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材料分析技术
材料分析技术
第1章 X射线物理学基础
1. X射线的波长范围：0.001~10nm
2. X射线是如何产生的？
X射线是高速运动的粒子与某种物质相撞击后猝然减速，且与该物质中的内层电子相互作用而产生的。
3. X射线产生的4个基本条件是什么？（①电子源；②阳极靶材；③加速电压；④高真空环境）
① 产生自由电子的电子源，如加热钨丝发射热电子；
② 设置自由电子撞击靶子，如阳极靶，用以产生X射线；
③ 施加在阳极和阴极之间的高压，用以加速自由电子朝阳极靶方向加速运动，如高压发生器；
④ 将阴、阳极封闭在>10-3Pa的高真空中，保持两极纯洁，促使加速度电子无阻地撞击在阳极靶上。
4. X射线：硬X射线（波长短），软X射线
5. X射线谱的定义，分为几类？
①连续X射线谱；②特征X射线谱
6. 连续X射线的范围及其实验规律（①管压；②管流；③原子序数）
Ø 范围：它由某一短波限λ0开始直到波长等于无穷大λ∞的一系列波长组成。
Ø 实验规律：
1） 当增加X射线管压时，各种波长射线的相对强度一致增高，最大强度X射线的波长λm和短波限λ0变小。
2） 当管压保持恒定、增加管流时，各种波长X射线的相对强度一致增高，但λm和λ0的数值大小不变。
3） 当改变阳极靶元素时，各种波长的相对强度随靶元素的原子序数增加而增加。
7. 如何求X射线的短波限λ0？
λ0=hceV=1.24Vnm (V↗，λ0↙)
8. 库伦坎普弗公式如何解释连续谱的实验规律？
I连=KIZV2
9. X射线管的效率如何定义？
η=KZIV2IV=KZV
10. 特征X射线波长的决定因素
特征的X射线波长取决于阳极靶的元素的原子序数。
11. 特征X射线的实验规律
（1） 阳极靶元素的特征谱按照波长增加的次序分为K、L、M…等若干谱系，每个谱系又分若干亚系。例如，K系内每一条谱线按波长减小的次序分别称之为Kα、Kβ、Kγ…等谱线。每一谱线对应一定的激发电压，只有当管电压超过激发电压时才能产生该靶元素的特征谱线，且靶元素的原子序数越大其激发电压越高。
（2） 每个特征谱线都对应一个特定的波长，不同阳极靶元素的特征谱波长不同。它的规律为
I特=cI(V-V激)n
式中，c为比例常数，V激为阳极靶元素特征X射线激发电压；n值对K系谱线取1.5对L系取2。
（3） 不同阳极靶元素的原子序数与特征谱波长之间的关系由莫塞莱（Mosley）定律确定
1λ=K（Z-σ）
式中，λ为特征谱线的波长，K和σ均为常数，Z为阳极物质的原子序数。
12. X射线入射到物质产生怎样的相互作用？
X射线与物质的相互作用，是一个比较复杂的物理过程。一束X射线通过物体后，其强度将被衰减，它是被散射和吸收的结果，并且吸收是造成强度衰减的主要原因。
X射线是一种电磁波，当它通过物质时，在入射电场的作用下，物质原子中的电子将被迫围绕其平衡位置振动，同时向四周辐射出与X射线波长相同的散射X射线，称之为经典散射（相干散射）。
Ie=I07.9×10-26R2(1+cos22θ2)
13. X射线在晶体发生散射的基本单元是电子。
14. X射线射到物质中会产生哪几种散射？
相干散射；非相干散射。
Ie=I07.9×10-26R21+cos22θ2
fe=e2mc2
15. 解释X射线滤电的原理 OR 为什么Cu靶选用Ni作为滤电？
滤波片的材料是根据靶元素确定的。设靶物质的原子序数为Z靶，所选滤波片物质原子序数为Z片，则当靶固定以后应满足
当Z靶<40时，则Z片=Z靶-1
当Z靶≥40时，则Z片=Z靶-2
16. 阳极靶滤电如何选择？
