建築材料的微觀結構分析
正文
對材料的微觀形貌、物相組成，相變，微區、相界面、表面化學成分分布，結晶偏析，晶體、玻璃體結構，分子結構，元素在材料中的化學狀態（價態、配位數）、空間分布，電子能態及離子周圍的化學環境和鍵合情況等等的觀測、分析。各種建築材料具有不同的微觀結構，從而決定了他們的物理、化學及機械性能。建築材料微觀結構分析的方法有以下各種（見表）。
建築材料的微觀結構分析電子顯微術 也稱電子顯微鏡（簡稱電鏡）分析方法，是一種套用電鏡對物體的微觀結構進行觀測的技術，所採用的電鏡主要有以下幾種：
① 電子顯微鏡。一種以高速運動的電子束作為“光源”或激發源，對物體的微觀結構進行放大分析觀測的電子光學儀器，可分為透射電鏡(TEM)、掃描電鏡(SEM)、掃描透射電鏡 （STEM）、反射電鏡（REM）、點投影電鏡(PPEM)及場發射電鏡(FEEM)等，其中以透射電鏡和掃描電鏡套用為最廣泛。近十幾年來，還發展了分析透射電鏡、 分析掃描電鏡以及附有俄歇電子能譜儀（AES）、掃描俄歇電鏡(SAM)、X射線光電子譜 (XPS)及紫外光電子譜(UPS)等功能的表面微觀分析電鏡,廣泛用於材料的微區形貌、化學組成、化學價態和電子能態的研究。
② 透射電鏡。由電子槍發射的高速電子束透過試樣，經電磁透鏡成像放大，在終端螢光屏、電視螢光屏或電子攝影底片上獲得試樣的顯微圖像。
透射電鏡的電子放大率可從數百倍連續改變到 100萬倍以上，其點解析度已近1埃，晶格解析度可達1埃以內，能直接觀察到一些特殊樣品中單個重原子和薄晶體中的原子排列圖像。
一般透射電鏡的電子槍加速電壓為50～150千伏。超高壓電鏡的加速電壓可達500千伏至3兆伏，其電子束穿透力強，對試樣輻照損失小，可配備環境試樣室，用以直接觀察材料在自然環境中的化學反應及相變過程。
透射電鏡已向多功能方向發展，兼有透射掃描、選區電子衍射、高解析度電子衍射、 X射線能量色散譜儀、電子能量損失譜儀等功能，可在觀察試樣微觀形貌的同時進行微區化學成分、物相、晶體結構、元素化學價態、電子能態的綜合分析。
③ 掃描電鏡。 由電子束在試樣表面逐行逐點掃描，與試樣相互作用產生二次電子、背散射電子、X射線、吸收電子和透射電子等信息，由探測器接收並放大後在電視螢光屏上獲得試樣表面顯微結構圖像。通過接收不同的被激發出的信息，可分別獲得試樣的二次電子圖像、背散射電子圖像和吸收電子圖像等。
掃描電鏡的二次電子圖像解析度已達30埃左右，電子放大率可以從20倍連續改變到30萬倍以上。配備X射線晶體譜儀(wdx)及X射線能量色散譜儀(EDX)附屬檔案後,可在試件中0.5×0.5微米2、深度約1微米區域內,只用1～2分鐘同時對多個化學元素作定量分析。從4Be到92U 均可分析,靈敏度達10-2％,並可作元素微區線、面掃描分析,確定試樣中元素的分布狀況。配備二次離子質譜儀(SIMS)附屬檔案，可分析試樣微區範圍內各種元素。配備高溫、低溫、拉伸、彎曲、疲勞及壓痕等試驗裝置後，可觀察試樣在不同溫度和受力狀態下的微觀結構變化，為材料的強度與斷裂理論研究和套用研究提供大量新的信息。儀器採用1.33×(10-5～10-8)帕超高真空技術，減少試樣的污染，配備微型電子計算機控制操作及處理數據，提高了儀器的自動化程度和圖像質量。配備電影攝影機或電視錄像機，可連續記錄試樣微觀結構的變化情況。
掃描俄歇電子顯微術(SAM) 由掃描電鏡分析技術和俄歇電子能譜分析技術結合而成的微觀結構分析技術。俄歇電子的能量和試樣表面激發原子的原子序數及化學價態等有關。當直徑為幾十至幾百埃的電子束在試樣表面掃描時，通過筒鏡型能量分析器接收從試樣原子發射出來的俄歇電子，可得到試樣表面形貌及表面結構圖像。新型掃描俄歇電子顯微鏡，可觀察試樣表面深度為10埃以內的元素分布圖像,解析度達500埃。適用於除氫、氮以外的各種元素,用於原子序數為3～10的輕元素。在鋼鐵、有色金屬、玻璃、陶瓷等材料的表面物理、表面化學研究工作中得到套用。
