作者：陈新
出版社：华东理工大学出版社有限公司
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新能源材料科学基础实验试读：
前 言
近年来材料科学迅猛发展,新能源科技不断进步,太阳能、氢能、核能、储能材料与器件等领域不断涌现出新成果,为解决人们所面对的能源和环境问题发挥着越来越大的作用。新材料的设计、制备、表征及其性能的提高是实现这些突破的关键因素。为了培养适应新时代形势的人才,不仅需要学生有广泛深入的材料科学基础以及材料物理化学等理论知识,还必须努力培养学生的实验动手能力和深入思考的能力。除了基础知识,还要向学生介绍领域的最新成果和发展动向。
感谢中央高校教育教学改革专项及华东理工大学2017年本科教育教学建设项目的资助,感谢学校各级领导以及华东理工大学出版社的大力支持,在各位老师的共同努力下,本书得以初步完成。我们在编写过程中不仅配合基础理论教学由浅入深地撰写了基本实验的内容,而且特意编入了两个综合系列的实验,主要内容涉及晶体学基础,元素与同位素分析,固体材料的性质、缺陷及性能,材料相变、相图,扩散,固相反应及应用,先进薄膜材料制备与表征等实验内容。通过这样的实验设计,帮助学生掌握牢固的基础知识,并能够融会贯通,了解其在新能源和材料科学中的综合应用情况,能够尽快地适应实际科研和工作的需要。除了经典的相关知识以外,我们还根据领域的新发展和新动向介绍了新的知识和引入了新的实验,并且在每章实验后面提出了思考问题,希望能够帮助学生了解领域的最新情况,并且勇于思考和创新,从而更好地在新时代发挥作用。
限于编者的水平,书中难免有不妥之处,敬请广大读者批评指正。在相关教学、实验室建设、科研中若有需求,也欢迎来函洽谈咨询。陈新华东理工大学材料科学与工程学院2018年7月
第一篇基本实验
实验1 晶体模型构建分析和结晶过程观察实验
1.1 实验背景
晶体学在材料研究中占据着十分重要的地位。作为新能源材料科学工作者,有必要了解和熟悉晶体的特征和描述方法。
晶体是内部质点在三维空间按一定周期重复排列而组成的材料,通常为固体材料。晶体按其内部结构根据其对应的布拉菲点阵特征可分为7种晶系和14种点阵类型。点阵的一个结点可根据材料的不同对应一个或多个原子,形成多种多样的实际晶体结构。
1.2 实验目的
1.基本掌握几种典型晶体的空间结构,建立并巩固晶体结构的立体概念。
2.掌握晶体内部质点排列的基本方式,学会确定晶体结构中的主要晶面和晶向。
3.了解蒸发结晶的基本原理和光学金相显微镜的使用原理。学会金相显微镜在观察透明和非透明样品时的使用方法。巩固晶体学知识,对晶体形成生长现象有初步了解。
1.3 实验原理
晶体中原子的集合(或分布)称为晶体结构。晶体通常是指质点(原子、离子、原子团或分子)在三维空间周期性排列而构成的固体,质点之间通过物理键、化学键等方式结合在一起。晶体内部结构中的质点(原子、离子、原子团、分子)在三维空间有规则地周期性重复排列,形成一定形式的晶格结构,外形上可表现为一定形状的几何多面体。由周期性排列的质点形成的平面称为晶面,连接晶体中质点列的直线方向称为晶向。晶体内部原子有规则的排列,引起了晶体各种各样的物理、化学性质。
通过金属键、范德瓦尔斯键等形成的晶体,通常由于其结合键没有饱和性和方向性的限制,质点倾向于尽可能互相靠近,形成最紧密堆积以降低体系势能,使晶体处于最稳定状态。通过共价键、氢键等形成的晶体,受到结合键饱和性和方向性的限制,其堆垛密度通常较低。各种晶体的堆积结构,可以通过等径圆球的组装堆积来展示(图1.1),在这些层层堆积的球体之间,可以看到还存在许多空隙,其中一种空隙是由4个相互靠近的圆球围成的,将这4个球的中心连接起来可以构成一个四面体,因而称为四面体间隙;另一种空隙是由相互靠近的6个圆球围成的,将这6个球的中心连接起来可以构成一个八面体,故称为八面体间隙。
溶液中的溶剂蒸发,会使溶液由不饱和变为饱和,继续蒸发,过剩的溶质就会呈晶体析出,这一过程叫作蒸发结晶。在结晶时,通常生长较快方向的晶面(晶体表面)在最后形成的晶体结构中缩小和消失,而生长较慢的晶面将在晶体形成时得到扩大和保留。光学显微镜利用光学成像原理,将人眼所不能分辨的微小物体放大,以供人们获取材料微观结构信息,在显微镜的样品台上滴加一滴盐类溶液,随着水分的蒸发,盐不断地从溶液中析晶,可通过显微镜观察蒸发结晶过程。图1.1 本实验搭建的各种晶体结构模型
1.4 实验试剂和仪器
可拆卸晶体结构模型、光学金相显微镜(图1.2)、磷酸二氢钾(KH PO)饱和水溶液、玻璃片。24图1.2 光学金相显微镜实验装置
1.5 实验步骤
1.构建3种立方晶体结构
