SEM
是scanning electron microscope的缩写，指扫描电子显微镜是一种常用的材料分析手段。
扫描电子显微镜于20世纪60年代问世，用来观察标本的表面结构。其工作原理是用一束极细的电子束扫描样品，在样品表面激发出次级电子，次级电子的多少与电子束入射角有关，也就是说与样品的表面结构有关，次级电子由探测体收集，并在那里被闪烁器转变为光信号，再经光电倍增管和放大器转变为电信号来控制荧光屏上电子束的强度，显示出与电子束同步的扫描图像。图像为立体形象，反映了标本的表面结构。为了使标本表面发射出次级电子，标本在固定、脱水后，要喷涂上一层重金属微粒，重金属在电子束的轰击下发出次级电子信号。
目前扫描电镜的分辨力为6~10nm，人眼能够区别荧光屏上两个相距0.2mm的光点，则扫描电镜的最大有效放大倍率为0.2mm/10nm=20000X。
它是依据电子与物质的相互作用。当一束高能的人射电子轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征x射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。同时，也可产生电子-空穴对、晶格振动（声子）、电子振荡（等离子体）。原则上讲，利用电子和物质的相互作用，可以获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结构、电子结构和内部电场或磁场等等。扫描电子显微镜正是根据上述不同信息产生的机理，采用不同的信息检测器，使选择检测得以实现。如对二次电子、背散射电子的采集，可得到有关物质微观形貌的信息；对x射线的采集，可得到物质化学成分的信息。正因如此，根据不同需求，可制造出功能配置不同的扫描电子显微镜。
XRD
即X-ray diffraction ，X射线衍射，通关对材料进行X射线衍射，分析其衍射图谱，获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息的研究手段。
X射线是一种波长很短(约为20～0.06┱)的电磁波，能穿透一定厚度的物质，并能使荧光物质发光、照相乳胶感光、气体电离。在用电子束轰击金属“靶”产生的X射线中,包含与靶中各种元素对应的具有特定波长的X射线，称为特征（或标识）X射线。考虑到X射线的波长和晶体内部原子间的距离(10-8nm)相近，1912年德国物理学家劳厄(M.von Laue)提出一个重要的科学预见：晶体可以作为X射线的空间衍射光栅,即当一束 X射线通过晶体时将发生衍射，衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向上加强，在其他方向上减弱。分析在照相底片上得到的衍射花样，便可确定晶体结构。这一预见随即为实验所验证。1913年英国物理学家布喇格父子(W.H.Bragg,W.L.Bragg)在劳厄发现的基础上,不仅成功地测定了NaCl、KCl等的晶体结构,并提出了作为晶体衍射基础的著名公式——布喇格定律：
2d sinθ=nλ
式中λ为X射线的波长，n为任何正整数，又称衍射级数。其上限为以下条件来表示：
nmax=2dh0k0l0/λ，
dh0k0l0<λ/2
只有那些间距大于波长一半的面族才可能给出衍射，以此求纳米粒子的形貌。
当X射线以掠角θ(入射角的余角)入射到某一点阵平面间距为d的原子面上时,在符合上式的条件下，将在反射方向上得到因叠加而加强的衍射线。布喇格定律简洁直观地表达了衍射所必须满足的条件。当 X射线波长λ已知时(选用固定波长的特征X射线)，采用细粉末或细粒多晶体的线状样品,可从一堆任意取向的晶体中，从每一θ角符合布喇格条件的反射面得到反射,测出θ后，利用布喇格公式即可确定点阵平面间距、晶胞大小和类型根据衍射线的强度,还可进一步确定晶胞内原子的排布。这便是X射线结构分析中的粉末法或德拜-谢乐(Debye—Scherrer)法的理论基础。而在测定单晶取向的劳厄法中，所用单晶样品保持固定不变动（即θ不变）,以辐射束的波长作为变量来保证晶体中一切晶面都满足布喇格条件,故选用连续X射线束。如果利用结构已知的晶体，则在测定出衍射线的方向θ后,便可计算X射线的波长，从而判定产生特征X射线的元素。这便是X射线谱术,可用于分析金属和合金的成分。
