材料结构表征及应用-绪论

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9/25/20216:40PM《材料结构表征及应用》课程 9/25/20216:40PM授课教师基本情况介绍李文江办公室：化学化工学院电话：13516854189电子邮件：liwenjiang@upc.edu.cn 9/25/20216:40PM课程教学内容材料结构表征绪论分子光谱分析（红外吸收光谱）分子光谱分析（拉曼光谱）核磁共振波谱（NMR）质谱（MS）X射线衍射分析电子显微技术X射线光电子能谱分析热分析 本课程特点及学习方法本课程特点：（三多一少）叙述性原理、规律多需要记忆的概念术语多课程内容头绪多理论计算少相关学科多（物理学、化学、热力学、光学以及高分子学等） 本课程的特点及学习方法学习方法：作为一门应用学科，基础理论知识要掌握，在理解的基础上加强记忆，注意理论联系实践要学以致用，本课程与材料的结构和表征紧密联系，善于归纳总结，用本学科的基本原理分析、解释生产中的问题和实验结果重视课程的实践性环节 9/25/20216:40PM教学参考书目《材料结构表征及应用》吴刚主编，化学工业出版社《材料近代分析测试方法》常铁军主编，哈尔滨工业大学出版社《仪器分析》ChristianGD王镇浦译，北京大学出版社《仪器分析》，朱明华编，高等教育出版社，2000年7月第3版《热分析质谱法》陆昌伟等编著，上海科学技术文献出版社 9/25/20216:40PM1.课程教学要求《材料结构表征及应用》是材料科学与工程学科专业学生的必修基础课之一通过本课程学习：1.掌握常用材料微观分析方法的基本原理、过程、装备、样品的制备和应用；2.初步具有根据分析的目的，结合各种材料分析测试方法的特点和应用范围，正确选择分析测试方法的能力； 9/25/20216:40PM3.看懂或会分析一般（典型、较简单）的测试结果（图谱与图象等）；4.可以与分析测试专业人员共同商讨有关材料分析研究的实验方案和分析较复杂的测试结果；5.本课程将系统全面地介绍材料科学的基础理论知识，是学生学习其它专业课的基础，也是今后从事材料研究工作的基础。1.课程教学要求 对大家的要求√请不要迟到√请不要喧哗√请关闭通讯工具√请按时交作业 9/25/20216:40PM考核与成绩最终成绩=平时成绩(20%)+期末考试成绩(80%)平时成绩：考勤(10%)、作业(10%)说明:若有下列情况之一者，考核成绩按不及格计！1.若有三次无故不上课者；2.作业不交者； 9/25/20216:40PM第一章绪论材料与人类发展的关系材料结构与材料性能关系1.材料测试方法的概念与分类2.材料测试方法的三个基本要素材料结构表征的基本方法1.化学成分分析结构测定形貌观察主要讲述内容： 9/25/20216:40PM一、20世纪化学的回顾与化学学科发展的趋势1、科技发展的基本考虑20世纪人类认识和利用物质经历三个历史阶段：人类生存：人类生存质量：人类生存安全： 9/25/20216:40PM20世纪有七大技术，第一是合成化学技术20世纪发明了六大技术（1）无线电、半导体、计算机、芯片和网络技术；（2）基因重组、克隆和生物芯片等生物技术；（3）核科学和核武器技术；（4）航空航天和导弹技术；（5）激光技术；（6）纳米技术。新药物、新材料、高分子、化肥、农药的化学合成技术。如果没有发明合成氨和合成尿素，合成第一、二、三代农药，60亿人口将一半饿死；没有发明合成抗生素和新药物，人类寿命缩短；没有三大合成，人类生活受很大影响，没有合成新分子、新材料，上述六大技术无法实现。因此，化学与材料在推动人类进步和科技发展中起了核心的作用 9/25/20216:40PM什么是材料？材料，是指人类能用来制作有用物件的物质；材料有那些呢？ 