(1)用大塑胶球作为原子,通过连接堆垛,分别构建简单立方、体心立方和面心立方的晶胞模型。
(2)用小塑胶球作为原子,通过金属杆连接,分别构建简单立方、体心立方和面心立方的晶胞模型。
2.构建较为复杂的晶体结构
(1)选用实验材料,构建密排六方的晶胞模型
①取7个等径球体,放在一个平面上,使彼此尽量互相靠拢,作最紧密堆积排列,设这一层为A层,这时每个球周围有6个球围绕,并在球与球之间形成许多三角孔(图1.3)。
②继续堆积第二层(B层)时,可以发现经过密集堆积,只有一半的三角孔上方堆积了B层的球体,球体彼此挨近,无法挤入更密集的球体到B层。根据A层中这一半三角孔的选择,可以有两种B层小球的放法。此时这两种放法的效果相同,都属于最紧密堆积。
③第三层球的放法与第一层球的中心相对应,即重复第一层球的排列方式,按照ABAB的层序堆积,从中观察六方晶体结构(密排六方结构)。
(2)选用实验材料,改变堆垛方式,进行比较
①取7个等径球体,放在一个平面上,使彼此尽量互相靠拢,作最紧密堆积排列,设这一层为A层,这时每个球周围有6个球围绕,并在球与球之间形成许多三角孔。
②继续堆积第二层(B层),作最紧密堆积。
③将球体放在与第一层球中另外3个球相应孔位的上方,使第三层球的放法既不同于第一层,也不同于第二层,而是处于交错位置,设其为C层。
④使第四层球的排列方式与第一层球相重复,形成ABCABC…的堆积方式(图1.4),从中观察与面心立方点阵对应的球体排列方式。
(3)选用实验材料,构建石墨晶体模型
①根据需要取用小球,用短竿连接成由六边形组成的平面蜂窝状结构。
②在每个小球上方竖直插入长杆,再在长杆顶端连接小球和短杆,组成第二层平面蜂窝状结构。
③在每个小球上方竖直插入长杆,再在长杆顶端连接小球和短杆,组成第三层平面蜂窝状结构。观察所完成的石墨晶体模型。
3.KH PO水溶液蒸发结晶过程的光学显微镜观察24
(1)配制KH PO饱和水溶液。24
(2)将溶液滴到洁净的载玻片上。
(3)将载玻片放到光学显微镜载物台固定。
(4)打开显微镜的电源开关,调整样品位置、放大倍数及焦距等。
(5)观察结晶过程,每隔一定的时间拍摄一张照片。
1.6 注意事项
1.光学显微镜有两种模式,测定透明样品时可以使用透射和反射模式,不透明样品只能使用反射模式。
2.调试放大倍数时,需注意要从小到大。
3.调整焦距,应注意不要将镜头与载玻片接触,以免污染和埙坏镜头。
1.7 数据处理
整理所拍得的光学显微镜照片,按拍照时间进行分析处理。
1.8 实验报告
1.实验所用的仪器以及基本原理
2.实验步骤
3.实验结果
(1)做晶体结构图,画出典型晶体的晶面和晶向。
(2)做密排面堆垛出的面心立方和密排六方结构图。
(3)光学显微镜观察到的KH PO晶体照片。24
4.讨论(见问题与思考)
1.9 问题与思考
1.晶面和晶向分析。
2.KH PO蒸发结晶过程分析。24
3.结晶形成晶体的形状与其晶面、晶向有什么关系,其形成的可能原因是什么?实验2 海水蒸发法分离重水(D O)实验22.1 实验背景
随着社会的进步,人类对能源的需求越来越大,传统的化石能源资源有限,并且使用化石能源资源会带来巨大的环境问题。一升海水中的氘元素蕴含的能量相当于300 L汽油燃烧释放的能量。一个百万千瓦的核聚变电厂,每年只需要600 kg原料,而一个同样规模的火电厂,每年将需要210万吨燃料煤。因此,可控核聚变是解决能源危机的最终手段之一。2.2 实验目的
1.巩固对材料原子结构的基本认识。
2.了解核聚变反应的基本原理。
3.学会从海水中分离不同浓度的重水的方法,掌握蒸馏实验的操作技能。
4.掌握液态水同位素分析仪的使用方法。2.3 实验原理
众所周知,核能主要有裂变能和聚变能两种,裂变能是重元素(如铀、钚、钍等)的原子核在分裂成质量较轻的原子核过程中所释放的能量。人类已经掌握了可以控制这个分裂过程的技术,其优点是少量原料就可产生巨大的电能,同时环境污染少且不存在对石化燃料的依赖。缺点为总是存在发生核事故的风险、所产生的核废料有放射性、处置不当会对环境造成污染,同时铀、钚等资源有限。3
核聚变是指由质量小的原子核,主要是指氘(D)、氚(T)和氦-3( He)等,在一定条件下(如超高温和高压)发生原子核相互聚合作用,生成新的质量更重的原子核,并伴随着巨大能量释放的一种核反应形式。常见的聚变反应有如下4个。
相比核裂变,核聚变有两大优点:(1)不会产生长寿命和高放射性的核废料,也不造成温室气体,因此基本不污染环境;(2)地球上蕴藏的核聚变能远比核裂变能丰富得多。据估算,每升海水中含有0.03 g氘,所以地球上仅在海水中就有45万亿吨氘。1 L海水中所含的氘,经过核聚变可提供相当于300 L汽油燃烧后释放出的能量。按目前世界能量的消耗率估计,地球上蕴藏的核聚变能可用100亿年以上。因此从原理上讲,核聚变能可以成为人类取之不尽、用之不竭的能源。