X射线衍射现象发现后，很快被用于研究金属和合金的晶体结构，出现了许多具有重大意义的结果。如韦斯特格伦（A.Westgren）(1922年)证明α、β和δ铁都是体心立方结构，β-Fe并不是一种新相而铁中的α—→γ转变实质上是由体心立方晶体转变为面心立方晶体，从而最终否定了β-Fe硬化理论。随后,在用X射线测定众多金属和合金的晶体结构的同时，在相图测定以及在固态相变和范性形变研究等领域中均取得了丰硕的成果。如对超点阵结构的发现，推动了对合金中有序无序转变的研究，对马氏体相变晶体学的测定，确定了马氏体和奥氏体的取向关系；对铝铜合金脱溶的研究等等。目前 X射线衍射(包括散射)已经成为研究晶体物质和某些非晶态物质微观结构的有效方法。在金属中的主要应用有以下方面：
物相分析 是 X射线衍射在金属中用得最多的方面，分定性分析和定量分析。前者把对材料测得的点阵平面间距及衍射强度与标准物相的衍射数据相比较，确定材料中存在的物相；后者则根据衍射花样的强度，确定材料中各相的含量。在研究性能和各相含量的关系和检查材料的成分配比及随后的处理规程是否合理等方面都得到广泛应用。
精密测定点阵参数 常用于相图的固态溶解度曲线的测定。溶解度的变化往往引起点阵常数的变化；当达到溶解限后，溶质的继续增加引起新相的析出，不再引起点阵常数的变化。这个转折点即为溶解限。另外点阵常数的精密测定可得到单位晶胞原子数，从而确定固溶体类型；还可以计算出密度、膨胀系数等有用的物理常数。
取向分析 包括测定单晶取向和多晶的结构（见择优取向）。测定硅钢片的取向就是一例。另外，为研究金属的范性形变过程，如孪生、滑移、滑移面的转动等，也与取向的测定有关。
晶粒（嵌镶块）大小和微观应力的测定 由衍射花样的形状和强度可计算晶粒和微应力的大小。在形变和热处理过程中这两者有明显变化，它直接影响材料的性能。
宏观应力的测定 宏观残留应力的方向和大小，直接影响机器零件的使用寿命。利用测量点阵平面在不同方向上的间距的变化，可计算出残留应力的大小和方向。
对晶体结构不完整性的研究 包括对层错、位错、原子静态或动态地偏离平衡位置，短程有序，原子偏聚等方面的研究（见晶体缺陷）。
合金相变 包括脱溶、有序无序转变、母相新相的晶体学关系，等等。
结构分析 对新发现的合金相进行测定，确定点阵类型、点阵参数、对称性、原子位置等晶体学数据。
液态金属和非晶态金属 研究非晶态金属和液态金属结构，如测定近程序参量、配位数等。
特殊状态下的分析 在高温、低温和瞬时的动态分析。
此外，小角度散射用于研究电子浓度不均匀区的形状和大小,X射线形貌术用于研究近完整晶体中的缺陷如位错线等，也得到了重视。
X射线分析的新发展：金属X射线分析由于设备和技术的普及已逐步变成金属研究和材料测试的常规方法。早期多用照相法，这种方法费时较长，强度测量的精确度低。50年代初问世的计数器衍射仪法具有快速、强度测量准确，并可配备计算机控制等优点，已经得到广泛的应用。但使用单色器的照相法在微量样品和探索未知新相的分析中仍有自己的特色。从70年代以来，随着高强度X射线源（包括超高强度的旋转阳极X射线发生器、电子同步加速辐射,高压脉冲X射线源）和高灵敏度探测器的出现以及电子计算机分析的应用，使金属 X射线学获得新的推动力。这些新技术的结合，不仅大大加快分析速度，提高精度，而且可以进行瞬时的动态观察以及对更为微弱或精细效应的研究。
X射线衍射仪是利用衍射原理,精确测定物质的晶体结构,织构及应力,精确的进行物相分析,定性分析,定量分析.广泛应用于冶金,石油,化工,科研,航空航天,教学,材料生产等领域.
