材料研究方法与测试分析实验报告

实验一 扫描电镜实验（SEM ）

一 、实验目的

1、了解扫描电子显微镜的原理、结构；

2、运用扫描电子显微镜进行样品微观形貌观察。

二 、实验原理

扫描电镜（SEM ）是用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像。试样为块状或粉末颗粒，成像信号可以是二次电子、背散射电子或吸收电子。其中二次电子是最主要的成像信号。由电子枪发射的电子，以其交叉斑作为电子源，经二级聚光镜及物镜的缩小形成具有一定能量、一定束流强度和束斑直径的微细电子束，在扫描线圈驱动下，于试样表面按一定时间、空间顺序作栅网式扫描。聚焦电子束与试样相互作用，产生二次电子发射以及背散射电子等物理信号，二次电子发射量随试样表面形貌而变化。二次电子信号被探测器收集转换成电讯号，经视频放大后输入到显像管栅极，调制与入射电子束同步扫描的显像管亮度，得到反映试样表面形貌的二次电子像。扫描电镜由下列五部分组成，如图1（a ）所示。各部分主要作用简介如下：

1. 电子光学系统

它由电子枪、电磁透镜、光阑、样品室等部件组成，如图1（b ）所示。为了获得较高的信号强度和扫描像，由电子枪发射的扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。常用的电子枪有三种形式：普通热阴极三极电子枪、六硼化镧阴极电子枪和场发射电子枪，

其性能如表1所示。前两种属于热发射电子枪，后一种则属于冷发射电子枪，也叫场发射电子枪。由表可以看出场发射电子枪的亮度最高、电子源直径最小，是高分辨本领扫描电镜的理想电子源。

电磁透镜的功能是把电子枪的束斑逐级聚焦缩小，因照射到样品上的电子束斑越小，其分辨率就越高。扫描电镜通常有三个磁透镜，前两个是强透镜，缩小束斑，第三个透镜是弱透镜，焦距长，便于在样品室和聚光镜之间装入各种信号探测器。为了降低电子束的发散程度，每级磁透镜都装有光阑；为了消除像散，装有消像散器。样品室中有样品台和信号探测器，样品台还能使样品做平移运动。

2、扫描系统

扫描系统的作用是提供入射电子束在样品表面上以及阴极射线管电子束在荧光屏上的同步扫描信号。

3、信号检测、放大系统

样品在入射电子作用下会产生各种物理信号、有二次电子、背散射电子、特征X 射线、阴极荧光和透射电子。不同的物理信号要用不同类型的检测系统。它大致可分为三大类，即电子检测器、阴极荧光检测器和X 射线检测器。

4、真空系统

镜筒和样品室处于高真空下，一般不得高于1×10－2 Pa

，它由机械泵和

分子涡轮泵来实现。开机后先由机械泵抽低真空，约20分钟后由分子涡轮泵抽真空，约几分钟后就能达到高真空度。此时才能放试样进行测试，在放试样或更换灯丝时，阀门会将镜筒部分、电子枪室和样品室分别分隔开，这样保持镜筒部分真空不被破坏。

5、电源系统

由稳压、稳流及相应的安全保护电路所组成，提供扫描电镜各部分所需要的电源。

三、实验步骤

1、样品的制备

（1）要求干净，干燥的块状或粉末样品，尺寸不大于φ20×10mm ；

（2）金属断口样品：要求是干净、新鲜的表面；如果是金相样品须进行深腐蚀；

（3）非金属样品须在真空镀膜机中喷镀金、铝或碳，以保证样品导电性良好。

2、仪器的基本操作

（1）开启稳压器及水循环系统；

（2）开启扫描电镜及能谱仪控制系统；

（3）样品室放气，将已处理好的待测样品放入样品支架上；

（4）当真空度达到要求后，在一定的加速电压下进行微观形貌的观察。

四、实验数据处理

实验二 XRD实验

一、实验目的

1. 了解X 射线衍射仪的基本结构及工作原理;