蒸发法制备各种不同浓度的重水的原理如下。2
重水(又称氘化水,化学式D O或者 H O)是水的一种,它的分子22质量比一般水要重。普通的水(H O)是由两个只有质子的H原子和一216个 O原子所组成的,但重水分子中的两个氢同位素,比一般H原子又各多一个中子,因此造成重水分子的质量比一般水要重。重水在外观3上和普通水相似,只是密度略大,为1.1079 g/cm,冰点略高,为3.82℃,沸点为101.42℃。重水参与化学反应的速率比普通水缓慢,重水的一个分子由两个氘原子和一个氧原子组成,其分子式为D O,相对分子质量2是20。
D O沸点比H O要高1.42℃左右,通过反复精馏可以得到高度富22集的重水(图2.1)。2.4 实验装置及测试方法
实验装置图及同位素分析仪见图2.2及图2.3。图2.2 水蒸馏图图2.3 液态水同位素分析仪[908-0008/912-0008(LWIA-30d)]2.5 实验步骤
1.在蒸馏瓶中注入100 m L海水,连接蒸馏器具和电源。
2.打开电源,控制温度在99~100℃,开始蒸馏。
3.打开液态水同位素分析仪(Liquid Water Isotope Analyzer)电源,预热设备,取标准样标定。
4.母液剩余10 mL,停止蒸馏。
5.分别测试海水和蒸馏剩余母液的氘含量。
6.在蒸馏瓶中重新装入100 m L海水,开始蒸馏。
7.母液剩余5 m L时,停止蒸馏。
8.测试母液中氘含量。
9.实验结束。2.6 注意事项
1.要得到浓度高的重水,可多次蒸发。
2.可用自来水做样品,重复上述实验过程。2.7 数据处理
采用液态水同位表分析仪测试样品中的氘含量,并对比不同样品的结果。2.8 实验报告
1.实验所用的仪器以及基本原理
2.实验步骤
3.实验结果
4.讨论2.9 复习思考
分析不同蒸馏次数与重水浓度的关系,如何提高分离能效比?实验3 粉体样品相对密度的测定——比重瓶法3.1 实验背景
密度是材料最基本的物理性质之一,其定义为在一定温度下单位体积材料的质量,固体物质的密度指在规定温度下单位体积物质的质33量,单位为kg/m或g/cm。该体积是指组成材料物质所占有的真实体积,不包括材料内部空隙和颗粒间的间隙。常规尺寸可测量、质地紧密无空隙的块状固体材料,如金属材料,可以通过测量体积和质量获得该物质的密度,但是要求被测材料内不允许有任何空隙,否则就必须将块状材料粉碎,使其内部空隙全部暴露在表面后,使用排水法测量密度。比重瓶法测密度是排水法测密度的一种。3.2 实验目的
掌握比重瓶法测定试样的相对密度。3.3 实验原理
密度为单位体积物质的质量。把已知质量的试样放入比重瓶中,加入测定介质,并确保介质能完全润湿试样,试样表面不能有气泡。在一定温度下,试样的体积可以由比重瓶体积减去分散介质体积求得。
本方法是测定固体相对密度的通用方法。对于颗粒内部存在闭口空隙的样品必须研磨,使闭口孔隙全部开放,否则不适用。对多孔(开口孔隙)样品一定要使介质完全渗入孔隙,使孔隙内气体全部置换排出,否则实验结果会明显偏低。3.4 实验试剂和仪器
分析天平(0.1 mg)、恒温水浴锅、温度计(最小刻度0.5℃)、比重瓶(50 m L)、蒸馏水及石英砂。3.5 实验步骤
1.准确称量2~5 g(精确到0.1 mg)已干燥的样品加到已知质量的干燥比重瓶中,然后注入部分蒸馏水,轻微振荡使样品充分润湿,并赶尽试样所吸附的气泡。
2.继续用蒸馏水充满比重瓶,盖严瓶盖,瓶塞毛细管应充满测定介质,不得有气泡。
3.将比重瓶放入恒温水浴中在23℃下恒温30 min以上,取出,擦干比重瓶外表面水分,用天平称重,准确到0.1 mg。
4.将同一比重瓶清洗,干燥后用纯测定介质充满,按步骤3的方法校正空比重瓶的体积。3.6 注意事项
比重瓶的瓶塞与瓶口密合,二者是经研磨相配的,不可“张冠李戴”,瓶塞上有毛细管,盖紧瓶盖后多余的液体会顺着毛细管流出,使用比重瓶应尽可能保持其容积的固定,同时保持比重瓶外的清洁干燥,毛细管中的液面与瓶塞上表面平行。3.7 数据处理3
1.比重瓶体积V(cm)按公式(3-1)计算。
式中 m ——经过恒温后充满测定介质的比重瓶的质量;1
m——空比重瓶的质量;
ρ——比重测定温度下介质密度。2.装有样品和介质的比重瓶中0介质的体积V 按公式(3-2)计算。1
式中 m ——恒温后,样品、介质、比重瓶的质量之和;2
m ——空比重瓶的质量;3
ρ——比重测定温度下介质密度。3.求样品的相对密度ρ。4.多0组数据求平均值,注明误差范围和测试温度。3.8 实验报告
