表形貌与结构分析
这类技术主要用于观察材料的微观形貌、晶体结构和元素分布。
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扫描电子显微镜
- 核心原理：用聚焦的高能电子束扫描样品表面，激发出二次电子、背散射电子等信号，通过检测这些信号来成像。
- 主要信息：
- 表面形貌：观察材料表面的微观结构、颗粒大小、形貌、裂纹等。
- 元素成分：通过能谱仪进行微区元素分析。
- 关键术语：
- 二次电子：能量较低，对表面形貌敏感，分辨率高。
- 背散射电子：能量较高，对原子序数敏感，可用于区分不同成分的区域（Z衬度）。
- EDS / EAX：X射线能谱仪，用于元素定性和半定量分析。
- WDS：X射线波谱仪，分辨率和精度高于EDS。
- SEM-EDX：SEM与EDX联用，是材料分析中最常用的组合之一。
透射电子显微镜
- 核心原理：将高能电子束穿透极薄的样品，利用电子与样品的相互作用（衍射、散射等）成像。
- 主要信息：
- 微观形貌：观察样品内部的精细结构，如位错、层错、晶界等。
- 晶体结构：通过选区电子衍射分析微区的晶体结构和取向。
- 元素成分：通过能谱或电子能量损失谱进行微区成分分析。
- 关键术语：
- TEM：透射电镜，提供高分辨率的内部结构信息。
- SAED：选区电子衍射，分析微区晶体结构。
- HRTEM：高分辨透射电镜，可以直接观察到原子晶格像。
- STEM：扫描透射电镜，像SEM一样扫描样品，可以获得高分辨率的Z衬度像和EELS谱。
- EELS：电子能量损失谱，对轻元素分析特别敏感，可提供元素的价态和配位信息。
原子力显微镜
- 核心原理：利用一个极细的探针在样品表面进行扫描，通过检测探针与样品间的原子作用力（如范德华力）来获取表面形貌信息。
- 主要信息：
- 表面形貌：在纳米甚至原子尺度上观察样品的表面三维形貌。
- 表面性质：通过测量力的大小，可以分析样品的硬度、弹性、粘附力等。
- 关键术语：
- 接触模式：探针与样品表面接触，适用于坚硬样品。
- 轻敲模式：探针以一定频率敲击样品表面，适用于软、粘或易损样品。
- 相成像：可以反映样品表面不同区域的粘弹性、硬度等差异。
X射线衍射
- 核心原理：当X射线照射到晶体材料上时，会满足布拉格定律（2dsinθ = nλ）的方向产生衍射，通过分析衍射图谱来确定材料的结构信息。
- 主要信息：
- 物相鉴定：确定材料由哪些物相（晶体）组成，如同“材料的指纹”。
- 晶体结构：确定晶胞参数、空间群等。
- 织构分析：分析材料中晶粒的取向分布。
- 晶粒尺寸与微观应变：通过衍射峰的宽化程度进行计算（谢乐公式）。
- 关键术语：
- 布拉格角：衍射发生的角度θ。
- d-间距：晶面间距，是衍射的基本参数。
- XRD图谱：衍射强度随2θ角度变化的曲线。
- 物相分析：通过比对PDF卡片库进行物相鉴定。
- Rietveld精修：对整个XRD图谱进行拟合，精确获得结构参数。
成分与化学态分析
这类技术主要用于测定材料的元素组成、含量以及元素的化学价态。
X射线光电子能谱
- 核心原理：用X射线激发样品原子，使其内层电子逸出，通过测量这些电子的动能来确定元素的结合能，从而进行元素分析和化学态分析。
- 主要信息：
- 元素组成：除H和He外，可鉴定样品中所有元素。
- 化学态：通过元素结合能的化学位移，判断元素的价态和化学环境。
- 定量分析：通过峰面积进行半定量或定量分析。
- 关键术语：
- 结合能：电子从原子中逸出所需的能量，是XPS的核心数据。
- 化学位移：由于化学环境不同，导致同一元素结合能发生偏移的现象。
- 全谱：扫描宽能量范围，用于鉴定所有元素。
- 高分辨谱：扫描特定元素峰，用于分析化学态。
俄歇电子能谱
- 核心原理：用电子束激发样品原子，使原子发生电子级联跃迁，发射出具有特征能量的俄歇电子。
- 主要信息：
- 表面成分分析：对最表层（1-3个原子层）的成分极其敏感。
- 深度剖析：结合离子束溅射，可以分析元素随深度的分布。
- 关键术语：
- 俄歇电子：具有特征能量，用于元素鉴定。
- AES深度剖析：通过溅射剥离样品，逐层分析成分。
能量色散X射线光谱
- 核心原理：与SEM联用，高能电子束激发样品产生特征X射线，通过检测器分辨不同能量的X射线，从而确定元素。
- 主要信息：
- 微区元素成分：分析样品表面微米级区域的元素组成和含量。
- 关键术语：
- 特征X射线：每种元素都有其独特的X射线能量谱。
- ZAF校正：对EDS结果进行原子序数、吸收效应和荧光效应校正，以提高定量准确性。
波长色散X射线光谱
- 核心原理：与SEM或EPMA联用，通过晶体衍射来分选不同波长的特征X射线，进行元素分析。
- 主要信息：
- 高精度元素分析：分辨率和精度远高于EDS，适合轻元素和微量元素分析。
- 定量分析：是进行精确定量分析的首选方法。