2. 了解X 射线衍射仪的测试分析范围及样品制备要求。

3. 了解X 射线衍射数据处理的程序与方法。

4. 掌握依据X 射线衍射进行物相鉴定的原理与方法。

二、实验原理

1、X 射线衍射基本原理

当一束单色X 射线照射到某一结晶物质上，由于晶体中原子的排列具有周期性，当某一层原子面的晶面间距d 与X 射线入射角之间满足布拉格(Bragg)方程：2dsin θ=nλ(λ为入射X 射线的波长) 时，就会产生衍射现象，如图2.1 所示。X 射线物相分析就是指通过比较结晶物质的X 射线衍射花样来分析待测试样中含有何种或哪几种结晶物质(物相) 。任何一种结晶物质都有自己特定的结构参数，即点阵类型、晶胞大小、晶胞中原子或离子的数目、位置等等。这些结构参数与X 射线的衍射角θ和衍射强度I 有着对应关系，结构参数不同则

X 射线衍射花样也各不相同。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，不存在两种衍射花样完全相同的物质。通常用表征衍射线位置的晶面间距d （或衍射角θ）和衍射线相对强度I 的数据来代表衍射花样，即以晶面间距d 为横坐标，衍射相对强度I 为纵坐标绘制X 射线衍射图谱。

目前已知的结晶物质有成千上万种。事先在一定的规范条件下对所有已知的结晶物质进行X 射线衍射，获得一套所有结晶物质的标准X 射线衍射图谱（即d-I 数据），建立成数据库。当对某种材料进行物相分析时，只需要将其X 射线衍射图谱与数据库中的标准X 射线衍射图谱进行比对，就可以确定材料的物相。

2、 测角仪的工作原理

测角仪是X 射线衍射仪的核心组成部分。试样台位于测角仪中心，试样台的中心轴与测角仪的中心轴(垂直图面) 垂直。试样台既可以绕测角仪中心轴转

动，又可以绕自身的中心轴转动；试样表面严格地与测角仪中心轴重合，入射线从X 射线管焦点出发，经入射束光阑系统投射到试样表面产生衍射，衍射线经衍射束光阑系统进入计数器。X 射线管焦点和探测器光阑位于同一圆周上，把这个圆周称为测角仪圆，测角仪圆所在的平面称为测角仪平面。试样台和计数器分别固定在两个同轴的圆盘上，由两个步进马达驱动。在衍射测量时，试样绕测角仪中心轴转动，不断地改变入射线与试样表面的夹角θ，与此同时计数器沿测角仪圆运动，接收各衍射角2θ所对应的衍射强度。根据需要θ角和2θ角可以单独驱动，也可以自动匹配，使θ 角和2θ 角以1:2的角速度联合驱动，其结构图如图2.2。当多种结晶物质同时产生衍射时，其衍射花样也是各种物质自身衍射花样的机 械叠加——它们相互独立，不会相互干涉。逐一比较就可以在重叠的衍射花样中剥离出各自的衍射花样，分析标定后即可鉴别出各自物相。

3、衍射仪的应用

X 射线衍射仪可在大气中无损分析样品，进行物质的定性分析、晶格常数确定和应力测定等。可通过峰面积计算进行定量分析，通过半高宽、峰形等进

行粒径、结晶度、结构解析等各种分析。

4、物相分析的程序

（1）一般程序

1X 射线衍射测试； ○

2X 射线衍射数据处理，计算面间距d 值和测定相对强度I/I1值(I1 为○

最强线的强度) ；

3检索PDF 卡片； ○

4最后判定。 ○

（2）利用计算机程序进行物相检索

熟悉常用X 射线衍射分析软件的操作界面；

学会使用X 射线衍射分析软件进行简单的单物相定性分析。

三、实验仪器

（一）多功能X 射线衍射仪

1、型号：DX-2700

2、主要技术指标：

1标定功率：4kW ○2测角仪结构：样品水平θ○

3衍射圆半径：185mm ○4角扫描范围：θ○

—θ s ：-15—80˚、θd ：-5—80˚

○5测量范围：-3—160˚ ○6扫描速度：0.006°—96°/min连续设定

（二）探测器

1、正比（PC ）或闪烁（SC ）

2、最大线性记数率：5×105CPS （带有漏计数补偿功能）

3、能量分辨率：≤25%（PC ）、≤50%（SC ）

4、计数方式：微分或是积分方式、自动PHA 、死时间校正

5. 系统测量稳定度：≤0.01%

6、散射线计量：≤1μSv/h(X射线防护罩外)

