现代科学分析方法重点及及解答.docx
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现代科学分析方法重点及及解答
现代科学分析方法重点及及解答
1.紫外光谱，荧光光谱在材料研究中的应用
（1）分子内的电子跃迁有哪几种，吸收最强的跃迁是什么跃迁？
形成单键的σ电子；形成双键的π电子；未成对的孤对电子n电子。
成键轨道σ、π；反键轨道σ*、π*；非键轨道n。
1）、σ-σ*跃迁
它需要的能量较高，一般发生在真空紫外光区。
在200nm左右，其特征是摩尔吸光系数大，为强吸收带。
2）、n-σ*跃迁
实现这类跃迁所需要的能量较高，其吸收光谱落于远紫外光区和近紫外光区
3）、π→π*跃迁
π电子跃迁到反键π*轨道所产生的跃迁，这类跃迁所需能量比σ→σ*跃迁小，若无共轭，与n→σ*跃迁差不多。
200nm左右，吸收强度大，强吸收。
4）、n→π*
跃迁n电子跃迁到反键π*轨道所产生的跃迁，这类跃迁所需能量较小，吸收峰在200~400nm左右，吸收强度小，弱吸收
吸收最强的跃迁是：
π→π*跃迁
（2）紫外可见吸收光谱在胶体的研究中有重要作用，请举出三个例子来说明，并结合散射现象来讨论二氧化钛胶体和粉末漫反射光谱的差异。
举例：
1）、胶体的稳定性，尤其是稀释后的稳定性；
2）、胶粒对可见光的散射；
3）、测定消光（包括吸收、散射、漫反射等对光强度造成的损失）稀释条件下，胶粒尺寸小于光波长的1/20，瑞利散射可忽略。
4）、估算晶粒的大小。
5）、尺寸效应，会发生吸收边的蓝移或是红移，可以用来像是CdS和CdSe的量子点。
差异：
当测定二氧化钛的溶胶时，按晶粒尺寸的不同，分为两种情况：
1）当d＜λ/20时，瑞利散射可以忽略。
2）当d＞λ/20时，散射就会十分明显，这样获得是一个消光光谱，而不是吸收光谱，无法测得λonset。
用粉末漫反射光谱可以克服上述缺点，得到一个较好的吸收光谱。
（3）什么是荧光、磷光、光致发光和化学发光？
对应的英文名称分别是什么？
荧光（Fluorescence）：
从激发态的最低振动能级返回到基态，不通过内部转换而是光辐射失活，则称为荧光。
由于一部分能量通过振动能级变化以热能形式放出，所以发射光的波长比吸收光的波长长。
磷光（Phosphorescence）：
在不同多重态之间发生的无辐射跃迁过程称为系间窜跃。
由从激发态的多重态经过振动弛豫到低振动能级，再返回到基态的光辐射跃迁称为磷光。
光致发光（Photoluminescence,PL）：
是物质吸收光能后发射冷光的现象，称为光致发光。
化学发光（Chemiluminescence）：
利用化学能源如化学反应得到激发态分子，它在跃迁到基态时产生的发光现象称为化学发光。
2.拉曼光谱分析与材料分析
3.拉曼光谱与红外光谱的本质区别是什么？
本质区别：
红外光谱的产生是由于吸收光的能量，引起分子中偶极矩改变的振动；拉曼光谱的产生是由于单色光照射后产生光的综合散射效应，引起分子中极化率改变的振动。
红外光谱是吸收光谱，拉曼光谱是散射光谱。
（2）为什么拉曼光谱技术通常只检测stocks线？
反stocks线可以提供什么信息？
根据波尔兹曼定律，在室温下，分子绝大多数处于振动能级基态，由于振动能级间距还是比较大的，因此，所以斯托克斯线的强度远远强于反斯托克斯线。
随温度升高，反斯托克斯线的强度增加。
拉曼光谱仪一般记录的都只是斯托克斯线。
（3）与红外光谱相比，拉曼光谱的优越性有哪些？
（1）它适于分子骨架的测定，提供快速、简单、可重复、且更重要的是无损伤的定性定量分析，它无需样品准备，样品可直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英、和光纤测量。
（2）不受水的干扰。
（3）拉曼一次可以同时覆盖50－4000波数的区间，可对有机物及无机物进行分析。
（4）拉曼光谱的谐波和合频带都不是非常强，一般都比红外光谱简单，重叠带很少见到。
（5）拉曼光谱使用激光作为光源使其相当易于探测微量样品，如表面、薄膜、粉末、溶液、气体和许多其他类型的样品。
（6）共振拉曼效应可以用来有选择性地增强大生物分子特个发色基团的振动，这些发色基团的拉曼光强能被选择性地增强103到104倍。
