材料研究方法课后习题答案

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第一章 绪论

1. 材料时如何分类的？材料的结构层次有哪些？

答：材料按化学组成和结构分：金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料

材料的结构层次有：微观结构、亚微观结构、显微结构、宏观结构。

2.材料研究的主要任务和对象是什么？有哪些相应的研究方法？ 答：任务：研究、制造和合理使用各类材料。

研究对象：材料的组成、结构和性能。

研究方法：图像分析法、非图形分析法：衍射法、成分谱分析。 成分谱分析法：光谱、色谱、热谱等；

光谱包括：紫外、红外、拉曼、荧光； 色谱包括：气相、液相、凝胶色谱等； 热谱包括：DSC、DTA等。

3.材料研究方法是如何分类的？如何理解现代研究方法的重要性？ 答：按研究仪器测试的信息形式分为图像分析法和非图形分析法；

按工作原理，前者为显微术，后者为衍射法和成分谱分析。 重要性：

1）理论：新材料的结构鉴定分析；

2）实际应用需要：配方剖析、质量控制、事故分析等。

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第二章 光学显微分析

1.区分晶体的颜色、多色性及吸收性，为何非均质体矿物晶体具有多色性？ 答：颜色：晶体对白光中七色光波选择吸收的结果。

多色性：由于光波和晶体中的振动方向不同，使晶体颜色发生改变的现象。 吸收性：颜色深浅发生改变的现象称为吸收性。

光波射入非均质矿物晶体时，振动方向是不同的，折射率也是不同的，因此体现了多色性。

2.什么是贝克线？其移动规律如何？有什么作用？

答：在两个折射率不同的物质接触处，可以看到比较黑暗的边缘，称为晶体的轮廓。在轮廓附近可以看到一条比较明亮的细线，当升降镜筒时，亮线发生移动，这条较亮的细线称为贝克线。

移动规律：提升镜筒，贝克线向折射率答的介质移动。

作用：根据贝克线的移动规律，比较相邻两晶体折射率的相对大小。

3.什么是晶体的糙面、突起、闪突起？决定晶体糙面和突起等级的因素是什么？ 答：糙面：在单偏光镜下观察晶体表面时，可发现某些晶体表面较为光滑，某些晶体表面显得粗糙呈麻点状，好像粗糙皮革一样这种现象称为糙面。 突起：在晶体形貌观察时会感觉到不同晶体表面好像高低不平，某些晶体显得高一些，某些晶体显得低一些，这种现象称为突起。

闪突起：双折射率答的晶体，在单偏光镜下，旋转物台，突起高低发生明显的变化，这种现象称为闪突起。

决定晶体糙面和突起等级的因素：根据光片中突起的高低、轮廓、糙面的明显程度划分等级。

4.什么叫干涉色？影响晶体干涉色的因素有哪些？光的干涉条件是什么？ 答：白光由七种不同波长的单色光组成，由于不同单色光发生的消光位和最强位因各自波长而处于不同位置，因此七种单色光的明暗干涉条纹互相叠加而构

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成了与光程差相对应的特殊混合色，称为干涉色。

影响干涉色的因素：光程差的大小影响干涉色的颜色；α角影响干涉色的亮度。

光的干涉条件：两束光振动频率相同，均同一平面内振动，且存在光程差。

10.如何利用锥光镜鉴定晶体的光性和轴性？（了解）

答：光性的鉴定：鉴定一轴晶晶体的光性可利用相应补色器，通过确定黑十字所划分的四个象限或黑直臂两侧所对应的象限中光率体的分布形式来确定；在二轴晶晶体切片中，由黑十字或黑直臂位转动物台45°时，黑弯臂的顶点即光轴出露点，此时与光轴面垂直方向即为Nm，此时可以利用补色器，通过鉴定两光轴出露点连线平行于Ng或Np来确定是哪根光率体主轴，即可确定二轴晶光率体光性。

轴性的鉴定：在锥光镜下，一轴晶和二轴晶晶体的干涉图像明显不同，对于一轴晶来说，转动物台，呈现的是黑十字或黑直臂交替出现，不出现弯曲的黑臂；对于二轴晶来说，则呈现黑十字与弯臂交替出现的干涉图像。

11.如何提高光学显微分析的分辨能力？

答：1）选用更短的波长；2）采用折射率很高的材料；3）增大显微镜的孔径角。

12.阐述光学显微分析用光片制备方法。

答：1）取样：取样部位应有代表性，应包含所要研究的对象并满足研究的特定要求；

2）镶嵌：对形状特殊或尺寸细小而不易握持的样品，需进行样品镶嵌； 3）磨光：去除取样时引入的样品表层损伤，获得平整光滑的样品表面； 4）抛光：去除细磨痕以获得平整无疵的镜面，去除变形层； 5）浸蚀：清晰显示出材料的内部组织。