X射线是波长介于紫外线和γ射线间的电磁辐射。X射线管是具有阴极和阳极的真空管，阴极用钨丝制成，通电后可发射热电子，阳极（就称靶极）用高熔点金属制成（一般用钨，用于晶体结构分析的X射线管还可用铁、铜、镍等材料）。用几万伏至几十万伏的高压加速电子，电子束轰击靶极，X射线从靶极发出。电子轰击靶极时会产生高温，故靶极必须用水冷却。
XRDX-射线衍射（Wide Angle X-ray Diffraction）主要是对照标准谱图分析纳米粒子的组成，分析粒径，结晶度等。
应用时应先对所制样品的成分进行确认。在确定后，查阅相关手册标准图谱，以确定所制样品是否为所得。
高岭土有机插层复合物的表征包括插层效果、复合物的成分及结构、复合物的谱学特征、复合物的物化性质等多方面的内容，详细精确的表征是探讨反应机理和查明复合物的性质及确定用途的基础研究工作。
一、插层效果
插层效果可用层间距、插层率两个参数来表征。层间距的变化说明有机分子是否插入高岭土层间，插层率则表征插层反应进行的程度。
高岭石的层间距（basal spacing）为0.716nm，其层间域（interlayer spacing）为0.292nm［32］。有机分子插入高岭石层间域后，引起层间域膨胀，其层间域也相应增大，XRD的d001值可以直接反映出这种变化。插层后，高岭石的0.716nm衍射峰强度变弱，而代之以出现新的衍射峰。因此，层间距的变化是评价插层是否进行的最直接手段，但不能反映插层作用进行的程度。
插层率（intercalation ratio）可用来评价插层反应程度，用高岭石插层前后的d001值强度变化比值（RI）来表示：
RI＝Ic/（Ic+Ik）
公式中Ic表示插层后复合物中新出现的膨胀高岭石d001值衍射峰强度，Ik表示插层后残余的未膨胀的高岭石的d001值衍射峰强度。
插层后，膨胀高岭石越多，相应的残余未膨胀的高岭石则越少，0.716nm的衍射峰强度则减弱得越多。用插层率可以反映复合物中膨胀高岭石所占份额，即反映了插层反应进行的程度。
二、谱学特征
红外光谱（IR）、拉曼光谱（Raman）和魔角旋转核磁共振谱（MAS NMR）分析是表征高岭石-有机插层复合物常用的研究方法。应用红外光谱和拉曼光谱技术可以表征高岭石表面羟基团的振动谱带及在插层前后的变化。核磁共振技术研究插层过程的化学位移，能反应原子所处的化学环境和直接表征键的强度以及插层有机分子定向［33～40］。根据谱学特征可推断有机分子在高岭石层间的排列方式。因此，谱学技术可有效地表征插层机理和层间分子的定向性。
高岭石在IR和Raman光谱上，有5个振动带：v1（3699cm-1）、v2（3665cm-1）、v3（3642cm-1）、v4（3682cm-1）、v5（3620cm-1）。其中v4为只具有Raman活性而IR为非活性。v5带为内羟基的伸缩振动，强度最大。其他4带为内表面羟基的伸缩振动。其中，v1、v4为不同对称性氢键的同相（in-phase）伸缩振动，v2、v3为与v1、v4相对应的异相（out-of-phase）伸缩振动。插层作用对内羟基v5带影响小，对内表面羟基影响大，使v1、v2、v3、v4的强度减弱，峰的分布面积减小。插层作用导致高岭石部分谱带消失和新的谱带形成，插层前后谱带特征变化越大，插层效果越好。v1+v4值的变化具有代表性，插层前后强度值（面积）的变化可用来衡量插层程度［41］。
核磁共振技术有1H、2H、13C、29Si、27AlNMR等分析，用于研究这些原子所处的化学环境及插层前后的变化，从而推断有机分子在高岭石层间的键合强度及定向排列方式。王林江［42］等用1H核磁共振技术（1HNMR）研究高岭石-甲酰胺插层机理，区分出高岭石结构中内表面羟基和内羟基质子的吸收峰，表征了插层作用对质子化学位移的影响和高岭石的结构变化。
三、吸附、插层与接枝
如何区分高岭石层间插入和表面吸附的插层剂分子是表征技术中的一个难点。表面吸附和层间插入的插层剂分子由于和高岭石结合程度及所处环境不同，表现出不同的物化性质。通过缓慢加热使两者在不同的时间释放出来，即准等温分析是一种较为有效的方法。
