《材料测试技术及方法》 实验指导书 王卫伟李成峰 材料科学与工程学院 2015年7月
《材料测试技术及方法》 实验指导书 王卫伟 李成峰 材料科学与工程学院 2015 年 7 月
令 录 实验一X射线衍射仪演示与谱图分析 (4学时，演示实验：1号实验楼2楼南，谱图分析：教室) 实验二电子显微分析 9 (2学时，分析：教室) 实验三紫外、可见分光光度法测试 14 (4学时，5号实验楼301) 实验四红外光谱仪演示与谱图分析 16 (4学时，演示实验：1号实验楼3楼南，谱图分析：教室) 实验五差热分析/热重法(DTA/TG)使用演示与谱图分析 17 实验六差示扫描量热法(DSC)使用演示与谱图分析 24 (4学时，演示实验：1号实验楼3楼南，谱图分析：教室) 附录：红外光谱分析参考资料 26
目 录 实验一 X 射线衍射仪演示与谱图分析 1 (4 学时，演示实验：1 号实验楼 2 楼南，谱图分析：教室) 实验二 电子显微分析 9 (2 学时，分析：教室) 实验三 紫外、可见分光光度法测试 14 (4 学时，5 号实验楼 301) 实验四 红外光谱仪演示与谱图分析 16 (4 学时，演示实验：1 号实验楼 3 楼南，谱图分析：教室) 实验五 差热分析/热重法（DTA/TG）使用演示与谱图分析 17 实验六 差示扫描量热法（DSC）使用演示与谱图分析 24 (4 学时，演示实验：1 号实验楼 3 楼南，谱图分析：教室) 附录：红外光谱分析参考资料 26
实验一X射钱衍射仪演示与谱图分析 X射线衍射仪演示 一、实验目的要求 1,了解衍射仪的结构与原理」 2.学习样品的制备方法和实验参量的选择等衍射实验技术。 二、衍射仪的结构及原理 衍射仪是讲行X射线分析的重要设备，主要由X射线发生器、测角仪、记录仪和水冷却系统组成 新衍射仪还带有条件输入和数据处理系统。 X射线发生器主要由高压控制系统和X光管组成，它是产生X射线的装置。由X光管发射出的X 射线包括连续X射线光谱和特征X射线光谱，连续X射线光谱主要用于判断晶体的对称性和进行晶 体定向的劳埃法：特征X射线用于进行品体结构研究的旋转单体法和进行物相鉴定的粉末法， 测角仪是衍射仪的重要部分。X射线源焦点与计数管窗口分别位于测角仪圆周上，样品位于测角 仪圆的正中心。在入射光路上有入射光栏（固定式梭拉狭缝和可调式发射狭缝），在反射光路上也有接 受光栏（固定式梭拉狭缝和可调式防散射狭缝与接收狭缝）。有的衍射仪还在计数管前装有单色器。 当给X光管加以高压，产生的X射线经由发射狭缝射到样品上时，品体中与样品表面平行的品面 符合布拉格条件时即可产生衍射而被计数管接收。当计数管在测角仪圆所在平面内扫描时，样品台与 计数管以1：2速度连动。因此，在某些角位置能满足布拉格条件的晶面所产生的衍射线将被计数管 依次记录并转换成电脉神信号，经放大处理后通过记录仪描绘成行射图。 三、实验仪器设备 德国D8 ADVANCE多品X-射线衍射仪 四、衍射实验方法 X射线衍射实验方法包括样品制备、实验参数选择和样品测试 1.样品制备 在衍射仪法中，样品制作上的差异对衍射结果所产生的影响要比照相法中大得多。因此，制备符 合要求的样品，是衍射仪实验技术中的重要环节。行射仪实验通常使用平板状样品。衍射仪均附有表 面平整光滑的玻璃或铝质的样品板，板上开有窗孔或不穿透的凹槽，样品放入其中进行测定 (1)粉品样品的制备 a.将被测试样在玛腰研体中研成5m左右的细粉： b.将适量研磨好的细粉填入凹槽，并用平整光滑的玻璃板将其压紧 ，将槽外或高出样品板面多余粉末刮去，重新将样品压平，使样品表面与样品板面一样平齐光滑。 (2)特殊样品的制备 对于金属、陶瓷、玻璃等一些不易研成粉末的样品，可先将其银成窗孔大小，磨平一面，再用援 皮泥或石蜡将其固定在窗孔内。对于片状、纤维状或薄膜样品也可取窗孔大小直接嵌在窗孔内。但固 定在窗孔内的样品其平整表面必须与样品板平齐，并对着入射X射线。 2.测量方式和实验参数选择 ()测量方式：有连续扫描和步进扫描法。连续扫描法是由脉冲平均电路混合成电流起伏，而后用长 图记录仪描绘成相对强度随20变化的分布曲线。步进扫描法是由定标器定时或定数测量，并由数据 处理系统显示或打印，或由绘图仪描绘成强度随2日变化的分布曲线。不论是娜一种测量方式，快速 扫描的情况下都能相当迅速地给出全部衍射花样，它适合于物质的预检，特别适用于对物质进行鉴定 或定性估计。对衍射花样局部做非常慢的扫描 适合于精细区分衍射花样的细节和进行定量的测量 例如，混合物相的定量分析，精确的品面间距测定、品粒尺寸和点阵畸变的研究等。 (2)实验参数选择
1 实验一 X 射线衍射仪演示与谱图分析 ——X 射线衍射仪演示 一、实验目的要求 1．了解衍射仪的结构与原理。 2．学习样品的制备方法和实验参量的选择等衍射实验技术。 二、衍射仪的结构及原理 衍射仪是进行 X 射线分析的重要设备，主要由 X 射线发生器、测角仪、记录仪和水冷却系统组成。 新衍射仪还带有条件输入和数据处理系统。 X 射线发生器主要由高压控制系统和 X 光管组成，它是产生 X 射线的装置。由 X 光管发射出的 X 射线包括连续 X 射线光谱和特征 X 射线光谱，连续 X 射线光谱主要用于判断晶体的对称性和进行晶 体定向的劳埃法；特征 X 射线用于进行晶体结构研究的旋转单体法和进行物相鉴定的粉末法。 测角仪是衍射仪的重要部分。X 射线源焦点与计数管窗口分别位于测角仪圆周上，样品位于测角 仪圆的正中心。在入射光路上有入射光栏（固定式梭拉狭缝和可调式发射狭缝），在反射光路上也有接 受光栏（固定式梭拉狭缝和可调式防散射狭缝与接收狭 缝）。有的衍射仪还在计数管前装有单色器。 当给 X 光管加以高压，产生的 X 射线经由发射狭缝射到样品上时，晶体中与样品表面平行的晶面， 符合布拉格条件时即可产生衍射而被计数管接收。当计数管在测角仪圆所在平面内扫描时，样品台与 计数管以 1：2 速度连动。 因此，在某些角位置能满足布拉格条件的晶面所产生的衍射线将被计数管 依次记录并转换成电脉冲信号，经放大处理后通过记录仪描绘成衍射图。 三、实验仪器设备 德国 D8 ADVANCE 多晶 X-射线衍射仪 四、衍射实验方法 X 射线衍射实验方法包括样品制备、实验参数选择和样品测试。 1．样品制备 在衍射仪法中，样品制作上的差异对衍射结果所产生的影响要比照相法中大得多。因此，制备符 合要求的样品，是衍射仪实验技术中的重要环节。衍射仪实验通常使用平板状样品。衍射仪均附有表 面平整光滑的玻璃或铝质的样品板，板上开有窗孔或不穿透的凹槽，样品放入其中进行测定。 （1）粉晶样品的制备 a．将被测试样在玛瑙研钵中研成 5μm 左右的细粉； b．将适量研磨好的细粉填入凹槽，并用平整光滑的玻璃板将其压紧； c．将槽外或高出样品板面多余粉末刮去，重新将样品压平，使样品表面与样品板面一样平齐光滑。 （2）特殊样品的制备 对于金属、陶瓷、玻璃等一些不易研成粉末的样品，可先将其锯成窗孔大小，磨平一面，再用橡 皮泥或石蜡将其固定在窗孔内。对于片状、纤维状或薄膜样品也可取窗孔大小直接嵌在窗孔内。但固 定在窗孔内的样品其平整表面必须与样品板平齐，并对着入射 X 射线。 