核磁共振与材料分析
1.核磁共振产生的基本条件是什么？
为什么12C没有核磁共振信号？
核磁共振发生的基本条件：
磁性核（I≠0）静磁场与原子核能级裂分匹配的射频12C核自旋量子数I=0
2.解释化学位移的含义和表示方法。
一般地，把分子中同类磁核，因化学环境不同而产生的共振频率的变化量，称为化学位移。
观测核与标样共振频率之差:
δ=[（νs-νR）/νR]×106
4.在1H-NMR谱中，化学位移较大的磁核之间的偶合的一般规则是什么？
由于相邻原子核之间的偶合而产生的谱带裂分数遵循2nI+1规律。
对于1H，13C等原子核，I=1/2，则变成n+1规律。
如果观测的质子相邻几组化学等价的原子核n1,n2,n3,…，且J相等,则该质子裂分成（n1+n2+n3+…,）+1重峰。
在裂分的多重峰中，各峰的相对强度之比等于二项式（a+b）n展开式各项系数之比。
4.从溶液1HNMR谱能得到哪些信息？
（1）吸收峰的组数判断分子中氢的种类；②从化学位移判断分子中基团的类型；③从峰的积分面积计算不同基团中氢的相对数目；④从偶合裂分个数和偶合常数判断各基团的连接关系。
5.解释CP/MAS/DD方法中CP、MAS、DD的含义，为什么利用CP/MAS/DD方法能够达到高分辨的目的？
CP/MAS/DD方法的优点和缺点是什么？
天然丰度低，灵敏度比较低，交叉极化（Cross-polarisation，CP）能够提高灵敏度CP的优点和缺点•经过交叉极化之后，13C信号最多可以增加4倍•弛豫延迟时间只需要是1HT1的3-5倍，•谱图一般不具有定量价值
5.红外光谱分析与材料研究
（1）红外光谱图可以分成哪几个区？
各区吸收峰能分析哪些主要基团？
红外光谱分析有哪些主要制样方法？
红外光谱图可以分成两个大区，4个小区。
两个大区：
官能团特征频率区4000~1500cm-1和指纹区1500~400cm-1。
4个小区：
氢键区4000~2500cm-1，主要分析C－H、O－H、N－H的伸缩振动（1分）叁键区：
2500~2000cm-1,主要分析C≡C、C≡N的伸缩振动（1分）双键区：
2000~1500cm-1，主要分析C＝C、C＝O、苯的伸缩振动（1分）单键区：
1500~400cm-1，主要分析C－C、C－O、C－N的伸缩振动；C－H、O－H、N－H的弯曲振动（1分）
（2）主要制样方法：
压片法（适用于能磨成粉的样品）
涂膜法（适用于能溶解的样品）
溶液法（适用于能溶解的样品）
薄膜法（溶液成膜，热压成膜，超薄切片）
全反射法（适用于橡胶、表面涂层、薄膜等样品）
（3）红外光谱的测定原理是什么？
利用红外光谱对物质分子进行的分析和鉴定。
将一束不同波长的红外射线照射到物质的分子上，某些特定波长的红外射线被吸收，形成这一分子的红外吸收光谱。
每种分子都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱，据此可以对分子进行结构分析和鉴定。
红外吸收光谱是由分子不停地作振动和转动运动而产生的，分子振动是指分子中各原子在平衡位置附近作相对运动，多原子分子可组成多种振动图形。
当分子中各原子以同一频率、同一相位在平衡位置附近作简谐振动时，这种振动方式称简正振动（例如伸缩振动和变角振动）。
分子振动的能量与红外射线的光量子能量正好对应，因此当分子的振动状态改变时，就可以发射红外光谱，也可以因红外辐射激发分子而振动而产生红外吸收光谱。
分子的振动和转动的能量不是连续而是量子化的。
但由于在分子的振动跃迁过程中也常常伴随转动跃迁，使振动光谱呈带状。
所以分子的红外光谱属带状光谱。
分子越大，红外谱带也越多。
6.5.TEM与SEM研究材料的微观结构
1.分别画出简单立方、面心立方和体心立方[112]取向的电子衍射图。
2.假定衍射斑点形成正方形，对下面的衍射图进行标定。
面心立方体心立方简单立方
6.材料的力学性能与服役性能
1.叙述变形在材料加工和使用过程中给我们带来哪些益处和问题？
益处：
材料的变形使其易于成型，对于加工有很大的益处。
此外，金属材料可以通过变形达到硬化、强化的目的。
问题：
变形使得制品的形状发生变化，限制了其使用期限，也会使其力学性能受到一定程度的影响.