接枝作用是一种特殊的插层取代作用，是插层主体和客体分子形成共价键的过程，一般在高温或高压下，通过Al—OH基与烃基形成共价键（Al—O—C）。接枝复合物与插层复合物的区别对同一插层剂来说，直接表现在层间距的不同，接枝产物的层间距比取代反应形成的插层复合物小，但接枝产物的结合键强，稳定性好。用直接插层剂对高岭石进行预处理使层间膨胀，能促进接枝作用发生。甲醇插层高岭石后，其插层复合物仅能存在于甲醇溶液保护的环境中，当风干后，层间距由1.08nm缩小到0.82nm或0.86nm，JamesJ.Tunney等［43］通过XRD、FTIR、TG以及13CNMR分析认为是发生了共价键的接枝反应，其产物（Kao-OMe）示意图见图2-1。
图2-1 接枝产物Kao-OMe8.2nm结构示意图
（据Tunney等［43］）
四、化学组成分析
有机化合物CHN含量分析，结合热失重分析，可以大致确定吸附的有机物含量和插层的有机物含量。根据插层有机物的含量可以计算出插层复合物的化学分子式。计算结果可以佐证由XRD和谱学特征推断的分子排列方式以及理论化学分子式。
五、插层复合物的性质
高岭石有机插层后形成的复合物有许多不同于高岭石或有机分子的物化性质，包括形貌特征、比表面积、稳定性、反应活性等。这些特殊性质使得插层复合物在很多领域得到应用或有潜在的应用价值。
1）形貌特征。扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）是表征插层后高岭土形态的有效方式。高岭石在插层前后形貌有较大的变化，目前有关这方面的照片资料很少，一般情况下，高岭石的晶片棱角明显，层片纹理清晰。经插层后，由于有机物常吸附包裹在高岭石的表面，使得高岭石片层纹理模糊，棱角钝化。
2）比表面积。比表面积常用BET法测定。有机分子的插层使高岭石层间距增大，比表面积增加。复合物的比表面积在一定程度上反应高岭石晶层膨胀程度，比表面积大，插层效果好。
3）稳定性。高岭土-有机插层复合物的稳定性包括在空气中的稳定性、抵抗水淋滤作用的能力和抗热分解能力三方面。将处理后的复合体，用XRD测定层间距的变化来评价复合物的稳定性。不稳定的复合物经处理后层间距恢复到高岭石的0.716nm。还可用热重-差热分析（TG-DTA）和差示扫描量热（DSC）分析评价复合物的热稳定性。插层复合物中，目前只有Kao-DMSO、Kao-KAc比较稳定，可稳定存在很长时间，Kao-DMSO在常温下能存在长达几年的时间［44］。而肼、甲醇插层复合物只能存在于溶液保护条件下，室温下风干就会发生脱嵌。
Rnman和IR光谱也能反映插层复合物的稳定性，羟基伸缩振动带插层后向低频方向漂移，其漂移距离与形成的氢键强度呈正相关，漂移距离越大，形成的复合物越稳定。同理，羟基变形振动带向高频漂移，漂移越多，高岭土有机复合物的稳定性越好。
4）其他性质。高岭石有机插层之后，具有许多特殊性能。高岭石用α-巯基苯并噻唑插层制备的复合物（Kao-MBT），对Pb2+的吸附能力由高岭石的1.30μmol·g-1提高到4.17μmol·g-1，可应用于环境保护［45］。高岭土-对硝基苯胺表现出二次非线性光学特征，能在光学材料方面得到应用。
表面分析技术是一种统称，指的是利用电子、光子、离子等与材料表面进行相互作用，分辨范围从微米级到纳米级，测量从表面散射或发射出来的各种离子、电子和光子的质谱、能谱、光谱等，对材料表面的化学组成、结构和性质进行分析的各种技术。对材料研究来说，扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope, SEM)和X射线能谱仪(Energy-dispersive X-ray Spectrometer, EDS)是比较常用的设备。
扫描电子显微镜(SEM)主要是利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态，即用极狭窄的电子束去扫描样品，通过电子束与样品的相互作用产生各种效应，其中主要是样品的二次电子发射。二次电子能够产生样品表面放大的形貌像，这个像是在样品被扫描时按时序建立起来的，即使用逐点成像的方法获得放大像。SEM可以获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成和晶体结构等等。