13.分析近场光学显微分析的原理及与传统光学显微分析的异同。

答：原理：在近场探测中，必须将探测器位于距物体一个波长以内的位置上，

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在场传播以前将其俘获，因此近场探测器位于距离物体表面纳米尺寸的位置上，既能移动又不碰到样品，所以只能使用点状探测器逐点成像的方法。这种点状探测器首先将纳米尺寸的局部光信号收集，将其转变为电流，或者再发射到自由空间，或者以波导的方式将其传播到探测系统，将逐点采集的信息扫描成为二维图像。 异同：

1）照明光源的尺度和照明方法：传统光学显微镜用扩展光源在远场照明样品；近场官学显微镜用纳米局域光源在纳米尺度的近场距离内照明样品；

2）成像方法：传统光学显微镜用肉眼或成像仪器直接观察或接受放大的图像，近场光学显微镜用扫描技术使局域光源逐点网格状照明样品，然后由光电接收器接受光信号，借助计算机将图像勾画出来。

3）近场光学显微镜用探针来照明样品和探测信号。

14.为何近场光学显微镜可突破光学显微镜分辨率极限？ 答：一般近场光学显微镜分辨率：30-50nm；

新型近场光学显微镜分辨率0.8nm，不但突破了λ/2 的衍射极限，也使目前近场光学显微镜的分辨本领提高了近两个数量级。

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第3章 X射线衍射分析

1.试述X射线的定义、性质、连续X射线和特征X射线的产生、特点。 答：X射线——由高速电子撞击物质的原子所产生的电磁波。 性质：1）X射线是一种电磁波，具有波粒二象性； 2）X射线波长：10-2—102A0

3）X射线的波长、振动频率和传播速度符合λ=c/v.

4）X射线可以看成具有一定能量E、动量P、质量m的X光流子 5）X射线具有很高的穿透能力，可以穿过黑纸和许多对于可见光不透明的物质。

6）X射线肉眼不能观察到，但可以使照相底片感光，在通过一些物质时，使物质原子中的外层电子发生跃迁发出可见光。 7）X射线能够杀死生物细胞和组织，

连续X射线：强度随波长连续变化，构成连续谱。X谱强度随X射线管的管电压增加而增大，最大强度所对应的波长变小，最短波长界限减小。

特征X射线：波长一定、强度很大的特征谱只有当管电压超过一定激发电压时才产生，只取决于光管的阳极靶材料，不同靶材具有其特有的特征谱线。

2.X射线与物质的相互作用是什么？

答：X射线与物质相互作用过程会产生物理、化学和生化过程，引起各种效应。X射线可使一些物质发出可见的荧光；使离子固体发出黄褐色或紫色的光；破坏物质的化学键，使新键形成，促进物质的合成；引起生物效应，导致新陈代谢发生变化；X射线与物质之间的物理作用可分为X射线散射和吸收。

3.试述X射线衍射原理，布拉格方程和劳厄方程的物理意义。

答：X射线衍射原理：X射线作为一电磁波投射到晶体中时，会受到晶体中原子的散射，而散射波就好像是从原子中心发出，每一个原子中心发出的散射波又好比一个源球面波。由于原子在晶体中是周期排列，这些散射球面波之间存在着固定的位相关系，它们之间会在空间产生干涉，结构导致在某些散射方向的

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球面波相互加强，而在某些方向上相互抵消，从而出现衍射现象，即在偏离原入射线方向上、只有特定的方向上出现散射线加强而存在衍射斑点，其余方向则无衍射斑点。

布拉格方程物理意义：2dsinθ=λ

1)表达了晶面间距d、衍射方向θ和X射线波长λ之间的定量关系，是晶体结构分析的基本公式；

2）已知X射线的波长λ和掠射角θ，可计算晶面间距d； 3）已知晶体结构，可测定X射线的波长λ。

劳厄方程的物理意义：从理论上解决了入射线波长、方向、点阵常数和单一原子列衍射线方向的相互关系；确定了衍射方向的基本方程。

4.试述X射线衍射实验方法，粉末衍射仪的工作方式、工作原理。 答：实验方法：粉末法、劳厄法和转晶法。

粉末衍射仪的工总方式：连续式扫描、步进式扫描

工作原理：X射线粉末衍射仪用具有一定发散度的特征X光束照射多晶平板样品，多晶平板样品中一部分被照射的小晶粒的同名衍射晶面及其等同晶面所产生的衍射线将在适当的方位聚焦而形成衍射强峰，被聚焦的那一部分衍射线所对应的同名晶面或等同晶面与光源和接收狭缝处在同一聚焦圆周上。在测角仪扫描过程中，由光源狭缝、样品台轴心、和接收狭缝确定的聚焦园半径不断改变。但在样品一定深度范围内总是存在与聚焦圆吻合的弧面，由于“同一圆周上的同弧圆周角相等”，组成多晶样品的各小晶粒中，凡处于与聚焦圆吻合的弧面上的，满足衍射矢量方程的同名衍射晶面及其等同晶面所产生的衍射线都将在狭缝处聚焦，并因此形成衍射线强峰。