Z靶≤Z试样+1

第2章 X射线运动学衍射理论
1. 波程差产生相位差的可能性
nλ=2d'sinθ
上式就是布拉格定律，式中n为整数，称为反射级数。
2. 布拉格方程的讨论
λ<2d'
2d'nsinθ=λ
令d=d'n , 有2dsinθ=λ
d'的n级反射等同于d的1级反射
3. 如何理解2级（100）反射和1级（200）反射的等同性？
面间距的(hkl)晶面的第n级反射，可以看作是晶面间距为d=d’/n的(nh nk nl)晶面的第一级反射。
4. 倒易点阵
正点阵基矢模量越大，倒易点阵中新基矢模量越小。
5. 倒易点阵的几何意义是什么？（①倒易点阵对应一组平行晶面；②倒易点在晶面的公共法线上；③Hhkl=1dhkl）
正点阵中的每组平行晶面(hkl)相当于倒易点阵中的一个倒易点，此点必须处在这组晶面的公共法线上，即倒易矢量方向上；它至原点的距离为该组晶面间距的倒数（1dhkl）。
6. 系统消光：我们把因原子在晶体中位置不同或原子种类不同而引起的某些方向上的衍射线消失的现象称之为“系统消光”。
7. 结构因子的定义：定量表征原子排布以及原子种类对衍射强度影响规律的参数称为结构因子。
8. X射线衍射有三个层次：X射线在一个电子上的散射强度、在一个原子上的散射强度以及在一个晶胞上的散射强度。
（1） 一个电子对X射线的散射（fa）
汤姆孙（J.J.thomsom）公式：
Ie=I0(reR)2×[1+(cos2θ)22]
（2） 一个原子对X射线的散射（Fa）
f=AaAe=(IaIe)12
（3） 一个晶胞对X射线的散射（Fhkl）
F=AbAe=j=1nfjei∅j
9. 结构因数的计算
（1） 简单点阵
单胞中只有一个原子，坐标为(u v w)=(0 0 0)，原子散射因数为fa
F=j=1nfje2πi(hu+kv+lw)=fae2πi(0)=fa
F2=fa2
这表明F2与晶面指数无关，所有晶面均有反射，具有相同的结构因数。
（2） 体心点阵
单胞中有两个原子，其坐标为(0 0 0),(12 12 12)
F=j=1nfje2πi(hu+kv+lw)=fa[1+e2πi(h+k+l2)]
当h+k+l=偶数 时，F2=4fa2，即该晶面有反射；
当h+k+l=奇数 时，F2=0，即该晶面无反射。
（3） 面心点阵
单胞中有四种位置的原子，它们的坐标分别是(0 0 0), (12 12 0), (12 0 12), (0 12 12)
F=j=1nfje2πi(hu+kv+lw)=fa[1+eπi(h+k)+eπi(h+l)+eπi(l+k)]
当h+k+l为全奇或全偶 时，F2=16fa2，即该晶面有反射；
当h+k+l中有两个奇数或两个偶数 时，F2=0，即该晶面无反射。
10. 粉末多晶的积分强度公式
I单位=I积⋅12πrsin2θ0
11. X射线中温度因数产生的原因是什么？（晶体中的原子的热振动）
晶体中的原子总是在平衡位置附近进行热振动，这种振动即使在绝对零度时仍然存在，并随温度升高而增大，有时相当显著。

第3章 X射线衍射方法
1. 最基本的衍射实验方法有哪几种？
粉末法、劳厄法和转晶法。
2. 如何理解粉末多晶的一组平行平面在空间的排布与一个在空间绕着所有可能方向旋转一周的同一组平行晶面是等效的？
单晶中某一组平行晶面(hkl)对应于倒易点阵中的一个倒易点。
3. X射线衍射中粉末粒度对强度的影响？
如粉末的粒度太大，则因参与反射的晶粒数目减小而使衍射线呈不连续的斑点。如粒度太细，将使衍射条变宽。
4. 底片有哪几种装置方法？
（1） 正装法
（2） 倒装法
（3） 不对称法
5. X射线衍射仪
照相法：1mg X射线衍射仪：0.5g
