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材料分析中10個經(jīng)典測試，必備技能！

2018-07-17 13:31:19 作者：本網(wǎng)整理來源：e測試服務平臺分享至：

01 X射線衍射物相分析

粉末X射線衍射法，除了用于對固體樣品進行物相分析外，還可用來測定晶體結構的晶胞參數(shù)、點陣型式及簡單結構的原子坐標。

X射線衍射分析用于物相分析的原理是：由各衍射峰的角度位置所確定的晶面間距d以及它們的相對強度Ilh是物質(zhì)的固有特征。而每種物質(zhì)都有特定的晶胞尺寸和晶體結構，這些又都與衍射強度和衍射角有著對應關系，因此，可以根據(jù)衍射數(shù)據(jù)來鑒別晶體結構。

此外，依據(jù)XRD衍射圖，利用Schererr公式：

（K為Scherrer常數(shù)、D為晶粒垂直于晶面方向的平均厚度、B為實測樣品衍射峰半高寬度、θ為衍射角、γ為X射線波長，為0.154056nm）

K為Scherrer常數(shù)，若B為衍射峰的半高寬，則K=0.89；若B為衍射峰的積分高寬，則K=1:；

D為晶粒垂直于晶面方向的平均厚度（nm）；

B為實測樣品衍射峰半高寬度（必須進行雙線校正和儀器因子校正），在計算的過程中，需轉化為弧度（rad）；

θ為衍射角，也換成弧度制（rad）；

γ為X射線波長，為0.154056 nm ，

由X射線衍射法測定的是粒子的晶粒度。

02 熱分析

熱分析技術應用于固體催化劑方面的研究，主要是利用熱分析跟蹤氧化物制備過程中的重量變化、熱變化和狀態(tài)變化。

熱分析（thermal analysis，TA）是指用熱力學參數(shù)或物理參數(shù)隨溫度變化的關系進行分析的方法。國際熱分析協(xié)會（International Confederation for Thermal Analysis，ICTA）于1977年將熱分析定義為：“熱分析是測量在程序控制溫度下，物質(zhì)的物理性質(zhì)與溫度依賴關系的一類技術。”根據(jù)測定的物理參數(shù)又分為多種方法。

最常用的熱分析方法有：差（示）熱分析（DTA）、熱重量法（TG）、導數(shù)熱重量法（DTG）、差示掃描量熱法（DSC）、熱機械分析（TMA）和動態(tài)熱機械分析（DMA）。此外還有：逸氣檢測（EGD）、逸氣分析（EGA）、扭辮熱分析（TBA）、射氣熱分析、熱微粒分析、熱膨脹法、熱發(fā)聲法、熱光學法、熱電學法、熱磁學法、溫度滴定法、直接注入熱焓法等。測定尺寸或體積、聲學、光學、電學和磁學特性的有熱膨脹法、熱發(fā)聲法、熱傳聲法、熱光學法、熱電學法和熱磁學法等。

熱分析技術能快速準確地測定物質(zhì)的晶型轉變、熔融、升華、吸附、脫水、分解等變化，對無機、有機及高分子材料的物理及化學性能方面，是重要的測試手段。熱分析技術在物理、化學、化工、冶金、地質(zhì)、建材、燃料、輕紡、食品、生物等領域得到廣泛應用。

03 掃描隧道顯微鏡（STM）

掃描隧道顯微鏡有原子量級的高分辨率，其平行和垂直于表面方向的分辨率分別為0.1 nm和0.01nm，即能夠分辨出單個原子，因此可直接觀察晶體表面的近原子像；其次是能得到表面的三維圖像，可用于測量具有周期性或不具備周期性的表面結構。通過探針可以操縱和移動單個分子或原子，按照人們的意愿排布分子和原子，以及實現(xiàn)對表面進行納米尺度的微加工，同時，在測量樣品表面形貌時，可以得到表面的掃描隧道譜，用以研究表面電子結構。

掃描隧道顯微鏡的工作原理簡單得出乎意料。就如同一根唱針掃過一張唱片，一根探針慢慢地通過要被分析的材料（針尖極為尖銳，僅僅由一個原子組成）。一個小小的電荷被放置在探針上，一股電流從探針流出，通過整個材料，到底層表面。當探針通過單個的原子，流過探針的電流量便有所不同，這些變化被記錄下來。電流在流過一個原子的時候有漲有落，如此便極其細致地探出它的輪廓。在許多的流通后，通過繪出電流量的波動，人們可以得到組成一個網(wǎng)格結構的單個原子的美麗圖片。