X射线能谱仪主要由半导体探测器、前置放大器和主放大器、脉冲处理器、计算机等部分构成。其工作原理是利用不同元素所激发的特征X射线的能量的不同来对元素进行定性和定量分析。如图1所示，EDS的工作流程大概可以表述为：样品表面被激发出的特征X射线送入到半导体检测器中，经过处理输出幅度与X射线能量成正比的电脉冲信号；该信号再经过前置放大器的整形放大、主放大器的放大整形输出对应电压信号；该信号被送入到脉冲处理器，进行信号降噪、将脉冲信号转换为计数并在对应通道内累加计数、消除脉冲堆积等处理；最后，将信号输入到计算机并通过专业软件对其进行处理，在显示器上形成能谱图，并可以根据能谱图进行各种各样的处理，进而达到定性分析的目的。
扫描电子显微镜结合X射线能谱仪的使用方法也能对材料的成分进行分析，这种分析方法可以简称为SEM-EDS分析技术。
SEM-EDS在材料科学的研究中应用很广，它可以对材料同时进行微区形貌观察和成分分析。SEM-EDS一般只能提供空间分辨率为微米或亚微米的成分分布信息，但是通过调整SEM的加速电压和减薄样品等方法，成分分布的空间分辨率也可达到几十纳米的量级。
随着航空航天技术的发展以及精密机械学科的进步，航空维修也越来越趋向于精细化修理，对产品的故障分析也越来越深入，对机件关键材料的失效原因分析，吸引着广大航空维修工作者研究，扫描电子显微镜（SEM）和X射线能谱仪（EDS）是当前材料分析领域较为常见的两种分析设备，基本上是组合使用的，功能非常强大，既能观察样品表面形貌又能对微分区进行成分分析。
在实际的飞机维修过程中，SEM-EDS分析技术可应用于金属腐蚀、漆层脱落、粘合剂催化、电路板虚焊、复合材料损伤、油液成分分析等多方面的研究，作为一种非破坏性的表面分析手段，将在飞机维修失效模式分析的研究中发挥出更大的作用。
传统的清洁度检测方法通过光学显微镜对萃取在标准微孔滤膜上的杂质颗粒进行形貌观察、统计，无法对颗粒属性进行分析，因而只能简单定义产品的清洁度等级，无法有效确定影响清洁度的真实原因，基于清洁度对于产品质量的重要性以及当前通用检测方法的不足，有研究者通过SEM和EDS的结合使用，可以实现对杂质颗粒的形貌观察、分级统计以及颗粒属性的分析和溯源，提升清洁度检测分析水平。
SEM-EDS在法庭科学物证鉴定领域内的应用有两个主要目的，一是对微量物证进行种类认定，如确定嫌疑人手上检材是否为射击残留物或确定嫌疑人衣物上所附着的微量玻璃颗粒是否为车窗玻璃碎屑或其他某一玻璃碎屑；
二是同一认定，确定检材与样本是否来自同一客体。大量的物证鉴定实践证明，用SEM-EDS可准确地鉴定分离物的同一性，其有效性已获 Forensic TestingProgram（Collaborative Testing Services，USA）等国际权威鉴定机构的认可，可以预见扫描电镜-能谱仪在法庭科学物证鉴定领域的应用前景将非常广阔。
目前，99%以上的含石棉材料中包含温石棉、青石棉、铁石棉，而阳起石、透闪石、直闪石储量少于石棉总储量的 1%，虽未直接开采用于商业产品，但会少量的夹杂在其他矿物中出现在石棉制品中。通过对以上六种石棉使用SEM-EDS进行分析，可发现它们较低倍观察下的纤维形貌有一定的差异，然而制品中石棉纤维状态有可能在加工的过程中发生变化，因此形貌分析仅仅能判断样品中含有纤维状物质，更多是作为石棉检测的一种辅助手段。
在此基础上，实验通过对比石棉标准品元素分析结果与对应理论组成，证实该方法能有效区分几种主要的石棉。因此可以使用SEM-EDS 联用的方法，在确定样品中含有纤维物质后，再进一步分析纤维的元素组成，此法既弥补使用X-射线衍射法无法分析非晶样品的不足，而SEM的高分辨率也提高了石棉定性的精度，是一种鉴定建筑材料和保温材料中石棉的准确、快速的方法。
不积珪步，无以至千里；不积细流，无以成江海。做好每一份工作，都需要坚持不懈的学习。
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