X射线衍射仪特点：
①快速；②精确；③分析测量简便
6. 实现X射线衍射仪要解决哪几个关键技术问题？如何解决？
Ø 这里关键要解决的技术问题是：
① X射线接收装置——计数管；
② 衍射强度必须适当加大，为此可以使用板状试样；
③ 相同的(hkl)晶面也是全方向散射的，所以要聚焦；
④ 计数管的移动要满足布拉格条件。
Ø 这些问题的解决关键是由几个机构来实现的：
① X射线测角仪——解决聚焦和测量角度的问题；
② 辐射探测仪——解决记录和分析衍射线能量问题。
7. X射线衍射几何的关键问题是什么？
衍射几何的关键问题是一方面要满足布拉格方程反射条件，另一方面要满足衍射线的聚焦条件。
8. X射线衍射仪的探测器有哪几种？
气体电离计数器、闪烁计数器和半导体计数器。
9. 如何选择取出角？
通常以6°为宜。
10. 晶粒尺寸如何影响X射线衍射？
其粒度应控制在5μm左右。粉末尺寸过大会严重影响衍射强度的测量结果，但如果粒度太小，当小于1μm时，会引起衍射线宽化。
11. 什么叫有效穿透厚度？
当某深度内所贡献的衍射强度是总的衍射强度的95%时，此深度为X射线的有效穿透深度。

第4章 多晶体的物相分析
1. 什么叫X射线物相分析？
X射线物相分析的任务是利用X射线衍射方法，对试样中由各种元素形成的具有固定结构的化合物（其中也包括单质元素和固溶体），即所谓物相，进行定性和定量分析。X射线物相分析给出的结果，不是试样化学成分，而是由各种元素组成的固定结构的化合物（即物相）的组成和含量。
2. X射线定性分析的基本原理是什么？
任何一种结晶物质（包括单质元素、固溶体和化合物）都具有特定的晶体结构（包括结构类型，晶胞的形状和大小，晶胞中原子、离子或分子的品种、数目和位置）。在一定波长的X射线照射下，每种晶体物质都给出自己特有的衍射花样（衍射线的位置和强度）。每一种物质和它的衍射花样都是一一对应的，不可能有两种物质给出完全相同的衍射花样。如果试样中存在两种以上不同结构的物质时，每种物质所特有的衍射花样不变，多相试样的衍射花样只是由它所含物质的衍射花样机械叠加而成。
3. 定性分析的基本判据是什么？
d – I数据组（主要判据） (d：晶面间距； I：衍射线相对强度。)
4. 何谓定性分析法（X射线衍射）？
定性相分析的方法，是将由试样测得的d-I数据组（即衍射花样）与已知结构物质的标准d-I数据组（即标准衍射花样）进行对比，从而鉴定出试样中存在的物相。
5. 定性分析的分析方法 P42
(1) 获得衍射花样 可以用德拜照相法，透射聚焦照相法和衍射仪法。从提高精确度和灵敏度出发，最好使用透射聚焦照相法和衍射仪法。
(2) 计算面间距d值和测定相对强度I/I1值（I1为最强线的强度） 定性分析以2θ<90° 的衍射线为主要依据，要求d值有足够的精度，2θ角和d值分别给出0.010°和0.001位有效数字。
(3) 检索PDF卡片 对所计算的d值给出适当的误差±∆d之后，用三强线的d-I/I1值在PDF卡片索引的相应d值组中查到被测相的条目，核对八强线的d-I/I1值。当八强线基本符合时，根据该条目指出的卡片编号取出PDF卡片，将其中的全部d-I/I1值与被测的衍射花样核对，给出与被测相对应的PDF卡片。检索PDF卡片可以用人工检索，也可以用计算机自动检索。
(4) 最后判定 有时经初步检索和对卡后不能给出唯一准确的卡片，可能给出数个乃至更多的候选卡片，这就需要实验者有其它方面的相关资料和实践经验，判定对被测相唯一准确的PDF卡片。
6. 什么叫X射线衍射的定量分析？
定量分析的基本任务是确定混合物中各相的相对含量。衍射强度理论指出，各相衍射线条的强度随着该相在混合物中相对含量的增加而增加。
