绪章材料分析测试方法概述

本章包括课程简介、材料科学研究与测试方法概述、电磁辐射与材料的相互作用三个部分的内容。材料分析测试方法是关于材料成分、结构、微观形貌与缺陷等的现代分析、测试技术及其有关理论基础的一门课程。材料分析的基本原理是指测量信号与材料成分、结构等的特征关系。采用不同的测量信号形成了各种不同的材料分析方法。材料测试分析的方法按用途可以组织形貌分析、成分和价键分析。当电磁辐射与材料相互作用时，会产生辐射的吸收、发射、散射和光电离等现象，他们是材料现代分析方法的主要技术基础。

●0.1课程简介

本课程是材料科学与工程专业的专业基础课。通过本课程的学习使学生掌握材料形貌、组成、结构和升、降温过程发生的物理化学变化的现代研究手段和测试方法，为后续课程的学习和将来的材料研究工作打下基础，加深理解材料制备工艺、晶体结构和材料性能间的作用关系。

●0.2材料科学研究与测试方法概述

本节主要介绍材料分析测试的意义，材料分析测试的理论依据，材料测试分析的方法按用途可以分为三类：组织形貌分析、物相分析、成分和价键分析。

●0.3电磁辐射与材料的相互作用

本节主要介绍电磁辐射与波粒二象性，物质波的概念。电磁辐射与材料的相互作用，包括辐射的吸收、辐射的发射、辐射的散射。光谱的分类，包括吸收光谱，发射光谱和散射光谱，以及特征谱的定义。

第一章X射线衍射分析

本章包括五个部分的内容，具体为：X射线的物理基础、X射线与物质的相互作用、X射线的衍射原理、X射线多晶衍射分析和X射线的应用与防护。X射线的本质是一种电磁波，具有波粒二象性。X射线与物质的相互作用是复杂的物理过程，将产生透射、散射、吸收和放热等一系列效应，这些效应也是X射线应用的物理基础。X射线衍射分析是利用X射线在晶体物质中的衍射效应进行物质结构分析的一种技术。每一种结晶物质，都有其特定的晶体结构，包括点阵类型、晶面间距等参数，用具有足够能量的X射线照射试样，试样中的物质受激发，会产生特征X射线，晶体的晶面反射遵循布拉格定律。通过测定衍射角位置（峰位）可以进行化合物的定性分析，测定谱线的积分强度（峰强度）可以进行定量分析，而测定谱线强度随角度的变化关系可进行晶粒的大小和形状的检测。

●1.1X射线的物理基础

本节主要介绍X射线的产生和本质；X射线连续谱和X射线特征谱。

●1.2X射线与物质的相互作用

本节主要介绍三个部分的内容：X 射线的散射、X射线的吸收、X射线的衰减和成像条件。

●1.3X射线的衍射原理

本节主要介绍布拉格方程、布拉格方程的讨论以及系统消光规律。

●1.4X射线多晶衍射分析

本节主要介绍常见的衍射方法、X射线衍射仪、定性分析、定量分析。

●1.5X射线的应用与防护

本节主要介绍X射线的应用与防护。

第二章热分析技术

本章包括三部分的内容，具体为：热分析技术的发展史、热分析技术的分类和热分析技术的应用。热分析技术是所有在高温过程中测量物质热性能技术的总称，它是在程序控制温度下测量物质的物理性质与温度的关系。热分析技术的测定方法有很多，其中热重分析法、差热分析法、差示扫描量热法、热机械分析法是热分析的四大支柱。热分析技术不仅可以对物质进行定性分析、定量分析，而且还可以为新材料的研制提供热性能数据，达到指导生产、控制产品质量的目的。热分析技术已经成为材料研究领域中的重要手段之一，特别是在升温或降温过程中材料内部发生热效应时，热分析技术更显其独特的作用。

