材料结构分析方法中的物理方法

几种材料微观结构分析方法简介

Introduction to several materials microstructure analysis method

黑道梦境间谍 指导教师: XXX

摘要:材料的微观世界丰富多彩,处处蕴含着材料之美.然而如何分析材料的微观结构是一个很重要的问题.本文章将介绍几种分析材料微观结构的方法, 通过微观结构分析仪器来对微观材料结构进行探索

关键词 :材料微观结构 X射线 激光拉曼光谱 电子显微分析方法

1 引言

材料科学在21世纪的地位愈发重要,各种各样的材料具有许多优良的物理及化学特性以及一系列新异的力、光、声、热、电、磁及催化特性，被广泛应用于国防、电子、化工、建材、医药、航空、能源、环境及日常生活用品中，具有重大的现实与潜在的高科技应用前景。材料科技是未来高科技的基础, 而微观材料分析方法是材料科学中必不可少的实验手段。因此, 微观材料分析方法对材料科学甚至是整个科技的发展都具有重要的意义和作用.

2 X射线分析

X射线是一种波长很短的电磁波，这是1912年由劳埃M.von Laue指导下的著名的衍射实验所证实的。X射线衍射是利用X射线在晶体中的衍射现象来分析材料的晶体

1球差、像散和色差是怎样造成的？如何减小这些像差？哪些是可消除的像差？ 答：1.球差即球面像差，是由于电磁透镜的中心区域和边缘区域对电子的折射能力能力不符合预定规律而造成的。一个物点散射的电子束经过具有球差的电磁透镜后并不聚在一点，所以像平面上得到一个弥散圆斑，在某一位置可获得最小的弥散圆斑，成为弥散圆。还原到物平面上，则半径为rs=1/4 Cs α3rs 为半径，Cs为

透镜的球差系数，α为透镜的孔径半角。所以见效透镜的孔径半角可减少球差（决定分辨率的像差因素）。2，色差是由于入射电子的波长（能量）的非单一性所造成的。一个物点散射的具有不同波长的电子，进入透镜磁场后将沿各自的轨道运动，结果不能聚焦在一个像点上，而分别交在一定的轴向范围内，形成最小色差弥散圆斑，半径为 rc=Cc α|△E/E|,Cc为透镜色差系数，α为透镜孔径半角，△E/E为成像电子束能量变化率。所以减小△E/E(稳定加速电压)、α 可减小色差。

3,像散是由于透镜磁场的非旋转对称而引起的 (极靴内孔不圆、上下极靴不同轴、材质磁性不均及污染)。消像散器。

3什么是分辨率，影响透射电子显微镜分辨率的因素是哪些？

答：分辨率：两个物点通过透镜成像，在像平面上形成两个爱里斑，如果两

第七章 透射电子显微术

7.1 引言 看物体的极限

（1）人眼不能看到比0.1mm更小的特体或物质结构细节，借助光学显微镜，可以看到细菌、细胞等小物体。由于光波的衍射效应。（2）光学显微镜的分辨率极限大约是光波的半波长，可见光的短波长约为0.4μm，所以光学显微镜的极限分辨本领是0.2μm。要观察更微小的物体，必须利用更短的波作光源。

（3）100KV电压加速的电子，相应的德布罗依波的波长为3.7pm，比可见光小几十万倍，物理学家们利用“电子在磁场中运动与光在介质中传播相似的性质”，研究成功了电子透镜。并于1932－1933间制成了第一台电子显微镜，现代高性能的透射电子显微镜，点分辨本领优于0.3Anm，晶格分辨本领达到0.1－0.2nm，而且自动化程度高，具有多方面的综合分析功能，是自然科学一些领域中观察微观世界的“科学之眼”。在生物学、医学、材料科学中，在物理、化学等学科和矿物、地质部门中，电子显微分析都发挥着重要作用，电子显微镜使人们进入观察“nm粒子”结构的时代，已直接看到了某些特殊的大分子结构（氯代酞菁同），还看到了某些物质的原子像。 一、电子显微镜的光学基础及透气类型：

电子光学是电子显微镜的理论基础，主要研究电子在电磁场中的

第七章 透射电子显微术

7.1 引言 看物体的极限

（1）人眼不能看到比0.1mm更小的特体或物质结构细节，借助光学显微镜，可以看到细菌、细胞等小物体。由于光波的衍射效应。（2）光学显微镜的分辨率极限大约是光波的半波长，可见光的短波长约为0.4μm，所以光学显微镜的极限分辨本领是0.2μm。要观察更微小的物体，必须利用更短的波作光源。