Iα=K1Cαμ
μ=μαραxα+μβρβxβ
式中，α,β两相：Iα，衍射强度；K1，常数；Cα，体积分数；μ，吸收系数；x，质量分数； ρ，密度。
7. 定量分析包括哪几种？
①外标法（单线条法）；②内标法；③K值法。
第5章 宏观应力测定
1. 应力的分类
①宏观应力；②微观应力。
2. X射线应力测定有哪些应用？
通过应力测定，可以检查应力消除工艺的效果，检查表面强化处理工艺的效果，还可以预测零件疲劳强度的储备。从发展来看，X射线应力测定在评价材料强度、控制加工工艺、检查产品质量、分析破坏事故等方面都将是有力的手段。
3. 如何确定X射线衍射峰的位置？（半高宽法(FWHM)，三点抛物线法）
定峰方法很多，有重心法、切线法、半高宽法（或2/3、3/4、7/8高宽法）和中点连线法等。常用的是半高法和三点抛物线法。

第6章 电子与物质的交互作用
1. 什么叫电子的散射？电子散射分为哪几类？
当一束聚焦电子沿一定方向射到样品上时，在样品物质原子的库伦电场作用下，入射电子方向将发生改变，称为散射。原子对电子的散射还可以进一步分为弹性散射和非弹性散射。
2. 电子与物质交互时的电子信息
1） 二次电子(SE)
（1） 何谓二次电子？二次电子是如何产生的？
当入射电子与原子核外电子发生相互作用时，会使原子失掉电子而变成离子，这种现象称为电离，而这个脱离原子的电子称为二次电子。
（2） 二次电子的主要特点
① 对样品表面形貌敏感
② 空间分辨率高
③ 信号收集效率高
（3） 为什么二次电子对样品表面形貌敏感？
这是因为二次电子产额（或发射效率）δSE与入射束相对于样品表面的入射角θ之间存在下列关系
δSE∝1/cosθ
式中δSE=ISE/IP（ISE为二次电子电流强度，IP为入射束电流强度。）
2） 背散射电子(BE)
（1）何谓背散射电子？从何而来？
入射电子在样品内遭到散射，改变前进方向，在非弹性散射情况下，还会损失一部分能量。在这种弹性和非弹性散射过程中，有些入射电子累计散射角超过90°，这些电子将重新从样品表面逸出，称为背散射电子。
（2）背散射电子的特点
① 对样品物质的原子序数敏感
② 分辨率及信号收集效率低

第7章 透射电子显微分析(TEM)
1. 透射电镜有哪几个部件？
(1) 电子光学系统
① 照明系统
② 样品室
③ 成像系统
④ 图像观察与记录系统
(2) 真空系统
(3) 供电控制系统
2. 透射电镜成像原理（两个过程：①物→衍射波；②衍射波→物(or 像)）
透镜的成像作用可以分为两个过程：第一个过程是平行电子束遭到物的散射作用而分裂成各级衍射谱，即由物变换到衍射的过程；第二个过程是各级衍射谱经过干涉重新在相平面上会聚成诸相点，即由衍射重新变换到物（像是放大了的物）的过程。
3. 透射电镜放大倍率
M总=M物∙M中∙M投
式中，M物、M中、M投 分别为物镜、中间镜、投影镜的放大倍数，M总 三次放大图像的总的放大倍率。
4. 电子衍射
2dsinθ=λ sinθ=1d2λ
倒易衍射 爱瓦尔德球
5. 如何标定电镜的相机常数？（①Au膜，②已知晶体）
（1）利用金（Au）膜测定相机常数
（2）利用已知晶体的衍射花样测定相机常数
6. 电子衍射分析有哪两个目的？
在电子衍射工作中，特别是选取电子衍射中，不外乎有两个目的：一是当物质的结构是已知时，通过衍射花样分析确定其取向；另一是当被鉴定物质的结构为未知时，通过衍射花样的分析来确定其结构和点阵常数，即所谓物相分析。

第8章 扫描电子显微分析(SEM)
1. 高能电子束与物质相互作用会产生哪些信息粒子？
二次电子(SE)、背反射电子(BE)、吸收电子(AE)、X射线(X-ray)、俄歇电子、阴极发光和透射电子等。