04透射電子顯微鏡（TEM）

透射電鏡基本結構

透射電子顯微鏡是把經(jīng)加速和聚集的電子束投射到非常薄的樣品上，電子與樣品中的原子碰撞而改變方向，從而產(chǎn)生立體角散射。散射角的大小與樣品的密度、厚度相關，因此可以形成明暗不同的影像，影像將在放大、聚焦后在成像器件（如熒光屏、膠片、以及感光耦合組件）上顯示出來。

透射電鏡成像原理透射電鏡可用于觀測微粒的尺寸、形態(tài)、粒徑大小、分布狀況、粒徑分布范圍等，并用統(tǒng)計平均方法計算粒徑，一般的電鏡觀察的是產(chǎn)物粒子的顆粒度而不是晶粒度。高分辨電子顯微鏡（HRTEM）可直接觀察微晶結構，尤其是為界面原子結構分析提供了有效手段，它可以觀察到微小顆粒的固體外觀，根據(jù)晶體形貌和相應的衍射花樣、高分辨像可以研究晶體的生長方向。

05 X射線能譜

X-射線光電子能譜儀，是一種表面分析技術，主要用來表征材料表面元素及其化學狀態(tài)。其基本原理是使用X-射線，如Al Ka =1486.6eV，與樣品表面相互作用，利用光電效應，激發(fā)樣品表面發(fā)射光電子，利用能量分析器，測量光電子動能（K.E），根據(jù)B.E=hv-K.E-W.F，進而得到激發(fā)電子的結合能（B.E）。

每一種元素都有它自己的特征X射線，根據(jù)特征X射線的波長和強度就能得出定性和定量的分析結果，這是用X射線做成分分析的理論依據(jù)。EDS分析的元素范圍Be4-U9a，一般的測量限度是0.01%，最小的分析區(qū)域在5~50A，分析時間幾分鐘即可。X射線能譜儀是一種微區(qū)微量分析儀。用譜儀做微區(qū)成分分析的最小區(qū)域不僅與電子束直徑有關，還與特征X射線激發(fā)范圍有關，通常此區(qū)域范圍為約1μm. X射線譜儀的分析方法包括點分析、線分析和面分析。在TEM和SEM里，通常結合使用特征X射線譜來分析材料微區(qū)的化學成分。

06 傅里葉紅外光譜

全名為Fourier Transform Infrared Spectrometer，F(xiàn)TIR Spectrometer，是基于對干涉后的紅外光進行傅里葉變換的原理而開發(fā)的紅外光譜儀，主要由紅外光源、光闌、干涉儀（分束器、動鏡、定鏡）、樣品室、檢測器以及各種紅外反射鏡、激光器、控制電路板和電源組成。

光源發(fā)出的光被分束器（類似半透半反鏡）分為兩束，一束經(jīng)透射到達動鏡，另一束經(jīng)反射到達定鏡。兩束光分別經(jīng)定鏡和動鏡反射再回到分束器，動鏡以一恒定速度作直線運動，因而經(jīng)分束器分束后的兩束光形成光程差，產(chǎn)生干涉。干涉光在分束器會合后通過樣品池，通過樣品后含有樣品信息的干涉光到達檢測器，然后通過傅里葉變換對信號進行處理，最終得到透過率或吸光度隨波數(shù)或波長的紅外吸收光譜圖。

傅里葉紅外光譜儀不同于色散型紅外分光的原理，可以對樣品進行定性和定量分析，廣泛應用于醫(yī)藥化工、地礦、石油、煤炭、環(huán)保、海關、寶石鑒定、刑偵鑒定等領域。