（3）100KV电压加速的电子，相应的德布罗依波的波长为3.7pm，比可见光小几十万倍，物理学家们利用“电子在磁场中运动与光在介质中传播相似的性质”，研究成功了电子透镜。并于1932－1933间制成了第一台电子显微镜，现代高性能的透射电子显微镜，点分辨本领优于0.3Anm，晶格分辨本领达到0.1－0.2nm，而且自动化程度高，具有多方面的综合分析功能，是自然科学一些领域中观察微观世界的“科学之眼”。在生物学、医学、材料科学中，在物理、化学等学科和矿物、地质部门中，电子显微分析都发挥着重要作用，电子显微镜使人们进入观察“nm粒子”结构的时代，已直接看到了某些特殊的大分子结构（氯代酞菁同），还看到了某些物质的原子像。 一、电子显微镜的光学基础及透气类型：

电子光学是电子显微镜的理论基础，主要研究电子在电磁场中的

第七章 透射电子显微术

7.1 引言 看物体的极限

（1）人眼不能看到比0.1mm更小的特体或物质结构细节，借助光学显微镜，可以看到细菌、细胞等小物体。由于光波的衍射效应。（2）光学显微镜的分辨率极限大约是光波的半波长，可见光的短波长约为0.4μm，所以光学显微镜的极限分辨本领是0.2μm。要观察更微小的物体，必须利用更短的波作光源。

（3）100KV电压加速的电子，相应的德布罗依波的波长为3.7pm，比可见光小几十万倍，物理学家们利用“电子在磁场中运动与光在介质中传播相似的性质”，研究成功了电子透镜。并于1932－1933间制成了第一台电子显微镜，现代高性能的透射电子显微镜，点分辨本领优于0.3Anm，晶格分辨本领达到0.1－0.2nm，而且自动化程度高，具有多方面的综合分析功能，是自然科学一些领域中观察微观世界的“科学之眼”。在生物学、医学、材料科学中，在物理、化学等学科和矿物、地质部门中，电子显微分析都发挥着重要作用，电子显微镜使人们进入观察“nm粒子”结构的时代，已直接看到了某些特殊的大分子结构（氯代酞菁同），还看到了某些物质的原子像。 一、电子显微镜的光学基础及透气类型：

电子光学是电子显微镜的理论基础，主要研究电子在电磁场中的

随着科学技术的发展进步，分析材料的方法越来越多，我们不在局限于观察宏观的物质或者结构，而电子显微镜的发明足以让我们观察到更细致的微观世界。在研究材料领域中，电子显微镜起着举足轻重的作用，电子显微镜分为透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜（SEM）。扫描电镜主要运用材料科学的表面结构研究，共混物的分相，各种复合材料的应力缺陷，物质晶体结构及其应力变化等。因此扫描电镜在材料性能研究与应用中扮演着的非常重要的角色。

关键词：电子显微镜；扫描电镜；材料；学科；应用

自从1965年第一台商品扫描电镜问世以来，经过40多年的不断改进，扫描电镜的分辨率从第一台的25nm提高到现在的0.01nm，而且大多数扫描电镜都能通X射线波谱仪、X射线能谱仪等组合，成为一种对表面微观世界能过经行全面分析的多功能电子显微仪器。近年来,随着现代科学技术的不断发展,相继开发了环境扫描电子显微镜、扫描隧道显微镜、原子力显微镜等其它一些新的电子显微技术。这些技术的出现，显示了电子显微技术近年来自身得到了巨大的发展,尤其是大大扩展了电子显微技术的使用范围和应用领域。在材料科学中的应用使材料科学研究得到了快速发展,取得了许多新的研究成果。

扫描电镜已成为各种科学领域和工业部门广泛应用的

§3-1 引言

X射线衍射分析的实质就是分析衍射线条的位置和衍射线条的强度。布拉格方程或厄瓦尔德图解，只能解决X射线的衍射方向，即衍射线条的位置。在利用X射线进行晶体结构测定时，不仅要看衍射线存在与否，而且还要看衍射线强度的变化情况，由此可以推算出晶体中原子或其它质点在晶胞中的排列位置，从而最后确定出晶体结构。此外，在进行物相定性分析、定量分析、固溶体有序度测定、内应力以及织构测定时，都要涉及衍射强度的准确测定。因此，X射线衍射强度的测定、计算，在X射线衍射分析中具有很重要的意义。