光學顯微術 套用光學顯微鏡觀測材料微觀形貌、物相的技術。新型光學顯微鏡由光源系統、載物台、物鏡系統、目鏡或投影螢幕及攝影系統等組成。通過變換物鏡和目鏡可使儀器放大率由幾十倍調到2000倍，點解析度可達0.3微米左右。
按光線和試樣的作用方式，光學顯微鏡可分為透射式和反射式兩種。透射式顯微鏡常用於觀察粉狀材料顆粒形狀、尺寸及透明材料的缺陷，如玻璃中的結石、析晶等。反射式顯微鏡常用於不透明固體材料，如金屬、陶瓷、水泥石等的物相定性、定量分析及微觀形貌、缺陷觀察。帶起偏鏡、檢偏鏡的偏光顯微鏡，常用於建築材料中透明礦物的物相定性、定量分析。配有攝影機或錄像機的光學顯微鏡能連續記錄試樣微觀結構的變化情況。配有高、低溫裝置（2200～80開）及拉伸、壓縮裝置的光學顯微鏡，可觀察試樣在不同溫度和不同受力狀態下微觀結構的變化情況。
由光學顯微鏡與掃描技術及電子計算機技術結合而成的圖像分析儀，利用試樣各相透光、返光性能的差別（即成像灰度）可進行物相定量分析及粒度分析等。
物相分析方法 對構成材料的各種物相的種類和含量進行分析測定的技術。
岩相分析法 利用材料中各相光學性質（折射率、透光率、顏色、晶軸對稱性、消光角度等）及形狀的特點，通過光學顯微鏡觀察，確定各相種類、數量、尺寸及分布狀態的技術。按試樣處理方式可分為粉末油浸法、拋光薄片法、光薄片法、顯微化學法等。試樣中礦物的定量分析方法常使用直線法、計點法、面積法和目測法等。近年發展起來的超薄光薄片法，是將試樣磨拋成幾個微米厚的光薄片，提高了試樣顯微圖像的質量和分析的準確度。岩相分析法在水泥、玻璃、陶瓷等矽酸鹽材料的原料和製品物相組成的分析研究中得到廣泛套用。
X射線物相分析法 利用單色X射線和多晶體物質相互作用產生的特徵衍射譜進行試樣物相定性、定量分析的方法。當單色X射線照射到多晶體物質上,其特徵衍射譜與組成晶體的元素、晶胞內各原子的排列及各種晶體的含量有關。通過測量特徵衍射譜的分布位置和強度，可定性或定量分析試樣中晶體的種類和含量。常用於分析水泥、玻璃、陶瓷原料及製品，金屬材料、礦石原料的物相組成及研究水泥水化、陶瓷燒結、玻璃晶化、金屬熱處理等過程的結晶相變規律。
儀器主要由X射線管、鏇轉試樣台、衍射譜探測系統和數據處理系統等組成。 常用X射線管的陽極(也稱靶)有鏇轉式和固定式兩種，系由銅、鈷、鎢、鉬、鐵等製成，能發出不同波長的特徵X射線,用於分析不同的晶體。衍射譜探測系統有照相式和測角計式等。 新型X射線衍射儀附有高、低溫試樣台或帶有高、低溫照相機，能研究1800～80開溫度下試樣的結晶相變規律。配備電子計算機自動檢索系統的儀器，能快速準確分析試樣中各種晶體的種類及含量。細聚焦X射線結構分析儀的X射線束，直徑細達15～20微米，可用於分析試樣微小區域中的結晶物相，如玻璃中的微小結石和陶瓷晶粒間界微小相。
電子衍射分析法 利用電子射束照射晶體試樣產生衍射現象，通過探測衍射譜的分布位置和強度，對試樣的原子排列、晶相、微觀缺陷等進行分析的技術，分為低能電子衍射和高能電子衍射。前者常用於試樣表層幾十埃厚度範圍的結構分析，後者常用於多晶、單晶薄膜的結構分析和粉末試樣的物相分析。與電鏡結合的選區電子衍射，可分析尺寸為1微米以下單晶體的結構。
中子衍射分析法 利用中子和構成晶體的元素的原子核相互作用產生衍射現象，通過探測衍射譜的分布位置和強度，對試樣中晶體物相及其結構進行分析的技術。適用於研究輕元素晶體特別是含氫晶體的結構，確定其中氫原子位置。
晶體結構分析方法 X射線晶體結構分析法是利用X射線與晶體相互作用產生衍射現象,探測衍射譜的分布位置和強度，進行晶體微觀結構分析的技術。主要有用於測定晶體結構、點陣常數、晶粒大小，研究晶體內應力和點陣畸變的多晶體分析方法。
表面微區結構分析方法 主要有以下幾種：
俄歇電子能譜法(AES) 可根據測量試樣受激後發射出來的俄歇電子的固有能譜，對試樣表面原子的價態、結合狀態進行研究，並通過測量因化學結合狀態，即價電子變化引起原子內殼層能級變化而出現的俄歇電子能譜的能量和峰的形狀發生的化學位移（也稱化學效應），進行表面原子的狀態分析。
