第1章材料现代分析方法

时间：2026-01-16

材料现代分析方法Modern Methods of Materials Analysis

理学院郭敏杰

框架1.材料现代分析方法的概念 2.材料分析的内容及相应的分析方法 3.材料分析的理论依据3.1 3.2 3.3 3.4 组织形貌分析相结构分析成分和价键分析分子结构分析

1.材料现代分析方法概念材料现代分析方法是关于材料分析测试技术及其有关理论的一门课程。成分、结构、加工和性能是材料科学与工程的四个基本要素，成分和结构从根本上决定了材料的性能，对材料的成分和结构的进行精确表征是材料研究的基本要求，也是实现性能控制的前提。

图中， “应用需求”提供了本学科与社会交互作用的通道，经由这一通道，社会向材料工作者提供需求信息，材料工作者向社会提供能满足需求的材料或材料产品； “合成与加工”与社会存在着一定的相互作用，这主要体现在对环境的影响方面，例如，加工过程中污染物的排放、能耗大小等； “材料结构成分”主要研究材料内部的化学成分、晶体结构、显微结构、复合结构的成因，以及这些结构对性能的影响； “材料性能”主要研究性能的评价方法、测试方法及影响因素。

材料分析方法定义

广义：包括技术路线实验技术数据分析狭义：某一种测试方法，如： X射线衍射方法电子显微术红外光谱分析核磁共振分析等

材料结构的层次(按照观察用具或设备的分辨能力来划分)

宏观结构显微结构

肉眼的分辨率光学显微镜的分辨率

亚微观结构微观结构普通扫描电子显微镜的分辨率

材料结构的层次：结构层次宏观结构显微结构亚显微结构微观结构

物体尺寸> 100 m 0.2-100 m 10-200 nm < 10 nm

研究对象大晶粒、颗粒集团多晶集团微晶集团晶格点阵

研究方法肉眼、放大镜显微镜扫描电镜扫描隧道电镜

2.材料分析的内容

表面和内部组织形貌。包括材料的外观形貌(如纳米线、断口、裂纹等)、晶粒大小与形态、各种相的尺寸与形态、含量与分布、界面(表面、相界、晶界)、位向关系(新相与母相、孪生相)、晶体缺陷(点缺陷、位错、层错)、夹杂物、内应力。晶体的相结构。各种相的结构，即晶体结构类型和晶体常数，和相组成。化学成分和价键(电子)结构。包括宏观和微区化学成份(不同相的成份、基体与析出相的成份)、同种元素的不同价键类型和化学环境。有机物的分子结构和官能团。

四大类材料分析方法

相应地，材料分析方法分可以分为为形貌分析、物相分析、成分与价键分析与分子结构分析四大类方法。基于

其它物理性质或电化学性质与材料的特征关系建立的色谱分析、质谱分析、电化学分析及热分析等方法也是材料现代分析的重要方法。相对而言，上述四大类方法在材料研究中应用得更加频繁。

3. 材料分析的理论依据

尽管材料分析手段纷繁复杂，但它们也具有共同之处。除了个别研究手段(如SPM)以外，基本上是利用入射电磁波或物质波(X射线、电子束、可见光、红外光)与材料作用，产生携带样品信息的各种出射电磁波或物质波(X 射线、电子束、可见光、红外光),探测这些出射的信号，进行分析处理，即可获得材料的组织、结构、成分、价键信息。

3.1组织形貌分析

微观结构的观察和分析对于理解材料的本质至关重要，组织形貌分析借助各种显微技术，认识材料的微观结构。表面形貌分析技术经历了光学显微镜(OM)、电子显微镜(SEM)、扫描探针显微镜(SPM) 的发展过程，现在已经可以直接观测到原子的图像。

三种组织分析手段的比较扫描探针显微镜观察倍率

扫描电子显微镜

×10000000×1000000 ×100000

×10000光学显微镜

×1000 ×100

×10分辨率

1000 0 10

1000 1

100 0.1

10 0.01