【内容简介】

本书对材料研究过程中常用的分析方法进行介绍，包括X射线衍射分析、红外吸收光谱、激光拉曼光谱、核磁共振谱、紫外可见光谱、荧光光谱及各种电子显微镜等，其内容涉及高分子材料、金属材料、无机非金属材料、复合材料等综合领域。本书主要是结合实例进行讲解，注重实用性，能提高材料类专业学生从事材料研究所必需的实际技能。

本书可以作为材料科学与工程及相关专业本科生、研究生的专业基础课教材，也可以作为材料科学与工程相关实验教师培训参考书。

【前言】

随着当代材料科学与工程领域的研究与技术不断发展，许多新的材料体系、材料结构、材料性能不断涌现，对材料表征方法与手段的要求也越来越高。

目前，关于材料分析方法的教材很多，对各类分析方法的基本原理、仪器结构等进行了详细的理论描述和系统说明，涌现出一大批高质量的优秀教材。然而，目前使用的许多教材多数只是对某一种或有限的几种分析仪器和分析方法进行详细论述，理论性很强，不适合当代材料科学与工程专业类本科生“宽口径、厚基础、综合素质”的培养目标要求，因此，在实际教学工作中，迫切需要一部适合本科生需要的教材，既有基本的理论，又兼顾本科生的专业基础的实用性。

本教材结合实例、实际检测结果分析、各类图片及各位编写老师自己的研究成果，分别对材料研究过程中常用的分析方法进行论述，涉及高分子材料、金属材料、无机非金属材料、复合材料等综合领域，以满足不同专业本科生需求，拓展他们的知识面。教材对各类分析方法的基础理论进行简单论述，更主要的是结合实例进行讲解，注重实用性，提高材料类专业学生从事材料研究所必需的实际技能，力争使学生达到“Know Why, Know How; Know What”的目的。“Know why”是让学生了解为什么选用某种分析技术；“Know how”是让学生掌握如何进行样品处理、如何确定科学的分析步骤；“Know what”是让学生了解如何分析相关实验分析结果、如何读取相关的材料信息、如何结合具体的材料制备工艺发现与解释相关的科学现象。

本书可以作为材料科学与工程及相关专业本科生、研究生的专业基础课教材，也可以作为材料科学与工程相关实验教师培训参考书。

参与本书编写人员主要有：毛陆原教授，李铁生教授，崔国士博士，孙玉峰博士，谢银德博士，董林博士，李春辉博士，郑世军博士。关绍康教授对本书的全部内容进行了审核校正。在此谨向各位老师辛勤的工作表示感谢。