5.试述X射线粉末衍射法物相定性分析过程及注意的问题。 答：物相定性分析过程：

1）用粉末照相法或粉末衍射仪法获取被测试样物相的衍射图样； 2）通过对所获衍射图样的分析和计算，获得各衍射线条的2θ、d及相对强度大小；

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3）使用检索手册，查寻物相PDF卡片号；

4）若是多物相分析，则在3）步完成后，对剩余的衍射线重新根据相对强度排序，重复3）步骤，直至全部衍射线能基本得到解释。

注意问题：

1）对试样分析前，尽可能详细了解样品来源、化学成分、工艺状况，观察外形、颜色等性质，为物相分析的检索工作提供线索；

2）尽可能根据试样的各种性能，在许可的条件下将其分离成单一物相后进行衍射分析；

3）尽可能避免衍射线重叠，提高粉末照相或衍射仪的分辨率； 4）d值处理精度要求高，检索时只允许小数点后第二位才能出现偏差； 5）特别要重视低角度区域的衍射实验数据；

6）多物相混合实验时，应耐心检索，力求全部数据都能合理解释； 7）物相定性分析过程中，尽可能与其他的相分析实验手段结合起来，互相配合，互相印证。

6.试述X射线粉末衍射仪法物相定量分析方法及其过程。

答：物相定量分析方法：外标法、内标法、基体冲洗法（K值法） 过程：1）物相鉴定； 2）选择标样物相； 3）进行定标曲线的测定；

4）测定试样中标准物相S的强度或测定按要求制备试样中的待测物相及标样S物相制定衍射线强度；

5）用所测定的数据，按各自的方法计算出待测物相的质量分数。

7.比较X射线粉末多晶衍射仪法测定物质晶体结构与单晶衍射法测定物质晶体结构。

答：多晶法样品制备、衍射实验和数据处理简单，但只能完成对晶体晶系的确定、衍射花样指数标定，点阵参数测定等结构测定中的部分工作，所以，多晶衍射只能进行简单晶体结构测定或复杂结构晶体测定的部分工作。

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单晶衍射法样品制备、衍射实验和数据处理复杂，但可测定复杂结构。

8.简述X射线实验方法在现代材料研究中有哪些主要应用。 答：1）X射线物相定性分析：用于确定物质中的物相组成；

2）X射线物相定理分析：用于测定某物相在物质中的含量； 3）X射线晶体结构分析：用于推断测定晶体的结构。

10.X射线衍射实验主要有哪些方法？它们各有哪些应用？ 答：X射线衍射方法：粉末法、劳厄法、转晶法三种。

粉末法在晶体学研究中应用最广泛，试验方法及试样制备简单，所以在科学研究和实际生产中的应用不可缺少；而劳厄法和转晶法主要用于单晶体的研究，特别是在晶体结构的分析中必不可少。

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第4章 电子显微分析

1.如何提高显微镜分辨本领？电子透镜的分辨本领受哪些条件的限制？ 答：所谓分辨本领，是指显微镜能分辨的样品上两点间的最小距离。通常，我们以物镜的分辨本领定义显微镜的分辨本领。确定光学透镜分辨本领d0的公式为

d0=0.61λ/nsinα, 透镜的分辨本领主要取决于照明束波长λ。要显著提高显微镜的分辨本领，必须探索一种波长比可见光短得多的照明源——电子束。

电子透镜的分辨本领随加速电压的提高而提高。透镜的实际分辨本领除了与衍射效应有关外，还与透镜的像差有关。对于光学透镜，已经可以采用凸透镜和凹透镜的组合等方法来矫正像差，使之对分辨本领的影响远远小于衍射效应的影响，但是电子透镜只有会聚镜，没有发散透镜，所有至今还没有找到能矫正球差的方法。这样，像差对电子透镜分辨本领的限制就不容忽略了。像差分球差、像散、畸变等，其中，球差是限制电子透镜分辨本领的最主要因素。

2.透射电子显微镜的成像原理是什么？为什么必须小孔径成像？

答：成像原理：透射电镜通常采用热阴极电子枪来获得电子束作为照明源。热阴极发射的电子，在阳极加速电压的作用下，高速的穿过阳极孔，然后被聚光镜聚成具有一定直径的束斑照射到样品上。这种具有一定能量的电子束与样品发生作用，产生反应样品微区的厚度、平均原子序数、晶体结构或位相差别的多种信息。透过样品的电子束强度，其取决于这些信息，经过物镜聚焦放大在平面上形成一幅反应这些信息的透射电子像，经过中间镜和投影镜进一步放大，在荧光屏上得到三级放大的最终电子图像，还可将其记录在电子感光板或胶卷上。

为了确保透射电镜的分辨本领，物镜的孔径半角必须很小，即采用小孔径成像。一般是在物镜的背焦平面上放一称为物镜光阑的小孔径的光阑来达到这个目的。由于物镜放大倍数大，其物平面接近焦点，若物镜光阑的直径为D，则物镜孔径半角α=D/2f，小孔径成像意味着只允许样品散射角小于σ的散射电子

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通过物镜光阑成像，所有大于α的都被物镜光阑档掉，不参与成像。

