b

实验报告

课程名称：材料科学基础实验 指导老师： 成绩： 实验名称：光谱分析 实验类型： 同组学生姓名：

一、实验目的和要求（必填）

三、主要仪器设备（必填） 五、实验数据记录和处理

七、讨论、心得

一、实验目的和要求

通过本实验了解荧光光谱分析仪、紫外/可见吸收光谱测试仪和红外吸收光谱测试仪的基本原理、主要用途和实际操作过程。掌握发光材料荧光光谱、玻璃透光率、薄膜吸收光谱、固体粉末红外光谱的测试方法。学习分析影响测试结果的主要因素。 二、实验内容和原理（必填） 四、操作方法和实验步骤 六、实验结果与分析（必填）

二、实验内容和原理

电磁波可与多种物质相互作用。如果这种作用导致能量从电磁波转移至物质，就称为吸收。当光波与某一受体作用时，光子和接受体之间就存在碰撞。光子的能量可被传递给接受体而被吸收，由此

产生吸收光谱。如果接受体是原子，就产生原子吸收光谱。如果接受体是分子，就产生分子吸收光谱。分子具有一系列电子能级、振动能级和转动能级，这些能级都是量子化的，只有当光子能量恰好等于两个能级的能量差时，分子才能由某一较低能级E1跃迁至另一较高能级E2,从而产生分子的吸收光谱，分子包含有电子、振动和转动三种能级。通常，紫外和可见光的能量接近于某两个电子能级地能量差，故紫外与可见光吸收光谱起源于价电子在电子能级之间的跃迁，又称为电子光谱。

当一束平行单色光照射到非散射的均匀介质时，光的一部分将被介质所反射，一部分被介质吸收，一部分透过介质。如果入射光强度为.反射光强度为Ir，吸收光强度为Ia，透过光强度为It，则有I0=??+??+??。 透射光强度与入射光强度之比称为透光率 T=It/?0。如果入射光强度保持一定值，则透光度越大，说明光线通过介质后光强度减弱的程度越小。

当平等单色光束通过均质单相材料薄层时，由于光吸收，其强度减少量dI与薄层厚度dx及光束强度I成正比：?dI=βIdx；β为比例系数，也叫吸收系数。若光线射入的初始强度为I0,经过试样的厚度及介质中光程长度t后，射出光强度为It，则可得透光率：T=It ?0=exp?(???)；如果考虑界面的反射损失，则对垂直入射光的透光率为：It ?0=(1??2)exp?(???)。

当一束具有连续波长的红外光照射某化合物时，其分子要吸收一部分光能转变为分子的振动能量或转动能量。此时若将其透过的光用单色器进行色散，就可得到一带暗条的谱带。以红外光的波长或波数为横坐标，以吸收率或者透过率百分数为纵坐标，把该谱带记录下来，就可得到该化合物的红外吸收光谱图。不同的化合物均有标准特征谱，将实验所得的光谱与标准谱对照，就可进行分子结构的基础研究和化合组成的分析。可由吸收峰的位置和形状来推知被测物的结构，按照特征峰的强度来测定混合物中各组分的含量。

当分子吸收来自光辐射的能量后，其本身就由处于稳定的基态跃迁至不稳定的激发态：M+hν→M?。激发态是不稳定的，寿命极短，激发态分子会迅速以向周围散热或再发射电磁波（荧光或磷光）的方式回到基态：M?→?+热；或：M?→?+荧光（或磷光）。任何能产生荧光（或磷光）的物质都具有两个特征光谱：激发光谱和发射光谱。

激发光谱：荧光（或磷光）为光致发光，因此必须选择合适的激发光波长，这可通过激发光谱曲线来确定。选择荧光（或磷光）的最大发射波长为测量波长（监控波长），改变激发光的波长，测量荧光强度变化。以激发光波长为横坐标，荧光强度为纵坐标作图，即可获得激发光谱。激发光谱形状与吸收光谱形状极为相似，经校正后的激发光谱与吸收光谱不仅形状相同，而且波长位置一致。这是因为物质吸收能量的过程就是激发过程。

