材料分析化學

前言

從材料科學研究的角度來看，材料最終的性能由原材料以及制備工藝決定，實質(zhì)上是由材料的成分、結構及其微觀形貌所決定，因而對于這些基本性能的表征和分析是材料科學研究中的重要內(nèi)容。傳統(tǒng)的材料科學是一門著重于現(xiàn)象學研究的學科，而隨著材料分析方法的巨大進步，特別是現(xiàn)代分析儀器的長足發(fā)展已使得材料科學逐漸走上真正的科學之路。目前，現(xiàn)代分析儀器從尺度上已經(jīng)達到納米甚至是原子級尺度的表征；同時，其較快的分析速度和高的分析精度，以及多功能化和較好的易用性，都使得現(xiàn)代分析儀器在材料科學研究中具有越來越重要的地位。在與材料相關的科學研究中，我們應該知道哪些信息對于充分了解材料性能是必需的，同時我們還應該知道如何更有效地來獲得這些信息。目前由于分析儀器種類繁多，各專業(yè)往往根據(jù)本專業(yè)特點選取不同的儀器設備進行學習，并且由于傳統(tǒng)的儀器分析課程在講解時往往以設備為主線，分門別類地講解不同設備的基本原理、結構及其使用，因此使得實際的教學與科學研究思路脫節(jié)，學生在完成現(xiàn)代儀器課程后在科研中仍然需要自己重新總結各種實驗方法。為適應材料科學研究交叉性的特點，本書以獲得的信息作為分類標準，分別介紹了材料成分、結構、形貌、價鍵、價態(tài)以及性能的研究方法。由于對于同一種信息的獲得往往可以利用不同的測試手段，把各種方法集中在一起進行介紹，便于分析比較各種分析方法的特點及局限性，再結合科研中的實例講解，這就使得學生能夠在科研中根據(jù)實際情況選取最佳的測試手段，同時本書也可以作為科研工作者在解決具體問題上時的參考書。本書共分為7章，按照材料表征過程中獲得的信息進行介紹。第1章簡單介紹了材料科學及材料分析方法的發(fā)展趨勢；第2章介紹了各類元素成分分析方法，主要包括體相元素分析方法（原子光譜法、ICPMS法、X射線熒光法）和微區(qū)元素分析方法（電鏡能譜法、電子探針法以及電鏡中的能量損失譜法）；第３章介紹了價鍵分析方法，主要包括紅外光譜法和拉曼光譜法；第４章介紹了結構分析方法，主要包括用于體相結構分析的X射線衍射技術，用于微區(qū)結構分析的透射電鏡的選區(qū)衍射分析、高分辨電鏡技術以及激光拉曼光譜法；第5章介紹了材料微觀形貌分析，主要包括掃描電子顯微鏡、透射電鏡、原子力顯微鏡以及掃描隧道顯微鏡技術；第6章介紹了價態(tài)及表面分析，主要包括用于價態(tài)研究的X射線光電子能譜法和用于表面成分分析的俄歇電子能譜法和二次離子質(zhì)譜法；第7章介紹了材料的物理性能表征主要側重于催化劑材料相關性能的研究及其評價方法，主要包括材料的光學性能、電學性能、光電性能和催化性能的評價，以及顆粒狀材料的粒度和比表面積等物理性能的評價。本書是在清華大學研究生“儀器分析”課程基礎上經(jīng)過多年的教學實踐形成的，同時大量實例來自本研究組近十年來的科研工作積累。本書得以順利出版要感謝華夏英才出版基金的鼎立資助和化學工業(yè)出版社的大力支持。由于編者的學識水平所限，書中難免出現(xiàn)不妥之處，望廣大專家和讀者批評指正。