3.扫描电子显微镜的工作原理是什么？

答：工作原理：由三极电子枪发射出来的电子束，在加速电压作用下，经过2-3个电子透镜聚焦后，在样品表面按顺序逐行进行扫描，激发样品产生各种物理信号。这些物理信号的强度随样品表面特征而变，它们分别被相应的接收器接受，经放大器按顺序成比例的放大后，送到显像管的栅极上，用来同步调制显像管的电子束强度，即显像管荧光屏上的亮度。供给阴极射线显像管的扫描线圈的电源，此电源发出的锯齿波信号同时控制两束电子束作同步扫描。因此，样品上电子束的位置与显像管荧光屏上电子束的位置是一一对应的。这样，在荧光屏上就形成一幅与样品表面特征相对应的画面。

4.相对光学显微镜，透射电子显微镜（TEM）和扫描电镜（SEM）各有哪些优点？

答：TEM优点：1)分辨率高，常规电镜的分辨率极限是2-3埃，可实现的最高线分辨率为1埃左右；2）放大倍率大，有效放大倍数在106，而光学显微镜只达到几千：3）景深较大，焦长较长，不仅可以获得样品形貌，颗粒大小及分布等信息，还可以获得特定区域的元素及物相结构信息。

SEM优点：1）分辨本领比较高；2）放大倍数为20-20000倍，并且连续可调，介于光学显微镜和投射电镜之间，在某种程度上弥补了光学显微镜和透射电镜的不足；3）景深大，视野大，成像富立体感；4）样品制备简单；5）可直接观察大块试样。

5.电子探针X射线显微分析仪有哪些工作模式，能谱仪和谱仪的特点是什么？ 答：工作模式：点线面三种。

能谱仪的特点：

1）所用的Si探测器尺寸小，可装在靠近样品的区域； 2）分析速度快，可在2-3分钟内完成元素定性全分析； 3）能谱仪不受聚焦圆的限制；

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4）工作束流小，对样品污染小；

5）能进行低倍X射线扫描成像，得到大视域的元素分布图； 6）分辨本领比较低； 7）峰背比小；

8）Si探测器必须在液氮温度下使用，维护费用高。 6.为什么透射电镜的样品要求非常薄，而扫描电镜无此要求？

答：透射电镜中，电子束穿透样品成像，而电子束的投射本领不大，这就要求将试样制成很薄的薄膜样品；扫描电镜是通过电子束轰击样品表面激发产生的物理信号成像的，电子束不用穿过样品。

7.电镜有哪些性质？环境扫描电镜中“环境”指什么？

答：1）用电子束作照明源，显微镜的分辨本领要高得多，分辨本领：2-3nm，可以直接分辨原子，并且还能进行纳米尺寸的晶体结构及化学组成的分析。

2）但电磁透镜的孔径半角的典型值仅为10-2-10-3rad。 3）几何像差：由透镜磁场几何形状上的缺陷而造成的。 4）色差：由电子波的波长发生一定幅度的改变而造成的。

环境扫描电镜中的“环境“并非真正意义上的大气环境，与传统SEM样品室高达10-3-10-6Torr的真空度相比，ESEM样品室的真空度很低，从1Torr-20Torr，非常接近大气环境，但不等同于760Torr的大气环境。 8.高分辨电镜是否指分辨率高的电镜？

答：高分辨电镜可用来观察晶体的点阵像或单原子像等所谓的高分辨像。这种高分辨像直接给出晶体结构在电子束方向上的投影，因此又称结构像。加速电压为100KV或高于100KV的透射电镜，只要分辨本领足够高，在适当的条件下，就可以得到结构像或单原子像。不是所有分辨率高的电镜都能进行结构像的分析。

9.选用电子显微分析仪时应从哪几方面考虑？ 答：样品、要求、费用、时效等方面考虑。

10.电子探针仪与X射线谱仪从工作原理和应用上有哪些区别？ 答：电子探针仪的工作原理：

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由莫赛莱定律 λ=K/(Z-σ)2可知X射线特征谱线的波长和产生此射线的样品材料的原子序数有一确定的关系。只要测出特征X射线的波长，就可确定相应元素的原子序数。又因为某种元素的特征X射线强度与该元素在样品中的浓度成比例，所有只要测出这种特征X射线的强度，就可计算出该元素的相对含量。

X射线衍射仪的工作原理：布拉格方程 2dsinθ=λ

波谱仪利用某些晶体对X射线的衍射作用来达到使不同波长分散的目的。若有一束包括不同波长的X射线照射到一个晶体表面上，平行于该晶体表面的晶面的间距为d，入射X射线与该晶面的夹角为θ，则其中只有满足布拉格方程的那个波长的X射线发生衍射。若再与入射X射线方向成2θ的方向上设置X射线检测器，就可以检测到这个特定波长的X射线及其强度。

11.与X射线衍射相比，（尤其透射电镜中的）电子衍射的特点是什么？ 答：1）透射电镜常用双聚光镜照明系统，束斑直径1-2μm，经过双聚光镜的照明束相干性较好。

2）透射电镜有三级以上透镜组成的成像系统，借助它可以提高电子衍射相机长度。

3）可以通过物镜和中间镜的密切配合，进行选区电子衍射，使成像区域和电子衍射区域统一起来，达到样品微区形貌分析和原位晶体学性质测定的目的。

12选区电子衍射和选区成像的工作原理是？这两种工作方式有什么应用意义？

.