●2.1热分析技术的发展史

本节主要介绍热分析技术概述。

●2.2热分析技术的分类

本节主要介绍热分析技术的分类： 热重分析法、差热分析法、差示扫描量热法、热膨胀法、动态热机械分析法。

●2.3热分析技术的应用

本节主要介绍热分析技术的应用。

第三章电子显微分析

本章主要包括四个部分的内容，具体为：电子光学基础、透射电子显微分析、扫描电子显微分析、电子探针。电子显微分析是利用聚焦电子束与试样物质相互作用产生的各种物理信号，分析试样物质的微区形貌、晶体结构和化学组成。电子显微分析是材料科学的重要分析方法之一。其中透射电子显微分析是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器，是观察和分析材料的形貌、组织和结构的有效工具。扫描电子显微分析是继透射电镜之后发展起来的一种电镜。目前，扫描电子显微镜不只是分析形貌像，它还可以和其他分析仪器组合，使人们能在同一台仪器上进行形貌、微区成分和晶体结构等多种微观组织结构信息的同位分析。电子探针X射线显微分析是一种显微分析和成分分析相结合的微区分析，它特别适用于分析试样中微小区域的化学成分，因而是研究组织结构和元素分布状态的极为有用的分析方法。电子显微分析在固体科学、材料科学、地质矿物、医学、生物等方面得到了广泛的应用。

●3.1电子光学基础

本节主要介绍光学显微镜的分辨率极限、电子的波长和运动、电子与固体物质的相互作用、电子显微镜常用的各种电子信号、电磁透镜的像差、景深和焦长、电镜分辨率。

●3.2透射电子显微分析

本节主要介绍以下内容：透射电镜的结构、透射电镜的图像衬度、直接样品的制备、复型样品的制备。

●3.3扫描电子显微分析

本节主要介绍扫描电镜的成像原理及特点、扫描电镜的构造和性能、二次电子及其成像、扫描电镜实验技术、扫描电镜的应用。

●3.4电子探针

本节主要介绍电子探针X射线显微分析、波谱仪和能谱仪。电子探针X射线显微分析（简称电子探针，EPMA）是一种显微分析和成分分析相结合的微区分析，它特别适用于分析试样中微小区域的化学成分，因而是研究材料组织结构和元素分布状态的极为有用的分析方法。电子探针检测器部分使用的是X射线谱仪，专门用来检测X射线的特征波长或特征能量，以此来对微区的化学成分进行分析。常用的X射线谱仪有两种：一种是利用特征X射线的波长不同来展谱，实现对不同波长X射线分别检测的波长色散谱仪，简称波谱仪（WDS）。另一种是利用特征X射线能量的不同来展谱的能量色散谱仪，简称能谱仪（EDS）。

第四章光谱分析

本章包括三个部分的内容，具体为：红外光谱分析、拉曼光谱分析、紫外可见吸收光谱分析。由于每种原子都有自己的特征谱线，犹如人们的“指纹”一样，因此可以根据物质的光谱来鉴别物质及确定它的化学组成和相对含量，这种方法叫光谱分析。光谱分析方法是基于电磁辐射与材料相互作用产生的特征光谱波长与强度进行材料分析的方法。光谱分析方法包括各种吸收光谱分析法、发射光谱分析法以及散射光谱分析法。光谱分析具有分析速度快、操作简单、不需纯样品、选择性好、灵敏度高等优点。

●4.1红外光谱分析

本节主要介绍红外光谱仪、红外光谱的基本原理、试样制备及处理、红外光谱的应用。红外光谱又称为分子振动-转动光谱。红外光谱分析使用的仪器就是红外光谱仪，其观察的试样可以是固体、液体，也可以是气体。红外光谱法主要用于研究和确认化学物质。

●4.2拉曼光谱分析

本节主要介绍以下内容：拉曼光谱基本原理、拉曼光谱仪、拉曼光谱的应用。拉曼光谱是以印度科学家拉曼来命名的。拉曼光谱是入射光子和分子相碰撞时，分子的振动能量或转动能量和光子能量叠加的结果。利用拉曼光谱可以把处于红外区的分子能谱转移到可见光区来观测。因此拉曼光谱时红外光谱的补充，是研究分子结构的有力武器。拉曼光谱是一种散射光谱分析法，主要用于观察分子系统中的振动、转动以及其它低频模式。

●4.3紫外可见吸收光谱分析

本节主要介绍紫外光谱的基本原理、紫外光谱仪及应用。紫外可见吸收光谱是电子光谱，是材料在吸收10-800 nm 光波波长范围的光子所引起分子中电子能级跃迁时产生的吸收光谱。主要用于有机化合物微量和常量、组分定量分析。