2．测量方式和实验参数选择 （1）测量方式：有连续扫描和步进扫描法。连续扫描法是由脉冲平均电路混合成电流起伏，而后用长 图记录仪描绘成相对强度随 2θ变化的分布曲线。步进扫描法是由定标器定时或定数测量，并由数据 处理系统显示或打印，或由绘图仪描绘成强度随 2θ变化的分布曲线。不论是哪一种测量方式，快速 扫描的情况下都能相当迅速地给出全部衍射花样，它适合于物质的预检，特别适用于对物质进行鉴定 或定性估计。对衍射花样局部做非常慢的扫描，适合于精细区分衍射花样的细节和进行定量的测量。 例如，混合物相的定量分析，精确的晶面间距测定、晶粒尺寸和点阵畸变的研究等。 （2）实验参数选择
a。狭缝：狭缝的大小对衍射强度和分辨率都有影响。大狭缝可得较大的衍射强度，但降低分辨率 小狭缝提高分辨率但损失强度。一般需要提高强度时宜洗取大些狭缝，需要高分辩密时宜洗小些狭缝 尤其是接收狭缝对分辨率母影响更大。每台衍射仪都配有各种狭缝以供选用。 b。量程：指记录纸满刻度时的计数（率）强度。增大量程表现为X射线记录强度的衰减，不改变 衍射峰的位置及宽度，并使背底和峰形平滑，但却能掩盖弱峰使分辨率降低， 一股分析测量中量程这 择应适当。当测量结晶不良的物质或主要想分辨弱峰时，宜选用小量程：当测量结晶良好的物质或主 要想探测强峰时，量程可以适当大些，但以能使弱峰显示，强峰不超出记录纸满标为限。 ©.时间常数和预置时间：连续扫描测量中采用时间常数，指计数率仪中脉冲平均电路对脉冲响应的 快慢程度。时间常数大，脉冲响应慢，对脉冲电流具有拉大的平整作用，不易辨出电流随时间变化的 细带，因而，强度线形相对光滑，峰形变宽，高度下降，峰形移向扫措方向：时间常数过大，还会引 起线形不对称， 使一条线形的后半部分拉宽。反之，时间常数小 能如实绘出计数脉冲到达速率的 计变化，易于分辨出电流时间变化的细节，使弱峰易于分辨，衍射线形和衍射强度更加其实。计数率 仪均配有多种可供选择的时间常数。步进扫描中采用预置时间来表示定标器一步之内的计数时间，起 若与时间常数类似的作用，也有多种可供选择的方式。 d.扫描速度和步宽 连续扫描中采用的扫描速度是指计数器转动的角速度。慢速扫描可使计数器在某衍射角度范围内 序留的时间更长，接收的脉冲数日更多，使衍射数据更加可靠。但需要花费较长的时间，对于结细的 测量应采用慢扫描。物相的预检或常规定性分析可采用快扫描， 在实际应用中可根据测量需要选用不 同的扫描速度。步进扫描中用步宽来表示计数管每步扫描的角度，有多种方式表示扫描速度 3.样品测量 (1)衍射仪的操作 a.开机前的准备和检查：将制备好的试样插入衍射仪样品架，盖上顶盖关闭好防护罩。合上水泵电 源，使冷却水流通。检查X光管窗口应关闭，管流管压表指示最小位置。接通总申源，打开稳压申源 。开机操作：开启衍射仪总申题，启动循环水泵。接桶X光管申源，缓慢升高电压和申流至需题 值（通常设定电压为35KV,电流为20mA)。设置适当的衍射条件（扫描速度为4m ,最高扫描角 度为65)。打开记录仪和X光管窗口，使计数管在设定条件下扫描。 ©.停机操作：测量完毕，关闭X光管窗口和记录仪电源。利用快慢旋转使测角仪计数管恢复至初 始状态。缓慢顺序降低管电流电压至最小值，关闭X光管电源，取出试样。15mn后关闭循环水泵电 源，关闭衍射仪总电源。 五、注意事项 1。制样中应注意的问题 (1)样品粉末的粗细： 样品的粗细对衍射峰的强度有很大的影响。要使样品晶粒的平均粒径在5μm 左右，以保证有足够的品粒参与衍射。