2. 扫描电镜有哪几个部分构成？
1) 电子光学系统
2) 信号收集和显示系统(SE,BE,AE,X-ray,俄歇电子)
3) 电源和控制系统
3. SEM中X射线检测是用来做什么的？
它是检测试样发出的元素特征X射线波长和光子能量，从而实现对试样微区进行成分分析。
4. 扫描电镜的性能参数
扫描电镜如何实现放大倍率的改变？
（1） 放大倍数
M=lL
式中，l为荧光屏长度，L为电子束在试样上扫过的长度。
这个比值是通过调节扫描线圈上的电流来改变的。观察图像的荧光屏长度是固定的，如果减少扫描线圈的电流，电子束偏转的角度小，在试样上移动的距离变小，使放大倍数增加。反之，增大扫描线圈上的电流，放大倍数就要变小。
（2） 景深
（3） 分辨率
5. 波谱仪结构及工作原理
根据布拉格方程 2dsinθ=λ，从试样激发出的X射线经适当的晶体分光，波长不同的特征X射线将有不同的衍射角2θ。利用这个原理制成的谱仪就叫做波长色谱仪，简称波谱仪(WDS)。
设特征X射线频率为ν，则ν随原子序数的变化情况可由莫塞莱定律决定
ν=C(Z-σ)
式中，C与 σ 为常数，且σ≈1。
波长 λ 可以用下式作出最好的近似
λ=1.21×103(Z-1)2
λkα=2λKα1+λKα23
波谱仪主要由分光晶体（衍射晶体）、X射线探测器组成。
6. 钼元素 Kα 波长如何计算？
λMoKα=132×0.070926+0.071354=0.071069nm
7. 为提高X射线探测效率，X射线源、分光晶体及X射线探测器应如何排布？
为了提高测试效率，必须采取聚焦方式，也就是使X射线源（样品表面被分析点）、分光晶体和探测器三者处于同一圆周上，此圆称为罗兰圆(Rowland)或聚焦圆。
8. 波谱仪有哪两种方式？二者区别在哪里？
波谱仪常用的有两种形式，即回转式及直进式两种。
回转式：聚焦圆的中心O固定，分光晶体和检测器在圆周上以1：2的角速度运动来满足布拉格衍射条件。类似于XRD。
直进式：X射线照射晶体的方向固定，使X射线穿出样品表面过程中所走的路线相同。
9. 能谱仪(EDS)结构及工作原理
最常见的能谱仪探测器是哪种？
目前大多使用的是锂漂移硅Si(Li)探测器。
10. X射线能谱波谱仪最常见有哪三种方式？
电子探针X射线波谱及能谱分析有三种基本的工作方法，即定点分析、线分析和面分析。
11. 什么是点/线/面分析，如何实行点/线/面分析？
（1） 定点分析
用于测定样品上某个指定点（成分未知的第二组，夹杂物或基体）的化学成分。方法是关闭扫描线圈，使电子束固定在所要分析的某一点上，连续和缓慢地改变谱仪长度（即改变晶体的衍射角θ），就可能接收到此点内的不同元素的X射线，根据记录仪上出现衍射峰的波长，即可确定被分析点的化学组成。这就是电子探针波谱仪的分析方法，同样，也可以采用能谱仪进行分析。
（2） 线分析
由于测定某种元素沿给定直线的分布情况。该方法是X射线谱仪（包括能谱仪和波谱仪）设置在测量某一指定波长的位置（例如λNiKα），使电子束沿样品上某条给定直线从左向右移动，同时用记录仪或显像管记录该元素在这条直线上的X射线强度变化曲线，也就是该元素的浓度曲线。
（3） 面分析
把X射线能谱仪固定在某一波长的地方，利用仪器中的扫描装置使电子束在样品表面上扫描，同时，显像管的电子束受同一扫描电路的调制作用同步扫描。显像管亮度由样品给出的信息（如X射线强度，二次电子强度）调制，这样可以得出样品的形貌和某一元素的成分分布像，两者对比可以清楚地看到样品中各个部位的成分变化。

第9章 材料表面分析技术
1. 俄歇电子能谱仪(AES)的基本原理