傅里葉一紅外光譜儀可檢驗金屬離子與非金屬離子成鍵、金屬離子的配位等化學環(huán)境情況及變化。

國產(chǎn)主流廠家：

天津港東生產(chǎn)的FTIR-650 傅里葉變換紅外光譜儀、FTIR-850 傅里葉變換紅外光譜儀；

北京瑞利生產(chǎn)的WQF-510 傅里葉變換紅外光譜儀、WQF-520 傅里葉變換紅外光譜儀。

進口品牌廠家：

日本SHIMADZU 生產(chǎn)的IRAffinity-1,IRAffinity-21 傅里葉變換紅外光譜儀；

美國Thermo Fisher 生產(chǎn)的Nicolet 6700、IS10、IS5 傅里葉變換紅外光譜儀；

德國Bruker Optics 生產(chǎn)的Tensor 27、Tensor 37 傅立葉變換紅外光譜儀。

07 拉曼光譜

拉曼光譜是分子的非彈性光散射現(xiàn)象所產(chǎn)生，非彈性光散射現(xiàn)象是指光子與物質(zhì)分析發(fā)生相互碰撞后，在光子運動方向發(fā)生改變的同時還發(fā)生能量的交換（非彈性碰撞）。拉曼光譜產(chǎn)生的條件是某一簡諧振動對應于分子的感生極化率變化不為零時，拉曼頻移與物質(zhì)分子的轉動和振動能級有關，不同物質(zhì)有不同的振動和轉動能級，同時產(chǎn)生不同拉曼頻移‘拉曼光譜具有靈敏度高、不破壞樣品、方便快速等優(yōu)點。

拉曼光譜是一種研究物質(zhì)結構的重要方法，特別是對于研究低維納米材料，它已經(jīng)成為首選方法之一。

實際做出的譜圖：丙酮的拉曼光譜圖

拉曼信號的選擇：入射激光的功率，樣品池厚度和光學系統(tǒng)的參數(shù)也對拉曼信號強度有很大的影響，故多選用能產(chǎn)生較強拉曼信號并且其拉曼峰不與待測拉曼峰重疊的基質(zhì)或外加物質(zhì)的分子作內(nèi)標加以校正。其內(nèi)標的選擇原則和定量分析方法與其他光譜分析方法基本相同。

斯托克斯線能量減少，波長變長

反斯托克斯線能量增加，波長變短

利用拉曼光譜可以對材料進行分子結構分析、理化特性分析和定性鑒定等，可揭示材料中的空位、間隙原子、位錯、晶界和相界等方面信息。

08 N2吸附脫附等溫線（BET）分析和孔徑分析

N2吸附平衡等溫線是以恒溫條件下吸附質(zhì)在吸附劑上的吸附量為縱坐標，以壓力為橫坐標的曲線。通常用相對壓力P/P0表示壓力；P為氣體的真實壓力P0為氣體在測量溫度下的飽和蒸汽壓。吸附平衡等溫線分為吸附和脫附兩部分。平衡等溫線的形狀與材料的孔組織結構有著密切的關系。

我們慣用的是IUPAC的吸附等溫線6種分類，類型I表示在微孔吸附劑上的吸附情況；類型II表示在大孔吸附劑上的吸附情況，此處吸附質(zhì)與吸附劑間存在較強的相互作用；類型III表示為在大孔吸附劑上的吸附情況，但此處吸附質(zhì)分子與吸附劑表面存在較弱的相互作用，吸附質(zhì)分子之間相互作用對吸附等溫線有較大影響；類型W是有毛細凝結的單層吸附情況；類型V是有毛細凝結的多層吸附情況；類型VI是表面均勻非多孔吸附劑上的多層吸附情況。毛細凝結現(xiàn)象，又稱吸附的滯留回環(huán)，亦稱作吸附的滯后現(xiàn)象。吸附等溫曲線與脫附等溫曲線的互不重合構成了滯留回環(huán)。這種現(xiàn)象多發(fā)生在介孔結構的吸附劑當中。

圖（IUPAC ）吸附等溫曲線

IUPAC將吸附等溫線滯留回環(huán)的現(xiàn)象分為4種情況。

第一種H1情況，滯留回環(huán)比較窄，吸附與脫附曲線幾乎是豎直方向且近乎平行。這種情況多出現(xiàn)在通過成團或壓縮方式形成的多孔材料中，這種材料有著較窄的孔徑分布；

第二種H2情況，滯留回環(huán)比較寬大，脫附曲線遠比吸附曲線陡。這種情況多出現(xiàn)在具有較多樣的孔型和較寬的孔徑分布的多孔材料當中；

第三種H3情況，滯留回環(huán)的吸附分支曲線在較高相對壓力作用下也不表現(xiàn)極限吸附量，吸附量隨著壓力的增加而單調(diào)遞增，這種情況多出現(xiàn)在具有狹長裂口型孔狀結構的片狀材料當中；