1.实验所用的仪器以及基本原理
2.实验步骤
3.实验结果
(1)计算过程
(2)测试结果
4.讨论:在测试过程中遇到的问题以及解决方案。3.9 思考题
用比重瓶法测试粉末样品密度时,在介质的选择上应该注意些什么?实验4 用蚀坑法和透射电镜法观察晶体中的缺陷4.1 实验背景
实际晶体材料内部通常存在一定量的原子不严格按照其晶体周期性规律排列的情况,也就是存在晶体缺陷。位错是晶体中的一维缺陷,是晶体缺陷的一类基本形式,对材料的机械强度有巨大的影响。表征认识材料中的位错缺陷,不仅能够帮助人们认识材料的微观结构,还有助于人们发展新工艺、制备先进材料、改善材料的性能。在新能源应用中,位错表征不仅可以帮助人们改善材料的机械性能,还能够帮助人们改进新能源器件工作物质的物理化学性质,使其更好地发挥能量转换与储存的作用。4.2 实验目的
了解位错表征的基本原理及基本方法,掌握蚀坑法和透射电镜法等基本的位错实验观测方法,建立并巩固位错结构的立体概念;巩固和学习光学显微镜和透射电子显微镜的工作原理和基本操作方法,学习对显微镜图片进行分析,获得材料中微观结构知识的研究方法。巩固位错理论知识,对晶体中实际存在的位错形式有初步了解。4.3 实验原理
位错在材料表面的漏头处由于存在应变和杂质原子的偏聚,使得局部稳定性低于周围表面区域,导致优先腐蚀,在腐蚀过程中形成蚀坑。通过光学显微镜观察这些蚀坑可以了解材料中位错种类和分布情况。
光学显微镜实验简单易操作,但由于受到可见光波长的限制,得到的图像分辨率相对有限(接近微米级),并且通过蚀坑推断位错的位置和走向利用的是较为间接的位错实验证据。对样品进行适当切割减薄处理后,可以放入透射电子显微镜(透射电镜)中进行照相,可以更直接地对样品中的位错进行观察,并且图像分辨率可以大大提高(纳米以至于原子级分辨率)。
实际薄膜材料中的位错按照空间走向被归类为失配位错(Misfit Dislocation,MD)和穿透位错(Threading Dislocation,TD)两种。失配位错取平行于薄膜界面的走向,穿透位错取穿过薄膜的走向。在光学显微镜中观察腐蚀过的样品上表面,因失配位错留下的蚀坑显示线状条纹,而因穿透位错留下的蚀坑显示为斑点状图样。在电镜图像中,依照样品制备和位错走向,
各个位错显示出不同的图样,如图4.1所示。图4.1 显微镜观察所得位错图样示意图(a)材料中位错空间走向;(b)光学显微镜观察样品上表面位错蚀坑;(c)透射电镜观察横截面样品中的位错示意图4.4 实验试剂和仪器
低压化学气相沉积(Low Pressure Chemical Vapor Deposition,LP-CVD)制备的SiGe/Si外延薄膜样品(包括初始晶片和对晶片进行切割减薄处理后得到的透射电镜样品)、三氧化铬(Cr O)、氢氟酸(HF)、去3离子水、光学金相显微镜、透射电镜(图4.2)。图4.2 日本电子JEM-2100透射电子显微镜实验装置4.5 实验步骤
1.蚀坑法观察晶体中的缺陷(1)
(1)称量药品,配置Shimmel腐蚀液,其溶剂为去离子水,溶液中CrO浓度为0.3 mol/L,HF质量浓度为50%。溶液厚度应大于1 cm。3
(2)切取适当大小的晶片,放入腐蚀液中腐蚀15 s,取出样品用去离子水洗净,晾干。
(3)将样品放在光学显微镜下进行观察。
2.透射电镜法观察晶体中的缺陷
(1)将透射电镜样品安装在透射电镜样品台上。
(2)按照操作规范将样品台插入透射电镜,并抽真空。
(3)打开电子束,调节成像参数。
(4)在样品上寻找特征区域,对样品进行照相。
(5)关电子束,样品台复位,按操作规程取出样品台,并从样品台上取下样品。4.6 注意事项
三氧化铬和氢氟酸为有毒有害物质,师生需查阅通读相应材料安全数据单(Material Safety Data Sheet,MSDS),做好安全防范措施,严格按操作规程进行实验,实验产生的废液和废弃物要严格按照实验室安全环保规范进行处理。
透射电镜为贵重真空仪器,必须经过培训许可的人员才可以操作,使用时要严格按照操作规范进行,如使用中发现仪器异常,须请仪器维护人员进行处理。4.7 数据处理
1.整理实验数据照片。
2.在照片中辨认并标注MD和TD。
3.在光学显微镜照片中测量MD长度、计数TD数目,分别计算位错密度。
4.在透射电镜照片中观察分析位错线走向,寻找薄膜界面。4.8 实验报告
1.实验背景及目的
2.实验所用的仪器以及实验基本原理
3.实验步骤
4.实验结果分析
5.讨论
(1)薄膜材料中MD和TD的产生原因和转化关系。
(2)位错对薄膜生长和薄膜质量有什么影响?4.9 思考题
1.薄膜材料中MD都是刃型位错吗?