用一定能量的电子束轰击样品，使样品原子的内层电子电离，产生俄歇电子，俄歇电子从样品表面逸出进入真空，被收集和进行分析。
2. 俄歇电子能谱有哪些特点？
（1） 分析层薄，能提供固体样品表面0~3nm区域薄层的成分信息；
（2） 分析元素广，可分析除H和He以外的所有元素，对轻元素敏感；
（3） 分析区域小，可用于材料中≤50nm区域内的成分变化的分析；
（4） 有提供元素化学态的能力；
（5） 具有测定深度 - 成分分布的能力；
（6） 对于多数元素，定量检测的灵敏度为w(0.1~1.0)%。采用元素敏感系数计算时， 定量分析的精度局限在所存元素的±30%，用类似样品的标准时，有可能改善定量 结果。
3. 俄歇电子能谱如何进行分析？
俄歇电子能量→原子种类定性分析
俄歇电子强度→元素含量定量分析
俄歇电子能量峰的位移及体积变化→样品表面化学态信息
由于俄歇电子具有特征能量，其特征能量主要由原子的种类确定，，因此测试俄歇电子的能量，可以进行定性分析，确定原子的种类，即样品中存在的元素；在一定的条件下，根据俄歇电子的信号强度，可确定元素含量，进行定量分析；再根据俄歇电子能量峰的位移和形状变化，获得样品表面化学态的信息。
4. 轻元素、重元素的俄歇电子跃迁常见为什么形式？
轻元素主要为KLL跃迁，而重元素主要为MNN和LMM跃迁。
5. 俄歇电子能谱有哪两种表示方法？
直接谱和微分谱统称为俄歇电子谱。
6. 如何运用俄歇电子能谱进行定性/量分析？ P134-137
1） 具体的定性分析过程为：
（1） 根据对样品材质和工艺过程的了解，或选一个（或数个）最强峰，利用主要俄歇电子能量图（或分析人员的经验），初步确定样品表面可能存在的元素，然后利用标准俄歇电子图谱对这几种可能的元素进行对比分析。
分析时各元素除考虑最强峰的位置外，各峰的相对位置、强度大小和形状往往也要考虑。某种元素的峰对应上，就可确定元素种类。在认定峰位时，与标准值发生数电子伏特的位移是允许的。另外，当某元素浓度低时，其俄歇峰强度较弱，峰高较小，不一定所有的该元素俄歇峰都会出现，可能只有最强的一、两个峰出现，出现的峰对应上就可以了。
（2） 若谱图中已无未有归属的峰，则定性分析结束；若还有其他峰，可能还有其他元素存在，可按照步骤（1）对剩余峰再进行分析。
（3） 分析某元素时，会遇到该元素的某个峰的强度和形状发生异常，这时就要考虑峰的重叠问题，即可能与其他元素的某个峰重叠了。若有微量元素，其峰位与其他元素强峰相重，不会造成强峰较明显的异常，这时分析要特别注意，但这种情况较少发生。
（4） 此时若还存在未有归属的峰，考虑它们可能不是俄歇峰，可能遇到一次电子能量损失峰等。
2） 目前，实用定量分析方法有两类：标准样品法和相对灵敏度因子法。
俄歇电子能谱仪中，目前使用的定量分析法主要是相对灵敏度因子法，可通过计算机直接进行计算。分析过程为：
（1） 对样品进行全谱分析，通过定性分析，确定样品中所含有的所有元素种类；
（2） 用直接谱计算时，根据每个元素的峰形，可选择面积法或峰高法进行计算，获得各元素的浓度值；
（3） 若选用微分谱计算时，对全谱进行微分处理，获得样品的微分谱，根据各元素的峰峰高值进行计算，获得结果。
7. X射线光电子能谱分析(XPS)的基本原理及仪器特点
Ø 基本原理：
光电效应（电子结合能，功函数，费米能级）
hν=EK+Eb+Er
忽略 Er hν=EK+Eb
EK=hν-Eb
计算 Eb
式中，hν 为入射光子能量，EK 为光电子的动能，Eb 为原子或分子中某轨道上电子的结合能（这里指将该轨道上一个电子激发为真空静止电子所需要的能量），Er 为原子的反冲能量。
Ø XPS的特点：
（1） 分析层薄，分析信息可来自固体样品表面0.5~2.0nm区域薄层；