（三）X 射线管

1、Cu 、Fe 、Co 、Cr 、Mo 等；

2、功率：2kW 、2.4 kW

3、焦点尺寸：1×10mm2或是0.4×10mm2

四、实验步骤

1、试样制备

衍射仪一般采用块状平面试样，它可以是整块的多晶体，亦可用粉末压制。金属样可从大块中切割出合适的大小（例如20mmx 15mm），经砂轮、砂纸磨平再进行适当的浸蚀而得。分析氧化层时表面一般不作处理，而化学热处理层的

处理方法须视实际情况进行（例如可用细砂纸轻磨去氧化皮）。粉末样品应有一定的粒度要求，这与德拜相机的要求基本相同（颗粒大小约在1 一10μm ）数量级。粉末过200 一325 目筛子即合乎要求），不过由于在衍射仪上摄照面积较大，故允许采用稍粗的颗粒。根据粉末的数量可压在的深框或浅框中。压制时一般不加粘结剂，所加压力以使粉末样品压平为限，压力过大可能导致颗粒的择优取向。当粉末数量很少时，可在平玻璃片上抹上一层凡士林，再将粉末均匀撒上。

2、测量衍射图谱

（1）开机前的准备和检查

将制备好的试样插入衍射仪样品台，盖上顶盖关闭防护罩；开启水龙头，使冷却水流通；X 光管窗口应关闭，管电流管电压表指示应在最小位置；接通总电源，接通稳压电源。

（2）开机操作

开启衍射仪总电源，启动循环水泵；待数分钟后，接通X 光管电源。缓慢升高管电压、管电流至需要值。打开计算机X 射线衍射仪应用软件，设置合适的衍射条件及参数，开始样品测试。工作电压设定为3 ～ 5倍的靶材临界激发电压。选择管电流时功率不能超过X 射线管额定功率，较低的管电流可以延长X 射线管的寿命。X 射线管经常使用的负荷(管压和管流的乘积) 选为最大允许负

荷的80％左右。但是，当管压超过激发电压5倍以上时，强度的增加率将下降。所以，在相同负荷下产生X 射线时，在管压约为激发电压5倍以内时要优先考虑管压，在更高的管压下其负荷可用管流来调节。靶元素的原子序数越大，激发电压就越高。由于连续X 射线的强度与管压的平方呈正比，特征X 射线与连续X 射线的强度之比，随着管压的增加接

（3）停机操作

测量完毕，缓慢降低管电流、管电压至最小值，关闭X 光管电源；取出试样；15分钟后关闭循环水泵, 关闭水源；关闭衍射仪总电源、稳压电源及线路总电源。

五、数据处理

一般晶体的图谱有明显的尖锐的峰值和几个特征峰值，而非晶体的图像相对来说没有什么规律。

六、思考题

1、X 射线在晶体上产生衍射的条件是什么？

答：由Bragg 公式 2dsinθ=nλ, 可以知道，n 最小取1，因而2d>=λ, 也就是说满足2d>=λ时，X 射线在晶体上产生衍射。

3、不平行表面的晶面有无衍射产生？

答：对于不平行于表面的晶面有衍射产生，只是不被接受器接受到，因而

实验中观测不到。

实验三 XRF实验

一、实验目的

1、学习和掌握x 射线荧光光谱仪各单元的作用及使用的基本操作规定；

2、学习使用x 射线荧光光谱仪进行定性半定量分析测定。

二 实验原理

X 射线荧光光谱分析（XRF ）是一种非破坏性的仪器分析方法，他是由X 射线管发出的一次X 射线激发样品，使样品所含元素辐射特征荧光X 射线，也就是二次X 射线，根据谱线的波长和强度对被测样品中的元素进行定性和定量分析，X 射线荧光光谱法也被称为X 射线二次发射光谱

1、定性分析原理

波长色散X 射线荧光光谱法的定性分析首先对样品进行激发，样品受激发后发射散色的X 射线光谱进入分光晶体，利用测角仪扫描进行谱线分析辨别。探测器接收晶体衍射的波谱，记录系统把顺序出现的谱峰自动记录，然后进行谱线验别确定组分元素，最后根据谱线强度等因子确认样品中的主要 次要或痕