答：“选区电子衍射“指在物镜像平面上放置一个光阑限定产生衍射花样的样品区域，从而分析该微区范围内样品的晶体结构特性。

当电镜以成像方式工作时，中间镜物平面与物镜像平面重合，荧光屏上显示样品的放大图像。此时，在物镜像平面内插入一个孔径可变的选区光阑，光阑孔套住想要分析的那个微区。因为在物镜适焦的情况下，物平面上同一物点所散射的电子将会聚于像平面上一点，所有对应于像平面上光阑孔的选择范围A

‘

B‘，只有样品上AB微区以内物点的散射波可以穿过光阑孔进入中间镜和投射

镜参与成像，选区以外的物点C 产生的衍射波则全被档掉。

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当调节中间镜的激磁电流，使电镜转变为衍射方式操作时，中间镜物平面与物镜背焦面相重合。尽管物镜背焦平面上第一幅花样是由受到入射束幅照的全部样品区域内晶体的衍射所产生，但只有AB微区以内物点散射的电子波可以通过选区光阑进入下面的投射系统，所有荧屏上显示的只限于选区范围内晶体所产生的衍射花样，实现了选区形貌观察与晶体结构分析的微区对应性。

这两种方法可以研究我们感兴趣的微区的晶体产生的衍射花样，从而实现选区观察与衍射的对应。 第5章 热分析

1.简述差热分析的原理，并画出DTA装置示意图。

答：原理：把被测试样和一种参比物置放在同样的热条件下，进行加热或冷却。在这个过程中，试样在某一特定温度下会发生物理化学反应引起热效应变化:即试样测的温度在某一区间会变化，不跟随程序温度升高，而是有时高于或低于程度温度，而参比物一侧在整个加热过程中始终不发生热效应，它的温度一直跟随程序温度升高。两者之间就出现一个温度差，然后利用某种方式将温差记录下来，就得到差热曲线，再针对这曲线进行分析研究。

2.为何用外延始点作为DTA曲线的反应起始温度？

答：外延始点：指峰的起始边陡峭部分的切线与外延基线的交点。国际热分析协会ICTA对大量的试样测定结构表明，外延起始温度与其它实验测得的反应起始温度最为接近，因此用外延始点作为DTA曲线的反应起始温度。

3.热分析用的参比物有何性能要求？

答：参比物在一定温度下不发生分解、相变、破坏的物质，要求在热分析过程中热性质、质量、密度等与试样尽量相近。

4.影响差热分析的仪器、试样、操作因素是什么？

答：仪器因素：1）炉子的结构和尺寸； 2）坩埚材料和形状；

3）差热电偶性能； 4）测温热电偶与试样之间的相对位置； 5）记录仪或其它显示系统精度。

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试样因素：1）热容量和热导率的变化；2）试样的颗粒度、用量及装填密度；

3）试样的结晶度、纯度； 4）参比物

操作因素：1）加热速度；

慢：峰形：宽 平 滞后小 快：峰形：尖 长 滞后大 2）炉内压力和气氛；

①压力： 减小： 分解温度降低 低温移动 增大： 分解温度升高 高温移动 ②气氛： 不同气氛反应不同——温度不同 3）记录仪量程和走纸速度。

5.为何DTA仅能进行定性和半定量分析？DSC是如何实现定量分析的？ 答：在差热分析中当试样发生热效应时，试样本身的升温速度是非线性的，而且在发生热效应时，试样与参比物与及试样周围的环境有较大的温差，它们之间会进行热传递，降低了热效应测量的灵敏度和精确度，所有DTA仅能进行定性和半定量分析。

而DSC克服了这些不足，通过对试样因发生热效应而发生的能量变化进行及时的应有的补偿，保持试样与参比物之间温度始终保持相同，无温差、无热传递，使热损失小，检测信号大，可进行实现定量分析。

6.阐述DSC技术的原理和特点。

答：原理：DSC技术是在程序控制温度下，测量输入到试样和参比物的能量差随温度和时间变化的一种技术。差式扫描热分析法就是为克服差热分析在定量测定上存在的这些不足而发展起来的一种新的热分析技术。该法通过对试样因发生热效应而发生的能量变化进行及时的应有的补偿，保持试样与参比物之间温度始终保持相同，无温差、无热传递，使热损失小，检测信号大，因此在灵敏度和精度方面都大有提高。

特点：由于试样用量少，试样内的温度梯度较小且气体的扩散阻力下降，对于功率补偿型DSC有热阻影响小的特点。

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7.简述DTA、DSC分析样品要求和结果分析方法。

答：DTA分析样品要求：应选择热容量和热导率和试样相近的作为参比物；试样的颗粒度要求：100目—300目；试样的结晶度、纯度和离子取代要求：结晶度好，峰形尖锐，洁净度不好，则峰面积要小，纯度、离子取代同样会影响DTA曲线；试样的用量：以少为原则；试样的装填要求：薄而均匀，试样和参比物的装填一样情况一致；参比物：整个测温范围无热反应，比热与导热性与试样相近，粒度与试样相近，