2.透射电镜照片中可以观察到位错线的图样起始或终止于薄膜中央区域,因此位错线可以起始或终止于薄膜内部吗?实验5 材料弯曲强度的测定5.1 实验背景
强度是无机非金属结构材料重要的力学性能指标之一。结构材料在使用中往往会受到较大荷载的作用;功能材料虽然对强度要求不是很高,但应满足在使用和操作中的受力要求,也须达到一定的强度。与不同的应用条件相对应,材料的强度用相应的不同强度指标来描述。根据测量时加载方式不同,所测得的强度种类也各有不同,有抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。作为材料抵抗破坏的一种指标,强度是指材料所能承受的最大应力,也就是当对材料施加足够大的荷载使其永久变形或断裂时的应力σ。玻璃材料弯曲强度的测定,被广泛应用于玻璃陶瓷等材料的强度测定中。5.2 实验目的
巩固加深材料应力分析和材料强度方面的认识,掌握玻璃陶瓷等材料弯曲强度测定的原理和方法。5.3 实验原理
弯曲强度测试有三点弯曲测试法和四点弯曲测试法两种(图5.1、图5.2)。由于材料中往往存在裂纹、气孔等缺陷以及它们分布的随机性,因此实际测量出的材料的强度数值也往往呈统计分布。另外,材料强度的测量值还存在尺寸相关性,即不同体积试样的强度测量值往往存在差异,小体积试样的强度值往往高于大体积试样的强度值。
当一个矩形截面的梁承受弯曲荷载,其截面上就出现应力(图5.1、图5.2)。该应力可以分解为垂直于截面的正应力和平行于截面的剪应力。先以三点测试为例,如图5.1所示,如果梁上的荷载都处于同一个平面内且垂直于梁的中轴,则施加于材料上各个点的力合起来成为一对力偶,其力矩即所谓的弯矩M。不断增加外力,直到材料发生破坏,此时的弯矩称为M ,此时梁内部的应力称为最大应力σ,具有如下表达maxmax式。
式中,W为断面模数(又称抗弯截面系数),是一个与材料形状有关的系数。
图5.1中P为试样断裂荷载,L 表示试样长度,L表示力臂总长度,一0对力偶中的每个力偶分摊P/2,所以这时的弯矩是(P/2)×(L/2),得到三点弯曲的最大弯矩,见式(5-2)。此时,作用点处于梁长度的中点。
再看四点弯曲的情形(图5.2),作用于梁的向下的力发生在两个点,它们相距l,大小均为P/2,每对力偶产生的弯矩为(P/2)×(L/2-l/2),由此得到最大弯矩为
实心矩形截面材料的截面系数为
式中,h为高度;b为矩形截面试样的宽度。
所以,实心矩形截面材料的弯曲强度可表示如下。
1.三点弯曲为
2.四点弯曲为
实心圆形截面材料的截面系数为
式中,d代表圆形截面的直径。
所以,实心圆形截面材料的弯曲强度可表示如下。
1.三点弯曲为
2.四点弯曲为
当使用实心矩形截面梁材料进行测试时,应根据三点弯曲或四点弯曲的实验条件,分别使用式(5-5)、式(5-6)进行计算;当使用实心圆形玻璃棒材料进行测试时,应使用式(5-8)、式(5-9)计算弯曲强度。
虽然三点弯曲在设备及操作上显得更为简便,然而根据图中所示的三点弯曲和四点弯曲的弯矩与应力分布对照来看,四点弯曲法具有一定的恒弯矩范围,而且在这一范围内不存在截面上的剪应力,因此四点弯曲法可以去除材料中剪应力对测量结果的干扰,能较全面地反映纯弯曲应力状态下的材料强度。5.4 仪器设备
玻璃棒30根,万能试验机(图5.3),游标卡尺。图5.3 测试玻璃强度用万能试验机5.5 实验步骤
1.试样长度需比支承边距长12.7 mm,可以是直径任意(不小于4.8 mm)、长与直径之比大于10的圆棒,也可以是宽与厚比为2~10、最小宽度不小于9.5 mm的矩形条。
2.用游标卡尺测量试样厚度、宽度、直径,精确至0.02 mm。为了避免测量时对试样造成损伤,可以在试样上等于支承跨距长的两端处进行测量,并取其平均值。如在试验后测量,则测量点应在均匀加压的部位上。
3.把试样小心地放在试样夹具中,并保证安放位置正直。试样夹具支承边的间隔为200 mm,与负载边的中心位置相隔100 mm。
4.试样上初始负载产生的最大应力应不大于断裂强度的25%。
5.为了防止碎片飞溅,应该用塑料或其他胶布覆盖在试样的加压面上。
6.开动试验机,以一恒定速度对试样加载,直至试样断裂。
7.观察断裂点的位置,注意在边部还是在原压力点的表面上。5.6 注意事项
1.放置试样时应使试样两端露出部分的长度相等并与支座垂直。
2.如果测试结果的标准偏差超过平均值的10%,则数据无效。
3.防止碎片飞溅的措施必须认真执行,防止碎片伤人。5.7 结果处理
根据公式计算每根试样的强度值,并计算这批试样的弯曲强度的平均值和标准偏差。需要注意,如果标准偏差在平均值的10%以内,则这批数据有效;如果标准偏差超过平均值的10%,则数据无效。5.8 实验报告
1.实验所用的仪器及基本原理
2.实验步骤
3.实验结果
4.讨论(见问题与思考)5.9 问题与思考
1.要确定玻璃的抗弯强度,必须测定30根以上的试样,为什么?
