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天津大学出版社：《材料研究方法》书籍教材PDF版 Materials Characterization Methodology（第2版，共十九章，主编：杜希文、原续波）

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文档详细内容（约285页）

绪论l1 绪论材料分析方法是关于材料分析测试理论及技术的一门课程。成分、结构、加工和性能是材料科学与工程的四个基本要素，成分和结构从根本上决定了材料的性能，对材料的成分和结构进行精确表征是材料研究的基本要求，也是实现性能控制的前提。为了深入理解材料的本质、提高材料研究水平，必须掌握先进的材料分析方法。 1.材料分析的主要内容材料分析不仅包括材料整体的成分、结构分析，也包括材料表面与界面分析、微区分析形貌分析等诸多内容。材料分析已经成为材料科学的重要研究手段，广泛用于解决材料理论和工程实际问题。本教材将材料分析分为四部分。 (1)表面和内部组织形貌包括材料的外观形貌（如纳米线、断口、裂纹等）、晶粒大小与形态、界面（表面、相界、晶界）。 (2)晶体的相结构各种相的结构（即晶体结构类型和晶体常数）、相组成、各种相的尺寸与形态、含量与分布、位向关系（新相与母相、李生相）、晶体缺陷（点缺陷、位错、层错）、夹杂物。 (3)化学成分和价键（电子）结构包括宏观和微区化学成分（不同相的成分、基体与析出相的成分)、同种元素的不同价键类型和化学环境。 (4)有机物的分子结构包括高分子链的局部结构（官能团、化学键）、构型序列分布共聚物的组成等。相应地，材料分析方法可以分为形貌分析、物相分析、成分与价键分析及分子结构分析四大类。此外，基于其他物理性质或电化学性质与材料的特征关系而建立的色谱分析、质谱分析、电化学分析及热分析等方法也是材料分析的重要方法。但相对而言，上述四大类方法在材料研究中的应用更为广泛，因此本教材重点介绍这四类常见的分析方法。 2.材料分析方法的理论依据尽管材料分析方法纷繁复杂，但它们也具有共同之处。除了个别研究方法（如扫描探针显微镜)以外，基本上都是利用人射电磁波或物质波(X射线、电子束、可见光、红外光)与材料作用，产生携带样品信息的各种出射电磁波或物质波(X射线、电子束、可见光、红外光)，探测这些出射的信号，进行分析处理，即可获得材料的组织、结构、成分、价键信息。下面对四类主要的分析方法作简单介绍。 (1)组织形貌分析微观结构的观察和分析对于理解材料的本质至关重要，组织形貌分析借助各种显微技术，探索材料的微观结构。表面形貌分析技术经历了光学显微镜 (OM)、电子显微镜(SEM)、扫描探针显微镜(SPM)的发展过程，现在已经可以直接观测到原子的图像。 (2)晶体物相分析晶体物相分析是指利用衍射的方法探测晶格类型和晶胞常数，确仅限读者PB18030910本人使用，阅毕请删除，不要传播