由于作者水平有限，书中难免有诸多不足之处，敬请各位专家批评指正。

张锐2007年5月于郑州大学

【目录】

第1章绪论1 
1 1材料的组织结构与性能1 
1 1 1组织结构与性能的关系1 
1 1 2微观组织结构控制2 
1 2显微组织结构的内容2 
1 3材料分析技术与材料的关系2 
1 4分析技术简介2 
1 4 1X射线衍射2 
1 4 2光谱分析2 
1 4 3核磁共振3 
1 4 4热分析技术3 
1 4 5表层分析技术3 
1 4 6电子显微镜3 
第2章X射线衍射分析5 
2 1X射线衍射基本概念5 
2 1 1X射线衍射分析历史5 
2 1 2X射线的产生及X射线谱5 
2 1 3X射线与物质的相互作用6 
2 1 4光的散射和衍射7 
2 2晶体空间点阵8 
2 3X射线分析法原理9 
2 3 1X射线在晶体中的衍射9 
2 3 2X射线衍射的实验方法简介10 
2 3 3小角X射线散射法12 
2 3 4样品的制备方法简介13 
2 4多晶体物相分析14 
2 4 1X射线衍射物相分析的基本 
原理14 
2 4 2物相分析的定性分析14 
2 4 3物相的定量分析15 
2 4 4物质状态的鉴定16 
2 4 5单晶和多晶取向测定17 
2 4 6晶粒度的测定18 
2 4 7介孔结构测定19 
2 4 8宏观应力测定19 
2 4 9薄膜厚度和界面结构测定19 
2 4 10多层膜结构测定20 
2 5X射线法最新进展及应用21 
2 5 1同步辐射X射线吸收精细结构 
方法21 
2 5 2Rietveld方法22 
2 5 3X射线衍射法其他应用23 
参考文献24 
第3章红外吸收光谱27 
3 1引言27 
3 1 1红外吸收光谱的基本原理28 
3 1 2红外吸收光谱的基本概念28 
3 2双原子分子的振动和转动29 
3 2 1转子模型29 
3 2 2振子模型31 
3 2 3双原子分子的红外振转光谱32 
3 3简正振动33 
3 3 13n-5或3n-6规则33 
3 3 2简正坐标和简正振动33 
3 3 3分子对称性35 
3 4振动光谱的解释和应用36 
3 4 1倍频、组频、差频36 
3 4 2配位效应36 
3 4 3Fermi共振和振动耦合37 
3 4 4特征频率38 
3 5各类有机化合物的红外吸收光谱38 
3 5 1烷烃38 
3 5 2烯烃及其他含双键的化合物39 
3 5 3炔烃和其他含叁键及具有累积 
双键的化合物40 
3 5 4芳烃和杂芳烃40 
3 5 5含羟基的化合物41 
3 5 6醚、环氧和过氧化合物42 
3 5 7羰基化合物42 
3 5 8胺43 
3 5 9酰胺43 
3 5 10氨基酸和铵盐43 
3 5 11其他化合物44 
3 6红外吸收光谱数据小结45 
3 7利用红外吸收光谱推测有机化合物 
结构45 
参考文献46 
第4章激光拉曼光谱法48 
4 1拉曼散射光谱的基本概念48 
4 1 1瑞利散射、拉曼散射及拉曼 
位移48 
4 1 2拉曼光谱选律和选择定则49 
4 1 3拉曼退偏振比49 
4 1 4拉曼光谱图50 
4 2激光拉曼光谱与红外光谱比较50 
4 3激光拉曼光谱法实验技术52 
4 3 1仪器组成52 
4 3 2样品的处理方法53 
4 4拉曼光谱法在有机材料研究中的 
应用53 
4 4 1拉曼光谱的选择定则与分子 
构象53 
4 4 2高分子材料的拉曼去偏振度及 
红外二向色性54 
4 4 3复合材料形变的拉曼光谱研究55 
4 5拉曼光谱法在生物材料和纳米材料 
中的应用56 
4 5 1生物学材料的拉曼散射光谱56 
4 5 2纳米材料的某些特性58 
4 5 3碳纳米管的拉曼散射58 
4 5 4半导体纳米材料的拉曼散射60 
参考文献61 
第5章紫外可见光谱及荧光光谱63 
5 1引言63 
5 2紫外可见吸收光谱63 
5 2 1紫外可见吸收光谱的基本原理63 
5 2 2紫外可见吸收光谱可获悉的 
信息64 
5 2 3紫外可见吸收光谱的基本概念64 
5 2 4饱和有机化合物的紫外吸收 
光谱67 
5 2 5不饱和有机化合物的紫外吸收 
光谱67 
5 2 6紫外吸收光谱的应用70 
5 3荧光光谱70 
5 3 1分子的激发与弛豫71 
5 3 2由荧光光谱可获悉的信息71 
5 3 3荧光的激发光谱和发射光谱72 
5 3 4荧光分析法的灵敏度和选择性72 
5 3 5测量方法73 
5 3 6光谱解析74 
5 3 7无机化合物的荧光74 
5 3 8有机化合物的荧光76 
5 4分子的电子光谱在材料研究中的 
应用81 
5 4 1紫外可见光谱及荧光光谱应用于 
材料分析81 
5 4 2材料中微量元素或添加剂含量的 
测定82 
5 4 3电子光谱研究聚合反应动力学82 
参考文献83 
第6章核磁共振谱85 
6 1NMR概述85 
6 1 1核磁共振谱的分类85 
6 1 2核磁共振的产生86 
6 1 3化学位移86 
6 1 4自旋的耦合与裂分88 
6 2核磁共振波谱仪及实验要求89 
6 2 1CW核磁共振仪结构89 
6 2 2核磁共振波谱仪分类和测试 
原理89 
6 2 3实验技术90 
6 31H核磁共振波谱(氢谱)91 
6 3 1屏蔽作用与化学位移91 
6 3 2谱图的表示方法92 
6 3 3影响化学位移的主要因素93 
6 3 4谱图解析实例95 
6 413C核磁共振谱96 
6 4 113CNMR概述96 
6 4 213CNMR与1HNMR的比较97 
6 4 3影响13C化学位移的因素97 