第四種H4情況，滯留回環(huán)也比較狹窄，吸附脫附曲線也近乎平行，但與H1不同的是兩分支曲線幾乎是水平的。

09 X射線光電子能譜（XPS）

X射線光電子能譜簡稱XPS或ESCA，就是用X射線照射樣品表面，使其原子或分子的電子受激而發(fā)射出來，測量這些光電子的能量分布，從而獲得所需的信息。隨著微電子技術的發(fā)展，XPS也在不斷完善，目前，已開發(fā)出的小面積X射線光電子能譜，大大提高了XPS的空間分辨能力。通過對樣品進行全掃描，在一次測定中即可檢測出全部或大部分元素。因此，XPS已發(fā)展成為具有表面元素分析、化學態(tài)和能帶結構分析以及微區(qū)化學態(tài)成像分析等功能強大的表面分析儀器。

X射線光電子能譜的理論依據(jù)就是愛因斯坦的光電子發(fā)散公式。根據(jù)Einstein的能量關系式有：

by=Eb+Ek

式中，入射光子能量by是已知的，借助光電子能譜儀可以測出光電過程中被入射光子所激發(fā)出的光電子能量Ek，從而可求出內(nèi)層電子的軌道結合能Eb。由于各種原子都有一定結構，所以知道Eb值后，即能夠對樣品進行元素分析鑒定。

XPS作為研究材料表面和界面電子及原子結構的最重要手段之一，原則上可以測定元素周期表上除氫、氦以外的所有元素。

其主要功能及應用有三方面：

第一，可提供物質(zhì)表面幾個原子層的元素定性、定量信息和化學狀態(tài)信息；

第二，可對非均相覆蓋層進行深度分布分析，了解元素隨深度分布的情況；

第三，可對元素及其化學態(tài)進行成像，給出不同化學態(tài)的不同元素在表面的分布圖像等。

10 掃描電子顯微鏡（SEM）

掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope），簡稱SEM，是1965年發(fā)明的較現(xiàn)代的細胞生物學研究工具，主要是利用二次電子信號成像來觀察樣品的表面形態(tài)，即用極狹窄的電子束去掃描樣品，通過電子束與樣品的相互作用產(chǎn)生各種效應，其中主要是樣品的二次電子發(fā)射。二次電子能夠產(chǎn)生樣品表面放大的形貌像，這個像是在樣品被掃描時按時序建立起來的，即使用逐點成像的方法獲得放大像。

掃描電子顯微鏡是一種多功能的儀器、具有很多優(yōu)越的性能、是用途最為廣泛的一種儀器。它可以進行如下基本分析：

1、三維形貌的觀察和分析；

2、在觀察形貌的同時，進行微區(qū)的成分分析。

1）、觀察納米材料，所謂納米材料就是指組成材料的顆粒或微晶尺寸在0.1-100nm范圍內(nèi)，在保持表面潔凈的條件下加壓成型而得到的固體材料。

2）、材料斷口的分析：掃描電子顯微鏡的另一個重要特點是景深大，圖象富立體感。掃描電子顯微鏡的焦深比透射電子顯微鏡大10倍，比光學顯微鏡大幾百倍。由于圖象景深大，故所得掃描電子象富有立體感，具有三維形態(tài)，能夠提供比其他顯微鏡多得多的信息，這個特點對使用者很有價值。

3）、直接觀察大試樣的原始表面，它能夠直接觀察直徑100mm，高50mm，或更大尺寸的試樣，對試樣的形狀沒有任何限制，粗糙表面也能觀察，這便免除了制備樣品的麻煩4）、觀察厚試樣，其在觀察厚試樣時，能得到高的分辨率和最真實的形貌。

5）、觀察試樣的各個區(qū)域的細節(jié)。試樣在樣品室中可動的范圍非常大，其他方式顯微鏡的工作距離通常只有2-3cm，故實際上只許可試樣在兩度空間內(nèi)運動，但在掃描電子顯微鏡中則不同。試樣在三度空間內(nèi)有6個自由度運動（即三度空間平移、三度空間旋轉）。且可動范圍大，這對觀察不規(guī)則形狀試樣的各個區(qū)域帶來極大的方便。