM,EDS(XRD,TEM,SEM,ED
8、S)分子结构、非晶分子结构、非晶/结晶、织态结晶、织态 力学性能力学性能 物理性能物理性能 分析方法分析方法(FTIR,NMR,TEM(FTIR,NMR,TEM)高分子材料无机非金属材料 成份成份/价键、结晶价键、结晶/非晶、组织非晶、组织 力学性能力学性能 物理性能物理性能 分析方法分析方法(XRD,TEM,SEM,EDS(XRD,TEM,SEM,EDS)金属材料结构共性知识结构共性知识性能共性理论性能共性理论测试分析共性方法测试分析共性方法 材料科学基础材料科学基础 材料力学性能材料力学性能 材料研究方法材料研究方法 材料物理性能材料物理性能 绪绪 论论15材料科学基础材料科学基础 材料力
9、学性能材料力学性能 材料研究方法材料研究方法 材料物理性能材料物理性能 有限元有限元 人工神经网络人工神经网络 计算相图计算相图 晶体结构精饰晶体结构精饰 现代计算机技术现代计算机技术材料研究计算机应用材料研究计算机应用 绪绪 论论16材料研究计算机材料研究计算机应用应用材料力学性能材料力学性能 材料物理性能材料物理性能 材料科学基础材料科学基础 材料现代研究方法材料现代研究方法 成份/价键、分子结构、晶态、组织结构、织态结构学习内容学习内容 核核 心心 内内 容容 4分析测试技术篇18结构决定性能是自然界永恒的规律结构决定性能是自然界永恒的规律“相”(phase)在体系内部物理性质和化学性质
10、完全均匀的一部分成分和结构完全相同的部分才称为同一个相成分和结构完全相同的部分才称为同一个相 19材料的微观组织结构形貌 相分布、形状、大小、数量等。结构 相的原子排列情况表征；组成相之间的关系缺陷 晶体缺陷表面状态成分 相的成分、界面成分及其分布 材材料料分分析析检检测测技技术术是是关关于于材材料料成成分分、物物相相结结构构、微微观观形形貌貌和和晶晶体体缺缺陷陷等等的的现现代代分分析析、检检测测技技术术及及其其有有关理论知识的科学。关理论知识的科学。20检测分析检测分析分析仪器分析仪器分析过程分析过程信号发生信号发生器产生分析信号信号检测检测器测量信号信号处理信号处理器放大、运算、比较信号读
11、出读出装置记录、显示检测信号与材料的特征关系p材料分析的基本原理（或称技术基础）是指测量材料分析的基本原理（或称技术基础）是指测量信号与材料成分、结构等的特征关系。信号与材料成分、结构等的特征关系。p采用各种不同的测量信号（相应地具有与材料的采用各种不同的测量信号（相应地具有与材料的不同特征关系）形成了各种不同的材料分析方法。不同特征关系）形成了各种不同的材料分析方法。材料的微观组织结构22n基于电磁辐射及运动粒子束与物质相互作用的各种物理效应所建立的各种分析方法已成为材料分析检测的重要组成部分，大体可分为：光光谱谱分分析析、电电子子能能谱谱分分析析、衍衍射射分分析析及及电电子子显显微微分分析
12、析、热热分分析析、核核磁磁共共振振分分析析、色色谱谱分分析析、质质谱谱分析、电化学分析分析、电化学分析材料的微观组织结构23 固体中的原子键合固体中的原子键合 结晶学基础结晶学基础 金属与无机材料结构金属与无机材料结构键合力与能量，杂化轨道的键合，分子轨道的键合，原子间基本键型，离子键、共价键、金属键，弱作用键 晶体的基本概念与性质，晶体的宏观对称，单形与聚形，晶体定向和结晶符号，晶体点阵的对称，晶体的堆积方式 金属的晶体结构，非晶态合金，无机材料的晶体结构，无机熔体与玻璃材料科学基础材料科学基础结构缺陷及固溶体结构缺陷及固溶体 点缺陷，位错，面缺陷，固溶体，非化学计量缺陷，有序和无序固溶体