发射光谱：将激发波长固定在最大激发波长处，然后扫描发射波长，测定不同波长处的荧光（或磷光）强度，即可得到荧光（或磷光）发射光谱。

三、主要仪器设备

1. 荧光光谱仪

日立公司的F-4500荧光光谱仪，测量光谱范围200-730nm，最高灵敏度S/N>=100，最快扫描速度30000nm/min。该仪器的整个操作过程完全由计算机控制，随机提供的窗口式操作软件，使样品测试、结果处理、图形变换、结果打印等都可以在计算机中方便地进行。

2. 紫外/可见吸收光谱测试仪

PE公司的Lambda20双光束紫外/可见光分光光度计，测量光谱范围190-1100nm；杂散光0.01%T；波长精度0.1nm；最高扫描速度2880nm/min。该仪器的整个操作过程可完全由计算机控制，随机提供的UV-Winlab窗口式操作软件，使样品测试、结果处理、图形变换和实验报告编程及实验结果都可在计算机中方便地完成。

3. 红外吸收光谱测试仪

Nicolet公司的Avatar360傅里叶变换红外光谱仪，测量范围4000-400cm-1；分辨率0.9cm-1；信噪比15000:1。该仪器的整个操作过程完全由计算机控制，随机提供的窗口式操作软件，使样品测试、结果处理、图形变换、结果打印都可在计算机中方便地完成。

四、操作方法和实验步骤

（一）发光材料的荧光光谱测试

1.检查F-4500荧光光谱仪电源开关置“关”位置，光谱仪样品室中无任何样品。

2.打开光谱仪主机电源开关，预热5分钟，按下氯灯电源，再过5分钟，打开“run”开关。

3.双击“FLSolutuons”，进入荧光光谱仪的控制窗口，进入测试状态。

4.打开样品室，将待测试样放入样品室，关上样品室。

5.为测定样品的激发光谱，在“Method”设置参数设置完成后，按测试控制画面的“Measure”， 仪器开始为测定样品的激发光谱。

6.为测定样品的发射光谱，在荧光光谱仪控制窗口的“Method”中在设置参数，设置完成后，按测试控制画面的“Measure”，仪器开始自动测试发射光谱。

7.测试完成，保存文件。

（二）紫外/可见光吸收光谱测试（测光的透过率）

1.检查电源开关置“关”位置，光度计样品室光路上无任何阻挡物。

2.打开光度计电源，光度计首先自动进行自检，一切正常后开始检测。

3.打开电源，启动计算机，进入“UV Winlab”操作程序。设置参数（包括起始波长等）

4.在参比式样架和样品式样架上分别放入没有镀上光功能薄膜的两块空白玻璃基板，盖上样品室，单击“Autozero”光度计进行自动校零。 、

5.校零结束后，打开样品室，在样品式样架上放入镀有光功能薄膜的玻璃样品，盖上样品室。单

击“Start”，开始样品测试，结束后保存结果。作出图并倒数出数据。 6.数据处理录和处理。 （三）固体试样的红外吸收光谱测试 1.样品制备 1） 本实验进行固体式样的红外光谱分析采用压片法制备样品。 样品：硝基苯胺溴化钾（对红外光全透） 形状：压制的薄片为半透明状（注意膜不破，均匀 且透光） 2） (1) 检查傅里叶变化红外光谱仪电源开关置“关”位置，光谱仪样品室中无任何样品。 (2) 打开计算机开关，计算机自动进入Windows桌面。 (3) 打开光谱仪开关，光谱仪左后方的电源指示灯与扫描指示灯亮，此时在计算机的Windows桌面上双击“IMNICE.S.P.”图标，计算机进入OMNIC窗口，扫描指示灯开始闪亮。 (4) 打开样品室，将压有薄膜样品的螺母放入光谱仪的样品室中，关上样品室。 (5) 在OMNIC窗口的“Experimental”处选择Ddfault-default，该实验程序的基本参数为扫描次数32次，分辨率4cm-1，如果要改变实验参数，可在“Collect”中进入Experiment setup进行修改。 (6) 单击OMNIC窗口第三行的第二个图标（Collect Sample图标），仪器开始对样品进行光测试，测试结束后，显示屏上将自动显示要求进行背底测试扫描的窗口 (7) 打开样品室，取出样品，然后关上样品室，在要求进行背底测试扫描的窗口上单击“OK”，仪器开始进行背底测试扫描，同时对前面测试的样品进行自动背底扣除，在显示屏上显示已