2材料分析方法定物质的相结构。主要的晶体物相分析方法有三种：X射线衍射(XRD)、电子衍射(ED)及中子衍射(ND),其共同的原理是：利用电磁波或运动电子束，中子束等与材料内部规则排列的原子作用产生相干散射，获得材料内部原子排列的信息，从而重组出物质的结构。 (3)成分和价键（电子）结构分析大部分成分和价键（电子）结构分析方法都是基于同一个原理，即核外电子的能级分布反映了原子的特征信息。利用不同的入射波激发核外电子，使之发生层间跃迁，在此过程中产生元素的特征信息。按照出射信号的不同，成分分析方法可以分为两类：X光谱和电子能谱，出射信号分别是X射线和电子。X光谱包括X 射线荧光光谱(XFS)和电子探针X射线显微分析(EPMA)两种，而电子能谱包括X射线光电子能谱(XPS)、俄歇电子能谱(AES)、电子能量损失谱(EELS)等。 (4)分子结构分析其基本原理是利用电磁波与分子键、原子核的作用，获得分子结构信息。红外光谱(R)、拉曼光谱(Raman)、荧光光谱(PL)等是利用电磁波与分子键作用时的吸收或发射效应，而核磁共振(NMR)则是利用原子核与电磁波的作用来获得分子结构信息。随着科学研究和生产实践的水平不断提高，现代材料分析方法也获得了突飞猛进的发展，新型的材料研究手段日益精密、全面，并向综合化和大型化发展，比如一台新型的场发射透射电子显微镜，除了具备原子分辨水平的结构分析功能之外，通常配备成分分析附件 (EDS)和电子结构分析附件(EELS),从而具备了全面的分析功能。同时，单一的分析方法已经不能满足人们对于材料分析的要求，在一个完整的研究工作中，常常需要综合利用组织形貌分析、晶体物相分析、成分和价键（电子）结构分析才能获得丰富而全面的信息。 3.本教材的结构和特点本教材分为四篇，分别为组织形貌分析、晶体物相分析、成分和价键（电子）结构分析分子结构分析，每一篇中的材料分析方法具有共同的原理。在每一篇的开始，专门设一章概论来介绍该类分析的含义，介绍共同的理论基础，对各种技术手段作分析对比。本教材的编著者来自科研和教学的第一线，具有丰富的材料分析和仪器使用经验，依照材料研究方法的基本原理，将各种分析手段按照材料研究的本质分类，使知识的系统性大大提高，这是本教材的第一个特点。编著者通过自己的理解和分析，提炼出每一类分析方法共同的本质，对共同的原理进行深人分析和介绍，便于学生从本质上理解基本原理，这是本教材的第二个特点本教材的第三个特点是对分析方法进行有选择的介绍。材料分析方法纷繁复杂，很难也没有必要在一本教材里对每种方法进行详细的介绍。本教材首先精选出若干种最常规和广泛使用的分析方法，其次着重从每种分析方法的分析原理上介绍，避免对仪器细节和公式推导的过多铺陈，从而有助于学生抓住重点，获得明晰的认识。本教材的另一个特点是使用大量典型研究成果作为范例，使学生对于仪器的使用效果产生直观的认识，有助于将来的实际运用。仅限读者PB18030910本人使用，阅毕请删除，不要传播

第1章组织形貌分析概论3 第1篇组织形貌分析第1章组织形貌分析概论微观结构的观察和分析对于理解材料的本质至关重要。一部探索微观世界的历史，是建立在不断发展的显微技术之上的，从光学显微镜到电子显微镜，再到扫描探针显微镜，人们观测显微组织的能力不新提高，现在已经可以直接观测到原子的图像。光学显微镜首先打开了人类的视野，使人们看到了神奇的微观世界，它的最高分辨率为 0.2μm,比人眼的分辨率提高了500倍。光学显微镜最先用于医学及生物学方面，直接导致了细胞的发现，在此基础上形成了19世纪最伟大的发现之一细胞学说。冶金及材料学工作者利用显微镜观察材料的显微结构，例如：经过抛光腐蚀后可以看到不同金属或合金的晶粒大小及特点，从而判断其性能及形成条件，使人们能够按照自己的意愿改变金属的性能，或合成新的合金。在失效分析过程中光学显微镜也是一种不可缺少的手段，由于加工工艺、方法和步骤不当造成的材料缺陷以及使用中条件和环境的变化导致的损坏，都能通过检验微观组织来识别。此外，光学显微镜在印刷电路板、半导体元件、生物、医学等领域都得到广泛的应用。光在通过显微镜的时候要发生衍射，使物体上的一个点在成像的时候不会是一个点，而是一个衍射光斑。如果两个衍射光斑靠得太近，它们将无法被区分开来。所以使用可见光作为光源的显微镜的分辨率极限是0.2μm。分辨率与照明源的波长直接相关，若要提高显微镜的分辨本领，关键是要有短波长的照明源。紫外线的波长比可见光的短，在130~390 m的范围。由于绝大多数样品物质都强烈地吸收短波长紫外线，因此，可供照明使用的紫外线限于波长200~250m的范围。这样，用紫外线作照明源，用石英玻璃透镜聚焦成像的紫外线显微镜分辨率可达1O0m左右，比用可见光作光源的显微镜提高了一倍。X射线波长很短，在0.05~10m的范围，y射线的波长更短，但是由于它们直线传播且具有很强的穿透能力，不能直接被聚焦，不适于作显微镜的照明源。因此，必须寻找一种波长短，又能聚焦成像的新型照明源，才有可能突破光学显微镜的分辨率极限。 1924年，德国物理学家De Broglie鉴于光的波粒二象性提出这样一个假设：运动的实物粒子（静止质量不为零的粒子：电子、质子、中子等）都具有波动性质。这个假设后来被电子仅限读者PB18030910本人使用，阅毕请删除，不要传播

