材料表征与分析 characterization and analysis of material

对材料的化学组成、内部组织结构直至各类原子排列状况和材料基本特性的检测、分析技术。

电子显微镜

近代科学的发展使材料的检验从经验进一步建立在物理、化学理论和实验的基础上。通过对材料性能的全面分析，掌握了材料组分及组织的各种特征，就能为材料的设计、加工提供信息，从而保证满足使用的要求。

性能测试

材料的性能是指材料在给定一系列条件下，当某些条件发生变化时所产生的响应。材料的平衡性质定义为材料在平衡态附近的变化及响应。如果把材料看成是一个系统，材料的输运性质则表征系统各部分之间所产生的的过程，如在磁滞回线所观察到的磁矫顽力。

第一张X射衍射照片

有的性能是不可逆的，如屈服强度等。在响应关系为现行时，性能由线性常数表征，如弹性常数联系力与应变、热容联系熵与温度等。在响应关系偏离线性时，性能要由更高阶的系数来描述，如非线性光学晶体的特性。

材料的单项性能，如力学性能的强度、延伸率，热学性能的膨胀率、传导系数，电磁性能的电导、磁化率等测试较为简单，各自有相对完备的测试系统和规范。

质谱仪

材料还有一些综合性能，如可焊接性、可加工性、在不同气氛下的抗腐蚀性等。这就要建立比较全面的测试体系。

按分子组织形貌、原子排列结构与化学组成分为三大类。

①显微术。光学显微术及金相学是在微米以上尺度观察材料组织的较普及的方法。扫描电子显微术和透射电子显微术把观察尺度推进到纳米甚至原子尺度。

20世纪80年代发展起来的扫描探针显微术（扫描隧道显微术），不仅在表面有原子尺度分辨能力，而且可对表面原子或分子团进行移动和加工。结合一些纳米尺度的性能测试，近期有较快的发展。

②衍射法。材料的结构测定仍以X射线衍射为主。这一技术包括徳拜粉末相分析，高温、低温衍射仪，背反射和透射劳厄照相，测定单晶结构的四圆衍射仪等。

电子与物质相互作用比X射线强4个数量级，而且电子束又可以在电磁场作用下会聚到亚微米那样小，所以细晶体及材料的亚微米尺度结构测定特别适于用电子衍射来完成。中子衍射有利于测定材料中轻原子的分布，但中子源不大普遍。

③成分分析。除传统的化学分析技术外，还包括质谱，紫外、可见光、红外光谱分析，气、液相色谱，光发射与吸收谱，X射线荧光谱，俄歇与X射线光电子谱，电子、原子、离子、激光探针等分析方法。

另有一类谱分析是基于材料受激发的发射谱与晶体缺陷附近的原子排列状态密切相关的原理而设计的，如核磁共振谱、穆斯堡尔谱、正电子湮没分析等。

无破坏地检测材料或构件的缺陷，或测定与性能有关的材料参数的技术。

其特点是无须破坏性制备供测试用的样品，因此特别适合于使役的材料或构件的监控，有利于材料的安全使用。

常用的方法有超声波、辐照（X射线、γ射线）涡流、可见光、红外、液体渗透、磁质谱等技术。随着计算机技术及自动化系统的发展，能将构件内部结构及缺陷逐层剖析显示的三维层析成像技术及原位检测技术也得到了愈来愈广泛的应用。

材料表征与分析技术发展的共同要求是快速、低成本、高灵敏度、适用性强和结果精确。

计算机的发展对此有重大的推动作用。今后的发展有两个特点：

①表征与分析的层次向更细微的尺度深入。这既是材料技术本身向复合、集成和低维化发展的要求，也是其他主流科学技术，如信息、生物、纳米科技对材料科学与工程交叉综合所起的推动。

②技术的发展与物理、化学基本过程的研究结合更加紧密。

摘自：《中国大百科全书（第2版）》第3册，中国大百科全书出版社，2009年