2025年大學(xué)《資源化學(xué)》專業(yè)題庫——新材料性能測試與分析考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述X射線衍射（XRD）技術(shù)的基本原理及其在材料結(jié)構(gòu)分析中的主要應(yīng)用。請至少列舉三種不同類型的材料結(jié)構(gòu)信息，可以用XRD技術(shù)來獲取。二、比較掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）在樣品制備、成像原理、分辨率、樣品尺寸要求以及主要應(yīng)用方面的區(qū)別。三、解釋什么是光電子能譜（XPS），簡述其工作原理。說明XPS主要能夠提供哪些方面的材料表面化學(xué)信息？請列舉至少三種。四、在進(jìn)行材料熱性能測試時(shí)，差示掃描量熱法（DSC）和熱重分析法（TGA）分別測量什么物理量？簡要說明這兩種方法的基本原理，并指出它們在材料研究中的不同用途。五、某學(xué)生測定了一塊金屬合金樣品的硬度，獲得了維氏硬度值（HV）。請解釋維氏硬度計(jì)的工作原理，并說明維氏硬度值與布氏硬度值、洛氏硬度值相比，其主要優(yōu)缺點(diǎn)是什么？六、請闡述原子力顯微鏡（AFM）的工作原理。與SEM相比，AFM在探測材料表面形貌、微結(jié)構(gòu)以及物理性質(zhì)（如力、導(dǎo)電性）方面有哪些獨(dú)特的優(yōu)勢？七、有一份材料測試報(bào)告提供了某陶瓷樣品的XRD圖譜（未給出圖譜，假設(shè)學(xué)生需根據(jù)描述分析）。報(bào)告指出該樣品包含主要相A和少量相B。請描述分析XRD圖譜以確定物相組成的基本步驟。如果圖譜中出現(xiàn)一些彌散的、非晶質(zhì)的峰，你將如何判斷？八、在進(jìn)行材料元素成分分析時(shí)，原子吸收光譜法（AAS）和X射線熒光光譜法（XRF）是兩種常用的方法。請比較這兩種方法的原理、主要特點(diǎn)（如靈敏度、分析范圍、樣品要求、是否破壞性等）以及它們各自適合分析哪些類型的元素（如主要元素、微量元素）。九、某研究者制備了一種新型半導(dǎo)體薄膜材料，并希望評(píng)價(jià)其光學(xué)性能。請列舉至少三種可以用于測量該薄膜材料光學(xué)性質(zhì)的方法，并簡要說明每種方法測量的是哪種光學(xué)參數(shù)。十、結(jié)合你所學(xué)的材料性能測試與分析知識(shí)，論述在評(píng)價(jià)一種新型儲(chǔ)能材料（例如鋰離子電池電極材料）的性能時(shí)，通常會(huì)進(jìn)行哪些關(guān)鍵性能的測試？請選擇其中一項(xiàng)性能進(jìn)行詳細(xì)說明，包括測試方法的選擇依據(jù)、測試原理以及如何通過測試結(jié)果評(píng)估該材料的優(yōu)劣。試卷答案一、X射線衍射（XRD）技術(shù)基于布拉格定律，利用X射線與晶體物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象來研究材料的晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)一束具有特定波長（λ）的X射線照射到晶體上，會(huì)與晶體點(diǎn)陣中的原子發(fā)生散射，散射波在滿足布拉格條件（nλ=2dsinθ）時(shí)會(huì)發(fā)生干涉加強(qiáng)，形成衍射圖樣。XRD技術(shù)可用于獲取材料的多種結(jié)構(gòu)信息：1.物相組成：通過分析衍射峰的位置（2θ值）和相對強(qiáng)度，與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對，可以鑒定樣品中存在的晶相種類。