2.材料的强化方法有哪些？
举出一种金属、陶瓷和高分子三种材料通用的强化方法。
材料常用的强化方法：
固溶强化、热处理强化、细晶强化、形变强化、相变强化（沉淀强化、马氏体强化）、晶界强化、弥散强化、时效强化、纤维强化、辐照强化、综合强化（如：
固溶强化十形变强化、结晶强化+沉淀强化、马氏体强化+表面形变强化、固溶强化+沉淀强化）
金属、陶瓷和高分子三种材料通用的强化方法：
分散强化（弥散强化）、纤维强化。
3.MSP小样品试验法可以测试哪些力学性能？
请列举出3种。
MSP强度（屈服和断裂）、弹性模量、疲劳强度及剩余寿命。
（常温）
MSP高温强度、韧脆转变温度和蠕变性能参数。
（高温）
力电耦合场下的断裂强度、疲劳强度。
（电场）
7.流体的流变性能
1、简述流变体的分类，写出其应力应变关系？
欧几里德刚体：
（也称绝对刚体）粘度趋向于无穷大时，在外力作用下不发生任何形变。
帕斯卡流体：
粘度趋向于0，是超流体。
虎克体：
高弹体：
——（n为交联密度；R为气体常数；T为温度；
为拉伸比）
粘弹体：
（Maxwell模型），
（开尔文模型）
牛顿流体：
非牛顿流体：
n>1，切力增稠；n=1，牛顿流体；
n<1，切力变稀
2、简述高聚物流体的流变特性？
（1）高粘度和粘度形变速率的依赖性
（2）存在法向应力效应
（3）存在力学松弛现象
（4）存在拉伸粘度及可纺性
3、简述影响高聚物流动特性的主要因素？
（1）剪切速率的影响：
随着剪切速率的增大，粘度开始不变，当剪切速率达到某一临界值时，粘度开始变小，出现切力变稀。
随着剪切速率的继续增加，当达到另一临界值时，粘度不再变化，趋向于
（2）分子量的影响：
分子量变大，粘度变大。
（3）分子量分布的影响：
分子量分布宽则在低剪切应力下，开始出现切力变稀现象。
（4）温度的影响：
（表观粘度）
时温等效关系（WLF方程）
8.DSC和DMA在材料分析中的应用
1.简述差示扫描量热法（DSC）的原理，列举DSC在材料研究中的应用，玻璃化转变温度如何获得？
答：
示差扫描量热法（DSC）指在相同的程控温度变化下，用补偿器测量样品与参比物之间的温差保持为零所需热量对温度T的依赖关系，它在定量分析方面的性能明显优于DTA。
DSC谱图的的纵坐标为单位质量的功率（mW/g）。
与DTA相比，DSC对热效应的相应更快、更灵敏、峰的分辨率更好，更有利于定量分析。
示差热分析利用了装置在试样和参比物下面的两组补偿加热丝，当试样在加热过程中由于热反应而出现温度差△T时，通过差热放大和差动热量补偿使流入补偿丝的电流发生变化。
当试样吸热时，补偿使试样一边的电流（Is）立即增大；反之，在试样放热时则是参比物一边的电流增大，直至两边热量平衡，温度△T差消失为止。
试样在热反应时发生的热量变化，由于及时输入电功率而得到补偿，补偿的功率则反应了对应转变发生的程度，能定量表达。
DSC在材料研究中的应用
●聚合物的玻璃化转变及共混相容性的研究
●聚合物和小分子化合物结晶和熔融行为
●氢键相互作用及凝胶转变温度
●聚合物的结晶温度、结晶度
●结晶动力学分析
玻璃化转变受样品聚集态结构的影响，表现在转变温度的高低和转变锋的强弱（明显或不明显）。
我们通常把玻璃态与高弹态之间的转变，称为玻璃化转变，它所对应的转变温度即是玻璃化转变温度，或是玻璃化温度。
目前用于玻璃化温度测定的热分析方法主要为差热分析（DTA）和差示扫描量热分析法（DSC）。
DSC具体指，当温度逐渐升高，通过高分子聚合物的玻璃化转变温度时，DSC曲线上的基线向吸热方向移动。
假设A点是开始偏离基线的点。
将转变前后的基线延长，两线之间的垂直距离为阶差ΔJ，在ΔJ/2处可以找到C点，从C点作切线与前基线相交于B点，B点所对应的温度值即为玻璃化转变温度Tg。