13、高分子链的结构高分子链的结构 高分子链的组成和构造，高分子链的构象 高分子聚集态结构高分子聚集态结构 高聚物的分子间作用力，聚合物的晶态结构，聚合物的非晶态结构，聚合物的液晶态结构，聚合物的取向态结构，高聚物的热运动和力学状态 组织形貌分析组织形貌分析 物相分析物相分析 成分和价键分析成分和价键分析 光学显微分析，扫描电子显微镜，扫描探针显微镜，扫描隧道显微镜和原子力显微镜。物相分析的意义及含义,电磁波及物质波的衍射理论,X射线衍射物相分析,电子衍射及显微分析 X射线光谱分析(电子探针仪，能谱仪，波谱仪),X射线光电子能谱分析,俄歇电子能谱.材料现代研究方法材料现代研究方法分子结构分析分子结构
14、分析 振动光谱(傅里叶变换红外光谱,拉曼光谱)和核磁共振波谱技术。综合案例分析综合案例分析 以一种材料的综合研究为例，讲授以上四大类材料分析手段在材料研究中如何综合应用，达到实现材料研究的目的。绪绪 论论1、X-射线衍射分析射线衍射分析：物相成分、结晶度、晶粒度信息物相成分、结晶度、晶粒度信息2、电子显微镜、电子显微镜：材料微观形貌观察材料微观形貌观察3、热分析、热分析：分析材料随温度而发生的状态变化分析材料随温度而发生的状态变化4、振动光谱：、振动光谱：分子基团、结构的判定分子基团、结构的判定5、X-射线光电子能谱射线光电子能谱：一种一种表面表面分析技术，表面元素分析分析技术，表面元素分析6
15、、色谱分析、色谱分析：分析混合物中所含成分的：分析混合物中所含成分的物理方法物理方法 7、核磁共振：、核磁共振：分析材料的内部结构分析材料的内部结构材料的微观组织结构 1.化学组成分析：化学组成分析：主要研究原料和制品的化学组成。化学组主要研究原料和制品的化学组成。化学组成分析也叫化学成分分析。常用的分析方成分析也叫化学成分分析。常用的分析方法有：普通化学分析；仪器化学分析（包法有：普通化学分析；仪器化学分析（包括括ICP光谱、直读光谱、射线荧光光谱、光谱、直读光谱、射线荧光光谱、激光光谱等等）。化学分析本课程不介绍。激光光谱等等）。化学分析本课程不介绍。因为化学分析的目的就是知道化学成分含因
16、为化学分析的目的就是知道化学成分含量，不管用那个分析方法，只要能精确告量，不管用那个分析方法，只要能精确告诉我们结果就行。诉我们结果就行。常见的三大类型的分析方法常见的三大类型的分析方法2.微观结构分析微观结构分析微观结构分析主要分析材料的微观晶体微观结构分析主要分析材料的微观晶体结构，即材料由哪几种晶体组成，晶体的结构，即材料由哪几种晶体组成，晶体的晶胞尺寸如何，各种晶体的相对含量多少晶胞尺寸如何，各种晶体的相对含量多少等。等。结构分析常用的方法有结构分析常用的方法有：法、法、TEM法、法、TG法、法、红外法、核法、法、红外法、核磁等。这些方法以及所用的仪器设备是我磁等。这些方法以及所用的仪
17、器设备是我们要学习的重点。们要学习的重点。常见的三大类型的分析方法常见的三大类型的分析方法3.显微组织分析显微组织分析主要是分析材料的微观组织形貌。主要是分析材料的微观组织形貌。显微组织分析常用的分析手段有：普通光学显显微组织分析常用的分析手段有：普通光学显微镜微镜(OM)、扫描电子显微镜（、扫描电子显微镜（M）、透射）、透射电子显微镜（）等。电子显微镜（）等。本课程主要学习和的原理及分析本课程主要学习和的原理及分析方法。方法。常见的三大类型的分析方法常见的三大类型的分析方法本课程与其他课程的关系本课程与其他课程的关系p本门课程是以高等数学、大学物理、无机及分析化学、本门课程是以高等数学、大学物理、无机及分析化学、有机化学、物理化学、晶体学等课程为基础的，因此，有机化学、物理化学、晶体学等课程为基础的，因此，学好这些学好这些前期课程前期课程是学好材料现代分析测试方法的前是学好材料现代分析测试方法的前提。提。p同时，材料现代分析测试方法又为同时，材料现代分析测试方法又为后续专业课程后续专业课程如材如材料合成与制备方法、功能材料、高分子材料等打下基料合成与制备方法、功能材料、高分子材料等打下基础。础。p毕业设计及毕业论毕业设计及毕业论 29必须掌握Know WhyKnow HowKnow What30 努力 成功31谢谢谢谢!Thank you!