2.晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)：通過分析衍射峰的強(qiáng)度、寬度等，可以精確測定晶胞參數(shù)（如a,b,c,α,β,γ）、晶粒尺寸、微應(yīng)變、晶胞密度等。3.晶體缺陷信息：如位錯(cuò)密度、孿晶結(jié)構(gòu)等，會(huì)影響衍射峰形貌和強(qiáng)度。4.宏觀織構(gòu)/擇優(yōu)取向：樣品整體或局部晶粒的取向分布不均勻性，會(huì)在衍射圖上表現(xiàn)為峰的分裂、展寬或偏心。二、掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）的主要區(qū)別如下：*樣品制備：SEM對樣品制備要求相對較低，可直接觀察塊狀、導(dǎo)電或噴金后非導(dǎo)電樣品表面；TEM樣品制備復(fù)雜，通常需要將樣品減薄至納米級(jí)甚至原子級(jí)薄片，對樣品是破壞性的。*成像原理：SEM利用二次電子或背散射電子信號(hào)來成像，主要探測樣品表面形貌；TEM利用透射電子束穿過薄樣品時(shí)，電子與樣品相互作用產(chǎn)生的衍射襯度或明場/暗場信號(hào)來成像，可觀察樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（直至原子級(jí)）。*分辨率：TEM的分辨率遠(yuǎn)高于SEM（可達(dá)0.1nm甚至更高），SEM的分辨率通常在幾納米到幾十納米。*樣品尺寸要求：SEM對樣品尺寸要求不嚴(yán)格；TEM樣品尺寸通常需小于數(shù)微米，且非常薄。*主要應(yīng)用：SEM主要用于觀察樣品表面形貌、微結(jié)構(gòu)、顆粒大小與分布等；TEM主要用于觀察材料的晶體結(jié)構(gòu)、缺陷、精細(xì)微觀結(jié)構(gòu)、納米材料形貌及成分分析（結(jié)合EDS）。三、光電子能譜（XPS）的工作原理是：使用高能量的X射線（通常是鋁Kα或鎂Kα）照射樣品表面，使樣品表面的原子內(nèi)層電子被激發(fā)逸出，形成光電子流。通過分析這些逸出光電子的動(dòng)能（或能量）分布，可以確定被激發(fā)的電子屬于哪個(gè)元素以及哪個(gè)能級(jí)，從而獲得樣品表面的元素組成、化學(xué)態(tài)（價(jià)態(tài)）、電子結(jié)構(gòu)等信息。XPS主要能夠提供以下材料表面化學(xué)信息：1.元素組成：定量或半定量分析樣品表面包含哪些元素及其相對含量。2.化學(xué)態(tài)/價(jià)態(tài)：通過分析結(jié)合能（BE）相對于元素基準(zhǔn)結(jié)合能的位移，可以確定元素存在的化學(xué)環(huán)境或價(jià)態(tài)（如C-C,C-O,C=O,S=O等）。3.表面電子結(jié)構(gòu)：提供有關(guān)原子最外層電子狀態(tài)的信息，推斷化學(xué)鍵合性質(zhì)。4.表面物種相對豐度：區(qū)分元素的不同化學(xué)狀態(tài)或物種的含量。四、差示掃描量熱法（DSC）測量的是在程序控溫過程中，樣品與參比物之間吸熱或放熱的差值隨溫度變化的曲線（ΔHvsT或ΔHvsα）。它反映了材料在相變（如熔融、結(jié)晶、玻璃化轉(zhuǎn)變）、化學(xué)分解、氧化等過程中的熱效應(yīng)（吸熱或放熱）。熱重分析法（TGA）測量的是在程序控溫過程中，樣品的質(zhì)量隨溫度變化的曲線（mvsT或mvsα）。它反映了材料因溫度升高而發(fā)生的熱分解、脫附、氧化、脫水、燃燒等導(dǎo)致質(zhì)量損失的過程。