1.DSC测试对样品的要求？
影响测试结果的因素有哪些？
答：
1）样品量
样品量少使峰尖锐，分辨率高；样品多则造成峰大而宽，相邻峰发生重叠，峰位向高温漂移。
在仪器灵敏度许可的情况下，样品尽可能少，5～15mg。
但考虑测定Tg转变时热容变化小，样品可适当多一些。
2）升温速率
升温速率过快，使转变温度向高温移动，造成数据偏向高温；升温速率过慢降低测试效率，这又造成高聚物链的热转变和松弛缓慢而使热转变不太明显，特别是玻璃化转变。
通常是10℃/min的升温速率。
3）试样尺寸
样品的粘度对表面反应或受扩散控制的反应影响较大，粘度小使峰移向低温。
因此最好剪碎样品。
4）样品中的水分子及小分子
样品中残留的水份及小分子有利于高聚物分子链的松弛，使测定的Tg偏低。
5）气氛
可以是静态或动态的，可以是参加反应的。
通常采用30ml/min的氮气流，避免样品的热氧化。
4.从DMA图谱如何识别共混物的相容性？
DMA损耗峰的强度和宽窄表示相态结构的什么特点？
共混物不相容：
存在两个Tg，各组分的Tg保持不变；
部分相容：
存在两个Tg，组分中较低Tg想高温移动，原来较高Tg向低温移动；
完全相容：
只有一个Tg。
DMA损耗峰窄：
表示结晶区与无定形区的无过渡边界明显；
DMA损耗峰宽：
表示结晶区与无定形区有过渡区域，边界不明显。
9.材料的电性能（导电，介电）
1.四探针法测电导率的原理？
四探针法测量原理图
参考答案1：
当１、２、３、４四根金属探针排成一直线时，并以一定压力压在半导体材料上，在１、４两处探针间通过电流I，则２、３探针间产生电位差V。
材料电阻率
探针系数
式中：
S1、S2、S3分别为探针１与２，２与３，３与４之间距，用cm为单位时的值，S1=S2=S3=1mm.每个探头都有自己的系数。
C6.280.05单位cm。
若电流取I=C时，则ρ＝V，可由数字电压表直接读出。
参考答案2：
若四探针在同一平面的同一直线上，其间距分别为S1、S2、S3，且S1=S2=S3=S时，则
这就是常见的直流等间距四探针法测电阻率的公式。
2．测量液体电介质介电常数的原理?
电极在空气中测量电极在介质中测量
:
液体电介质介电常数，
3．电化学测试中，3电极体系是什么？
它和2电极体系的区别？
如何将3电极体系变成2电极？
三电极体系含两个回路，一个回路由工作电极和参比电极组成，用来测试工作电极的电化学反应过程，另一个回路由工作电极和辅助电极组成，起传输电子形成回路的作用。
三电极指的是工作电极、参比电极和对电极，工作电极又称为研究电极，顾名思义就是我们所要考察的电极；参比电极是用来测量工作电极电势的；对电极又称为辅助电极，只是用来通过电流的.两回路指的是极化回路和测量回路
4.循环伏安法测试原理？
1.若电极反应为O＋e←→R，反应前溶液中只含有反应粒子O、且O、R在溶液均可溶，控制扫描起始电势从比体系标准平衡电势（φ平）正得多的起始电势（φi）处开始势作正向电扫描，电流响应曲线则如附图所示。
2.当电极电势逐渐负移到（φ平）附近时，O开始在电极上还原，并有法拉第电流通过。
由于电势越来越负，电极表面反应物O的浓度逐渐下降，因此向电极表面的流量和电流就增加。
当O的表面浓度下降到近于零，电流也增加到最大值Ipc，然后电流逐渐下降。
当电势达到（φr）后，又改为反向扫描。
3.随着电极电势逐渐变正，电极附近可氧化的R粒子的浓度较大，在电势接近并通过（φ平）时，表面上的电化学平衡应当向着越来越有利于生成R的方向发展。
于是R开始被氧化，并且电流增大到峰值氧化电流Ipa，随后又由于R的显著消耗而引起电流衰降。
整个曲线称为“循环伏安曲线”。
5．如何利用电化学方法测有机物的HOMO/LUMO能级?