DTA结果分析方法：解释曲线上每个峰谷出现的原因，从而分析被测物质是由哪些物质组成的。差热分析的峰只表示试样的热效应，本身不反应更多的物理化学本质，因此，单靠差热曲线很难做正确的解释。

DSC分析样品要求：试样用量少，试样粒度均匀。 DSC结果分析方法：

1）称量法：用硫酸纸沿确定的峰面积界限描剪下来，用微量天平称量后进行换算，其读数误差范围在2%之内；

2）数格法：在已确定的峰面积界限内，统计占据记录纸小格数进行换算，其读数误差在2%-4%；

3）用求积仪：读数误差为4%； 4）用计算机：误差为0.5%。

8.简述热重分析的特点和影响因素.

答：特点：热重分析是在程序控制温度下测量获得物质的质量与温度关系的一种技术。其特点是定量性强，能准确的测量物质的质量变化及变化的速率。

影响因素：1）浮力及对流的影响；2）挥发物冷凝的影响；3）温度测定的影响；4）升温速率的影响；5）气氛控制的影响；6）坩埚形状的影响；7）试样用量、粒度、热性质和装填方式的影响。

9.举例说明热分析技术在玻璃和微晶玻璃材料研究中的应用。 答：热分析技术在玻璃研究中的应用：

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1）研究玻璃形成的化学反应和过程； 2）测定玻璃的玻璃转变温度与熔融行为； 3）研究高温下玻璃组分的挥发；

4）研究玻璃的结晶过程和测定晶体生长活化能； 5）制作相图；

6）研究玻璃工艺中遇到的技术问题。 7）微晶玻璃的研究

热分析技术在微晶玻璃研究中的应用：

微晶玻璃是通过控制晶化而得到的多晶材料，在强度、耐温度急变性和耐腐蚀性等方面较原始玻璃都有大幅度提高。微晶玻璃在晶化过程中会释放出大量的结晶潜热，产生明显的热效应，因而DTA分析在微晶玻璃研究中具有重要作用。

10.简述热分析技术在材料研究中的应用。

答：1）差热分析（DTA）曲线或差示扫描量热分析（DSC）曲线可以用来定性地表征和鉴定物质，可以定量地估计参与反应的物质的量或测定热化学参数。尤其是DSC分析不仅可定量地测定物质的熔化热、转变热和反应热，还可以用来计算物质的纯度和杂质量。

2）热重分析在无机材料领域应用广泛，可以用于研究无机和有机化合物的热分解、不同温度及气氛中金属的抗腐蚀性能、固体状态的变化、矿物的冶炼和焙烧、液体的蒸发或蒸馏、煤或石油及木材的热解、挥发灰分的含量测定、蒸发和升华速度的测定、吸水和脱水、聚合物的氧化降解、气化热测定、催化剂和添加剂评定、化合物组分的定性和定量分析、老化和寿命评定、反应动力学研究等领域，其特点是定量性强。

3）热膨胀分析在陶瓷材料方面应用广泛，它可以确定陶瓷材料合理的配方和烧成。

4）热机械分析在高分子材料方面应用广泛，它可以测定高聚物的Tg温度、研究高聚物的松弛运动、固化过程、分析增塑剂含量、表征高聚物合金组分的相容性等。

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第6章 光谱分析

1.了解各种波长的电磁波对原子（基团）的作用及其相应的光谱分析手段。 答： 电磁波 紫外光 对原子基团的作用 波长较短，能量较高，引起分子中价电子的跃迁 红外光 波长较长，能量较低，只能引起分子中成键原子和转动能级的跃迁 核磁共振波 可见光

2.何谓助色团和生色团？

答：助色团是指那些本身不会使化合物分子产生颜色或者再紫外及可见光区不产生吸收的一些基团，但这些基团与发色基团相连时却能使发色基团的吸收带波长移向长波，同时使吸收强度增强。

生色团是指能导致化合物在紫外及可见光区产生吸收的基团，不论是否显示颜色都称为发色基团或生色团。

能量更低，产生原子核自旋能级的跃迁 光子和分子非弹性振动产生的光散射效应 原子对特征波长光的吸收 380-780nm，引起外层电子跃迁 核磁共振谱 拉曼光谱 原子吸收光谱 红外光谱 光谱分析手段 紫外光谱 18

3.简述有机物在紫外光谱中吸收带的类型。 答：1）R吸收带 卤代烷烃可产生这类谱带；

2）K吸收带 共轭烯烃，取代芳香化合物可产生这类谱带； 3）B吸收带 芳香化合物及杂芳香化合物的特征谱带； 4）E吸收带 芳香族化合物的特征谱带之一。

4.产生红外吸收的原因是什么？阐述分子振动的形式和红外光谱振动吸收带的类型.

