材料分析测试技术应用与发展趋势班级：材料成型及控制工程06姓名：程佩学号：200601041305摘要：讨论了高技术新材料的特点及其对材料测试技术提出的要求。
并就高技术新材料以及相应测试技术的特点和发展趋势进行了讨论。
关键词：材料测试方法应用发展趋势现代材料科学的发展在很大程度上要依赖于人们对于材料宏观性能与其成分和微观组织结构关系的理解, 而上述各方面的掌握则离不开相应的材料测试技术和科学的表征方法。
因此, 测试技术是材料科学发展不可须臾忽视的重要组成部分。
同时材料的理化测试还是联系材料的加工工艺与材料使用性能的桥梁。
近年来, 随着高技术新材料的不断出现, 对测试技术不断提出新的更高的要求, 对其发展起到促进作用。
有些时候则是新型测试仪器和技术的开发应用先行一步, 为人们提供了从新的视角或更深人的层次认识材料性能本质的手段, 反过来推动材料科学与工程的发展。
我们可以从众多实例中看到物理测试技术在高技术新材料的发展中所发挥的作用以及与之相互依赖的关系。
总的来说, 二者总是相辅相成, 相互促进, 共同发展的。
1. 高技术新材料的特征合成制备技术的进步以及材料设计理念的更新创造出了许多高技术或新概念材料。
例如在极端条件下超高温、超高压、高真空、微重力、特殊场力、强辐射和快速凝固等获得的材料, 其物质结构与性能特点相对传统材料可能发生巨大的变化, 例如超精细的组织结构微、纳米结构和远离平衡状态的组织结构非晶、准晶、特殊相等的出现, 导致了材料的许多超常规性能超强、超塑、超硬、超导等再例如各类复合材料、梯度结构或梯度功能材料, 以及各类低维材料的出现, 它们的性能测试, 损伤和破坏机制以及失效行为都会不同于传统材料, 使得常规的测试技术和评价标准或不适用或不能满足要求了。
因此, 相应的材料测试与表征方法必将应运而生。
2. 材料测试技术的进展材料测试技术一方面受到新材料研制需求的牵引, 另一方面也受到高精尖仪器发展的推动。
总的来说, 其发展表现在如下方面。
(1)适应特殊的材料测试要求本质上, 传统的分析技术和方法(如化学分析、光谱分析、X射线衍射、普通的力学性能测试等)只能获得块体材料的平均组成、结构与性能的信息。
随着研究的深人, 不仅需要了解材料相对宏观的内部信息, 而且还要深人研究材料的表面、内部的各种界面、和特殊微观区域的信息以及随着材料向低维化的发展, 传统的分析方法显然不能满足需要了。
因此, 相继出现了许多新的方法。
例如, 实用表面与界面分析技术自20世纪70年代以来得到迅速发展。
其最大特点是检测的表面深度浅, 从亚原分子单层到几个mm, 需要时结合离子溅射, 真空断裂等也可达到体内由于检测的样品区域为浅表薄层, 这就要求采用特殊的技术手段和有很高的检测灵敏度。
还因为暴露表面易受到污染(吸附或氧化), 以及检测信号电子、离子本质的要求, 分析往往需要高真空条件。
针对材料微区的组织分析, 成分分析和力学性能测试, 一些超显微的分析方法相继出现。
例如在透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)的基础上还发展了高分辨电镜(HREM), 其分辨率达到0.2mm, 足以观察到原子后又有扫描透射电镜(STEM)不但可观查到原子, 而且可分析微小区域化学组成和结构20世纪80年代初扫描隧道显微镜(STEM), 还可以在非真空条件下观察到原子, 并用来进行原子加工一种更为引人注意的显微技术称之为扫描探针显微镜(SPM)基于压电原理, 可以在不同结构中观察到单个原子和分子。
原子力显微镜(AFM)可观察金属韧性和脆性断裂过程。
红外原子力显微镜(infrared AFM)可以观察高分子聚合物的苯环。
这些与高功能计算机结合, 可以得出结构细节, 使结构分析从经验为主到更加科学。
在晶体结构分析方面, 从劳厄(Laue)等1912年利用X射线衍射, 到后来的电子、中子衍射, 作为探明材料结构的重要手段。
在实验技术上也有了很大发展, 例如适于表面或薄膜结构分析而发展的射线低角度掠射结构分析。
近年来, 还出现了多种基于不同原理的新型谱仪, 除XPS、AES、UPS等外, 又有激光拉曼谱仪,也都成为表征材料的有力手段。
微加载或亚微加载的力学性能测试, 如纳米硬度计的出现, 也是根据新材料研究需求而发展的, 为薄层和微区性能测试提供了可能。
例如薄膜材料对基底材料的附着力, 材料当中的相界面、层界面的结合强度等, 这些都是决定新型材料性能的关键因素.(2)新的测试机理与新概念方法新型测试技术, 往往依赖对于物质的新的物理效应的发现和新的测试机理的运用, 即开发新概念方法。
例如, 掌握了电子与材料的相互作用后, 发展了多种材料的电子显微分析技术, 而基于光波、电磁波辐射、电子、离子、中子等与材料的作用原理, 都有相应的分析技术发展。