并避免晶粒粗大、晶体的结晶完整，亚结构大，或镶嵌块相互 平行，使其反射能力降低，造成衰减作用，从而影响衔射强度。 (2)样品的择优取向：具有片状或柱状完全解理的样品物质，其粉末 一般都呈细片状或细律状，在制 作样品过程中易于形成择优取向，形成定向排列，从而引起各衍射峰之间的相对强度发生明显变化， 有的甚至是成倍地变化。对于此类物质，要想完全避免样品中粉末的择优取向，往往是难以做到的。 不过，对粉末进行长时间（例如达半小时）的研磨，使之尽量细碎：制样时尽量轻压：必要时还可在 样品粉末中掺和等体积的细粒硅胶：这些措施都能有助于诚少择优取向。 2。实验参数的选择 根据研究工作的需要选用不同的测量方式和选择不同的实验参数，记录的衍射图谱不同，因此在衍 射图谱上必须标明主要的实验参数条件。 实验一X射线衍射仪演示与谱图分析
2 a．狭缝：狭缝的大小对衍射强度和分辨率都有影响。大狭缝可得较大的衍射强度，但降低分辨率； 小狭缝提高分辨率但损失强度。一般需要提高强度时宜选取大些狭缝，需要高分辨率时宜选小些狭缝， 尤其是接收狭缝对分辨率影响更大。每台衍射仪都配有各种狭缝以供选用。 b．量程：指记录纸满刻度时的计数（率）强度。增大量程表现为 X 射线记录强度的衰减，不改变 衍射峰的位置及宽度，并使背底和峰形平滑，但却能掩盖弱峰使分辨率降低，一般分析测量中量程选 择应适当。当测量结晶不良的物质或主要想分辨弱峰时，宜选用小量程；当测量结晶良好的物质或主 要想探测强峰时，量程可以适当大些，但以能使弱峰显示，强峰不超出记录纸满标为限。 c．时间常数和预置时间：连续扫描测量中采用时间常数，指计数率仪中脉冲平均电路对脉冲响应的 快慢程度。时间常数大，脉冲响应慢，对脉冲电流具有较大的平整作用，不易辨出电流随时间变化的 细节，因而，强度线形相对光滑，峰形变宽，高度下降，峰形移向扫描方向；时间常数过大，还会引 起线形不对称，使一条线形的后半部分拉宽。反之，时间常数小，能如实绘出计数脉冲到达速率的统 计变化，易于分辨出电流时间变化的细节，使弱峰易于分辨，衍射线形和衍射强度更加真实。计数率 仪均配有多种可供选择的时间常数。步进扫描中采用预置时间来表示定标器一步之内的计数时间，起 着与时间常数类似的作用，也有多种可供选择的方式。 d．扫描速度和步宽 连续扫描中采用的扫描速度是指计数器转动的角速度。慢速扫描可使计数器在某衍射角度范围内 停留的时间更长，接收的脉冲数目更多，使衍射数据更加可靠。但需要花费较长的时间，对于精细的 测量应采用慢扫描，物相的预检或常规定性分析可采用快扫描，在实际应用中可根据测量需要选用不 同的扫描速度。步进扫描中用步宽来表示计数管每步扫描的角度，有多种方式表示扫描速度。 3．样品测量 （1）衍射仪的操作 a．开机前的准备和检查：将制备好的试样插入衍射仪样品架，盖上顶盖关闭好防护罩。合上水泵电 源，使冷却水流通。检查 X 光管窗口应关闭，管流管压表指示最小位置。接通总电源，打开稳压电源。 b．开机操作：开启衍射仪总电源，启动循环水泵。接通 X 光管电源，缓慢升高电压和电流至需要 值（通常设定电压为 35KV，电流为 20mA）。设置适当的衍射条件（扫描速度为 4 º/min，最高扫描角 度为 65 º）。打开记录仪和 X 光管窗口，使计数管在设定条件下扫描。 c．停机操作：测量完毕，关闭 X 光管窗口和记录仪电源。利用快慢旋转使测角仪计数管恢复至初 始状态。缓慢顺序降低管电流电压至最小值，关闭 X 光管电源，取出试样。15min 后关闭循环水泵电 源，关闭衍射仪总电源。 五、注意事项 1．