9/25/20216:40PM新材料主要有——按照材料的物质组成的不同，主要分为：在电子技术和微电子技术中使用的材料，包括半导体材料、介电材料、压电及铁电材料、磁性材料、某些金属材料、高分子材料以及其他相关材料则可称为电子和光电子材料。金属材料，无机非金属材料，新型的有机高分子材料，复合材料等。 9/25/20216:40PM材料与材料科学材料就是用以制造有用物件的（凝聚态）物质材料的发明与使用是人类进步里程的重要标志之一材料、信息与能源为当代文明的三大支柱新材料、信息技术和生物技术是新技术革命的主要标志材料科学，一门多学科交叉的新兴学科材料科学工作者必须具有广泛而坚实的跨学科基础知识 9/25/20216:40PM材料？材料发展与人类文明的关系：新材料是人类文明进步的标志！1：远古文明：发现与使用自然界材料（石器）2：现代文明：自由地合成和设计材料（自然界不存在的各种新材料）3：未来文明：赋予材料类似生命体功能？人类文明进步与材料发展的关系示意图青铜器，铁器 9/25/20216:40PM现代文明：蒸汽机的发明，新型人工合成材料（半导体硅材料为代表）的发现。电子时代光子时代材料？ 9/25/20216:40PM什么是材料测试方法？获取有关材料的组成，结构和性能等相关信息材料结构与材料性能的关系材料测试材料分析材料表征＝＝现代材料科学的发展在很大程度上依赖对材料性能和其成分结构及微观组织关系的理解 9/25/20216:40PM材料测试方法的概念与分类材料测试方法如何分类？从功能上讲，可分为组成测试，结构测试和性能测试三种方法从技术上讲，材料测试方法可以分成两类：主动式和被动式 9/25/20216:40PM激发源（电磁波，粒子束，电场，磁场，热，力等）主动式（含激发源式材料测试方法）材料响应的传感与变换数据采集处理与组成，结构，性能等相关的某种响应材料测试方法的概念与分类 9/25/20216:40PM直接获得有关材料物理、化学性能等固有信息，如尺寸大小、状态、重（质）量、颜色、形状、运动情况等等；亦可根据材料物理、化学性能的差异间接推断材料的组成和结构信息，如色谱分析法、原子力显微分析等。被动式（无激发源式材料测试方法）材料测试方法的概念与分类 9/25/20216:40PM材料微观分析技术绪论宏观上的性能测试和微观上的组成与结构表征，这两个方面构成了材料的检测评价技术材料设计的重要依据来源于对材料的微观组成和结构分析材料制备的实际效果必须通过材料微观分析的检验材料科学的进展极大地依赖于对材料进行微观分析表征的技术水平材料研究与微观分析技术 9/25/20216:40PM材料研究的四大要素现代材料科学的发展在很大程度上依赖对材料性能和其成分结构及微观组织关系的理解合成与加工固有性质使用性能结构和成分 9/25/20216:40PM材料的性质物理性质力学性质化学性质化学组成微观结构相结构晶粒尺寸及分布耐腐蚀性杂质含量结晶度分子量及分布立体结构晶体结构空隙度熔点热性质磁性质光学性质电学性质重力性质拉伸性韧性延展性疲劳度硬度蠕变性延伸性抗冲击性压缩性动态力学性质模量 9/25/20216:40PM结构与性能的关系传统的“炒菜”法电子结构，原子结构和化学键决定了材料的固有性质新材料开发方法材料设计发展方向所谓材料设计，就是根据对材料的组成、微结构与性能关系的认识（“炒菜”经验＋材料微观分析），按指定性能“定做”新材料，按生产要求“设计”最佳的制备和加工方法。 9/25/20216:40PM材料结构表征的基本方法材料结构的表征目的:成分分析,结构测定和形貌观察材料组成分析（化学成分分析）1.元素组成2.