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1、近代分析方法绪言本讲稿第一页，共十六页绪绪言言 本讲稿第二页，共十六页1.1.材料的性能材料的性能 材料、能源、信息材料、能源、信息 被称为人类物质文明的三大支柱被称为人类物质文明的三大支柱,而材料又是开发、提炼、储运和转化能源以及转播、而材料又是开发、提炼、储运和转化能源以及转播、利用、控制信息的重要物质基础。正是由于材料在人利用、控制信息的重要物质基础。正是由于材料在人类文明史上的重要性类文明史上的重要性,因此历史学家人类使用的材料来因此历史学家人类使用的材料来划分历史时代划分历史时代.如：如：石器时代石器时代石头坚硬石头坚硬,人类用石头制作工具；人类用石头制作工具；青铜时代青铜时代人类利
2、用能源还原了铜和锡人类利用能源还原了铜和锡,用硬而用硬而 韧的青铜来制作工具；韧的青铜来制作工具；铁器时代铁器时代人类在更高的温度还原了铁人类在更高的温度还原了铁,用性能用性能 更优、价格更低的铁来制作工具；更优、价格更低的铁来制作工具；电子时代电子时代人类发现了硅、砷化镓的半导体特人类发现了硅、砷化镓的半导体特 性性,制造大规模集成电路。制造大规模集成电路。本讲稿第三页，共十六页 那么什么是材料呢？材料的定义如下：那么什么是材料呢？材料的定义如下：材料材料可以为人类可以为人类经济地经济地制造制造有用有用器件的物质器件的物质.材料的性能有那几个方面呢？材料的性能由如下几个材料的性能有那几个方面
3、呢？材料的性能由如下几个方面构成：方面构成：（1 1）简单性能：）简单性能：物理性能物理性能 热、声、光、电、磁热、声、光、电、磁 力学性能力学性能 强度、弹性、塑性、韧性强度、弹性、塑性、韧性 化学性能化学性能 抗氧化、耐蚀、抗老化等抗氧化、耐蚀、抗老化等（2 2）复杂性能）复杂性能：复合性能复合性能 高温疲劳等高温疲劳等 工艺性能工艺性能 铸造性能、可锻性等铸造性能、可锻性等 使用性能使用性能 抗磨性、抗弯性等抗磨性、抗弯性等 本讲稿第四页，共十六页 性能是表征材料的一个参量，仅仅从性能的角度去选择性能是表征材料的一个参量，仅仅从性能的角度去选择材料，当然是性能越高越好；但是仅仅如此是不够
4、的。材料，当然是性能越高越好；但是仅仅如此是不够的。这就引入一个问题，在使用材料时必须考虑经济这就引入一个问题，在使用材料时必须考虑经济性，也就是说必须合理地选择和使用材料，只有这样性，也就是说必须合理地选择和使用材料，只有这样才能做到才能做到物尽所能、物尽其用。物尽所能、物尽其用。今天材料科学已发展成为今天材料科学已发展成为一门多学科的科学，就其类别来说有如下几个方面：一门多学科的科学，就其类别来说有如下几个方面：金金属属材材料：有色金属材料料：有色金属材料黑色金属材料黑色金属材料非金属材料：无机材料非金属材料：无机材料有机材料有机材料本讲稿第五页，共十六页2.2.材料的物理性能与检测材料的
5、物理性能与检测 （见框图（见框图1 11 1）所以这门课实际上是一门近代物理实验方法课。所以这门课实际上是一门近代物理实验方法课。要合理地利用材料、有效地控制材料的性能，要合理地利用材料、有效地控制材料的性能，就必了解材料内部的结构，才能避免产生对材料有就必了解材料内部的结构，才能避免产生对材料有害的结构，生成对性能有益的结构，或是研究外界害的结构，生成对性能有益的结构，或是研究外界条件对材料内部结构的影响去开发性能。条件对材料内部结构的影响去开发性能。那么我们如何了解材料内部结构呢？这就是本次课那么我们如何了解材料内部结构呢？这就是本次课程要学习的内容。程要学习的内容。本讲稿第六页，共十六页
6、3.3.近代物理检测方法近代物理检测方法 近近代代物物理理实实验验方方法法总总是是伴伴随随着着近近代代物物理理的的重重大大发发现现而而产产生生，它它的的发发展展基基于于人人们们对对客客观观世世界界的的更更深深刻刻的的认认识识。随随着着材材料料科科学学的的进进一一步步的的发发展展，人人们们已已不不满满足足于于对对材材料料的的一一般般宏宏观观认认识识，而而是是要要了了解解材材料料内内部部的的组组成成、结结构构，甚甚至至于于每每一一个个原原子子、每每一一个个基基团的键合位置。团的键合位置。大家对近代物理分析仪器并不陌生：大家对近代物理分析仪器并不陌生：如：如：（1 1）透视）透视 体检体检（2 2）
7、（射线断层扫描）（射线断层扫描）（3 3）超声波检查）超声波检查 探伤、体检探伤、体检（4 4）红外光谱分析）红外光谱分析 成分分析、结构分析成分分析、结构分析本讲稿第七页，共十六页近代物理实验领域的诺贝尔奖获得者名单近代物理实验领域的诺贝尔奖获得者名单及获奖的研究领域及获奖的研究领域本讲稿第八页，共十六页设备的特点：设备的特点：(1)(1)复杂、昂贵、多数使用者只能委托分析复杂、昂贵、多数使用者只能委托分析 (2)(2)理论性强理论性强 (3)(3)均有特定的应用范围均有特定的应用范围非专业使用者的学习要求：非专业使用者的学习要求：(1)(1)实验方法可应用于那些研究领域。实验方法可应用于那