DSC和TGA的主要用途不同：*DSC：主要用于研究材料的相變溫度（Tm,Tg等）、相變熱（ΔH）、玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)間、熱穩(wěn)定性、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等熱物理性質(zhì)。*TGA：主要用于評(píng)價(jià)材料的熱穩(wěn)定性、耐熱性、分解溫度、脫水溫度、不同組分的含量（如結(jié)晶度計(jì)算）、測量吸濕或脫附過程等質(zhì)量變化相關(guān)的性質(zhì)。五、維氏硬度計(jì)的工作原理是：將一個(gè)相對面夾角為136°的金剛石正四棱錐體壓頭，在規(guī)定的試驗(yàn)力（F）作用下，壓入樣品表面，保持一定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力。根據(jù)壓痕的永久壓痕表面積（d2）來計(jì)算維氏硬度值（HV），公式為HV=1.854*F/d2（當(dāng)壓痕對角線d以微米為單位時(shí)）。其中F的單位是牛頓（N）。維氏硬度值的主要優(yōu)點(diǎn)：1.適用范圍廣：可通過選擇不同大小的試驗(yàn)力，測量從極軟到極硬的各種材料。2.壓痕面積大：相比顯微硬度（努氏、布氏），維氏壓痕面積較大，對材料表面的壓痕應(yīng)力相對較小，結(jié)果較穩(wěn)定，受表面缺陷影響較小。3.可測定顯微硬度：通過使用很小的試驗(yàn)力，可以在金相顯微鏡下測量微小區(qū)域的硬度。4.能直接測量硬度值：不需要像布氏硬度那樣換算，直接得到HV值。主要缺點(diǎn)：1.操作相對復(fù)雜：需要精確測量壓痕對角線長度，比布氏硬度操作費(fèi)時(shí)。2.壓痕較深：對較軟的材料，壓痕較深，可能破壞樣品表面完整性。3.結(jié)果對壓痕尺寸敏感度較高：與布氏硬度相比，對壓痕尺寸的測量誤差更敏感。六、原子力顯微鏡（AFM）的工作原理基于掃描探針顯微鏡（SPM）技術(shù)。其核心是一個(gè)帶有尖銳探針（通常為碳化硅納米錐）的微懸臂梁。當(dāng)探針針尖在樣品表面掃描時(shí)，由于范德華力和靜電力等相互作用，懸臂梁會(huì)彎曲。通過檢測懸臂梁上產(chǎn)生的微小諧振頻率變化或靜態(tài)位移，可以實(shí)時(shí)追蹤探針針尖與樣品表面之間作用的力，同時(shí)配合壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)探針在X-Y平面掃描，從而獲得樣品表面的力-距離曲線或形貌圖像。根據(jù)力曲線可以分析接觸力、非接觸力、tractiveforcemicroscopy(TFM)等信息；根據(jù)位移變化可以繪制表面形貌圖。AFM與SEM相比的獨(dú)特優(yōu)勢：1.可探測非導(dǎo)電樣品：AFM通過檢測原子間相互作用力，不依賴電荷散射，因此可以直接觀察各種材料（包括金屬、半導(dǎo)體、絕緣體、聚合物、生物樣品等）的表面形貌，無需導(dǎo)電處理或噴金。2.高分辨率成像：AFM的分辨率可達(dá)原子級(jí)，遠(yuǎn)高于SEM，可以觀察到單個(gè)原子或分子級(jí)別的表面結(jié)構(gòu)。3.可探測多種物理性質(zhì)：除了表面形貌，AFM還可以通過力譜測量材料表面的力學(xué)性質(zhì)（硬度、彈性模量、粘附力）、電學(xué)性質(zhì)（隧道電流，STM模式）、磁學(xué)性質(zhì)等，實(shí)現(xiàn)原位、納米尺度的物理測量。4.可工作于多種模式：如接觸模式、tapping模式、非接觸模式等，適應(yīng)不同樣品和測量需求。七、分析XRD圖譜以確定物相組成的基本步驟：1.