電子探針法(EPMA) 當直徑約為0.1～1微米的電子束轟擊試樣表面時,原子受激而產生特徵X射線譜。通過探測X射線譜的精細結構,如譜的波長、形狀、相對強度比的變化及產生的體線等，從而確定試樣中元素的化學狀態和結構狀態。
光電子能譜法 用一定能量的 X射線或光激發固體表面或氣體分子,通過探測激發出的光電子的能量,確定試樣表層原子的種類、內部電子的各種能級，獲得電子束縛能、原子的結合狀態和電荷分布等電子狀態的信息。試樣的分析深度一般為5～20埃。
以特徵X射線為激發源的X射線光電子能譜法 (XPS)也稱化學分析電子能譜法(ESCA)，可通過測定內殼層電子能級譜的化學位移，確定原子結合狀態和電子分布狀態。能分析試樣表面氫以外元素的化學組成及價態，研究所有電子能級的能量。
以真空紫外線為激發源的紫外光電子能譜法 (UPS)，能研究試樣表面價電子能帶的精細結構及其隨反應、配位和吸附而產生的變化。
微觀結構的波譜分析方法 包括以下幾種：
核磁共振波譜法 利用在磁場作用下定向排列的磁性原子核在量子化能態之間的射頻誘生躍遷獲得的核磁共振波譜，確定出特定的原子核的種類、數量、位置、排列狀態，進而描繪出分子內原子團或原子排列順序的分析方法，是通過觀測核子共振頻率偏移，即化學位移和自鏇－自鏇耦合常數與結構之間的關係進行試樣結構分析。
電子自鏇共振波譜法 也稱電子順磁共振波譜法，是利用微波輻射對具有不成對自鏇的電子誘生磁能之間的躍遷，通過靜電場使磁能分裂，以獲得原子分子中的未耦電子及電荷分布、化學鍵等信息。已成功地套用於具有未耦電子的順磁性物質的結構研究，如具有奇數個電子的原子，內電子殼層未被充滿的過渡族元素的離子、具有奇數個電子的分子以及固體缺陷中的F中心、V中心等。
紅外光譜法 利用試樣分子和紅外輻射作用吸收其特定波長形成的光譜，確定分子內官能團和原子的總體結構的分析方法。
熱分析方法 利用試樣在加熱或冷卻過程中產生的吸熱、放熱、增重、減重、膨脹、收縮、軟化、變形以及電導率隨溫度變化的規律，研究物質的物理化學變化規律的方法。 常將各種熱分析法獲得的信息與X射線物相分析、電鏡形貌分析和成分分析的結果綜合對比，以確定材料的微觀結構變化規律。
差熱分析法(DTA) 將待測試樣和一種熱惰性參比物質放在同一個加熱器中，按一定程式改變溫度，當達到某一溫度試樣結構發生變化引起釋放或吸收能量，從而使其自身溫度與參比物質之間產生相應的差別，達到了解試樣結構發生變化的溫度範圍、對應該結構變化的吸熱或放熱過程以及結構變化的定量關係。通過測量整個溫度區間熱譜的各種吸熱、放熱特徵的數目、形狀和位置，即可對試樣的結構變化進行描述。
差示掃描量熱法(DSC) 將待測試樣和熱惰性參比物質放在嚴格控制程式的溫度中，當試樣結構發生變化時，向試樣容器或參比物質容器加熱或減熱而使其兩者保持相同溫度，通過測量輸入、取出的熱量及轉變時的溫度範圍，可以獲得試樣結構變化的定量關係。
熱重分析法(TGA) 試樣在溫度改變過程中產生結構變化而引起重量改變,通過溫度-重量關係曲線獲得材料的化學反應熱力學、動力學、反應機理、中間產物及最終產物數據的分析方法。可用於研究建築材料加熱製備過程中的脫水、分解、化學反應等規律。
熱機械分析法(TMA) 通過測量試樣在溫度變化過程中的膨脹、收縮、軟化、延伸變形規律，定量描述材料結構變化的分析方法。
電熱分析法(ETA) 通過測量試樣在溫度變化過程中電導率等電氣性能的變化規律，研究材料結構的分析方法。廣泛用於聚合物結構研究、表面氣體吸附、水分和增塑劑含量及聚合物系統中痕量雜質的研究。
孔結構分析方法 測定多孔材料孔徑大小、孔隙體積及其孔徑分布的技術。常用的孔結構測定方法有水銀壓入法、氣體吸附法和顯微鏡觀測法等。①水銀壓入法，可測定試樣中直徑為 50埃至750微米的孔徑分布。常用的水銀測孔儀有高壓和低壓兩種，可根據試樣孔徑分布情況選用。壓力為 300兆帕的高壓測孔儀適於測50埃至11微米的孔。壓力為0.15兆帕的低壓測孔儀適於測11～750微米的孔。②氣體吸附法，適於測定直徑小於600埃的孔。③利用光學顯微鏡和電子顯微鏡，可直接觀察孔隙的形狀和分布狀況。