2.试分析影响玻璃强度测定结果的主要因素。实验6 淬冷法确定结晶温度6.1 实验背景
凝聚系统相图研究中,相平衡研究方法的实质就是利用系统发生相变时的物理性能、化学性能或能量的变化,通过各种实验的方法,准确地测出相变时的温度。例如对应于液相线和固相线的温度,以及多晶转变、化合物的分解和形成的温度等。6.2 实验目的
通过本实验了解高温下材料结构及结构变化的研究方法,了解并掌握相图的绘制及意义。6.3 实验原理
测定耐高温氧化物系统的相变温度通常有两种方法。一种是利用熔体冷却析出固相时伴随相变潜热释放的冷却曲线法,但这种方法有“滞后”现象,在一些情况下(尤其是硅酸盐系统),往往由于“过冷”或熔体黏度太高达不到满意的结果。另一种方法就是本实验使用的淬冷法:将少量样品加热到预定的温度,保温达到相平衡状态,然后将试样淬冷以“冻结”这个平衡状态,从而研究该平衡状态的物相组成。在许多不同的温度、压力和组成条件下来重复进行这些步骤,就可以确定完整的相图。淬冷法确定相变温度的准确度相当高,同时也产生很大的工作量。
淬冷法所用的试样是用同一种原始样品制成一系列的试样,通过对它们分别进行加热分析取得系统性的数据,所以试样的均匀性对结果的准确性影响很大。因此,实验前必须将原始的物料按照规定至少进行三次熔融与磨细。同时,实验时试样的用量以少为宜,用量越少,越容易实现理想淬冷,但是必须保证试样的用量足够用以物相分析,一般所取试样重量为0.1~0.2 g,最少可以减至0.01~0.02 g。
硅酸盐系统中要达到平衡,通常不宜采取刚刚加热至所需的温度就立即保温的方式,因为按照这种方式加热到所需研究的温度时,达到组分熔化或固相反应的平衡状态需要很长的时间,甚至是难以达到的。所以大部分情况下都采用先加热到较高的温度,然后冷却到所需温度的方式。
淬冷后的产物,即应取出进行显微镜和X-射线表征。在许多情况下,用显微镜观察物相的光性对了解晶相或玻璃相有很大帮助。例如在某一温度(t )下,淬冷样品中全为各相同性的玻璃相,则可以断定,系1统在该温度下为熔融的液相,如果在另一较低的温度(t )时得到了玻璃2相和一定数量的晶相,则表明液相线位于t 和t 之间;若在一更低温度12(t )得到全部晶相(含两种晶相),则表明该温度已低于二元低共熔点温3度。
根据多次实验的结果,即可作出二元或多元系统的相图。6.4 实验试剂和仪器
仪器装置图如图6.1所示。图6.1 淬冷实验装置示意图1—吊丝;2—测温热电偶;3—电子电位差计;4—高温电炉;5—温度控制器;6—样品坩埚;7—水浴
试剂:Na WO(AR),WO(AR)。2436.5 实验步骤
1.取Na WO-WO为研究对象,按40%WO、60%Na WO(摩尔243324质量分数)的组成进行配料,混合均匀后重复三遍熔化、冷却、细磨的过程,以得到充分均匀的样品(此样品制备过程学生不必做)。
2.将炉温升高至该组成的液相线温度(800℃),将盛有约0.2
g样品的坩埚用吊丝吊入炉中,盖好炉门,在该温度下保温半小时,打开炉门,使样品坩埚掉入水浴中淬冷。
3.取下淬冷后的样品,做成油浸试片,在偏光显微镜下观察试样的物相。
4.将炉温降至组成点液相线以下、低共熔点以上的温度(660℃),重复步骤2、步骤3。
5.将炉温降至低共熔点以下(600℃),重复步骤2、步骤3。6.6 注意事项
1.样品用量不宜过多,适量即可。
2.制作油浸试片时浸油用量不宜过多,以免影响观察。
3.偏光镜下观察时应将所观察的样品颗粒置于视域中心,旋转测台,放大倍数按照先小后大逐次观察。6.7 数据处理
根据偏光镜下的观察结果,结合Na WO-WO系统相图分析样品243在相应温度下的结构,并绘制相应相图。6.8 实验报告
1.实验目的、基本原理及所用仪器
2.实验步骤
3.实验结果(对照偏光显微镜下的观察结果,列出相应温度下材料的结构,绘制相图)
4.讨论
(1)回答思考题。
(2)讨论材料在不同温度下的结构研究方法。6.9 思考题
在炉温达到设定温度后,为何要保温处理后才能进行淬冷操作?实验7 半球点温度的测定7.1 实验背景
物质的熔点是物质由固相转变为液相的温度。我们知道固体可以分为两大类,一类是纯物质晶体,另一类是多组元的非晶体。晶体与非晶体受热转变成液相的情况是不同的。
均匀加热时,晶体熔化过程中温度随时间变化的关系为:当温度达到熔点温度时,物质的温度就停止上升,这时外部供给的热量全部用于晶体固体转化为液体。晶体全部转化为液体后,温度继续上升。因此,从理论上讲晶体的熔点是可以精确测定的。7.2 实验目的
