材料研究方法Word格式文档下载.docx

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CdSe,CdS等量子点不做TEM和HRTEM,依靠吸收光谱中尺寸效应的规律来判断晶粒尺寸大小。

反应时间越长，颗粒尺寸越大。

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）当胶体很小，d＜λ/20时，瑞利散射可以忽略，吸收光谱与粉末的漫反射光谱接近。

2）当胶体较大，d＞λ/20时，散射就会十分明显，在可见光区有吸收，这样获得是一个消光光谱，而不是吸收光谱，无法测得λonset。

用积分球测试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。

4、荧光光谱的液体样品池与紫外可见吸收光谱的比色皿有何异同点？

结合光的吸收、透射、散射、测定时仪器光源的角度来讨论。

紫外比色皿两面透光，荧光比色皿四面透光

①从吸收的角度来说，主要是样品池的材料来讨论：

吸收池都是石英材质。

②从光源的角度来说：

紫外-可见分光光度计的吸收池两面透光

荧光分光光度计的样品池四面透光

具体可画图说明：

红外光谱分析与材料研究

1、红外光谱图与紫外-可见光谱的异同？

红外谱中纵、横坐标是什么？

相同：

都是吸收光谱；

不同：

波长范围：

红外2.5-25μm；

紫外200-400nm

横-纵坐标：

红外是坐标是吸光度（-lg（T））或透光率（I/I0×

100%），横坐标是波数（cm-1）

紫外可见光谱纵坐标是吸光度或透光率，横坐标是波长；

波普来源：

红外是分子振动与转动，紫外电子跃迁

解析作用：

红外鉴定官能团，紫外共轭体系或羰基。

2、红外光谱图中峰的位置由什么决定？

影响峰位置的因素有哪些？

官能团振动频率是由力常数和折合质量决定的，是官能团固有的特征；

官能团振动频率的改变，反映了官能团所处环境的不同；

影响官能团振动频率的因素有振动偶合、费米共振、电子诱导、氢键等。

3、从共混体系的红外光谱如何分析两组分的相互作用？

FTIR可以用来从分子水平的角度研究高分子共混相互作用，从红外光谱角度来看，共混物的相容性是指光谱中能否检测出相互作用的谱带。

若两种均聚物是相容的，则可观察到频率位移、强度变化、甚至峰的出现或消失。

如果均聚物是不相容的，共混物的光谱只不过是两种均聚物光谱的简单叠加。

“相互作用光谱”可以从共混物光谱中减去两种均聚物光谱得到。

4、在材料研究中，哪些情况下需用红外光谱的衰减全反射（AttenuatedTotalReflectance,ATR）附件。

ATR的优势：

无需制样，反映样品本身特性，穿透深度固定与样品厚度无关（获得表面信息，0.1倍的波长厚度：

0.25-2.5微米）

固体样品检测：

收集普通红外无法测量的厚度0.1mm以内的塑料、高聚物、橡胶和纸张等样品表面。

液体样品检测：

生物样品、注射剂、汤剂和葡萄酒等。

5、红外光谱分析有哪些主要制样方法？

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（适用表面涂层、薄膜等样品）

拉曼光谱分析与材料研究

1.拉曼光谱与红外光谱的本质区别是什么？

红外光谱是分子吸收红外光引起振动和转动能级跃迁而产生的吸收信号，与分子偶极矩变化有关，是吸收光谱。

拉曼光谱是分子对可见光的散射所产生的光谱，与分子的极化率变化有关，是散射光谱。

拉曼光谱适于表征对称性高而电子云密度变化大的振动（C-C骨架），而红外光谱则适于表征对称性低而偶极矩改变大的振动（极性侧基）。

它们互补，测出分子结构。

2.为什么拉曼光谱技术通常只检测stokes线？

反stokes线可以提供什么信息？

介绍：

拉曼散射有两种情况，设入射光频率为ν0，一种是斯托克斯线，它是跃迁到受激到虚态的分子不跃回到基态E0，而是跃至基态的某一振动激发态Em上，因此释放出的光子能量为h（ν0-νm），产生的散射光波长大于入射光波长。