制样中应注意的问题 （1）样品粉末的粗细：样品的粗细对衍射峰的强度有很大的影响。要使样品晶粒的平均粒径在 5μm 左右，以保证有足够的晶粒参与衍射。并避免晶粒粗大、晶体的结晶完整，亚结构大，或镶嵌块相互 平行，使其反射能力降低，造成衰减作用，从而影响衍射强度。 （2）样品的择优取向：具有片状或柱状完全解理的样品物质，其粉末一般都呈细片状或细律状，在制 作样品过程中易于形成择优取向，形成定向排列，从而引起各衍射峰之间的相对强度发生明显变化， 有的甚至是成倍地变化。对于此类物质，要想完全避免样品中粉末的择优取向，往往是难以做到的。 不过，对粉末进行长时间（例如达半小时）的研磨，使之尽量细碎；制样时尽量轻压；必要时还可在 样品粉末中掺和等体积的细粒硅胶：这些措施都能有助于减少择优取向。 2．实验参数的选择 根据研究工作的需要选用不同的测量方式和选择不同的实验参数，记录的衍射图谱不同，因此在衍 射图谱上必须标明主要的实验参数条件。 实验一 X 射线衍射仪演示与谱图分析
谱图分析 一、实验目的要求 1.通过标定立方晶系S粉衍射指数，掌握指标化原理和方法，并求出晶胞参数。 2.根据衍射图谱或数据，利用CPDS卡片，学会多物相鉴定方法。 3 定量分析第二相的含量 4.用半高宽法测定陶瓷粉末的品粒大小。 二、分析原理 1.衍射指数标定 在实际工作中，若己知点阵类型和晶胞参数而需要对粉末衍射图进行指数标定，较为简单，只要 依据各品面间距与品胞参数的关系式和消光规律就可完成。立方品系品体指标化较为简单，四方、三 方和六方品系品体指标化问题可参考相关资料用立方品系指标化步摩获得。由立方品系面间距公式和 布拉格方程可得到 sin20λ =4gW=++ (1)式中为波长，a立方晶系晶胞参数，则足是常数， 于是sin20:sin20:sin20a=N1:N2Nm(2) 因此，测出试样每个衍射峰的sm0值之后，就可算出它们之间的比值，并与立方品系的系统消 光规律相比较，便能确定衍射峰的指标、点阵类型和晶胞参数a(m)。 2物相鉴定 1)原理 根据品体对X射线的衍射特征：衍射线的方向和强度来鉴定结晶物质的物相的方法，就是X射线 物相分析法。 每一种结晶物质都有各自独特的化学组成和晶体结构。没有任何两种物质，它们的晶胞大小、质 点种类及其在晶胞中的排列方式是完全一致的。因此，当X射线被晶体射时，每一种结晶物质都有 自己独特的衍射花样，它们的特征可以用各个品面间距d和相对强度来表征。其中品面间距d与 晶胞的形状和大小有关，相对强度则与质点的种类及其在晶胞中的位置有关。所以任何一种结晶物质 的衍射数据d和是其晶体结构的必然反映，因而可以根据它们来鉴别结品物质的物相 标准物质的X射线衍射数据是X射线物相鉴定的基础。为此，人们将世界上的成千上万种结晶 物质进行行射或照相，将它们的衍射花样收集起来。由于底片和衍射图都难以保存，并且由于各人的 实验的条件不同（如所使用的X射线波长不同），衍射花样的形态也有所不同，难以进行比较。因此 通常国际上统一将这些衍射花样经过计算，换算成衍射线的品面间距值和强度I,制成JCPDS卡片 进行保存。 2)物相鉴完 (1)获得衍射图后，测量衍射峰的2，计算出晶面间距d,并测量各条衍射线的峰高，以最高的峰的 强度作为100，计算出每条衍射峰的相对强度/1。 (2)根据待测相的衍射数据，得出三强线的品面间距值d、d,、d2(最好适当地估计它们的误差) (3)根据d值，在数值索引中检索适当d组。 (4)在该组内，根据山2和山找出与d、d2、d值符合较好的一些卡片。 (5)若无适合的卡片，改变d1、d2、d顺序，再按(2)·(4)方法进行查找。 (6)把待测相的所有衍射线的值和M与卡片的数据进行对比，最后获得与实验数据基本吻合的卡 片，卡片上所示物质即为待测相 3)物相鉴定中应注意的问题 实验所得出的行射激据，往往与标准卡片或表上所列的行射数据并不完全一致，通常只能是基木 3