量元素

2、半定量分析原理

半定量分析在X 射线荧光分析中，尤其是在材料研发应用的过程中占有重要地位，他的主要特点是在对样品成分不明的情况下，根据定性分析结果进一步获得样品的各组分的含量，半定量分析是将定性分析得到的元素列表并将得到元素的净化强度用FP （基本参数法）程序进行半定量分析。

三 、实验仪器及条件

1、仪器：岛津XRF-1800型射线荧光光谱仪；

2、试剂：乙醇（分析纯）、未知样品。

四 、实验步骤

1、未知样品的准备：200目的烘干样，将约4克的样品均匀的放在塑料环中，使用塑料环模具进行压片。

2、使用岛津X 射线荧光光谱仪，进行未知样的定性半定量分析

（1）在仪器上设置实验所需条件，选择合适的条件，设定标准参数待用

（2）将压好的未知样薄片放在样品盒中，进样，计算荧光强度，根据选定的方法所设定的参数，在线选定的一起工作条件下，测定未知样品的成分含量。

实验四 IR实验

一、 实验目的

1、掌握溴化钾压片法制备固体样品的方法；

2、学习并掌握美国尼高立IR-6700型红外光谱仪的使用方法；

3、初步学会对红外吸收光谱图的解析。

二、实验原理

红外光是一种波长介于可见光区和微波区之间的电磁波谱。波长在0.75～1000μm 。通常又把这个波段分成三个区域，即近红外区：波长在0.75～2.5μm （波数在13300～4000cm-1），又称泛频区；中红外区：波长在2.5～50μm （波数在4000～200cm-1），又称振动区；远红外区：波长在50～1000μm （波数在200～10cm-1），又称转动区。其中中红外区是研究、应用最多的区域。

红外区的光谱除用波长λ表征外，更常用波数σ表征。波数是波长的倒数，表示单位厘米波长内所含波的数目。其关系式为：

作为红外光谱的特点，首先是应用面广，提供信息多且具有特征性，故把

红外光谱通称为“分子指纹”。它最广泛的应用还在于对物质的化学组成进行分析。用红外光谱法可以根据光谱中吸收峰的位置和形状来推断未知物的结构，依照特征吸收峰的强度来测定混合物中各组分的含量。其次，它不受样品相态的限制，无论是固态、液态以及气态都能直接测定，甚至对一些表面涂层和不溶、不熔融的弹性体（如橡胶）也可直接获得其光谱。它也不受熔点、沸点和蒸气压的限制，样品用量少且可回收，是属于非破坏分析。而作为红外光谱的测定工具-红外光谱仪，与其他近代分析仪器（如核磁共振波谱仪、质谱仪等）比较，构造简单，操作方便，价格便宜，最常用于工业及实验研究领域，如医药鉴别，人造皮革中异氰酸酯基确定等等。因此，它已成为现代结构化学、分析化学最常用和不可缺少的工具。

根据红外光谱与分子结构的关系，谱图中每一个特征吸收谱带都对应于某化合物的质点或基团振动的形式。因此，特征吸收谱带的数目、位置、形状及强度取决于分子中各基团（化学键）的振动形式和所处的化学环境。只要掌握了各种基团的振动频率（基团频率）及其位移规律，即可利用基团振动频率与分子结构的关系，来确定吸收谱带的归属，确定分子中所含的基团或键，并进而由其特征振动频率的位移、谱带强度和形状的改变，来推定分子结构。 红外光谱仪可分为色散型和干涉型。色散型红外光谱仪又有棱镜分光型和光栅分光型，干涉型为傅立叶变换红外光谱仪（FTIR ），最主要的区别是FTIR 没有

色散元件。本实验所演示的是傅立叶变换红外光谱仪（FTIR ）。所得的红外谱图的横坐标是波数（或波长），纵坐标是吸光度。

三、实验仪器和试剂

1、实验仪器：美国尼高立IR-6700；

2、试剂：溴化钾，苯甲酸 。

3、傅立叶红外光谱仪

(FTIR)