近年来, 基于量子隧道效应, 发展的扫描隧道显微技术(STM), 进而又以STM原理为基础, 发展了一些微加工技术和相关的学科, 为纳米科技的发展提供了保证。
将近程隧道效应电流, 原子力等加以利用, 导致了显微分析技术的创新发展。
另一个例子, 早在1880年, Bell首先在固体中观察到光声转换现象, 即光声效应。
近年来, 各国科学家对光声光热技术进行了更加深人的研究。
扫描电子声显微镜和扫描光声显微镜就是利用光声光热效应而发展的。
并把它从体材料的应用扩大到多层薄膜材料, 对象涉及到有机、半导体、金属等材料的有关物理和化学问题。
派生出以无辐射激发机理为基础的几种光热检测技术。
光热检测技术不仅用于研究各种物质的光声效应, 物理性能和光谱特性, 而且也可用于亚表面无损成像。
新型测试技术对于科学进步的作用, 还可以从1981年表面科学的电子能谱学和1986年的扫描隧道电子显微镜先后两度获得诺贝尔奖略见一斑。
因此, 发现物质的新的物理效应或将之更好的利用, 开创新的技术方法是非常重要的。
此外, 值得重视的是, 有关专家指出, 材料研究的突破性成果是很难在成熟的商业化的设备仪器上获得的, 因为, 他们总是落后于创新研究的需求。
因此, 应重视根据研究需要自行研制仪器, 自制装置和设计实验, 取得创新成果。
在实际当中不乏这样的例子说明这一点。
例如, 在我国空间材料研究中, 就曾自行设计制作了7m透明石英落管, 用红外热象仪捕捉液滴, 进行实验, 后来又到神州号2上实验。
(3)建立新的性能标准和评价体系新材料的发展以及材料评价的进一步科学化对测试技术提出了更高的要求。
传统的材料性能测试与评价, 往往从单一指标出发, 考核条件为静态或标准状态, 如力学性能中的强度、伸长率, 物理性能中的弹性、热膨胀、磁性等。
材料设计准则也一定程度受到测试手段的制约往往不尽科学。
加之一些新型材料的特征难以用单项性能进行评价。
近年来, 更注重发展完整的材料考核与评价体系以及接近服役环境下的实验研究。
例如, 热与力, 化学与力的祸合效应高温熔盐气氛、应力条件下的抗腐蚀性等多因素间交互作用条件下的材料行为, 金属材料的可加工性等。
国内外不乏实例说明由于测试环境与使用环境差异, 而导致材料研究走了弯路。
例如, 在高温介质下性能极好的材料涂层在高温燃气风洞中却得到完全不同的结果, 因为风洞中低的氧分压、温度梯度和应力环境均对涂层的氧化行为有决定性影响。
因此, 接近服役条件的性能测试更加受到重视。
研究材料的断裂力学行为和损伤容限, 针对服役特点科学地确定材料的力学性能测试内容, 测试步骤以及数据表征的内涵与可置信度, 例如热和或机械疲劳、高速冲击碰撞、模拟实际环境等对材料的损伤和破坏规律材料断裂力学行为和损伤容限表征的内容与相应的测试指标, 力学性能与可焊性和可加工性间的综合评定这就需要考虑一个测试体系, 创造一个测试环境, 以求所测得的性能尽量真实反映使用的状况。
一些新材料的特点复杂, 如各种新型复合材料, 往往具有各向异性, 脆性和非均匀性, 存在多种界面, 使得其缺陷损伤类型与普通材料有极大区别失效判据和寿命预测等等方面都需要建立新的方法在发展和完善。
(4)高精尖测试仪器的开发和应用在材料性能测试中, 检测的精细程度和覆盖率很大程度受到仪器水平的限制。
因此, 测试技术的发展不可忽视高精尖仪器的研制以及相关技术领域成果的借用。
近年来, 随着传感技术、电子技术、自动控制技术和计算机技术的发展, 现代检测技术已进人到以采用计算机控制和数据处理为特征的信息加工阶段, 可以更精确、更广泛的采集和利用各种物理效应, 对材料的结构和性能进行更科学准确的分析评价。
其发展表现在以下方面。
测试的要求更高, 条件更苛刻极端参数的测量, 超高温(2500——3000℃) , 超低温超高压介质中的测量, 超精度、多参数和连续测量技术, 如液态金属的温度、结构。
测试仪器的发展趋势为测试系统小型化、智能化、多功能化、以及无接触化。
要满足这些要求必须发挥相关科学技术的综合优势。
应用先进传感器是测试系统的咽喉, 是信息的源头。
传感器工业技术的快速发展, 各种新型传感器的相继出现, 使物理测量的水平大大提高。
传感器的小型化、智能化、集成化、可减小测试系统体积, 增加其可靠性, 更适应CAT系统和多参数或分布式测量。
采用专用集成电路各种专用集成电路越来越多, 大大简化了测试系统, 提高其抗干扰能力。
发展软件仪器增加信息和数据的处理能力, 简化测试操作。
随着信息技术与材料科学的发展, 测试技术必然会有更新的发展空间, 可以预见网络技术, 多媒体技术的发展必然会影响、渗透到测试技术中来, 遥测与远程数据处理与交换将成为事实。
物理测试技术将更加科学、精确, 更好的揭示材料的物理质和准确反映材料的行为规律, 不断满足新材料研究测试的需求, 与新材料开发和应用相互促进共同发展.。