1.了解材料烧结点试验仪的构造。
2.掌握测定材料烧结点的原理和方法。(2)
3.掌握用SJY影像式烧结点试验仪测陶瓷半球点温度的方法。7.3 实验原理
多组元非晶体均匀加热时温度与时间的关系:物质由固态转变为液态不是在一定温度下而是在一段温度范围内完成的。多组元非晶体没有确切的熔点,因此也不能进行熔点的测定。当需要对多组元非晶体进行熔化温度的测定时,一般将固态完全转化为液态的温度看作其熔点,也可以将固态完全转化为液态过程中,即固、液相间的某一温度定为熔点,一般认同的规定如下。
软化温度:试样熔化并降低至原始高度3/4时的温度;
半球温度(半球点、熔点):试样降低至原始高度1/2时的温度。
流动温度:试样降低至原始高度1/4时的温度。
因此,可用试样变形法来测定材料的半球点。7.4 实验试剂和仪器
本实验使用的是SJY 影像式烧结点试验仪(结构示意图如图7.1所示),将试样粉末在专用模具内做成直径(Φ)为4 mm、高(H)为5 mm的柱状,以一定的速率升温。随着炉膛温度的升高,粉样受热熔化,粉末高度降低。在加热情况下用一束平行光源将试样的影像通过摄像机进行采集并传送到计算机中,显示在屏幕上,在屏上可清晰地看到材料试样在高温下体积收缩、膨胀钝化以及完全球化的情况,并获知相应的发生温度。7.5 实验步骤
1.把投影装置、电炉安装在导轨上,使投影装置前端镜面至炉壳中心距离为260 mm,调整电炉与聚光镜筒的高度,使三个部件通光部分在同一轴线上,使光源能在投影屏上清楚地反映出一个亮圈。
2.试样制作放置:试样为直径为4 mm、高为5 mm的圆柱体,在制样器上做成,要求外表光洁,每次压缩的松紧程度一致。
升温前,将制样器做好的试样放在刚玉片上,试样与刚玉片之间要放置保温材料,以免熔为一体,然后徐徐推入炉膛中心即可。
3.将试样推入炉膛后,打开光源,使光源灯丝图像中心全部照在试样上,然后前后调节物镜筒,在投影屏上清晰现出试样影像即可。升温过程中不再调整,否则会使图像失去对比依据。如出现偏右或偏左时,可拉出试样管,重新放置试样。
4.设置软件自动升温参数,单击视频监控系统界面的升温启动按钮,根据试样粉末柱的变化情况把握捕捉拍照的频率。7.6 注意事项
在高温段,样品形貌变化较快,软件捕捉频率须调大。7.7 数据处理
1.测定烧结温度。高温时,由于原子运动引起的颗粒间接触处数量和质量的变化称为烧结,这导致了系统的致密和坚固,此时伴有体积(或局部)的微小收缩。当图像出现收缩时,该温度即可认为是烧结起始温度。
2.测熔融温度。材料熔融时,物体已不能保持原来的形状,从而在该温度下轮廓形状发生了很大的变化,原来呈矩形状的投影直角钝化,变成半球形。出现钝化,图形变圆时的温度即可认为熔融温度。7.8 实验报告
1.实验所用的仪器及基本原理
2.实验步骤
3.实验结果(在软件捕捉的图像中找出材料典型变化的图像)
4.讨论(分析确定材料半球点温度)7.9 思考题
影响烧结的因素有哪些?实验8 梯温法测定玻璃析晶温度8.1 实验背景
析晶性能是玻璃形成的重要因素之一,同时与玻璃的熔化、成型、热处理、微晶化等过程也有着密切的关系。因此,玻璃的析晶性能是一项重要的物理性能。8.2 实验目的
通过该实验了解和掌握玻璃的析晶性能及测试析晶温度范围的原理和方法。8.3 实验原理
根据热力学观点,介稳玻璃相的自由焓高于稳定晶相的自由焓。因此,当玻璃熔体冷却到液相温度或更低温度时,倾向于析出晶体。但是,玻璃的析晶又是一个动力学过程,即和晶核形成速率、晶体生长速率以及黏度有关,它们与温度的关系如图8.1所示。
由此可见,当晶核形成速率很大时,晶体生长速率很小,黏度很大;而当晶体生长速度很大时,晶核形成速率很小,黏度较小。这两种情况均不利于析晶。只有上述三者为适当大小,处于一定的温度范围内,才能形成晶核,长成晶体。
化学组成是决定玻璃析晶倾向大小的主要因素,因为不同组成的玻璃具有不同的析晶性能。此外,玻璃是否析晶、析晶程度大小还与某些外界条件有关,如过冷度、冷却速度、表面组成挥发、玻璃中或表面是否存在杂质、气氛和压力等。
研究玻璃析晶性能的方法大致有以下三种。
1.淬冷法:玻璃碎块放在铂皿中,在一定温度的炉子里保持一段时间,淬冷后测定玻璃中生成晶体的类别和大小。
2.批量析晶法:在一定温度的炉内,放入大量的不同组成的玻璃碎块,保持一段时间,然后研究玻璃的析晶。