8、些研究领域。(1)(1)如何制作样品，仪器对样品有何限制。如何制作样品，仪器对样品有何限制。(3)(3)对实验结果的分析对实验结果的分析在本次课程学习的实验方法：在本次课程学习的实验方法：(1)X(1)X射线衍射仪（射线衍射仪（XRDXRD）(2)(2)透射电镜透射电镜 （TEMTEM）(3)(3)扫描电镜扫描电镜 （SEMSEM）(4)X(4)X射线能谱仪射线能谱仪 （EDXEDX）本讲稿第九页，共十六页4.4.近代物理实验方法的共性近代物理实验方法的共性 近代物理实验方法起源于研究电子或者是光子与近代物理实验方法起源于研究电子或者是光子与物质的相互作用，研究电子、光子与物质作用后所产物质的
9、相互作用，研究电子、光子与物质作用后所产生的信息就可分析物质内部的结构；如人看到物体。生的信息就可分析物质内部的结构；如人看到物体。4.1 4.1 电子、运动电子与物质的相互作用电子、运动电子与物质的相互作用 （1 1）电子的特点：）电子的特点：带电、尺寸小、质量轻、易穿透物质带电、尺寸小、质量轻、易穿透物质 产生易、易加速至高能量产生易、易加速至高能量 因此，电子常常作为许多信号的激发源。因此，电子常常作为许多信号的激发源。本讲稿第十页，共十六页（）运动电子与物质的相互作用：（）运动电子与物质的相互作用：高能电子与物质相互作用后产生许多物理现象，高能电子与物质相互作用后产生许多物理现象，这些
10、现象都与物质本身的结构、性能直接相关。下图这些现象都与物质本身的结构、性能直接相关。下图为高能电子与物质相互作用后的主要物理信息及其作为高能电子与物质相互作用后的主要物理信息及其作用用（图（图1 12 2）：4.2 4.2 光子光子 光子的性能与作用：光子的性能与作用：弹弹 性性 散射散射 衍射衍射 结构分析结构分析 非弹性散射非弹性散射 吸收吸收 结构分析与成份分析结构分析与成份分析 本讲稿第十一页，共十六页5.5.课程简介课程简介第一部分第一部分 X X射线衍射分析技术射线衍射分析技术 主主要要内内容容有有X X射射线线在在晶晶体体中中衍衍射射的的基基本本原原理理、X X射射线线衍射的基本
11、实验方法以及这些方法在材料研究中的应用等等。衍射的基本实验方法以及这些方法在材料研究中的应用等等。第二部分第二部分 电子显微分析技术电子显微分析技术 主要内容包括透射电镜、扫描电镜、电子探针等显微主要内容包括透射电镜、扫描电镜、电子探针等显微分析技术。其中以透射电镜为主。分析技术。其中以透射电镜为主。1 1、透射电子显微学、透射电子显微学 2 2、扫描电子显微学、扫描电子显微学 3 3、X-X-射线显微分析射线显微分析本讲稿第十二页，共十六页6.6.教材及参考书：教材及参考书：一、教材一、教材 周玉、武高辉编著：周玉、武高辉编著：材料分析测试技术材料分析测试技术 哈尔滨工业大学出版社哈尔滨工业
12、大学出版社二、参考书二、参考书(1).(1).李树棠李树棠:金属金属X X射线衍射与电子显微分析技射线衍射与电子显微分析技 术术冶金工业出版社冶金工业出版社(2).(2).B.D.Cullity:B.D.Cullity:Elements of X-rDiffraction Elements of X-rDiffraction 柯列迪柯列迪 著著 冯根源冯根源 译译:X X射线金属学射线金属学 中国工业出版社中国工业出版社 (3).(3).许顺生：许顺生：X X射线金属学射线金属学 上海科学技术出版社上海科学技术出版社 (4).(4).范雄范雄 主编：主编：金属金属X X射线学射线学 机械工业出
13、版社机械工业出版社本讲稿第十三页，共十六页作作 业业 在校园网图书馆的中国学术期刊全文数据库查在校园网图书馆的中国学术期刊全文数据库查找找2 23 3篇与本专业有关的、采用近代物理化学分析篇与本专业有关的、采用近代物理化学分析方法的论文，写一篇方法的论文，写一篇10001000字的综述论文。字的综述论文。内容要求：内容要求：（1 1）所用分析方法、在文中得出得结论；）所用分析方法、在文中得出得结论；（2 2）按作者、论文题目、期刊名称、年、卷、）按作者、论文题目、期刊名称、年、卷、期、页码列出所看参考文献；期、页码列出所看参考文献；（3 3）手写在作业本上。）手写在作业本上。查找方法：图书馆数
14、字资源中国学术期刊全文数据库登录查找方法：图书馆数字资源中国学术期刊全文数据库登录高级检索检索词在中文摘要中检索高级检索检索词在中文摘要中检索本讲稿第十四页，共十六页(1)(1)与电子组态、原子结构之间的关与电子组态、原子结构之间的关系系近代物理实验方法近代物理实验方法(2)(2)与与组组成成成成分分、组组织织结结构构、制制造造工工艺艺 之间的关系之间的关系检测手段检测手段与材料性能进行联系与材料性能进行联系图图11本讲稿第十五页，共十六页对物质进行相分析（XRD）对 物 质 进 行 成 分 分 析（EDX）荧光 成分分析成分与表面分析光电子表面形貌分析（SEM）样品X射线二次电子高能电子透射电子（TEM）波粒二相性 衍射（结构分析）散射 形貌观察扫描透射电子像 内部形貌（STEM）图图12本讲稿第十六页，共十六页