4川材料分析方法衍射实验所证实。运动电子具有波动性使人们想到可以用电子作为显微镜的光源。1926 年Bush提出用轴对称的电场和磁场聚焦电子线。在这两个理论的基础上，1931一1933年 Ruska等设计并制造了世界第一台透射电子显微镜。1952年，英国工程师Charles Oatley发明了用于组织形貌分析的扫描电子显微镜(SEM)。扫描电子显微镜是将电子枪发射出来的电子聚焦成很细的电子束，用此电子束在样品表面进行逐行扫描，电子束激发样品表面发射二次电子，二次电子被收集并转换成电信号，在荧光屏上同步扫描成像。由于样品表面形貌各异，发射的二次电子强度不同，对应地在屏幕上亮度不同，从而得到表面形貌像。目前扫描电子显微镜的分辨率已经达到了2m左右。扫描电镜与X射线能谱配合使用，能够在分析表面形貌的同时还能分析样品的元素成分及在相应视野内的元素分布。因此，扫描电镜不是对光学显微镜的简单延伸，而是一种能够同时实现形貌和成分分析的仪器。在研究物质的微观结构及性能方面，它已经成为必要的分析手段。在各类分析手段中，它使用率最高，是研究物质表面结构最有效的工具，不但可以用来检查金属或非金属的断口、磨损面、涂覆面、粉末、复合材料、切削表面、抛光以及蚀刻表面等，而且可对物体表面迅速进行定性与定量分析。其也广泛地应用于磁头、印刷电路板、半导体元件、材料、生物、医学、电子束微影等的研究、生产制造与分析检验中」用电子代替光，已经是一个伟大的进步，但是创新水无止境。1983年，BM公司的两位科学家Gerd Binnig和Heinrich Rohrer(见图1-)发明了扫描隧道显微镜(STM)。这种显微镜比电子显微镜更新奇，它完全失去了传统显微镜的含义。扫描隧道显微镜依靠所谓的 “隧道效应”工作。扫描隧道显微镜没有镜头，它使用一根探针，在探针和物体之间加上电压。如果探针距离物体表面很近一大约在纳米级的距离上—隧道效应就会起作用。电子会穿过物体与探针之间的空隙，形成一股微弱的电流。如果探针与物体的距离发生变化，汶股电流也会相应地改变。这样通村侧量电流就可以探测物体表面的形状其分雄率可可以达到原子的级别。因为这项奇妙的发明，Binnig和Rohrer获得了1986年的诺贝尔物理学奖。今天，这项技术已经被推广到许多方面，改变微探针的性能，可以测量样品表面的导电性，导磁性等，现在已经形成了庞大的扫描探针显微镜(SPM)家族。建立在SPM技术之上的纳米加工工艺研究、纳米结构理化性能表征、材料和器件纳米尺度形貌分析、高密度储存技术，是当今科学技术中最活跃的前沿领域。它已被用来探测各种表面力、纳米力学性能对生物过程进行现场观察；还被用来将电荷定向沉积、对材料进行纳米加工等图I-1 Emst Ruska,Gerd Binnig和Heinrich Rohrer(从左至右)分别因为发明电子显微镜和扫描隧道显微镜而分享1986年的诺贝尔物理学奖仅限读者PB18030910本人使用，阅毕请删除不要传播

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