扣除背底的红外吸收光谱图。 (8) 在OMNIC窗口的“file”中保存所测试的光谱图。

五、实验结果与分析

（一）发光材料的荧光光谱测试

结果分析：

图一分析：固定发射光，用不同的光激发物质，由图一可得，在342.4nm和468.4nm处，最佳激

发波长为468.4nm

图二分析：实验测试时，激发光不变，发射光波长改变，得到的峰值的位置是（538.8,8163），说

明538.8nm是最有效的发射波长，是发射光主峰。

（图中显示的y值代表的是发光强度的相对值，不是绝对值）

YAG荧光粉，成分是钇铝石榴石，化学式为Y3Al5O12，是由Y2O3和Al2O3反应生成的一种复合氧化物，属立方晶系，具有石榴石结构。

荧光粉特征是：

1． 它的发射光的波长主峰在500~580nm范围内，即黄光区域的任意位置；二是它的最佳激发波

长在430~480nm范围内的不同位置。

2． 发射谱带窄，X色坐标值高。

（二）紫外/可见光吸收光谱测试

测试的玻璃是 Cr正三价离子玻璃，由图三显示在波长419nm处吸光度最大，达到0.6302 。 正三价Cr 离子具有很高的八面体择位能，因此离子将优先选择八面体配位，在配位场的作用下，

正三价Cr 离子的d电子能级发生分裂，根据Tanabe和Sugano的计算下，自由正三价Cr 离子的基态4F分裂为三个能级A2、T2、T1，从基态A2到T2跃迁为自旋允许跃迁，其特征是吸收强，峰很宽，A2到T1跃迁是自旋禁戒跃迁。Cr正三价离子玻璃由于能级分裂导致在419nm处吸收最强。

（三）固体试样的红外吸收光谱测试

分析：溴化钾(KB r) 在中红外区段没有吸收峰, 所以常作为红外光谱测试样品的载体。在3020cm-1 的吸收峰是苯环上的=C—H伸缩振动引起的。在1605cm-1 、1511cm-1 的吸收峰是苯环骨架C=C伸缩振动引起的。在817cm-1 的吸收峰说明苯环上发生了对位取代。 在3000cm-1 左右和1400cm-1 左右的吸收峰是酸的吸收，在1530cm-1 、1300 cm-1 处是基团—NO2的吸收峰。所以推测是对硝基苯甲酸，再与对硝基苯甲酸的标准红外图谱比较。

六、实验注意事项

1．严格按实验指导书中的操作步骤进行。

2．尽量不要在实验过程中产生大的振动。

3．红外光谱仪非常容易受潮湿气体影响而受损，实验室对干燥要求特别严格，请勿将易引起空

气潮湿等物品如雨衣带入实验室。

4．用于控制仪器的计算机，除进行实验测试及实验结果处理外，不得用于其他用途，严禁外带

软盘进入控制仪器用计算机。

七、思考题讨论

1.简述傅立叶变换红外光谱仪的测试原理？

答：由红外光源S发出的红外光经准直为平行红外光束进入干涉系统，经干涉仪调整制后得到 一

束干涉光。干涉光通过样品Sa，获得含有光谱信息的干涉信号到达探测器D上，由D将干涉信号变为电信号。此处的干涉信号是一时间函数，即由干涉信号绘出的干涉图，其横坐标是动镜移动时间或动镜移动距离。这种干涉图经过A/D转换器送入计算机，由计算机进行傅立叶变换的快速计算，即可获得以波数为横坐标的红外光谱图。然后通过D/A转换器送入绘图仪而绘出人们十分熟悉的标准红外吸收光谱图。