3 ——谱图分析 一、实验目的要求 1．通过标定立方晶系 Si 粉衍射指数，掌握指标化原理和方法，并求出晶胞参数。 2．根据衍射图谱或数据，利用 JCPDS 卡片，学会多物相鉴定方法。 3．定量分析第二相的含量 4. 用半高宽法测定陶瓷粉末的晶粒大小。 二、分析原理 1. 衍射指数标定 在实际工作中，若已知点阵类型和晶胞参数而需要对粉末衍射图进行指数标定，较为简单，只要 依据各晶面间距与晶胞参数的关系式和消光规律就可完成。立方晶系晶体指标化较为简单，四方、三 方和六方晶系晶体指标化问题可参考相关资料用立方晶系指标化步骤获得。由立方晶系面间距公式和 布拉格方程可得到： 2 2 2 4 sin N a ( ) 2 2 2 N h k l （1）式中λ为波长， a 立方晶系晶胞参数，则 2 2 4a 是常数， 于是 sin 2θ1: sin 2θ2:: sin 2θm=N1:N2:.:Nm (2) 因此，测出试样每个衍射峰的 sin 2θm 值之后，就可算出它们之间的比值，并与立方晶系的系统消 光规律相比较，便能确定衍射峰的指标、点阵类型和晶胞参数 a (nm)。 2.物相鉴定 1）原理 根据晶体对 X 射线的衍射特征：衍射线的方向和强度来鉴定结晶物质的物相的方法，就是 X 射线 物相分析法。 每一种结晶物质都有各自独特的化学组成和晶体结构。没有任何两种物质，它们的晶胞大小、质 点种类及其在晶胞中的排列方式是完全一致的。因此，当 X 射线被晶体衍射时，每一种结晶物质都有 自己独特的衍射花样，它们的特征可以用各个晶面间距 d 和相对强度 I/I0来表征。其中晶面间距 d 与 晶胞的形状和大小有关，相对强度则与质点的种类及其在晶胞中的位置有关。所以任何一种结晶物质 的衍射数据 d 和 I/I0是其晶体结构的必然反映，因而可以根据它们来鉴别结晶物质的物相。 标准物质的 X 射线衍射数据是 X 射线物相鉴定的基础。为此，人们将世界上的成千上万种结晶 物质进行衍射或照相，将它们的衍射花样收集起来。由于底片和衍射图都难以保存，并且由于各人的 实验的条件不同（如所使用的 X 射线波长不同），衍射花样的形态也有所不同，难以进行比较。因此， 通常国际上统一将这些衍射花样经过计算，换算成衍射线的晶面间距 d 值和强度 I，制成 JCPDS 卡片 进行保存。 2） 物相鉴定 （1）获得衍射图后，测量衍射峰的 2θ，计算出晶面间距 d，并测量各条衍射线的峰高，以最高的峰的 强度作为 100，计算出每条衍射峰的相对强度 I/Il。 （2）根据待测相的衍射数据，得出三强线的晶面间距值 d1、d2、d3（最好适当地估计它们的误差）。 （3）根据 d1值，在数值索引中检索适当 d 组。 （4）在该组内，根据 d2和 d3找出与 d1、d2、d3值符合较好的一些卡片。 （5）若无适合的卡片，改变 d1、d2、d3顺序，再按（2）-（4）方法进行查找。 （6）把待测相的所有衍射线的 d 值和 I/Il与卡片的数据进行对比，最后获得与实验数据基本吻合的卡 片，卡片上所示物质即为待测相。 3）物相鉴定中应注意的问题 实验所得出的衍射数据，往往与标准卡片或表上所列的衍射数据并不完全一致，通常只能是基本