材料现代研究方法

第1章 绪论 1.1 材料现代研究方法的研究对象 1.1.1 材料与材料科学 材料是人类用以制成用于生活、器件、构件、机器和其他物品的物质，是人类一切生产和生活活动的物质基础。材料、能源与信息，一直是并且继续是人类社会发展的三大基础。早期的人类历史就是按当时使用的标志性主体材料划分的：旧石器时代、新石器时代、铜器时代、铁器时代等。而材料又是能源开采、运输、使用必不可少的支撑，是信息记录、传播的载体。因此，材料在当今经济、科技、医疗、军事各领域的应用，无论怎么强调都不会过分，具有光明而远大的发展前景。 材料多种多样，从物理化学属性分为金属、无机非金属、有机高分子材料，及由这三类材料组合而成的复合材料；按用途分为电子材料、航空航天材料、建筑材料、核材料、能源材料、生物材料等；按主要性能要求分为结构材料与功能材料；按使用的历史分为传统材料与新型材料。 “材料”（materials）一词早已存在，但“材料科学 ”（materials science）却是 20世纪 60年代才提出来。1957年苏联人造卫星首先上天，震惊美国朝野，美国认为造成落后的主要原因之一是先进材料落后，于是十余个材料科学研究中心在一些大学相继建立，“材料科学 ”一词也开始被广泛引用。“材料科学 ”的形成是科学技术发展的结果。固体物理、无机化学、有机化学和结构化学的发展，对物质结构与物性的深入研究，推动了对材料本质的了解；金属学、冶金学、陶瓷和高分子科学等的发展，使得对材料本身的研究大大加强，从而对材料的制备、加工、结构与性能及其相互关系的研究愈加深入，为材料科学的形成打下了坚实的基础。 材料科学是研究、开发、生产和应用金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料的工程领域，研究材料的组织结构、性质、生产流程和使用效能以及它们之间的相互关系，集物理学、化学、冶金学、铸造等于一体的科学，是一门与工程技术密不可分的应用科学。 1.1.2 材料现代研究方法 现代材料的发展趋势是高性能化、多功能化、复合化、精细化和智能化，因此对材料结构、结构与性能的关系、合成与加工过程结构的形成、使用过程中结构与性能演变的认识，提出了更高的要求。随着现代科学技术的高速发展与进步，各种测试仪器与方法不断发展，为材料科学与技术的发展提供了有力的技术支撑。现代材料已从传统的研究方法 ——通过探讨合成方法、测试物理与化学性能、改进加工技术、开发应用途径，即合成→性能→加工→应用的模式，向通过对合成反应与结构、结果与性能、性能与加工等各种关系的大量探讨，总结出规律，按照指定性能进行分子与材料设计，并提出所需的合成方法与加工条件，即应用→性能→结构→分子与材料设计→合成→加工→应用的新模式转变，材料现代研究方法已成为材料科学与技术研究的**手段。 材料现代研究方法，就是利用现代分析技术，特别是仪器分析，测定材料的化学结构与凝聚态结构，探讨结构与性能的关系，以及在合成、加工与应用工程中材料结构变化规律的一组技术，是材料科学的重要组成部分。由此得到的信息，可作为材料设计、合成、产品质量控制、加工与应用的先导。 1.2 常用材料现代研究仪器 材料现代研究涉及的仪器很多，组成各式各样，但大多由以下8部分组成： ①激发源，发出各种电磁波或其他粒子；②样品台，放置待测物质，与激发源相互作用后产生吸收、发射、散射及干涉等现象；③检测器，接收由激发源发出的输入信号与被测样品作用产生的输出信号；④放大器，通常输出信号较弱，经检测器检测后，需经放大器进一步放大，以提高检测灵敏度；⑤记录仪，记录检测信号，一般记录谱图的横坐标通过适当的机构和用于定性的物理量同步，而纵坐标则记录了检测装置输出的信号强弱，以表示所涉及物理量大小的定量数值；⑥控制器，大多数仪器还要有控制器控制激发源与检测器；⑦计算机，现代化的仪器大多配备计算机，用来输入操作参数、控制仪器、记录数据；⑧打印与输出设备，经处理后的数据输出到外存或打印设备。 根据分析的结构层次与目的，常用的分析方法可分为五大类。 1.2.1 化学结构分析法 表征材料，特别是表征有机材料化学结构的主要方法，是通过各种波长的电磁波和被研究物质的相互作用，引起物质的某一个物理量的变化而进行，多为电磁波谱法。常见方法如下。 （1）紫外光谱（ultraviolet spectroscopy，UV）法。样品吸收紫外光能量，电子从能量较低的基态跃迁到能量较高的激发态，此时，电子就吸收了与激发能对应波长的光，这样产生的吸收光谱称为紫外光谱。光谱中吸收峰的位置、强度和形状可以提供分子中不同电子结构的信息。 （2）荧光光谱（photoluminescence spectroscopy，PL）法。物质分子 /原子吸收光子能量被激发，然后从激发态*低振动能级返回到基态时所发射出的光。可以根据物质的荧光谱线位置（波长）、强度和形状，荧光效率和寿命，提供分子中不同电子结构的信息。 （3）傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）法。样品吸收红外光能量，产生具有偶极矩变化的分子振动、转动能级跃迁，根据相对透射光能量随透射光频率变化峰的位置、强度和形状，提供官能团或化学键的特征振动频率，通过数学的傅里叶变换技术，可将干涉图上每个频率转变为相应的光强，因此命名为“傅里叶变换红外光谱”，而原始的数据也被称为“干涉图”。 （4）傅里叶变换拉曼光谱（Fourier transform Raman spectroscopy，FT-Raman）法。样品吸收光能后，产生具有极化率变化的分子振动，进而产生拉曼散射，根据光能量随拉曼位移的变化峰的位置、强度和形状，提供官能团或化学键的特征振动频率，与红外光谱类似，通过数学的傅里叶变换技术，可将干涉图上每个频率转变为相应的光强，因此命名为“傅里叶变换拉曼光谱”。 （5）核磁共振波谱（nuclear magnetic resonance spectroscopy， NMR spectroscopy）法。样品在外磁场中，具有核磁矩的原子核，吸收射频能量，产生核自旋能级的跃迁，根据吸收光能量随化学位移的变化，得出峰的化学位移、强度、裂分数目和耦合常数，提供核的数目、所处化学环境和几何构型的信息。 （6）电子顺磁共振（electron paramagnetic resonance，EPR）波谱法。样品在外磁场中，分子中未成对电子吸收射频能量，产生电子自旋能级跃迁，根据吸收光能量或微分能量随磁场强度的变化，得出谱线位置、强度、裂分数目和超精细分裂常数，提供未成对电子密度、分子键特征及几何构型信息。 （7）质谱（mass spectroscopy，MS）分析法。分子在真空中被电子轰击，形成离子，通过电磁场按不同 m/z分离，以棒图形式表示离子的相对丰度随 m/z的变化，根据分子离子及碎片离子的质量数及相对丰度，提供分子量、元素组成及结构的信息。 （8）X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）法。光或其他粒子和物质作用后，被激发出来的电子能量与它原来所处的状态有关，根据光电子强度随电离能或电子结合能的变化，可获得分子中各级电离能和结合能、离子的几何构型和分子成键特征，适于化学和固体表面分析。 1.2.2 晶体结构分析法 晶体结构分析法利用材料对 X射线的散射与衍射现象来获得其内部结构信息，研究材料的晶体结构。常见方法如下。 （1）广角 X射线衍射（wide angle X-ray diffraction，WAXD）。类似光栅的晶格对一定波长的 X射线产生衍射现象，衍射强度或花样随衍射角的变化而不同，衍射方向与晶面间距有关，衍射强度与晶体的原子排布有关。 （2）小角 X射线散射（small angle X-ray scattering，SAXS）。在倒易点阵原点附近电子对 X射线相干发生散射现象，散射花样或强度随散射角的变化而不同。 1.2.3 形态结构分析法 用来分析材料形态结构的方法，主要是各种光学显微镜、电子显微镜和扫描探针显微镜。 （1）扫描电子显微镜（scanning electron microscopy，SEM）。用电子技术检测高能电子束与样品作用时产生二次电子、背散射电子、吸收电子、 X射线等并放大成像，通过背散射像、二次电子像、吸收电流像、元素的线分布和面分布等，观察断口形貌、表面显微晶格、薄膜内部的显微结构、微区元素分析与定量元素分析等。 （2）透射电子显微镜（transmission electron microscopy，TEM）。高能电子束穿透试样时发生散射、吸收、干涉和衍射，在像平面形成衬度，显示出图像，利用质厚衬度像、明场衍衬像、暗场衍衬像、晶格条纹像和分子像，观察晶体形貌、多相结构和晶格与缺陷，测量分子量分布、微孔尺寸分布等。 （3）原子力显微镜（atomic force microscope，AFM）。利用微悬臂感受和放大悬臂上尖细探针与受测样品原子之间的作用力，从而达到检测的目的，得到不同亮度的形貌图和相位图，观察样品表面的超高分辨率三维形貌，特别适用于残留划痕、压痕以及其他纳米尺度表面特征形貌的高分辨率成像。类似的扫描探针显微法还有扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope， STM）、磁力显微镜（magnetic force microscopy，MFM）、侧向力（摩擦）显微镜（lateral force microscopy，LFM）、静电力显微镜（electronic force microscopy，EFM）等。 （4）光学显微镜（light microscope，LM）。利用可见光观察材料的形态结构，常用的有偏光显微镜、相差显微镜、超景深显微镜、金相显微镜等。 1.2.4 热分析 热分析是在程控温度条件下，测量物质的物理性质与温度关系的一类技术，常见的热分析法如下。 （1）热重（thermogravimetry，TG）法。在控温环境中，样品质量随温度或时间变化，或样品的质量分数随温度或时间的变化曲线，曲线陡降处为样品失重区，平台区为样品的热稳定区。 （2）差热分析（differential thermal analysis，DTA）。样品与参比处于同一控温环境中，记录二者温差随环境温度或时间的变化，绘制温差随环境温度或时间的变化曲线，提供材料热转变温度及各种热效应的信息。 （3）差示扫描量热法（differential scanning calorimetry，DSC）。样品与参比物处于同一控温环境中，借助补偿器测量使样品与参比物达到同样温度所需的加热速率与温度的关系，提供材料热转变温度及各种热效应的信息。 （4）静态热机械分析（thermomechanical analysis，TMA）。也称热机械分析，测量样品在恒力作用下产生的形变随温度或时间的变化，观察样品的热转变温度和力学状态。 （5）动态热机械分析（dynamic thermomechanical analysis，DMA）。测量样品在周期性变化外力作用下产生的形变随温度、模量或 tanδ随温度的变化曲线，研究热转变温度模量和次级转变。 （6）动态介电分析（dynamic dielectric analysis，DDA）。测量样品在一定频率交变电场中介电常数随温度或时间的变化，得到介电常数和介电损耗（tanδ）随温度或时间的变化曲线，间接表征高分子材料的结构、链长及组成。 1.2.5 物质分离和分析方法