2.紫外-可见分光光度计定量分析法的依据是什么？

答：依据是朗伯比尔定律：光被透明介质吸收的比例与入射光的强度无关；在光程上每等厚层介

质吸收相同比例值的光。

A = k b C （k——与入射光波长、溶液性质及温度有关的常数）

即当一束波长为λ的单色光通过均匀溶液时，其吸光度与溶液浓度和光线通过的液层厚度的 乘积成正比

3.红外光谱分析重固体试样方法有哪些？

答：1.压片法：在研钵中研磨成细粉末与干燥的溴化钾粉末混合均匀，装入模具，在压片机上压

制成片测试。

2.糊状法：在研钵中，将干燥的样品研磨成细粉末。然后滴入1～2滴液体石蜡混研成糊状，

涂于KBr或NaCl晶片上测试。

4.双光束分光光度计与单光束分光光度计想必有哪些优点？

答：双光束分光光度计比单光束分光光度计结构复杂，可实现吸收光谱的自动扫描，扩大波长的

应用范围，消除光源强度波动所带来的影响。具有较高的测量精密度和准确度，而且测量方

便快捷，特别适合进行结构分析。

【参考文献】：

鲍仁强、徐时清---《Cr掺杂微晶玻璃光谱特性》

《红外吸收光谱的测定及结构分析》---百度文库

第二篇：材料科学基础实验

《材料科学基础实验》教学大纲

课程编号：030126开课院系：材料学院材料学系

课程类别：材料专业必修。适用专业：材料专业。

课内总学时：40学分：5

实验学时：40课内上机学时：2

先修课程：材料科学基础，物理化学，普通物理。

执笔：杨平 审阅：

? 课程教学目的

本课程是针对大学三年级材料科学与工程专业学生所开，应在学生已经完成物理、物理化学和材料科学与工程导论以及材料科学基础等课程后，再开设的一门培养学生动手能力、实验操作基本方法和综合分析方法的课程。目的是通过总学时为40的教学和实验工作，巩固所学理论课程的基本概念，学会材料性能分析和显微组织观察与分析的基本手段和基本思路。掌握最基本的实验操作技巧，达到综合培养人才的目的。

? 课程教学基本要求

1．课程重点：

PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建

在掌握相关课程《材料科学基础》各类组织转变规律的基础上，应用所学知识分析各类组织形成规律；掌握最基本的表征组织的实验技术，如光学镜的使用、样品制备、照相及体视学组织定量分析。为将来材料领域中的组织检测打下良好基础。

2．课程难点：

?