3.梯温法(又称强迫析晶法):玻璃试样放在一定温度梯度的炉内,保持一段时间,随后在空气中冷却,测定析晶程度、析晶温度范围。从高温端开始,由无析晶过渡到有析晶的临界温度称为析晶温度上限(在理论上为熔点或液相温度),再从有析晶过渡到无析晶的临界温度称为析晶温度下限(理论上为晶体生长速率U=0的温度点)。析晶温度范围随保温时间的长短 而变化,保温时间可根据析晶倾向而定。一般玻璃的46析晶范围为10~10 P。8.4 实验试剂和仪器
1.炉体:本实验采用梯温析晶炉,炉子内部是一根高铝陶瓷管,外绕电热丝。温度梯度是以绕在炉管上电热丝的间距大小来控制的。从炉管中部向两侧,电热丝间距由密到疏,至炉管口时再变密集,这样就形成了中间温度高,两端温度低的梯度式温度分布。再加上一个口径较大的陶瓷管作套管,保持温度梯度分布稳定。以铂铑热电偶控制炉体温度,用轻质保温砖作支架固定炉管,并在炉管和炉壁之间充填保温隔热材料,这样就构成了所谓双臂式梯温析晶炉。同样,析晶炉也可采用单臂梯温分布形式。
2.测定梯温曲线
待炉温达到平衡值后(炉内中心温度保持在1000±5℃),用一支标准热电偶插入炉管内,以一定的距离间隔(40~50 mm)确定测温点,热电偶在每一点停留一定时间(15~30
min)后读取温度。热电偶在每点上测温两遍,取其平均值,然后绘制出梯温曲线。8.5 实验步骤
检查实验装置,开启电源,使梯温析晶炉升温至中心端温度1000℃、两端温度400℃,并保持一段时间。取一长条形有槽的样品托座(泥舟)放入试样,试样应预先破碎至直径为3~
5 mm的小粒,也可放入细长的玻璃棒。然后把载有样品的泥舟轻轻推入炉内,并确定好泥舟离管口的位置,让试样在炉中保温3~6 h,然后取出,同时关闭电源。待试样冷却后进行观察。8.6 注意事项
泥舟内样品需紧密排列,不留间隙,以免影响析晶现象的观察。实验需要足够的保温时间使样品的析晶现象明显,便于后续观察。8.7 数据处理
试样冷却后,肉眼观察泥舟内样品的光泽和形态,借助放大镜和偏光显微镜对样品的表面和断面进行分析,以确定玻璃的析晶程度和范围。根据样品析晶范围所对应的位置,对照预先制定的梯温曲线,确定玻璃的析晶温度范围,其高温端为上限,低温端为下限。8.8 实验报告
1.实验目的、基本原理及所用的仪器
2.实验步骤
3.实验结果(观察并描述泥舟内样品的形状、表面光泽、断面现象等,根据观察结果确定样品的析晶温度范围)
4.讨论
(1)回答思考题
(2)讨论材料在不同温度下的析晶行为和影响因素。8.9 思考题
1.在整个析晶范围内,各段的析晶程度是否相同?试分析样品在梯温炉内保温时,哪一部位首先析晶,并根据所测样品判断整体析晶,还是由表及里的析晶。
2.样品放入梯温炉之前,梯温炉在规定温度下保温时间长短对测试结果有何影响?
3.为什么泥舟使用之前要清扫干净,待测玻璃中也不能混进杂质?否则有何影响?实验9 环境扫描电镜观察水的固液气三相转变9.1 实验背景
相图和相变是材料科学基础的重要教学内容。水不仅是生命存在的必要条件,而且在材料、化学、物理、能源、生物医药等众多的科学和技术领域中发挥着关键性的作用。水具有非常丰富的相变行为,并且还有很多科学谜团有待揭开。随着表征技术的不断进步,原位液体电镜在前沿材料研究中发挥着越来越重要的作用。本实验使用带制冷台的环境扫描电镜,在可控的温度和气压的条件下观察水的固-液-气相转变。9.2 实验目的
实时显微观察材料微观相变行为,加深对相图、稳态相、亚稳相和相变机理的认识,了解先进的原位电子显微材料表征技术。9.3 实验原理
图9.1为水的固液气三相点附近相图示意图。图中弯曲的虚线是一条亚稳相界限,在其以上的区域,冰和亚稳态的过冷水可以相对稳定共存,其以下的区域只有稳定相冰被允许存在,而相对稳定的过冷水不能存在。设计实验路径1用于通过恒压降温观察水的气→液→固相转变;路径2用于通过恒温降压观察冰的升华相变。环境扫描电镜通过内部差动抽气装置,允许样品室中存在一定程度的低气压,使得观察水材料在三相点附近的相变行为成为可能。9.4 实验试剂和仪器
配备制冷台和水气瓶的环境扫描电镜(图9.2,原理如图9.3所示),镀有二氧化硅薄膜的硅片。9.5 实验步骤
1.将硅片用银胶粘在样品托上,放入扫描电镜,抽真空。
2.样品成像调节,在500倍左右的放大倍数下对硅片表面进行照相。
3.设置样品温度为-7℃,通水气,设置气压为550 Pa,每30 s拍摄一张照片,直至样品表面完全结冰。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]