另一种是反斯托克斯线，它是分子开始处于基态中的激发态Em上，受能量为hν0的入射光激发后，跃迁至受激到虚态后，跃回至基态E0，发射出的光子能量为ｈ（ν0+νm），产生的散射光波长小于入射光波长。

根据波尔滋曼理论，在室温下，分子绝大多数处于振动能级基态，处于基态上的粒子数远大于处于振动激发态上的粒子数，而反斯托克斯线的分子都是处于激发态上的，同时由于振动能级间距还是比较大的，因此，stokes线的强度远远大于anti-stokes线（几个数量级）。

所以拉曼光谱通常只测stokes线。

反stocks线对应了分子第一激发态跃迁到基态。

反Stocks线强度越大，反应试样中处于激发态的分子越多，光子从与分子碰撞中获得能量的概率越高。

（有问题）

stokes线提供的信息

拉曼频率的确认――物质的组成

拉曼峰位的变化――张力/应力

拉曼偏振――晶体对称性和取向

拉曼峰宽――晶体质量

拉曼峰强度――物质总量

3.与红外光谱相比，拉曼光谱的优越性有什么？

1）适于分子骨架的定性定量分析，无需样品准备；

2）不受水的干扰；

3）覆盖范围广（50-4000cm-1），可对有机物及无机物进行分析；

4）重叠带较少，谱峰清晰尖锐，更适合精确研究；

5）使用激光作为光源，易测微量和小面积样品；

6）共振拉曼效应可以用来有选择性地增强大生物分子特定发色基团的振动，能增强103-104倍。

4、拉曼光谱与荧光光谱的本质区别是什么？

如何消除荧光对拉曼光谱的影响？

荧光光谱是发射光谱（或激发光谱），是分子吸收能量后由于撞击释放能量，产生光子形成荧光。

拉曼光谱是散射光谱，是光子与分子碰撞，产生能量交换发生频率反射后改变；

消除：

荧光通常是一种量子效率更高的过程，甚至很少量不纯物质的荧光也可以导致显著的拉曼信号降低。

控制激光以较小的强度照射到样品上（1-2mW）可以抑制荧光的产生；

使用更长的波长例如：

785nm或1064nm的激发光可使荧光效应显著减弱。

5、如何提高拉曼光谱技术的检测灵敏度？

拉曼谱最主要的干扰来自于荧光，样品的热效应和基质或样品自身的吸收。

在喇曼光谱实验中，为了得到高质量的谱图，除了选用性能优异的谱仪外，准确地使用光谱仪，控制和提高仪器分辨率和信噪比是很重要的。

（1）狭缝：

入射、出射狭缝的主要功能是控制仪器分辨率，中间狭缝主要是用来抑制杂散光。

（2）孔径角的匹配：

注意把散射光正确地聚焦到入射狭缝上，否则不但降低了分辨率也影响了信号灵敏度。

（3）激发功率：

提高激发光强度或增加缝宽能够提高信噪比，但在进行低波数测量时这样做常常会因增加了杂散光而适得其反。

（4）激发波长：

由于长波长激光对仪器内少量灰尘或试样中缺陷的散射弱；

另一方面由于狭缝宽度一样时，不同波长的光由出射狭缝出射时所包含的谱带宽度不一样。

所以一般用长波长的激光谱线作为激发光，对获得高质量的谱图有利。

（5）防止局部过热：

样品过热易分解常使激光焦点和样品的表面做相对运动，还能提高分析的灵敏度。

还可采用以下技术来提高灵敏度：

采用表面增强拉曼光谱技术；

激光共振拉曼光谱技术；

激光扫描共聚焦显微术；

纤维光学拉曼技术；

固体光声拉曼技术等手段。

核磁共振和光散射技术与材料研究

1、产生核磁共振的条件是什么？

（1）核有自旋（磁性核，磁旋比γ；

质量数和原子序数均为偶数，自旋量子数I=0不能产生核磁共振）;

（2）外磁场B0,能级裂分；

（3）照射的电磁波频率ω=γB0

2、何谓化学位移，化学位移是如何产生的？

化学位移：

分子中同类原子核因化学环境不同而产生的共振频率的变化量。

由于核外电子云存在的屏蔽作用，原子核实际感受到的磁场:

B=B0-Be=B0-σB0=（1-σ）B0（σ称为屏蔽常数）原子核产生共振的电磁波频率为：

ω=γB=γ（1-σ）B0，同一种核在同一磁场下，由于在分子中所处的化学环境不同，因而在不同的电磁波频率下产生共振——NMR分析的主要依据。

3、从核磁共振氢谱图上能获得哪些信息？

（1）化学位移值（δ）：

确认氢原子所处的化学环境，即属于何种基团。

（2）谱峰裂分数和偶合常数（J）：

推断相邻氢原子的关系与结构。

（3）谱峰面积：

确定分子中各类氢原子的数量比。

4、如何通过核磁共振实验来区分分子链中不同种类的碳？

用DEPT方法区分不同种类的碳原子

DEPT45：

季碳不出峰，其余的CH3、CH2和CH都出峰，并皆为正峰；

DEPT90：

除CH出正峰外，其余的碳均不出峰；

DEPT135：

CH3和CH出正峰，CH2出负峰，季碳不出峰。

可根据化合物的结构，选择测得其中的一种或几种DEPT碳谱，并结合质子宽带去偶谱来确定分子中各碳原子的级数。

5、列举5个核磁共振波谱分析法在材料科学研究中的应用方向。

NMR可测定聚合物分子量（绝对分子量）

共聚物组成分析

无规共聚物序列结构分布分析

聚合物立构序列结构分布分析

聚合物共混物组成分析

聚合反应

分析聚合物的结晶结构

固体NMR研究聚合物分子链之间的相互作用

二氧化硅表面改性的固体NMR表征

无机/有机核壳复合粒子的固体NMR表征

用固体NMR鉴别真假彩棉

TEM/SEM研究材料的微观结构

晶面：

一个（hkl）；

一组﹛hkl﹜；

晶向:

一个[uvw]；

一组﹤uvw﹥

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。

面心立方体心立方简单立方

3、Al,fcc,a=4.4049,RA=RB=16.2，Rc=26.5，（RARB）=70.50，（RARC）=35.50。

求A、B、C等的指数及[UVW]，Ll及误差。

DSC在材料研究中的应用

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？

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谱图的纵坐标为单位质量的功率（mW/g）。

DSC测定的是维持样品与参比物处于相同温度所需要的能量差⊿W,反映了样品热焓的变化。

●聚合物玻璃化转变的研究（Tg）

●聚合物熔融/结晶转变的研究（Tm&

Tc）

●聚合材料结构特征与交联的研究（高于临界浓度，大分子链发生缠结，Tg较高）

●共混聚合物相容性的研究（不相容会出现两个Tg峰）

●与氢键相互作用的研究（H键约多，Tg越大）

●结晶温度及结晶度、和结晶动力学研究

Avrami方程式

2、DSC测试对样品的要求？

影响测试结果的因素有哪些？

因为样品尺寸是测试结果的影响因素，所以样品的粒度要尽可能小且均匀（块状样品传热慢），样品量为5——15mg。

影响因数：

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，灵敏度差。

2）升温速率

升温速率过快，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

样品中残留的水分及小分子（增塑剂）有利于高聚物分子链的松弛，使测定的Tg偏低。

5）气氛

通常采用30ml/min的氮气流，避免样品的热氧化。

3、MDSC相对DSC的优势是什么？

（1）在常规的线性升温的基础上，叠加了正弦振荡波升温曲线,样品的温度随时间的变化不再是线性增长；

（2）以缓慢的基础升温速率提高了分辨率，同时以快速的瞬时升温速率提高了灵敏度；

（3）将可逆和不可逆效应区分开来，在检测微弱转变、多相转变、测定初始结晶度等方面显示出不可比拟的优势。

（4）MDSC能将过程中与热容相关的热流（可逆）从总热流中分离出来，使各转变更加清晰。

MDSC对相容性和结晶特性的研究更准确；

MDSC能区别起始结晶和升温过程结晶。

DMA的分析测试和应用

1、DMA的原理是什么？

对样品的要求？

动态力学分析（DMA）的原理：

指在程控温度下，测量材料在一定频率振动负荷下的动态模量和力学损耗与温度的关系。

●DMA测量的温度范围低至液氮冷却温度-170℃，最高温度可达到500-600℃。

●DMA加载模式多样：

根据不同式样尺寸和特性而选择三点弯曲、压缩、拉伸、剪切、扭转等多种测量方式。

样品要求：

（1）试样均匀、无气泡、有固定的形状，尺寸要准确测量。

（2）对试样施加的应变量要适当，较硬的材料位移要小些（1-5%），较软的材料位移要大些（5-10%）。

2、从DMA图谱如何体现共混物的相容性？

共混物不相容：

存在两个内耗峰tanδ，各组分的峰值保持不变，同时显现出来；

部分相容：

存在两个内耗峰tanδ，组分中较低峰向高温移动，原来较高峰值向低温移动；

完全相容：

只有一个内耗峰tanδ。

3、DMA损耗峰的宽窄表示相态结构的什么特点？

DMA损耗峰窄：

表示结晶区与无定形区的无过渡边界明显，相容性不好。

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，共混物的相容性越好。

4、影响DMA测试的因素有哪些？

频率和升温速率是影响DMA测试结果的因素。

✧频率太高，高分子链的运动赶不上，纯在延迟，使得Tg偏高。

在频率为1Hz的扭摆振动测试时由峰所对应的Tg与DSC测定的Tg（mid）接近，当频率提高1个数量级时，Tg提升约7℃。

✧要得到动态信息，DMA的升温速率通常要低于DSC，2℃-5℃min-1。

由DMA谱求取Tg，可以由突变处的切线交点或和峰顶所对应的温度作为Tg。

5、对流体的动态力学分析能获得什么信息？

借助Maxwell方程描述流体的动态力学行为

均匀流体在末短区应符合这样的关系，偏离这一关系意味流体的非均匀结构存在！

！

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：

变形使材料易于成型。

另外，金属材料可以通过变形达到硬化和强化。

问题：

变形使制品形状发生变化，限制了其使用期限，也使其力学性能受到一定影响

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。

固溶强化，沉淀强化，分散强化，热处理强化、结晶强化，形变强化，相变强化，纤维强化，综合强化

金属材料的强化途径，主要有以下几个方面；

（1）结晶强化结晶强化就是通过控制结晶条件，在凝固结晶以后获得良好的宏观组织和显微组织，从而提高金属材料的性能。

它包括：

细化晶粒和提纯强化。

（2）形变强化金属材料经冷加工塑性变形可以提高其强度。

这是由于材料在塑性变形后位错运动的阻力增加所致。

（3）固溶强化通过合金化（加入合金元素）组成固溶体，使金属材料得到强化称为固溶强化。

（4）相变强化合金化的金属材料，通过热处理等手段发生固态相变，获得需要的组织结构，使金属材料得到强化。

相变强化可以分为两类：

沉淀强化（或称弥散强化和马氏体强化。

（5）晶界强化晶界部位的自由能较高，而且存在着大量的缺陷和空穴，在低温时，晶界阻碍了位错的运动，因而晶界强度高于晶粒本身；

但在高温时，沿晶界的扩散速度比晶内扩散速度大得多，晶界强度显著降低。

因此强化晶界对提高钢的热强性是很有效的。

（6）综合强化在实际生产上，强化金属材料大都是同时采用几种强化方法的综合强化，以充分发挥强化能力。

实际生产上，强化金属材料大多同时采用几种强化方法综合强化，以充分发挥强化能力。

对工程材料来说，一般是通过综合的强化效应以达到较好的综合性能,这些方法往往是共存的。

形变强化对金属、陶瓷和高分子三种材料都适用。

形变强化实质：

塑性变形消除了部分容易运动的位错，再塑性变形需要更大的力驱使更难运动的位错开始运动。

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系统可以测试材料性能：

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、脆韧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）

4、什么是韦伯系数？

它在产品的质量保证范畴内有何实际意义？

纵坐标lnln（1/（1-S）），S为承载的负荷，lnσ为平均强度，S↑,σ↑，其斜率为韦伯系数

在一定的破坏几率下，当破坏强度为一定时，平均强度与韦伯系数存在如下关系：

韦伯系数越高所需平均强度就越低,但提高稳定性！

!