? 本课程要求较强的实验动手能力，要尽量培养独立完成实验及分析的能力。 本课程强调将基础知识应用于所观察到的各类组织分析。不能有效地应用所学

知识进行分析是最常见的普遍性问题。

? 学生缺乏或尚未培养出对各类组织的好奇心，常对组织出现茫然或漠然。

3．能力培养要求：

（1）通过课上提问及学生回答情况了解学生实验准备的程度，并计分。

（2）根据每次实验报告的成绩给出期末成绩。

（3）综合性实验（未知样品分析）成绩约占第二学期成绩的~70%。

? 课程教学内容及学时

课堂教学（40学时）

1．普通光学金相显微镜的构造及使用（2学时）

PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建

掌握光学金相显微镜的基本操作。了解显微镜的基本构造，放大原理，有效放大倍数，物镜选择，数值孔径，分辨率，景深以及相关各种参数的含义。学会光学显微镜的维护要求。

2．金相样品制备的一般方法（2学时）

掌握金相样品制备的一般方法，独立完成最常用的砂纸磨光、机械抛光和化学浸蚀的基本操作。了解其它的样品制备方法及制样设备。

3．照相显微镜的构造及显微照相技术（4学时）

熟悉照相显微镜的构造和显微摄影原理并掌握摄影及暗室技术。学生应完成：

1）暗室中正确的全色空片的装置暗室盒的方法；

2）完成对所选金相试样的金相显微镜照相中的放大倍数选择，光学系数和时间参数选择，完成摄像工作，并在暗室中独力冲洗出符合要求的底片；

3）正确完成印相过程；

4）完成数码照相过程。

完成数码照相并打印。比较两种照相方式的特点。

4．材料显微组织的体视学定量分析（4学时）

了解定量金相的意义，定量金相的基本原理和常用符号。掌握用点、线等常用定量金相手段来测量所要求的参数，如体积参数等。并会用误差分析的方法来确定达到所要求条件的操作方

PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建

法及过程。学生完成对铸铁中石墨的体积分数的测定，并最后计算出所给样品中碳的重量百分数。用图像分析软件进行定量分析，并比较两种定量方法的特点。

5．金属及合金凝固组织的观察及分析（4学时）

了解什么是组织，什么是相，以及如何着手分析组织，观察金相样品的基本方法和分析思路。对典型的二元相图匀晶系Cu-Ni，共晶系Pb-Sn，包晶系Sn-Sb相图及三元共晶合金的组织进行观察与分析。分析纯铝的铸锭宏观组织与工艺参数的关系。

6．铁碳合金显微组织的观察及分析/钢及白口铁（3学时）

结合Fe-Fe3C相图，掌握碳钢退火组织组成的金相形貌特征。了解碳含量对铁素体、珠光体、渗碳体的形貌和相对量的影响。掌握白口铁的缓冷凝固组织。

7．铁碳合金显微组织的观察及分析/灰口铸铁（4学时）

结合Fe-C（石墨）相图，掌握各类铸铁凝固（退火）组织的金相形貌特征。了解铸造/热处理工艺及微量元素对石墨形态和基体组织的影响。了解石墨形态和基体组织对力学性能的影响。

8．金属材料冷形变与退火过程组织与性能分析（7学时）

PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建

观察并分析面心立方(Al,Cu)、体心立方(a-Fe)及密排六方(Zn)金属变形后的组织特征，比较其变形的难易及形变方式的差异。面心立方与体心立方金属滑移带的区别，体心立方和密排六方金属孪晶带的区别。

测量不同形变量与硬度的关系，了解加工硬化现象，并能解释其原因和观察相应的组织特征。

观察和分析同一形变量、同一退火时间、不同退火温度的黄铜及a-Fe变形后再结晶组织，即退火温度对再结晶过程的影响。澄清回复、再结晶、晶粒长大三个过程的基本情况与区别。

测量变形的a-Fe退火温度与其硬度的关系。了解硬度下降最大处是再结晶大量出现时。帮助学生理解“再结晶温度”概念。

9．未知显微组织样品的金相分析（考核性实验）（10学时）

这是考核性实验，学生在学到金相分析基本方法和组织分析的基本技巧下，检验学生掌握实验操作基本技能和分析、计量的能力。

内容为给学生提供一块二元合金的未知样品，告诉学生一些基本参数。学生自己找相图，找浸蚀剂，自己制备样品，分析样品的组织和凝固过程，定量分析计算，提供在一定误差范围内的样品的组成元素的含量（重量百分比）。并提供相应的典型组织照片。

? 教材及参考读物

教材：

PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建

1．材料学系编《材料科学与工程基础实验指导书》，北京科技大学校内讲义，2003

2．任怀亮主编，金相实验技术，冶金工业出版社，1999

? 作业

实验报告。

? 说明

本课程配有‘学生自学平台’软件（安装在材料学院金属材料实验室的计算机房内）。‘学生自学平台’软件包内有‘各类典型组织’；以供学生课余拓宽分析各类组织的能力，组织照片后有对组织的简介。

PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建