化合物组成材料亚微观结构分析（形貌分析）微米或亚微米尺度，相层次结构材料微观结构分析0.1nm尺度，原子及原子组合层次结构 9/25/20216:40PM材料化学成分分析1元素组成分析方法传统的化学分析技术电子探针X射线能谱显微分析原子光谱（吸收、发射、荧光）质谱与二次离子质谱核磁共振电子自旋共振光电子与俄歇电子能谱 9/25/20216:40PM材料化学成分分析2化合物组成分析方法传统的化学分析技术分子吸收光谱（紫外—可见吸收光谱）分子振动光谱（红外、拉曼光谱）分子发射光谱（荧光光谱）气相、液相、凝胶色谱 9/25/20216:40PM材料形貌分析光学显微镜光学干涉仪激光散射谱扫描电子显微镜透射电子显微镜 9/25/20216:40PM形貌分析的图例昆虫标本（500倍）螺旋形碳管（9，157倍）化学方法生长的ZnO纳米阵列（100，000倍）担载Pt金属颗粒的纳米碳粒子（400，000倍） 9/25/20216:40PM3.材料结构分析高分辨透射电子显微镜（HTEM）场离子显微镜（FIM）扫描隧道显微镜（STM）原子力显微镜（SFM） 9/25/20216:40PM材料结构分析—结果硅纳米线的不同形貌(a)呈直线或弯曲状态，(b)呈螺旋结构，(c)呈辫子结构 9/25/20216:40PM材料结构分析-直接法硅纳米线的显微结构高分辨电子显微像（HTEM）(a)［110］带轴的硅纳米线的单晶结构，它的生长方向为［112］(b)存在高阶孪晶的硅纳米线(c)具有堆垛层错和孪晶等缺陷的硅纳米线 9/25/20216:40PM材料结构分析-直接法五次对称性镍钛准晶的高分辨电子显微像 9/25/20216:40PM材料结构分析-直接法扫描隧道显微分析拍摄的硅片上的单个原子图像 9/25/20216:40PM材料结构分析-间接法材料结构分析X射线衍射电子衍射中子衍射γ射线衍射穆斯堡尔谱扩展X射线吸收谱（EXAFS）热分析（差热、差动、热重） 9/25/20216:40PM材料结构分析-间接法五次对称性镍钛准晶的高分辨电子显微像与电子衍射斑点 9/25/20216:40PM材料结构分析-间接法CVD方法制备的氧化镓纳米带（A）与纳米片（B）的透射电镜与选区电子衍射分析电子衍射证实了这些纳米相为单斜晶系的Ga2O3单晶 9/25/20216:40PM材料微观分析技术的选择 9/25/20216:40PM3.材料微观分析技术的选择 9/25/20216:40PM3.材料微观分析技术的选择 9/25/20216:40PM3.材料结构分析-电子显微固体试样电子束透射电子相干散射电子背散射电子二次电子俄歇电子阴极荧光特征X射线nA吸收电子 9/25/20216:40PM材料微观分析技术的应用水晶or水晶玻璃？真，假钻石？可口可乐配方？“勇气”号探测车的火星岩石分析？ 9/25/20216:40PM材料微观分析技术的应用 9/25/20216:40PM3.材料微观分析技术的应用 9/25/20216:40PM3.材料微观分析技术的应用 9/25/20216:40PM材料微观分析技术的应用 9/25/20216:40PM材料微观分析技术的应用 9/25/20216:40PM材料微观分析技术的应用 9/25/20216:40PM材料微观分析技术的应用 9/25/20216:40PM材料微观分析技术的应用 9/25/20216:40PM材料微观分析技术的应用“勇气”号机械臂上的四大法宝1.岩石磨损工具2.显微成像仪3.穆斯堡尔分光光度计4.阿尔法粒子Ｘ射线分光计 9/25/20216:40PM材料微观分析技术的应用 9/25/20216:40PM材料微观分析技术的应用 9/25/20216:40PM材料微观分析技术的应用 9/25/20216:40PM材料微观分析技术的应用 9/25/20216:40PM材料微观分析技术的应用 9/25/20216:40PM材料微观分析技术的应用