标准氢电极电位相对于真空能级为-4.5V，计算HOMO能级的公式:
EHOMO=-（4.5+eEox），相对于SCE,EHOMO=-（4.74+eEox）。
采用三电极体系：
对电极用铂丝,工作电极用面积固定的铂片,参比电极用SCE,通过盐桥和鲁金毛细管与工作电极相连接.EHOMO=-（4.74+eEox）=-（4.74+1.0）eV=-5.74eV。
再结合光谱或能谱法测得的带隙Eg，间接计算出LUMO能级数值。
1粉末样品为什么要尽量细碎？
纤维样品要整齐平直？
2X衍射仪的基本结构及原理。
一束单色X射线入射到晶体时，由于晶体是由原子有规律排列成的晶胞所组成。
由不同原子衍射的X射线相互干涉迭加，可在特殊的方向上产生强X射线衍射。
衍射方向与晶胞的形状与大小有关，衍射强度则与原子在晶胞中排列方式有关。
基本原理：
每种结晶物质都有特定的结构参数，这些参数均影响这X射线衍射线的位置、强度。
位置：
晶胞的形状、大小，即面间距d。
强度：
晶胞内原子的种类、数目、位置。
尽管物质的种类多种多样，但却没有两种物质的衍射图是完全相同的。
因此，一定物质的衍射线条的位置、数目、及其强度，就是该种物质的特征，当试样中存在两种或以上的物质时，它们的衍射花样，即峰，会同时出现，但不会干涉，即是衍射线条的简单叠加。
根据此原理就可以从混合物的衍射花样中将物相一个一个地寻找出来。
当一束单色X射线入射到晶体时，由于晶体是由原子有规律排列成的晶胞所组成，而这些有规律排列的原子间的距离与入射X射线波长具有相同的数量级。
故由不同原子衍射的X射线相互干涉叠加，可在某些特殊的方向上产生强的X射线衍射。
3晶面指数的意义及表征。
晶面指数通常用（hkl）表示。
1.确定平面与三个坐标轴上的交点，h,k,l三个数分别对应于a,b,c三晶轴方向。
平面不能通过原点，如果平面通过原点，应移动原点。
2.取交点坐标的倒数。
如晶面与相应晶轴平行，则交点为，倒数为“0”。
例（hk0）晶面平行c轴；（h00）平行于b,c轴。
3.（hkl）中括号代表一组互相平行、面间距相等的晶面。
4.晶面指数不允许有公约数，即hkl三个数互质。
5.若某晶面与晶轴相截在负方向，则相应指数上加一横。
4高分子结晶的特点。
3.1.1晶胞由链段构成
3.2.2折叠链（伸直链）：
高分子链在大多数情况下，以折叠链片晶形态构成高分子晶体。
3.3.3结晶不完善：
所谓的结晶聚合物是部分结晶或称半结晶聚合物（结晶度常常在50%以下）晶格畸变、缺陷。
合成聚合物的单晶尺寸小于0.1mm，仅适用EM观察。
5粉末法和纤维法样品的衍射花样的基本特征。
在粉末方法中，样品是大量任意取向的很小晶体。
多晶团粒形成一个圆柱，其直径比入射X射线束的直径小。
衍射图是一系列不均匀的分立锥形（截面在照相底片上），其距离通过主要的晶面测定。
6测试时入射光强、步宽、扫描速度的影响。
8.扫描速度的确定
常规物相定性分析常采用每分钟2°或4°的扫描速度，在进行点阵参数测定，微量分析或物相定量分析时，常采用每分钟1/2°或1/4°的扫描速度。
72θ角、方位角、子午线、赤道线、晶面间距、晶粒尺寸、取向度、结晶度......
结晶度是表征聚合物材料中，结晶与非晶在质量分率或体积分率上大小的直观数值。
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