內(nèi)容概要

　　《材料分析化學》突破傳統(tǒng)儀器分析圖書的結構，以材料表征時獲得的信息作為分類標準，分別介紹了材料成分、結構、形貌、價鍵、價態(tài)以及性能的分析方法?！恫牧戏治龌瘜W》的主要內(nèi)容包括元素成分分析（AAS，AES?ICP，XRF，EDX，ICP?MS，EELS分析等），化學價鍵分析（IR，LRS），結構分析（XRD，ED，LRS），形貌分析（SEM，TEM，AFM，STM），價態(tài)和表面分析（XPS，AES，SIMS）以及物理性能分析（光學、電學、光電、催化性能，物理結構性能）。突出各種現(xiàn)象的物理本質(zhì)和分析測試技術的實際應用，內(nèi)容循序漸進，簡明扼要。在編寫上力求深入淺出，通俗易懂。對每一類測試技術，都盡量列舉出具體的應用實例，并進行較詳細地說明，使讀者在基本掌握材料分析測試技術原理的基礎上，能利用這些方法解決本專業(yè)的實際問題?！　　恫牧戏治龌瘜W》適于材料相關領域的科研人員參考使用，也可作為材料相關專業(yè)的研究生教材。

書籍目錄

第1章 緒論11.1 材料科學的發(fā)展趨勢11.2 材料科學涉及的領域31.3 材料分析的重要性51.4 材料分析的內(nèi)容61.5 本書的主要內(nèi)容8第2章 材料的成分分析102.1 元素成分分析方法簡介102.1.1 材料性能與元素成分的關系102.1.2 元素成分分析技術種類102.2 原子吸收光譜122.2.1 簡介122.2.2 原子吸收光譜工作原理132.2.3 原子吸收儀器裝置142.2.4 樣品制備182.2.5 原子吸收分析方法202.2.6 典型分析實例232.3 原子發(fā)射光譜252.3.1 簡介252.3.2 原子發(fā)射光譜基本原理272.3.3 原子發(fā)射光譜的儀器裝置292.3.4 光譜定性分析322.3.5 光譜定量分析322.3.6 ICPMS分析332.3.7 應用分析實例362.4 X射線熒光光譜法402.4.1 簡介402.4.2 X射線熒光光譜儀工作原理412.4.3 儀器結構422.4.4 樣品制備452.4.5 分析方法462.4.6 全反射XRF及其環(huán)境分析472.4.7 應用舉例512.5 微區(qū)成分分析方法562.5.1 簡介562.5.2 電鏡能譜分析法572.5.3 電子探針分析方法612.5.4 電子能量損失譜分析方法662.5.5 應用舉例682.6 本章 小結72參考文獻73第3章 材料的價鍵分析743.1 簡介743.2 紅外光譜743.2.1 基礎知識743.2.2 紅外光譜的原理753.2.3 儀器裝置813.2.4 樣品的制備843.2.5 鏡面反射紅外光譜863.2.6 衰減全反射紅外光譜863.2.7 漫反射紅外光譜883.2.8 顯微紅外光譜903.2.9 紅外光譜的應用923.3 拉曼光譜1023.3.1 簡介1023.3.2 拉曼光譜的原理1033.3.3 儀器裝置1103.3.4 樣品制備1133.3.5 紫外拉曼光譜1133.3.6 共振拉曼光譜1173.3.7 顯微共聚焦拉曼光譜1183.3.8 表面增強拉曼光譜1193.3.9 拉曼光譜的應用1223.4 綜合應用實例1343.5 本章 小結137參考文獻138第4章 材料的結構分析1404.1 X射線衍射物相結構分析1404.1.1 X射線衍射分析歷史1404.1.2 X射線1414.1.3 X射線衍射的基本原理1484.1.4 X射線衍射法1514.1.5 多晶衍射儀的組成1534.1.6 樣品的制備1554.1.7 X射線衍射的物相分析1564.1.8 XRD的應用1664.2 電子衍射分析1764.2.1 簡介1764.2.2 電子衍射方法基礎1774.2.3 電子衍射花樣的獲得1794.2.4 電子衍射花樣的標定1814.2.5 高分辨電子顯微術用于材料結構的分析1834.2.6 電子衍射方法應用1854.3 激光拉曼物相結構分析1884.3.1 簡介1884.3.2 拉曼散射1884.3.3 拉曼散射的用途1884.3.4 拉曼光譜測定1894.3.5 拉曼光譜法于物相結構分析的應用實例189參考文獻194第5章 材料的形貌分析1955.1 概述1955.2 掃描電子顯微鏡1965.2.1 簡介1965.2.2 掃描電子顯微鏡的成像原理1965.2.3 掃描電子顯微鏡的儀器結構1985.2.4 掃描電子顯微鏡的圖像信息2005.2.5 限制和影響掃描電鏡分辨本領的主要因素2065.2.6 掃描電子顯微鏡樣品制備2085.2.7 優(yōu)質(zhì)掃描電子像的獲得2105.2.8 掃描電子顯微鏡的新進展2115.2.9 應用實例2145.3 透射電子顯微分析2215.3.1 簡介2215.3.2 透射電鏡的結構2235.3.3 透射電鏡的成像原理2275.3.4 透射電子顯微鏡的樣品制備2295.3.5 透射電鏡在材料分析上的應用實例2335.4 掃描探針顯微分析2495.4.1 掃描隧道顯微鏡2505.4.2 原子力顯微鏡265參考文獻275第6章 材料的價態(tài)分析和表面分析2776.1 簡介2776.2 X射線光電子能譜分析2786.2.1 概述2786.2.2 X射線光電子能譜基本原理2796.2.3 X射線光電子能譜儀的結構2906.2.4 X射線光電子能譜的分析方法2946.2.5 XPS指紋峰分析技術3026.2.6 俄歇參數(shù)信息3076.3 俄歇電子能譜分析3076.3.1 概述3076.3.2 俄歇電子能譜基本原理3086.3.3 俄歇電子能譜儀的結構3116.3.4 俄歇電子能譜分析方法3126.4 材料的二次離子質(zhì)譜分析3286.4.1 概述3286.4.2 原理3296.4.3 儀器3306.4.4 分析方法3346.4.5 應用舉例3346.5 綜合實例3376.5.1 實驗方法3376.5.2 實驗結果3386.6 實驗技術3446.6.1 樣品制備3446.6.2 樣品荷電的校準345參考文獻345第7章 材料的物理性能表征3477.1 材料光學性能3477.1.1 紫外可見光譜分析3477.1.2 吸光度測定3527.1.3 半導體能帶間隙檢測3537.1.4 熒光性能3557.2 材料電學性能3637.2.1 材料的導電性3647.2.2 半導體性3657.2.3 電容性能3667.3 材料光電性質(zhì)3737.3.1 表面光電壓譜3747.3.2 光電流研究3757.3.3 交流阻抗譜法3787.3.4 時間分辨光電導譜(TRPC)3827.4 催化性能檢測3847.4.1 氣相光催化評價裝置3847.4.2 液相光催化評價裝置3877.4.3 光催化反應器的設計3887.4.4 礦化度和中間產(chǎn)物檢測3897.5 物理結構性能3907.5.1 顆粒度分析3907.5.2 比表面積和孔結構401參考文獻410

