材料测试技术及方法.docx

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1、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2008年9月目录实验一X射线衍射仪使用演示1实验二X射线衍射分析3实验三电子显微分析7实验四扫描电镜的使用演示9实验五紫外、可见分光光度法测试11实验六红外分析13实验七DTA/TG使用演示与分析1619实验八DSC分析实验一X射线衍射仪使用演示一、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

2、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局部。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，晶体中与样品外表平行的晶面，符合布拉格条件时即可产生衍射而被计数管接收。当

3、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D8ADVANCE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。衍射仪均附有外表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

4、样品的制备a.将被测试样在玛瑙研钵中研成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；c.将槽外或富出样品板面多余粉末刮去，重新将样品压平，使样品外表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外表必须与样品板平齐，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

5、随2。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变化的分布曲线。不管是哪一种测量方式，快速扫描的情况下都能相当迅速地给出全部衍射把戏，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。对衍射把戏局部做非常慢的扫描，适合于精细区分衍射把戏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。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

6、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，i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

7、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，使一条线形的后半局部拉宽。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

8、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，翻开稳压电源。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4min,最高扫描角度为65）。翻开记录仪和X光管窗口，使计数管在设定条件下扫描。c.停机

9、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、考前须知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0要使样品晶粒的平均粒径在5m左右，以保证有足够的晶粒参与衍射。并防止晶粒粗大、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

10、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，要想完全防止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。六.思考题1.X射线衍射仪由哪几局部组成？测角仪由哪几局部组成？ZX射线光子计数方法有哪几种？木实验过程中计数器选用的是什么？请简述其工作原理。七、实验报告简述X射线衍射原理、记录

11、X射线衍射仪使用过程。实验二X射线衍射分析一、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，并求出品胞参数。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，假设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：包2=(N=+F)(1)式中

12、人为波长，立方晶系晶胞参数，那么尤是常数，于是sin2|：sin22：sin2m=NrN2:Nm(2)因此，测出试样每个衍射峰的Si/n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拟，便能确定衍射峰的指标、点阵类型和晶胞参数(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把戏，它们的特征可以用各个晶面间距d和相对强

13、度IZIo来表征。其中晶面间距d与晶胞的形状和大小有关，相对强度那么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1/1。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射线物相鉴定的根底。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，将它们的衍射把戏收集起来。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)，衍射把戏的形态也有所不同，难以进行比拟。因此,通常国际上统一将这些衍射把戏经过计算，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

14、，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I/M(2)根据待测相的衍射数据，得出三强线的晶面间距值、d2、d3(最好适当地估计它们的误差)。(3)根据5值，在数值索引中检索适当d组。(4)在该组内，根据d?和d3找出与5、d2、d3值符合较好的一些卡片。假设无适合的卡片,改变dl、d2、d3顺序，再按-(4)方法进行查找。(6)把待测相的所有衍射线的d值和I/h与卡片的数据进行比照，最后获得与实验数据根本吻合的卡片、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

15、据并不完全一致，通常只能是根本一致或相对符合。即使两者所研究的样品确实是同一种物相，也会是这样。因此，在数据比照时注意以下几点，可以有助于作出正确的判断。(1) d的数据比1为数据重要。即实验数据与标准数据两者的d值必须很接近，-般要求其相对误差在1%以内。I/h值容许有较大的误差。这是因为晶面间距d值是由晶体结构决定的，它是不会随实验条件的不同而改变，只是在实验和测量过程中可能产生微小的误差。然而。Dh值却会随实验条件(如靶材、制样方法等)不同产生较大的变化。(2)强线比弱线重要，特别要重视d值大的强线。这是因为强线稳定也较易测得精确；而弱线强度低而不易发觉，判断准确位置也困难，有时还容易缺失。(3)假设实测的衍射数据较卡片中的少几个弱线的衍射数据，不影响物相的鉴定。假设实测的衍射数据较卡片中多几个弱线的衍射数据，说明有杂质混入，假设多几个强线的衍射，说明该样品是多晶混合物。假设一个样品内包含了几种不同的物相，各物相仍保持各自特征的衍射把戏不变，整个样品的衍射把戏相当于它们的迭合。除非两物相衍射线刚好重迭在一起，一般二者之间不会产生干扰，这为我鉴别混合物样品中和各个物相提供了可能。假设多相混合物未知且含量相近，可从每个物相的3条强线考虑：a.从样品的衍射把戏中选择5条相对强度最大的线，取三条进行组合，可得出十组不同的组合，其中至少有三条属于同一个