（2） 分析元素广，可分析元素周期表中除H和He以外的所有元素；
（3） 主要用于样品表面的各类物质的化学状态鉴别，能进行各种元素的半定量分析；
（4） 具有测定深度 - 成分分布曲线的能力；
（5） 由于X射线不易聚焦，其空间分辨率较差，在μm量级；
（6） 数据收集速度慢，对绝缘样品有一个充电效应问题。

第13章 热分析技术
1. 热分析的定义
热分析是测量在受控程序温度下，物质的物理性质随温度变化的函数关系的技术。
2. 常用于高分子材料的热分析技术有哪几种？
差热分析(DTA)；示差扫描量热法(DSC)；热重分析(TGA)；热机械分析(TMA)。
3. 差热分析(DTA)的基本原理及定义
图13-1 DTA工作原理图
1—参比物；2—样品；3—加热块；
4—加热器；5—加热块热电偶；
6—冰冷联结；7—温度程控；
8—参比热电偶；9—样品加热电偶；
10—放大器；11—X-Y记录仪
差热分析是在程序控温条件下，测量试样与参比的基准物质之间的温度差与环境温度的函数关系。
通常采用图13-1中的方式控温。同极相连，这样它们产生的热电势方向正好相反，当炉温等速上升，经一定时间后，样品和参比物的受热达到稳定态，及二者以同样速度升温。如果试样与参比物温度相同，∆T=0，那么它们热电偶产生的热电势也相同。由于反向连接，所以产生的热电势大小相等方向相反，正好抵消，记录仪上没有信号；如果高聚物样品有热效应发生（如玻璃化转变、熔融、氧化分解等），而参比物是无热效应的，这样就必然出现温差 ∆T≠0，记录仪上的信号指示了∆T 的大小。当样品的热效应（放热或吸热）结束时，∆T=0，信号也回到零。这就是DTA的工作过程，见图13-1。
4. DTA常用参比物：α-Al2O3，MgO
参比物——选择一种在测量温度范围内没有任何热效应发生的物质如α-Al2O3，MgO等。
5. 从DTA曲线上可以看到物质在不同的温度情况下所发生的吸热和放热反应，但是并不能得到热量的定量数据。
6. DTA测试要点及影响因素
（1）注意程序控温的线性和速度。
（2）在选择基准物质的时候应考虑尽可能使Cr与Cs相接近，使基线接近零线。
（3）在测定过程中应注意水分的干扰影响，因为试样如果吸附一定的水分，将在100℃附近出现一个大的蒸发吸热峰干扰实验结果。
（4）测定过程中可能发生双峰交叠的情况，应设法分峰（这表示两个热反应）。
（5）注意反应中的挥发物发生二次反应带来反应热的干扰。
（6）对预结晶物质程序升温和降温所得的曲线是不可逆的。
（7）DTA（包括DSC）需要用标准物质来校正测定的温度准确性。
7. 何谓示差扫描量热法(DSC)？最关键要素是什么？
差示扫描量热法是在程序控温下，测量物质和参比物之间的能量差随温度变化关系的一种技术。
DSC和DTA仪器装置相似，所不同的是在试样和参比物容器下装有两组补偿加热丝，当试样在加热过程中由于热效应与参比物之间出现温差ΔT时，通过差热放大电路和差动热量补偿放大器，使流入补偿电热丝的电流发生变化，当试样吸热时，补偿放大器使试样一边的电流立即增大；反之，当试样放热时则使参比物一边的电流增大，直到两边热量平衡，温差ΔT消失为止。换句话说，试样在热反应时发生的热量变化，由于及时输入电功率而得到补偿，所以实际记录的是试样和参比物下面两只电热补偿的热功率之差随时间t的变化的关系。
8. 热重分析的定义及基本原理
热重分析是在可调速度的加热或冷却环境中，把被测物质的重量作为时间或温度的函数来记录的方法。