章節(jié)摘錄

插圖：第2章 材料的成分分析2.1 元素成分分析方法簡介2.1.1 材料性能與元素成分的關系材料的性能與其元素成分有著極為密切的關系，通過改變材料的元素組成可以實現(xiàn)材料性能的調(diào)控。許多材料中微量元素的改變就有可能造成其性能的巨大變化：例如，半導體的電導率對于其純度的依賴極為敏感，百萬分之一的硼含量就能使純硅的電導率成萬倍地增加。再如金屬材料中，以碳素鋼為例，碳含量越低它的強度/硬度越低，而塑性韌性越好；隨碳含量的增加，鋼的組織也發(fā)生變化：平衡組織中珠光體的量增加，鋼的強度/硬度也增加，而塑性韌性會隨之降低。因此對于材料研究者來說，材料的元素成分分析具有十分重要的意義，是進行材料設計、加工和性能研究的基礎。2.1.2 元素成分分析技術種類材料的元素成分分析就是分析材料中各種元素的組成，即檢測材料中的元素種類及其相對含量的過程。元素成分分析可以分為多個技術種類，包括微量常規(guī)分析、痕量常規(guī)分析、固相分析、微區(qū)分析以及表面分析等。

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《材料分析化學》是由化學工業(yè)出版社出版的。

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