背景扣除：首先對原始圖譜進(jìn)行平滑處理，并扣除儀器和樣品的背景輻射。2.峰識(shí)別與索引：觀察圖譜，識(shí)別出所有的衍射峰。嘗試將峰的位置（2θ值）與標(biāo)準(zhǔn)粉末衍射數(shù)據(jù)庫（如JCPDS/ICDD）中的已知物相數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。找到匹配的物相后，確定其晶系、空間群。3.指標(biāo)化：將每個(gè)識(shí)別出的峰嘗試指標(biāo)化，即找到一組整數(shù)（hkl）使得它們對應(yīng)的晶面間距乘以相應(yīng)指數(shù)的倍數(shù)之和等于該峰的衍射角（通過布拉格方程計(jì)算）。指標(biāo)化有助于確認(rèn)峰的歸屬。4.物相確認(rèn)與定量：根據(jù)指標(biāo)化結(jié)果和峰強(qiáng)度，確認(rèn)存在的物相種類。如果圖譜中存在非晶質(zhì)峰（通常表現(xiàn)為寬化的彌散峰），需要使用專門的軟件（如Rietveldrefinement）或方法（如Debye-Scherrer方程估算）來擬合非晶質(zhì)組分，并與其他晶質(zhì)峰一起進(jìn)行全譜擬合，最終確定各物相的相對含量。如果圖譜中出現(xiàn)彌散的、非晶質(zhì)的峰，判斷方法包括：*峰形分析：非晶質(zhì)峰通常比晶質(zhì)峰寬得多。*峰位分析：非晶質(zhì)峰的峰位沒有明確的特征位置，或者分布在寬的2θ范圍內(nèi)。*與已知圖譜對比：查閱含有非晶質(zhì)相的標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行比對。*結(jié)構(gòu)因子計(jì)算：理論上，非晶態(tài)材料沒有長程有序，其結(jié)構(gòu)因子為零，衍射強(qiáng)度只與原子分布的短程有序有關(guān)，導(dǎo)致峰形寬化。八、原子吸收光譜法（AAS）和X射線熒光光譜法（XRF）的比較：*原理：AAS基于氣態(tài)基態(tài)原子對特定波長輻射的吸收進(jìn)行定量分析；XRF基于原子受激發(fā)后返回基態(tài)時(shí)發(fā)射的特征X射線熒光進(jìn)行定量分析。*主要特點(diǎn)：*靈敏度：AAS通常對特定元素（特別是堿金屬、堿土金屬、部分過渡金屬）具有很高的靈敏度（ppb甚至ppt級(jí)別）；XRF的靈敏度范圍較寬，對輕元素靈敏度較低，但對重金屬和常量元素靈敏度很高（ppm到%級(jí)別）。*分析范圍：AAS主要用于分析單個(gè)或少數(shù)幾個(gè)特定元素；XRF可以同時(shí)分析多種元素（從Li到U，約70種）。*樣品要求：AAS通常需要將樣品制備成溶液進(jìn)行測定，樣品需用火焰或石墨爐進(jìn)行原子化；XRF可以直接分析固體樣品（粉末壓片、塊狀樣品、薄膜等），無需復(fù)雜預(yù)處理，分析速度快。*是否破壞性：AAS是破壞性分析；XRF通常是破壞性分析（塊狀樣品），但粉末壓片或薄膜分析可重復(fù)使用。*儀器復(fù)雜度與成本：AAS儀器相對簡單；XRF儀器更復(fù)雜，成本更高。*適合分析的元素：*AAS：特別適合分析樣品中含量較低的痕量或超痕量元素（如Bi,Cd,As,Se,Ca,Mg等）。*XRF：適合分析常量、微量及部分痕量元素，特別適合多元素同時(shí)分析（如地質(zhì)、環(huán)境、材料、考古樣品中的元素組成）。九、可以用于測量新型半導(dǎo)體薄膜材料光學(xué)性能的方法有：1.紫外-可見吸收光譜法（UV-VisAbsorptionSpectroscopy）：測量材料對紫外和可見光范圍的電磁波吸收情況。