答：1）辐射具有刚好能满足物质跃迁时所需的能量，分子中某个基团的振动频率和红外辐射的频率一致就满足了；

2）辐射与物质之间有相互作用，分子的偶极距必须发生变化的振动。 分子振动的形式：

1）伸缩振动 a）对称伸缩振动；b）反对称伸缩振动 2）变形和弯曲伸缩振动

a）面内变形 剪式振动、面内摇摆振动； b）面外变形 面外摇摆振动、扭曲变形振动 红外光谱振动吸收带类型：

1）X-H伸缩振动区；2）叁键和累积双键区；3）双键伸缩振动区； 4）X-Y伸缩振动区和X-H变形振动区。

5.阐述红外光谱吸收带强度及其位置的影响因素。 答：影响吸收带强度因素：

1）振动吸收带强度与分子振动偶极矩变化的平方成正比；

2）同一类型化学键，偶极矩变化与结构的对称性有关； 3）氢键导致原子间距增大，偶极矩变化增大； 4）与振动形式有关。 影响吸收带位置的因素： 1）外部因素

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与试样状态、测定条件、溶剂极性等有关。 2）内部因素 a）电效应

诱导效应、共轭效应、偶极场效应

b）氢键 氢键使电子云密度平均化，振动频率下降

c）振动的偶合 如果两个基团的振动频率相近，其相互作用会使谱带裂分成两个，一个低于正常频率，一个高于正常频率，称振动偶合。

d）费米共振 当一振动的倍频与另一振动的基频接近时，其相互作用而产生很强的吸收峰或发生裂分，称为费米共振现象。

e）其它因素 如立体障碍、环的张力等。 6.简述红外光谱样品的制备方法。 答：样品制备：

要求：浓度、厚度适宜，不含游离水分组合；测量前尽量进行组分预分离。 制备方法：

1）气态样品：使用气体吸收池；

2）液态和溶液试样：沸点较高的试样，直接滴在两块盐片之间形成液膜；沸点较低、挥发性较大的试样，可注入封闭液体池中。

3）固态试样：粉末法、糊状法、压片法、薄膜法、溶液法。

7.试比较红外光谱和拉曼光谱的异同。 答:相同点：

1）红外光谱和拉曼光谱都属于分子振动光谱，都是研究分子结构的有力手段。

2）对于分子中的同一个基团，它的红外光谱吸收峰的位置和拉曼光谱峰的位置是相同的。 不同点： 1）

红外光谱测定的是样品的透射光谱，拉曼光

谱测定的是样品的发射光谱；

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2）在红外光谱图中，横坐标的单位可以用波数表示。在拉曼光谱图中，虽然横坐标的单位也是用波数，但表示的是拉曼位移。 3）红外光谱和拉曼光谱的选律是不相同的，红外和拉曼总体上说是互补的。 有些基团振动时偶极矩变化非常大，红外吸收峰很强，是红外活性的。

有些基团振动时偶极矩没有变化，不出现红外吸收峰，是红外非活性的。这种振动拉曼峰会非常强，也是拉曼活性的。

一个基团存在几种振动模式时，偶极矩变化大的振动，红外吸收峰强；偶

极矩变化小的振动，红外吸收峰弱。拉曼光谱与之相反，偶极矩变化大的振动，拉曼峰弱;偶极矩变化小的振动，拉曼峰强;偶极矩没有变化的振动，拉曼峰最强。这就是红外和拉曼的互补性。

第7章 核磁共振分析

1. 根据V0=γH0/2π,可以说明一些什么问题？

答：这是发生核磁共振的条件。由该式可以说明：1）对于不同的原子核，由于磁旋比γ的不同，发生共振的条件不同；即发生共振时V0和H0的相对值不同； 2）对于同一种核，当外加磁场一顶时，共振频率也一定，当磁场强度改变时，共振频率也随着改变。

2. 什么是弛豫？为什么NMR分析中固体试样应先配成溶液？

答：由于核磁共振中氢核发生共振时吸收的能量是很小的，因而跃迁到高能态的氢核不可能通过发射谱线的形式失去能量而返回到低能态，这种由高能态恢复到低能态而不发射原来所吸收的能量的过程成为弛豫过程。

NMR分析中固体试样应先配成溶液，这是由于液态样品可以得到分辨较好的图谱。

3.何谓化学位移？它有什么重要性？影响化学位移的因素有哪些？

答：由于有机分子中各种质子受到不同程度的屏蔽效应，因此在核磁共振谱的

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不同位置上出现吸收峰，某一物质吸收峰出的位置与标准物质质子吸收峰出现的位置之间的差异称为该物质的化学位移。

重要性：由于化学位移的大小与氢核所处的化学环境密切相关，因此有可能根据化学位移的大小来考虑氢核所处的化学环境，即有机物的分子结构特征。

影响因素：诱导效应、共轭效应、立体效应、氢键的生产、磁各向异性效应和溶剂效应。

4.何谓自旋偶合？何谓自旋分裂？它们在NMR分析中有何重要作用？ 答：有机化合物分子中由于相邻质子之间的相互作用而引起核磁共振谱峰的裂分，称为自旋-轨道偶合，简称自旋偶合。

