x射線衍射技術在材料分析中的應用

1、X射線衍射技術在材料分析中的應用沈欽偉126406324應用化學1引言X射線衍射分析法是研究物質(zhì)的物相和晶體結構的主要方法。當某物質(zhì)(晶體或非晶體)進行衍射分析時該物質(zhì)被X射線照射產(chǎn)生不同程度的衍射現(xiàn)象物質(zhì)組成、晶型、分子內(nèi)成鍵方式、分子的構型、構象等決定該物質(zhì)產(chǎn)生特有的衍射圖譜。X射線衍射方法具有不損傷樣品、無污染、快捷、測量精度高、能得到有關晶體完整性的大量信息等優(yōu)點。因此X射線衍射分析法作為材料結構和成分分析的一種現(xiàn)代科學方法已逐

2、步在各學科研究和生產(chǎn)中廣泛應用。2X射線衍射基本原理X射線同無線電波、可見光、紫外線等一樣本質(zhì)上都屬于電磁波只是彼此之間占據(jù)不同的波長范圍而已。X射線的波長較短大約在108~1010cm之間。X射線分析儀器上通常使用的X射線源是X射線管這是一種裝有陰陽極的真空封閉管在管子兩極間加上高電壓陰極就會發(fā)射出高速電子流撞擊金屬陽極靶從而產(chǎn)生X射線。當X射線照射到晶體物質(zhì)上由于晶體是由原子規(guī)則排列成的晶胞組成這些規(guī)則排列的原子間距離與入射X射線波

3、長有相同數(shù)量級故由不同原子散射的X射線相互干涉在某些特殊方向上產(chǎn)生強X射線衍射衍射線在空間分布的方位和強度與晶體結構密切相關，不同的晶體物質(zhì)具有自己獨特的衍射花樣這就是X射線衍射的基本原理。3X射線衍射技術在材料分析中的應用由X射線衍射原理可知物質(zhì)的X射線衍射花樣與物質(zhì)內(nèi)部的晶體結構有關。每種結晶物質(zhì)都有其特定的結構參數(shù)(包括晶體結構類型晶胞大小晶胞中原子、離子或分子的位置和數(shù)目等)。因此沒有兩種不同的結晶物質(zhì)會給出完全相同的衍射花樣。

4、通過分析待測試樣的X射線衍射花樣不僅可以知道物質(zhì)的化學成分還能知道它們的存在狀態(tài)即能知道某元素是以單質(zhì)存在或者以化合物、混合物及同素異構體存在。同時根據(jù)X射線衍射試驗還可以進行結晶物質(zhì)的定量分析、晶粒大小的測量和晶粒的取向分析。目前X射線衍射技術已經(jīng)廣泛應用于各個領域的材料分析與研究工作中。3.1物相鑒定物相鑒定是指確定材料由哪些相組成和確定各組成相的含量主要包括定性相分析和定量相分析。每種晶體由于其獨特的結構都具有與之相對應的X射線衍

5、射特征譜這是X射線衍射物相分析的依據(jù)。將待測樣品的衍射圖譜和各種已知單相標準物質(zhì)的衍射圖譜對比從而確定物質(zhì)的相組成。確定相組成后根據(jù)各相衍射峰的強度正比于該組分含量(需要做吸收校正者除外)就可對各種組分進行定量分析。X射線衍射物相定量分析有內(nèi)標法外標法、增量法、無標樣法和全譜擬合法等常規(guī)分析方法。內(nèi)標法和增量法等都需要在待測樣品中加入?yún)⒖紭讼嗖⒗L制工作曲線如果樣品含有的物相較多譜線復雜再加入?yún)⒖紭讼鄷r會進一步增加譜線的重疊機會給定量分析

6、帶來困難。無標樣法和全譜擬合法雖然不需要配即可測量(2)可以測量試樣上小面積和極薄層內(nèi)的宏觀應力如果與剝層方法相結合還可測量宏觀應力在不同深度上的梯度變化(3)測量結果可靠性高等。3.5納米材料粒徑的表征納米材料的顆粒度與其性能密切相關。納米材料由于顆粒細小極易形成團粒采用通常的粒度分析儀往往會給出錯誤的數(shù)據(jù)。采用X射線衍射線線寬法(謝樂法)可以測定納米粒子的平均粒徑。顧卓明等采用謝樂法測定了納米碳酸鈣粒子和納米稀土(主要為CeO2)粒

7、子的平均粒徑測定結果為DCaCO3=39.3nmDCeO2=11.0nm另外他們采用透射電鏡法測定兩種粒子粒徑的結果為DCaCO3=40.2nmDCeO2=12.7nm兩種方法的測量結果比較吻合說明謝樂法測定納米粒子粒徑是可信的。3.6結晶度的測定結晶度是影響材料性能的重要參數(shù)。在一些情況下物質(zhì)結晶相和非晶相的衍射圖譜往往會重疊。結晶度的測定主要是根據(jù)結晶相的衍射圖譜面積與非晶相圖譜面積的比在測定時必須把晶相、非晶相及背景不相干散射分離

8、開來?；竟綖?Xc=Ic(IcKIa)。式中:Xc結晶度Ic晶相散射強度Ia非晶相散射強度K單位質(zhì)量樣品中晶相與非晶相散射系數(shù)之比。目前主要的分峰法有幾何分峰法、函數(shù)分峰法等。范雄等采用X射線衍射技術測定了高聚物聚丙烯(PP)的結晶度利用函數(shù)分峰法分離出非晶峰和各個結晶峰計算出了不同熱處理條件下聚丙烯的結晶度得出了聚丙烯結晶度與退火時間的規(guī)律。3.7晶體取向及織構的測定晶體取向的測定又稱為單晶定向就是找出晶體樣品中晶體學取向與樣品外

9、坐標系的位向關系。雖然可以用光學方法等物理方法確定單晶取向但X衍射法不僅可以精確地單晶定向同時還能得到晶體內(nèi)部微觀結構的信息。一般用勞埃法單晶定向其根據(jù)是底片上勞埃斑點轉換的極射赤面投影與樣品外坐標軸的極射赤面投影之間的位置關系。透射勞埃法只適用于厚度小且吸收系數(shù)小的樣品背射勞埃法就無需特別制備樣品樣品厚度大小等也不受限制因而多用此方法。多晶材料中晶粒取向沿一定方位偏聚的現(xiàn)象稱為織構常見的織構有絲織構和板織構兩種類型。為反映織構的概貌和

10、確定織構指數(shù)有三種方法描述織構:極圖、反極圖和三維取向函數(shù)這三種方法適用于不同的情況。對于絲織構要知道其極圖形式只要求出其絲軸指數(shù)即可照相法和衍射儀法是可用的方法。板織構的極點分布比較復雜需要兩個指數(shù)來表示且多用衍射儀進行測定。宓小川采用X射線能譜法測定了金屬板材織構分別獲得了IF鋼、冷軋電工鋼、CuNi15Sn8合金的織構信息說明X射線衍射能譜儀在金屬板材的織構測定方面具有快速、高效的優(yōu)點在材料性能與織構及生產(chǎn)工藝相互關系研究方面有極