力学性能测试
这类技术用于表征材料在外力作用下的响应行为。
拉伸试验
- 核心原理：对标准形状的样品施加轴向拉力，直至断裂，记录力-伸长曲线。
- 主要信息：
- 强度指标：屈服强度、抗拉强度。
- 塑性指标：延伸率、断面收缩率。
- 弹性模量：材料的刚度。
- 关键术语：
- 应力-应变曲线：描述材料力学行为的基本曲线。
- 屈服点：材料开始发生塑性变形的点。
- 颈缩：拉伸后期样品局部截面急剧减小的现象。
硬度测试
- 核心原理：用特定形状的压头在一定载荷下压入样品表面，通过测量压痕的尺寸或深度来确定材料的硬度。
- 主要信息：
- 材料抵抗局部塑性变形的能力。
- 关键术语：
- 布氏硬度：使用球头压头，适用于较软材料。
- 洛氏硬度：使用锥形或球形压头，读数快，适用范围广。
- 维氏硬度：使用金刚石正四棱锥压头，可测量从很软到很硬的材料。
- 显微硬度：在显微镜下进行微小压痕的硬度测试，适用于薄层、微小区域。
冲击试验
- 核心原理：用摆锤快速冲击带有缺口的样品，测量样品断裂所吸收的能量。
- 主要信息：
- 材料的韧性：衡量材料在冲击载荷下抵抗断裂的能力。
- 关键术语：
- 冲击功：摆锤冲击前后的能量差，单位为焦耳。
- 冲击韧性：冲击功除以样品断口面积。
疲劳试验
- 核心原理：对样品施加远低于抗拉强度的循环载荷或应力，直至样品断裂。
- 主要信息：
- 疲劳强度/疲劳极限：材料在无限次循环载荷下不发生断裂的最大应力。
- S-N曲线：应力幅值与循环次数的关系曲线。
热分析
这类技术用于测量材料在受热过程中的物理和化学性质变化。
差示扫描量热法
- 核心原理：在程序控温下，测量样品与参比物之间的热量差（吸热或放热）。
- 主要信息：
- 相变温度：如熔点、玻璃化转变温度、结晶温度。
- 热效应：如固化反应、氧化反应的焓变。
- 关键术语：
- 玻璃化转变：非晶材料从硬脆的玻璃态转变为柔韧的橡胶态的温度。
- 熔融/结晶峰：吸热或放热峰，对应相变温度。
- DSC曲线：热流率随温度变化的曲线。
热重分析
- 核心原理：在程序控温下，测量样品的质量随温度或时间的变化。
- 主要信息：
- 热稳定性：材料开始分解的温度。
- 成分分析：如水分、挥发分、填料的含量。
- 关键术语：
- TGA曲线：质量随温度变化的曲线。
- 微商热重：TGA曲线对温度的一阶导数，可更清晰地显示失重阶段。
光谱分析
红外光谱
- 核心原理：用红外光照射样品，分子吸收特定频率的红外光发生振动能级跃迁，形成吸收谱。
- 主要信息：
- 官能团鉴定：通过特征吸收峰（如-OH, C=O, C-H）鉴定有机物和无机物的化学键和官能团。
- 关键术语：
- 官能团区：4000-1500 cm⁻¹，特征官能团吸收区。
- 指纹区：1500-400 cm⁻¹，分子整体结构特征区，用于最终确认。
拉曼光谱
- 核心原理：用单色光（通常是激光）照射样品，光子与分子发生非弹性散射，能量发生偏移，该偏移量与分子的振动和转动能级有关。
- 主要信息：
- 官能团鉴定：与红外光谱互补，尤其擅长鉴定对称性振动（如S-S, C=C）。
- 应力分析：通过峰位偏移分析材料内部的应力。
- 关键术语：
- 斯托克斯/反斯托克斯散射：能量降低和增高的散射信号。
- 拉曼位移：散射光与入射光波数之差，是拉曼谱的横坐标。
总结与关联
| 技术大类 | 核心技术 | 主要提供的信息 | 特点 |
|---|---|---|---|
| 表形貌与结构 | SEM, TEM, AFM, XRD | 微观形貌、晶体结构、物相、织构 | 从宏观到微观，揭示材料的内在结构 |
| 成分与化学态 | XPS, EDS, AES, WDS | 元素组成、含量、化学价态、表面成分 | 定性、定量、分析化学环境，灵敏度各异 |
| 力学性能 | 拉伸、硬度、冲击、疲劳 | 强度、塑性、韧性、硬度、疲劳寿命 | 评价材料在实际应用中的承载能力 |
| 热分析 | DSC, TGA | 相变温度、热效应、热稳定性、成分 | 研究材料在受热过程中的行为 |
| 光谱分析 | IR, Raman | 官能团、化学键、分子结构 | 分子水平的“指纹”鉴定 |
在实际的材料研究中,这些技术常常需要联用，才能全面、深入地理解材料的结构与性能关系。
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- SEM-EDX：先在SEM下找到感兴趣的微观区域，再用EDX分析其成分。
- XRD+Raman：XRD确定物相，Raman进一步分析该物相的键合状态或应力情况。
- TEM+EDS/EELS：在TEM下观察微观结构，同时用EDS或EELS分析微区成分和化学态。
希望这份详细的术语解释对您有所帮助！
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