热重分析有两种控温方法，升温法和恒温法，常用升温法。在实验中，升温速度要适当，一般为5~10℃/min 。若升温速度太快，会使分解温度明显升高。同时，因为升温快试样受热尚来不及达到平衡，就会使两个阶段的变化为一个阶段，对谱图无法分辨。其次，试样颗粒不能太大，否则会有影响热传递。颗粒太小则使开始分解的温度和分解完毕的温度都会降低，所以颗粒大小要适当。还有一点，样品杯不能太深，最好将试样铺成薄层，以免分解放出气体时把试样冲走。

第14章 红外(IR)光谱与拉曼(Raman)光谱
1. 红外光谱和拉曼光谱在高聚物研究方面能提供哪些信息？
二者在应用领域有哪些应用？
Ø 原则上，在高聚物研究方面，红外和拉曼光谱能对其组成和结构提供以下定性和定量信息：
（1） 化学性质 结构单元、支化类型和支化度、端基、添加剂及杂质。
（2） 立体结构 顺—反异构体、立构规整性。
（3） 构象 高聚物链的几何排列，即平面折叠或几何构象。
（4） 序态 晶相、结晶相和非晶相、单位晶格链的数目、分子间力、晶片厚度。
（5） 取向 在各向异性材料中，高聚物链和侧基择优排列的类型及程度。
Ø 从应用角度来说，红外和拉曼光谱在下列方面已广泛应用：
（1） 高聚物材料的分析和鉴定；
（2） 共聚物的组成分析和序列分布的研究；
（3） 聚合过程、反应机理的研究；
（4） 老化、降解机理的研究。
2. 红外光谱和拉曼光谱各有哪些应用？
红外和拉曼光谱统称为分子振动光谱，但它们分别对振动基团的偶极矩和极化率的变化敏感。因此可以说，红外光谱为极性基团的鉴定提供最有效的信息，而拉曼光谱对研究共核高聚物骨架特征特别有效。在研究高聚物结构的对称性方面，红外和拉曼光谱两者互相补充。一般来说，非对称振动产生强的红外吸收，而对称振动则表现出显著的拉曼谱带。红外和拉曼分析法相结合，可以更完整地研究分子的振动和转动能级，从而更可靠地鉴定分子的结构。
3. 红外光谱的基本原理是什么？
（1） 当用一束红外光照射高聚物样品时，包含于高聚物分子中的各种化学键或基团，如C-C、C=C、C-O、C=O、O-H、N-H、苯环等便会吸收不同频率的红外辐射而产生特征的红外吸收光谱。因此利用红外光谱可以鉴定这些化学键或基团的存在。
（2） 某些化学键或基团处于不同结构的分子中，它们的红外吸收光谱频率会发生有规律的变化。利用这种变化的规律可以鉴定高聚物的分子链结构。当高聚物的序态不同时，由于分子间的相互作用力不同，也会导致红外光谱带的频率变化或是发生谱带数目的增减或谱带强度的变化，因此可用以研究高聚物的聚集态结构。
（3） 红外吸收谱带的强度与相应的化学键或基团的数目有关，因此可以利用红外光谱对高聚物的某些特征基团或结构进行定量测定。
4. IR中，不同序态高聚物的谱带可以分为哪几类？
（1） 构象带
（2） 构象规整带
（3） 立构规整带
（4） 结晶带
5. 常见的红外光谱仪有哪两类？
核心部件各是什么？
目前红外光谱仪可分为两大类，即利用分光原理制成的色散型红外光谱仪和利用干涉调频原理制成的傅里叶变换红外光谱仪。
色散型红外光谱仪由于是利用分光原理制成的，其主要部分是带有色散元件的单色器，因而叫作分光光度计。
傅里叶变换红外光谱仪的关键部分是干涉系统。
6. 拉曼光谱的基本原理是什么？
7. 散射的两种类型：瑞利散射，拉曼散射。
8. 拉曼光谱的主要参数是拉曼位移，即频率位移。
9. 拉曼光谱仪的结构
拉曼光谱仪由以下几部分组成：激光器（光源）、样品光学系统、单色仪和接收器，电子线路和记录器系统。
10. 拉曼光谱的应用
1） 测定聚烯烃的内、外双键和顺、反结构，运用拉曼光谱法是十分有效的。
2） 结晶性高聚物的拉曼光谱研究。
3） 用拉曼光谱研究生物大分子，要比其他手段优越。
4） 分析共聚物组成的含量。
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