X射线衍射强度，在衍射仪上反映的是衍射峰的高低(或积分强度——衍射峰轮廓所包围的面积)，在照相底片上则反映为黑度。严格地说X射线衍射强度就是单位时间内通过与衍射方向相垂直的单位面积上的X射线光量子数目，它的绝对值的测量既困难又无实际意义，所以，衍射强度往往用同一衍射图中各衍射线强度(积分强度或峰高)的相对比值即相对强度来表示。

§3-2 粉末法的衍射线积分强度公式

多晶体（粉末）试样在被照射体积V上所产生的衍射线积分强度公式

（3-1）

式中I0为入射X射线强度；

λ为入射X射线波长； R为与试样的观测距离；

1

V为单位晶胞体积； P为多重性因子；

|FHK

一、电子光学基础

1、 分辨率：成像物体上能分辨出来的两个物点之间的最小距离 Δr0=1/2λ

2、 光学显微镜的局限性：极限分辨率200nm 调高分辨率既要波长短又要聚焦成像 3、 为什么要研究电子显微镜？

性能 结构（晶体结构和显微组织形态）

4、 电磁透镜的分辨率由衍射效应和球面像差来决定。 提高的方法：（1）若只考虑衍射效应，在照明光源和介质一定的条件下，孔径角α越大，透镜的分辨率越高。（2）确定电磁透镜的最佳孔径半角α0，使得衍射效应埃利斑和球差散焦斑尺寸大小相等，使两者对透镜的分辨率影响效果一样。 5、 色差：稳定加速电压的方法可以有效地减小色差

像差 球差：减小球差可以通过减小Cs值和缩小孔径角来实现

几何像差

像散：加入消像散器可以调节 色差是由于入射电子波长的非单一性所造成的（波长或能量发生一定幅度的改变）。 几何像差是因为透镜磁场几何形状上的缺陷而造成的。 球差即球面像差，是由于电磁透镜的中心区域和边缘区域对电子的折合能力不符合预定的规律而造成的。小孔径成像可使球差明显减小。 像散是由于透镜磁场的非

材料物理专业2013级《材料分析测试方法A》作业

第一章 电磁辐射与材料结构

一、教材习题

1-1 计算下列电磁辐射的有关参数：

（1）波数为3030cm-1的芳烃红外吸收峰的波长（?m）； （2）5m波长射频辐射的频率（MHz）； （3）588.995nm钠线相应的光子能量（eV）。

1-3 某原子的一个光谱项为45FJ，试用能级示意图表示其光谱支项与塞曼能级。 1-5 下列原子核中，哪些核没有自旋角动量？

12

C6、19F9、31P15、16O8、1H1、14N7。

1-8 分别在简单立方晶胞和面心立方晶胞中标明（001）、（002）和（003）面，并据此回答：

干涉指数表示的晶面上是否一定有原子分布？为什么？ 1-9 已知某点阵?a?=3?，?b?=2?，? = 60?，c∥a×b，试用图解法求r*110与r*210。 1-10 下列哪些晶面属于[111]晶带？

(111),(231),(231),(211),(101),(101),(133)。

二、补充习题

1、试求加速电压为1、10、100kV时，电子的波长各是多少？考虑相对论修正后又各是多

少？

第二章 电磁辐射与材料的相互作用

一、教材习题

2-2 下列各光子能量（eV）各在

ABAQUS 线性动态分析

如果你只对结构承受载荷后的长期响应感兴趣，静力分析（static analysis）是足够的。然而，如果加载时间很短（例如在地震中）或者如果载荷在性质上是动态的（例如来自旋转机械的荷载），你就必须采用动态分析（dynamic analysis）。本章将讨论应用ABAQUS/Standard进行线性动态分析；关于应用ABAQUS/Explicit进行非线性动态分析的讨论，请参阅第9章“非线性显式动态分析”。

7.1 引言

动态模拟是将惯性力包含在动力学平衡方程中： 其中

M ?? u结构的质量。 结构的加速度。 在结构中的内力。 所施加的外力。

???I?P?0 MuI

P

在上面公式中的表述是牛顿第二运动定律（F = ma）。

??）在静态和动态分析之间最主要的区别是在平衡方程中包含了惯性力（Mu。在两

类模拟之间的另一个区别在于内力I的定义。在静态分析中，内力仅由结构的变形引起；而在动态分析中，内力包括源于运动（例如阻尼）和结构的变形的贡献。

7.1.1 固有频率和模态

最简单的动态问题是在弹簧上的质量自由振动，如图7-1所示。

7-1

图7–1 质量－弹簧系统

在弹簧中的内力给出为ku，所以它的动态运动方程