6 4 4碳核磁谱图解析和典型实例99 
6 5高分辨NMR在聚合物材料研究中的 
应用100 
6 5 1有机材料的定性分析100 
6 5 2共聚物组成的测定102 
6 5 3共聚物序列结构的研究102 
6 5 4高分子键接方式和异构体的 
研究103 
6 6核磁共振新技术105 
6 6 1固体NMR在材料结构研究中的 
应用105 
6 6 2二维NMR谱和材料的NMR成像 
技术106 
6 6 3NMR仪器的改进107 
参考文献108 
第7章热分析技术109 
7 1热分析概论109 
7 1 1热分析技术的发展109 
7 1 2热分析定义及分类110 
7 2差热分析与差示扫描量热法112 
7 2 1DTA与DSC仪器的组成与 
原理113 
7 2 2差热分析与差示扫描量热法峰 
面积的计算115 
7 2 3影响DTA与DSC曲线的因素118 
7 2 4DTA与DSC数据的标定120 
7 3热重分析与微商热重法121 
7 3 1热重分析与微商热重法的基本 
原理121 
7 3 2热天平的基本结构122 
7 3 3影响热重数据的因素124 
7 3 4热重试验及图谱辨析125 
7 4热膨胀法和热机械分析127 
7 4 1热膨胀法128 
7 4 2热机械分析129 
7 5热分析技术在材料研究中的应用129 
7 5 1材料的结晶行为129 
7 5 2材料液晶的多重转变133 
7 5 3材料的玻璃化转变Tg及共聚 
共混物相容性134 
7 5 4材料的热稳定性及热分解机理137 
7 5 5材料的剖析138 
7 5 6动态热机械分析评价材料的 
使用性能139 
7 6热分析联用技术的发展与热分析仪器 
的改进142 
7 6 1热分析联用技术143 
7 6 2热分析仪器的最新进展146 
参考文献147 
第8章表面分析技术150 
8 1X射线光电子能谱150 
8 1 1X射线光电子谱基本原理150 
8 1 2结合能151 
8 1 3化学位移152 
8 1 4X射线光电子能谱分析方法154 
8 1 5X射线光电子能谱仪159 
8 2俄歇电子能谱161 
8 2 1俄歇电子能谱的基本原理161 
8 2 2俄歇电子的能量和产额162 
8 2 3俄歇电子能谱分析方法164 
8 2 4俄歇电子能谱仪167 
8 2 5扫描俄歇显微探针(SAM)168 
参考文献170 
第9章扫描电子显微镜171 
9 1电子与物质的相互作用171 
9 1 1电子散射171 
9 1 2背散射电子172 
9 1 3二次电子172 
9 2扫描电子显微镜结构和成像原理173 
9 2 1扫描电子显微镜的工作原理173 
9 2 2扫描电子显微镜的结构175 
9 2 3扫描电子显微镜的性能178 
9 2 4扫描电子显微镜的特点178 
9 2 5样品制备179 
9 2 6影响电子显微镜影像品质的 
因素179 
93场发射扫描电子显微镜179 
9 3 1场发射扫描电子显微镜的结构179 
9 3 2场发射扫描电子显微镜的特点180 
9 4电子探针显微分析181 
9 4 1EPMA原理和结构181 
9 4 2X射线能谱仪181 
9 4 3X射线波谱仪183 
9 4 4定性分析184 
9 4 5定量分析184 
9 5其他电子成像技术结合EDS分析186 
9 6EMPA扫描电子显微镜分析方法和 
应用186 
9 6 1分析方法186 
9 6 2应用186 
参考文献187 
第10章透射电子显微镜188 
10 1电子波与电磁透镜188 
10 1 1光学显微镜的分辨率极限188 
10 1 2电子波的波长189 
10 1 3电磁透镜190 
10 1 4电磁透镜的像差和分辨率192 
10 1 5电磁透镜的景深和焦长194 
10 2透射电镜的结构195 
10 2 1照明系统196 
10 2 2成像系统198 
10 2 3观察记录系统199 
10 3透射电镜样品制备方法199 
10 3 1复型技术200 
10 3 2粉末样品制备技术203 
10 3 3电解减薄技术204 
10 3 4超薄切片法205 
10 3 5离子减薄技术206 
10 3 6聚焦离子束法206 
10 4电子衍射207 
10 4 1电子衍射原理208 
10 4 2电子衍射图的分析及标定213 
10 4 3复杂电子衍射花样217 
10 4 4高分辨电子显微镜221 
参考文献223 
第11章扫描探针显微镜225 
11 1扫描探针显微镜概述225 
11 1 1扫描探针显微镜的发展历程225 
11 1 2扫描探针显微镜的特点227 
11 2扫描探针显微镜的工作原理227 
11 2 1扫描隧道显微镜的工作原理227 
11 2 2原子力显微镜的工作原理229 
11 3工作方式230 
11 3 1扫描隧道显微镜的成像模式230 
11 3 2原子力显微镜的成像模式231 
11 4其他类型的扫描探针显微镜234 
11 4 1光子扫描隧道显微镜234 
11 4 2侧向力显微镜235 
11 4 3磁力显微镜235 
11 4 4静电力显微镜236 
11 4 5化学力显微镜236 
11 4 6扫描电化学显微镜236 
11 4 7力调制显微镜236 
11 5扫描探针显微镜在现代材料研究中 
的应用237 
11 5 1扫描探针显微镜在微纳技术和 
超精密加工中的应用237 
11 5 2扫描探针显微镜在高分子领域 
的应用240 
11 5 3扫描探针显微镜在微电子技术 
方面的应用243 
11 5 4应用前景244 
参考文献244