在进行产品设计时，如何提高产品质量的稳定性对提高产品的盈利至关重要！

如果通过质量管理能够使产品的韦伯系数维持在一个高位，就可以选用具有较低强度的低廉材质而不影响产品的寿命。

这是一种新产品设计的理念，符合当今低碳经济的潮流。

所以，在现代企业管理中质量至上并不是要用最好的材料，而是要创造出最稳定的生产工艺，这才是我们材料工作者的使命！

5、材料的服役特性曲线分几个阶段？

说明各阶段的特征。

产品在服役过程中随时间的推移其故障一般可分为三大类，初期故障、偶发故障和磨耗故障。

初期故障：

通过简单的全数的初期检验来去除不合格产品。

偶发故障：

通过故障率试验，确认故障率是否小于设计标准，提高产品稳定性来减少偶发故障。

磨耗故障：

通过寿命试验（耐久性试验）来测得，产品的最终寿命，避免造成故障发生。

三条规律：

（1）温度一定时，材料的寿命与承载的负荷呈直线关系，当承载负荷低时材料表现出高的耐久寿命，随着承载负荷提高其耐久寿命降低。

（2）承载的负荷一定时，材料的寿命（对数）与温度的倒数呈直线关系，当使用温度越低，耐久寿命越长。

（3）材料或产品随着其使用期限的增加会发生疲劳，从而使其性能降低。

因此，在产品结构设计中要考虑安全系数！

材料的电性能（导电、介电）

1、四探针法测电导率的原理？

σ=1/ρ

其测量范围为10-3~104Ω*cm

优点：

测量时材料是非破坏性的。

距离探针r处电流密度为J=

由微分欧姆定律可得距离探针r处的电场强度E为E=ρJ

由于E=－dV/dr，且r→∞时，V→0，则在距离探针r处的电势V为

半导体内各点的电势应为四探针在该点形成的电势的矢量和（右图）。

推导得：

其中

，C为探针系数，单位为cm。

r12、r24、r13、r34分别为相应探针间的距离。

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?

频率法：

测试装置示意图如下；

所用电极为两个电容量不等、并联在一起的空气电容，电极在空气中电容分别为C01和C02。

介电常数测试仪内部的电感L和被测试电容C构成LC振荡回路。

振荡频率为

其中C0为电容器两极板为空气介质时的电容；

C分为测量引线及测量系统等引起的分布电容之和；

电感L一定，k为常数，频率仅随电容C的变化而变化；

当电极在空气中分别接入电容C01，C02，相应振荡频率为f01，f02；

有：

则有：

电极在液体中时，相应有

得液体介电常数：

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？

3电极指工作电极、参比电极、辅助电极。

工作电极：

研究反应在该电极上发生；

参比电极：

指一个已知电势的接近于理想不极化的电极，为测量过程提供一个稳定的电极电位。

该电极上基本无电流通过，用于测定工作电极（相对于参比电极）的电极电势；

辅助电极：

又称对电极，与工作电极构成回路，使工作电极电流畅通，以保证所研究的反应在工作电极上发生，但必须无任何方式限制电池观测的响应。

与2电极区别：

2电极体系只有工作电极和辅助电极，无参比电极。

3电极体系因为参比电极的作用能够精确的控制电势差，减少误差。

另外，2电极法操作简单，比较适用于恒电流沉积。

3电极稍微复杂，但适于恒电位，恒电流，循环伏安，脉冲等等各种电化学沉积。

3电极体系变成2电极：

将参比电极（RE）与辅助电极（CE）连接起来，三电极体系就变成2电极体系了。

4、循环伏安法测试原理？

CV（Cyclicvoltammetry），线性扫描的一种，三电极体系；

在工作电极上施加一线性扫描电压，以恒定扫速扫描，从起始电势E0开始扫描到终止电势E1后，再回