由自旋偶合所引起的谱线增多的现象称为自旋-自旋裂分，简称自旋裂分。 作用：偶合表示质子间的相互作用，裂分则表示由此而引起的谱线增多的现象，由于偶合裂分现象的存在，可以从核磁共振谱图上获得更多的信息，对有机物结构解析非常有利。

5.振荡器的射频为56.4MHz时，欲使1H、13C、19F发生共振信号，外加磁场强度各需多少？

答：B0（1H）=2πV0/γ=2×3.14159×56.4/2.68=132.2 MHz

B0（19F）=2×3.14159×56.4/2.52=139.52 MHz

6.已知氢核1H磁矩为2.79，磷核31P磁矩为1.13，在相同强度的外加磁场条件下，发生核跃迁时何者需要较低的能量？

答：设外加磁场为H，则1H发生跃迁需要吸收的电磁波频率为

1 V（=2×2.79×5.05×10-27×H/6.63×10-34=46.29×106 HS-1=46.29H MHz 0H）

V0（31P）=2×1.13×5.05×10-27×H/6.63×10-34=17.21×106 HS-1=17.21 H MHz

7.下列化合物中OH的氢核，何者处于较低场？为什么？

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答：结构（1）中OH上的氢核处于较低场，因为它要受到相邻羰（tang）基上电负性氧原子的吸电子作用。

8.解释在下列化合物中，Ha与Hb的δ值有何不同？

答：Ha同时受到苯环、羰基的去屏蔽作用，而Hb只受到苯环的去屏蔽作用，因而Ha处于较低场。

9.在CH3-CH2-COOH的核磁共振谱图中可观察到其中有四重峰及三重峰各一组:

1）说明这些峰的产生原因；2）哪一组峰处于较低场，为什么？

答：1）由于α-β-位质子之间的自旋偶合现象，根据（n+1）规律，CH3-质子核磁共振峰被亚甲基质子裂分为三重峰，同样，亚甲基质子被相邻的甲基质子裂分为四重峰。

2）由于α-质子受到羧基的诱导作用比β-质子强，所有亚甲基质子峰在低场出现（四重峰）. 第8章 质谱分析

1.试简述质谱分析方法的测试原理。

答：质谱分析方法是通过对样品离子的质量和强度的测定来进行成分和结构分析的一种方法。原理：被分析的样品首先离子化，然后利用离子在电场或磁场中的运动性质，将离子按质荷比分开并按质荷比大小排列成谱图形式，根据质谱图可确定样品成分、结构和相对分子质量。

2.在有机化合物的质谱图中可以找到哪些离子？

答：1）分子离子峰；2）同位素离子峰；3）碎片离子峰；4）重排离子峰； 5）两价离子峰；6）离子分子反应；7）亚稳离子峰。

3.试简述判断分子离子峰的方法。 答：1）分子离子稳定性的一般规律；

2）分子离子峰质量数的规律；

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3）分子离子峰与邻近峰的质量差是否合理； 4）M+1峰； 5）M-1峰；

6）降低电子轰击源的能量，观察质谱峰的变化。

4.简述解释质谱图的一般方法。

答：1）由质谱的高质量端确定确定分子离子峰，求出分子量，初步判定化合物类型；

2）根据分子离子峰的高分辨数据，给出化合物的组成式；

3）由组成式计算化合物的不饱和度，即确定化合物环和双键的数目； 4）研究高质量端离子峰，可以确定化合物中含有哪些取代基；

5）研究低质量端离子峰，寻找不同化合物断裂后生成特征离子和特征离子系列，根据特征离子系列可以推测化合物的类型；

6）根据以上信息，提出化合物的结构单元； 7）验证所得结构。

5.质谱分析方法主要有哪些应用？

答：1）质谱分析在材料反应单体和助剂分析中的应用 a）合成材料的单体、中间体以及添加剂的分析； b）聚合物结构的表征

2）质谱在无机材料分析中的应用

用电子轰击法使样品表面产生二次离子进行表面质谱分析。

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第9章 材料测试方法的综合应用

1.如何理解材料研究方法的综合应用？为什么有时必须多种测试方法才能解决问题？

答：不论哪一种研究方法都有其相应的应用领域，即在应用上有一定的局限性。而作为材料基本研究内容的材料结构与性能往往随时间与外界环境的变化而变化，是十分复杂的，单凭一种仪器分析方法难以确定，一般要综合运用多种测试手段在不同层次和不同侧面对材料进行分析描述，这些方法相互补充，互相验证，从而得到较为准确和全面的结论。所有在材料的研究领域中，经常涉及到多种测试方法的综合运用。 2.选择研究手段应注意哪些问题？

答：1）材料在不同的使用场合对分析的要求是不一样的，故而在选择研究手段之前首先要明确研究的预期目的和实验要求；

2）由于单一研究手段的局限性，往往要综合运用多种研究方法对材料进行测试分析，以增强结论的正确性；

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3）在相近的实验效果下，尽量选择一些常规方便经济的研究手段。 3.如何剖析一未知成分的材料？其步骤如何确定？ 答：1）对样品的初步检查和了解；

2）化学鉴定（光谱结构鉴定、X射线衍射物相鉴定和其它鉴定） 3）电子显微镜微观形貌的分析。

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