四、实验步骤

1、打开红外光谱仪并稳定大概5分钟，同时进入对应的计算机工作站。

2、波数检验：将聚乙烯薄膜插入红外光谱仪的样品池处，从4000-650cm-1进行波数扫描，得到吸收光谱。然后将所得的谱图与计算机上的标准谱图进行匹配，分析得到最吻合的图谱，即可判断物质结构。

3、测绘苯甲酸的红外吸收光谱——溴化钾压片法

取1-2mg 苯甲酸，加入在红外灯下烘干的100-200mg 溴化钾粉末，在玛瑙

研钵中充分磨细（颗粒约2μm ），使之混合均匀。取出约80mg 混合物均匀铺洒在干净的压模内，于压片机上制成直径透明薄片。将此片装于固体样品架上，样品架插入红外光谱仪的样品池处，从4000-400cm-1进行波数扫描，得到吸收光谱。然后将所得的谱图与计算机上的标准谱图进行匹配。

4、结束实验，关闭工作站和红外光谱仪。

五、注意事项

1、实验室环境应该保持干燥；

2、确保样品与药品的纯度与干燥度；

3、在制备样品的时候要迅速以防止其吸收过多的水分，影响实验结果；

4、试样放入仪器的时候动作要迅速，避免当中的空气流动，影响实验的准确性。

5、溴化钾压片的过程中，粉末要在研钵中充分磨细，且于压片机上制得的透明薄片厚度要适当。

六、实验数据

该图中在2800-2975,1400-1500,700-800左右皆有峰型，证明了该物质中可能有烯烃的C-H 的变形振动，C-C 间的伸缩振动，同时也有烷烃的C-H 伸缩振动，因此推测出为聚乙烯的红外谱图

七、思考题

1、为什么要选用KBr 作为来承载样品的介质？

答：KBr 为一种无色晶体，相对NaCl 来讲具有很好的延展性。而且KBr 对红外光吸收很小，因此可以测绘全波段光谱图。

2、红外光谱法对试样有什么要求？

答：○1试样应为“纯物质”（98%），通常在分析前，样品需要纯化，可以通过分馏、萃取、重结晶等分离和精制的方法；

2试样不含有水（水可产生红外吸收且侵蚀吸收室的盐窗； ○

3试样浓度或厚度应适当，使光谱图中的大多数吸收峰投射在合适范围○

内。

实验五 DSC热分析实验

一、实验目的

1. 了解差热分析仪的构造，掌握差热分析原理和实验操作技术；

2. 学会定性解释差热谱图；

3. 会用DTA 图确定物质的反应初始温度。

二、主要实验仪器

1、CRY-1P 型差热分析仪1套；

2、计算机、镊子、小勺、坩埚、CuSO4•5H2O 、α-Al2O3。

三、实验原理

1. 差热分析

差热分析是测定物质加热（或冷却）时伴随物理化学变化所产生的热效应的一种方法。通过热效应的测定，可达到对物质进行定性、定量分析的目的。

许多物质在受热或冷却过程中，当达到某一温度时，往往会发生熔化、凝

固、晶型转变、分解、化合、吸附、脱附等物理或化学变化，并伴随有焓的改变，因而产生热效应。在化学反应的过程中以及物质变化过程中，这些热量的变化决定了物质的反应性和运行过程的安全条件。还有一些物质（如Al2O3、MgO 、镍等）在一定温度范围内（如1000℃以下）不发生任何热效应，常被用来与被测物质进行比较，这类物质称为热中性体（标准物或参比物）。差热分析实验是把被测试样和热中性体置于相等的温度条件下，通过一对差热电偶和一只灵敏的检流计来测定两者的温度差。将温度差对温度或时间作图，即得到差热曲线。差热曲线的纵轴表示温度差DT ，横轴表示温度（T ）或时间（t ）。从差热曲线可以获得有关热力学和热动力学方面的信息。结合其它测试手段，还有可能对物质的组成、结构或产生热效应的变化过程的机理进行深入研究。