主要可以獲取材料的吸收系數(shù)、帶隙能（Eg）（通過Taucplot法等計(jì)算）、透光率等信息。用于研究材料的本征吸收、缺陷吸收、雜質(zhì)吸收等。2.傅里葉變換紅外光譜法（FTIRSpectroscopy）：測量材料對紅外光范圍的吸收光譜。主要可以獲取材料的特征吸收峰，用于鑒定材料中的化學(xué)鍵合、官能團(tuán)、分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)模式。對于半導(dǎo)體薄膜中的化學(xué)成分、摻雜、表面態(tài)等有重要信息。3.光致發(fā)光光譜法（PhotoluminescenceSpectroscopy,PL）：測量材料在受到特定波長光激發(fā)后，退激發(fā)時(shí)發(fā)射的光譜。主要可以獲取材料的發(fā)光峰位（與能級(jí)相關(guān)）、發(fā)光強(qiáng)度、半峰寬（FWHM）、量子產(chǎn)率（PLQY）等信息。用于研究材料的激子特性、缺陷態(tài)、結(jié)晶質(zhì)量、載流子復(fù)合過程等。4.熒光光譜法（FluorescenceSpectroscopy）：與PL類似，但通常指材料自身分子結(jié)構(gòu)躍遷導(dǎo)致的發(fā)光。適用于含有有機(jī)半導(dǎo)體或具有特定熒光團(tuán)的材料。5.橢偏儀法（Ellipsometry）：測量光在材料表面反射時(shí)的偏振態(tài)變化?？梢跃_測量材料的厚度、折射率和消光系數(shù)（或復(fù)折射率）。特別適合測量薄膜樣品，且可實(shí)現(xiàn)非接觸、高精度測量。6.拉曼光譜法（RamanSpectroscopy）：測量材料在受到激光激發(fā)后散射光的頻率變化。提供與紅外光譜互補(bǔ)的結(jié)構(gòu)信息，可以獲取材料的特征拉曼位移、拉曼強(qiáng)度、拉曼光譜形狀等。用于研究材料的晶格振動(dòng)、分子結(jié)構(gòu)、應(yīng)力應(yīng)變、缺陷等。十、評(píng)價(jià)一種新型儲(chǔ)能材料（如鋰離子電池電極材料）性能時(shí)，通常進(jìn)行的關(guān)鍵性能測試包括：材料結(jié)構(gòu)（XRD）、形貌與尺寸（SEM/TEM）、比表面積與孔結(jié)構(gòu)（BET）、電化學(xué)性能（恒電流充放電、循環(huán)伏安CV、電化學(xué)阻抗譜EIS）、熱性能（DSC/TGA）、循環(huán)穩(wěn)定性、倍率性能、安全性等。選擇電化學(xué)性能測試進(jìn)行詳細(xì)說明：*測試方法選擇依據(jù)：電化學(xué)性能是儲(chǔ)能材料最核心的性能指標(biāo)，直接決定了其作為電極材料在電池中的儲(chǔ)能和釋能效率、循環(huán)壽命和安全性。因此，對其進(jìn)行全面測試是評(píng)價(jià)材料是否適用于儲(chǔ)能應(yīng)用的關(guān)鍵。*測試原理：*恒電流充放電（GalvanostaticCharge-Discharge,GCD）：通過控制電極與電解液之間的電流密度，進(jìn)行充放電循環(huán)。通過測量充放電過程中的電壓隨容量（或時(shí)間）的變化曲線，可以計(jì)算材料的比容量（單位質(zhì)量或單位體積的容量）、充放電效率、電壓平臺(tái)（與相變相關(guān)）、倍率性能（不同電流密度下的容量表現(xiàn)）和循環(huán)穩(wěn)定性（多次循環(huán)后容量的衰減情況）。*循環(huán)伏安法（CyclicVoltammetry,CV）：在一定的電位范圍內(nèi)，對電極進(jìn)行周期性的電位掃描（先正向，再反向）。通過分析CV曲線上的氧化峰和還原峰的電位差（ΔE）、峰面積（與充放電容