如果参比物和被测试样的热容大致相同，而试样又无热效应，两者的温度基本相同，两者的温差ΔT=0，此时得到的是一条平滑的直线。图1中的ab-de-gh 段就表示这种状态，该直线称为基线。一旦试样发生物理会化学变化并伴有热效应时，由于传热速率的限制，两者的温度就不一致，即有温差ΔT ≠0，在差热分析曲线上就会有峰出现，如bcd 或efg 即是。显然，温差出现的温度以及温差的大小与待测物的结构和性质有关。热效应越大，峰的面积也就越大。峰顶向上的峰为放热峰，它表示试样的焓变小于零，其温度将高于参比物。相反，峰顶向下的峰为吸热峰，则表示试样的温度低于参比物。图1如下所示。

2、差热分析仪

差热分析仪的工作原理如图2所示。主要由温度控制系统和差热信号测量系统组成，辅之以气氛和冷却水通道，测量结果由记录仪或计算机数据处理系统处理。

（1）温度控制系统

温控系统由温控板、可控硅加热部件、控温热电偶及加热炉组成。计算机根据设定的程序温度给出毫伏信号。当控温热电偶之热电势与该毫伏值有偏差时，说明炉温偏离给定值，偏差信号经可控硅加热部件处理、调整加热炉功率，使炉温很好地跟踪设定值，产生理想的温度曲线。加热炉温度控制的程序段有两种输入方式，一种是由热分析系统软件直接输入温控程序段，在计算机上操作；另一种方式是由人工直接操作温控控制单元中的温控仪，将温控程序段在

仪表面板上按相应的设置键手工输入。

（2）差热信号测量系统

差热传感器即样品支架，由一对差接的点状热电偶和四孔氧化铝杆等装配而成，测试时试样与参比物(α一氧化铝) 分别放在两只坩埚内，加热炉以一定速率升温，若试样没有热反应，则它与参比物的温差△T = 0，差热曲线为一直线，称为基线；若试样在某一温度范围有吸热(或放热) 反应，则试样温度将停止(或加快) 上升，试样与参比物间产生温差△T ， 把该温度信号放大，由记录仪或计算机数据处理系统画出DTA 峰形曲线，根据出峰的温度和峰面积的大小、形状，可以进行各种分析。

五 、谱图解读

从差热图上可清晰地看到差热峰的数目、高度、位置、对称性以及峰面积。峰的个数表示物质发生物理化学变化的次数，峰的大小和方向代表热效应的大小和正负，峰的位置表示物质发生变化的转化温度。在相同的测定条件下，许多物质的热谱图具有特征性。因此，可通过与已知的热谱图的比较来鉴别样品的种类。理论上讲，可通过峰面积的测量对物质进行定量分析，但因影响差热分析的因素较多，定量难以准确。

六、实验数据记录与处理

TG /%1009080

[1]: -17.17 %

706050

[1]: 123.8 ℃

40

100

200

300温度 /℃

400

500

[1]: 114.1 ℃

[1]: 287.0 ℃

[1]: -10.29 %

[1]: -7.27 %

[1]

[1] Hua9 oil+Hua9,6,7 cutting.dsv DTG /(%/min)

TG DTA /(uV/mg)DTA [1]: -15.90 %[1]: 501.8 ℃[1]: 573.0 ℃ 放热[1]

0DTG 1.0

[1]: 381.0 ℃

[1]: 309.8 ℃

[1]: -11.14 %

[1]: 423.0 ℃

[1]: 510.6 ℃

[1]

0.80.60.4

-1

-2

-3

0.20.0-0.2

-4

-5

根据上图可知，在123.8℃、287.0℃有吸热峰，在381.0℃、501.8℃、573.0℃有反放热峰；结合TG 曲线分析可以知道123.8℃脱去15.9%的吸附水；287.0℃失去11.4%的层间水。

七、误差分析

1. 机器测量准确性不够精确，没有经过校准。

2. 参比样品的纯度不够，其中杂质发生化学反应，导致温差出现。 3. 样品的纯度在一定程度上影响了实验数据的准确性，不完全纯净的样品中，可能发生杂志的一些化学变化，导致温差的出现。

八、思考题

1、为什么要控制升温速度？升温过快有何后果？

答：升温速度影响曲线的分辨率。升温速度过快会使得反应加快，只能判断物质在反应过程中的吸放热，不能具体的判断物质的反应过程和吸放热的过程。

2、影响差热分析线态的主要因素有哪些？

答：主要因素有升温速度的快慢，反应物质的纯度，分析仪器的精准。