第一篇：X射線衍射在材料分析中的應(yīng)用

X射線衍射在材料分析中的應(yīng)用

一、X射線的背景及衍射原理

1895年,倫琴首次發(fā)現(xiàn)X射線,隨后由布拉格父子發(fā)現(xiàn)X射線本質(zhì)是波長很短的電磁波。

X射線衍射技術(shù)是利用X射線在晶體、非晶體中衍射與散射效應(yīng)，進(jìn)行物相的定性和定量分析、結(jié)構(gòu)類型和不完整性分析的技術(shù)。

由于X射線衍射分析方法具有用量少、對(duì)樣品的非破壞性、大面積的平均性、對(duì)結(jié)構(gòu)和缺陷的靈敏性等特性，使得X射線衍射分析方法的應(yīng)用范圍不斷拓展，廣泛應(yīng)用于物理學(xué)、化學(xué)、分子物理學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、金屬學(xué)、材料學(xué)、高分子科學(xué)、工程技術(shù)學(xué)、地質(zhì)學(xué)、礦物學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域。本文僅討論X射線衍射在材料分析中的一些應(yīng)用。

材料分析是通過對(duì)表征材料的物理性質(zhì)或物理化學(xué)性質(zhì)參數(shù)及其變化(稱為測(cè)量信號(hào)或特征信息)的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)的。采用各種不同的測(cè)量信號(hào)(相應(yīng)地具有與材料的不同特征關(guān)系)形成了各種不同的材料分析方法。

二、X射線衍射方法

在各種衍射實(shí)驗(yàn)方法中 ,基本方法有單晶法、多晶法和雙晶法。

1.單晶衍射法

單晶X射線衍射分析的基本方法為勞埃法與周轉(zhuǎn)晶體法。

2.多晶衍射法

多晶X射線衍射方法包括照相法與衍射儀法。

三、理論依據(jù)

1.物相分析

⑴ X射線物相分析原理:任何結(jié)晶物質(zhì)都有其特定的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)參數(shù)(包括點(diǎn)陣類型、晶胞大小、晶胞中質(zhì)點(diǎn)的數(shù)目及坐標(biāo)等)。當(dāng)x射線通過晶體時(shí)，產(chǎn)生特定的衍射圖形，對(duì)應(yīng)一系列特定的面間距d和相對(duì)強(qiáng)度I／Il值。其中d與晶胞形狀及大小有關(guān)，I／I1與質(zhì)點(diǎn)的種類及位置有關(guān)。所以，任何一種結(jié)晶物質(zhì)的衍射數(shù)據(jù)d和I／I1是其晶體結(jié)構(gòu)的必然反映。不同物相混在一起時(shí),它們各自的衍射數(shù)據(jù)將同時(shí)出現(xiàn)，互不干擾地疊加在一起,因此,可根據(jù)各自的衍射數(shù)據(jù)來鑒定各種不同的物相。

⑵ 物相分析是指確定材料由哪些相組成和確定各組成相的含量。物相是決定或影響材料性能的重要因素,因而物相分析在材料、冶金、機(jī)械等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，物相分析有定性分析和定量分析兩種。

① 物相定性分析的目的是檢測(cè)固體樣品中的相組成,采用未知樣品衍射圖譜與標(biāo)準(zhǔn)圖譜比較的辦法。如果衍射圖譜相同即可確定為該物相。但如果樣品為多相混合試樣時(shí),衍射線條譜多,譜線可能發(fā)生重疊,就需要根據(jù)強(qiáng)度分解組合衍射圖譜來確定。

判斷一個(gè)物相是否存在有三個(gè)條件。第一，標(biāo)準(zhǔn)卡片中出現(xiàn)的峰的位置,樣品譜中必須有相應(yīng)的峰與之對(duì)應(yīng),即使3條強(qiáng)線對(duì)應(yīng)得都非常好,但如果有另一條較強(qiáng)線位置沒有明顯出現(xiàn)衍射峰,也不能確定存在該相。第二,標(biāo)準(zhǔn)卡片的峰高強(qiáng)度比(即非最強(qiáng)衍射峰與最強(qiáng)衍射峰的峰高強(qiáng)度比)與樣品峰的峰高強(qiáng)度比要大致相同,但一般情況下,對(duì)于金屬塊狀樣品,由于擇優(yōu)取向的存在,導(dǎo)致峰高強(qiáng)度比不一致,因此,峰高強(qiáng)度比僅可作參考。第三,檢索出來的物相包含的元素在樣品中必須存在。

② 物相定量分析就是確定物質(zhì)樣品中各組成相的相含量。

2.介紹物相定量分析的計(jì)算方法

⑴ K值法,將剛玉(Al2O3)作為普適內(nèi)標(biāo)物。PDF卡片上附加有的RIR值, 即是K值，是按樣品質(zhì)量與Al2O3(剛玉)按1∶1的質(zhì)量分?jǐn)?shù)混合后測(cè)量的樣品最強(qiáng)峰的積分強(qiáng)度除以(比)剛玉最強(qiáng)峰的積分強(qiáng)度,可寫為:

KAAl2O3IKA?AlO?A(1)K23IAl2O3稱為以剛玉為內(nèi)標(biāo)時(shí)A相的K值。

若一個(gè)樣品中同時(shí)存在A、B、C等相,可以選用A相作為標(biāo)樣,通過PDF卡片查到每個(gè)相的RIR值,由此計(jì)算出以其中的A相為內(nèi)標(biāo)物時(shí)樣品中每相的K值,即:

K?AAAKAl2O3KAAl2O3=1

BKA?BKAl2O3AKAl2O3CKAl2O3(2)

KCA?KAAl2O3

??

⑵絕熱法：絕熱法由K值法簡化而來，如果一個(gè)系統(tǒng)中存在N個(gè)相，其中X相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：

?X=

IXIiXKA?ii?AKAN

（3）

式中：A可以是被選定的樣品中的任意一相，i=A??，N表示樣品中有N個(gè)相。

四、樣品制備的原則

在粉晶衍射儀法中，樣品制作上的差異，對(duì)衍射結(jié)果影響很大。因此，通常要求樣品無擇優(yōu)取向(晶粒不沿某一特定的晶向規(guī)則地排列)，而且在任何方向中都應(yīng)有足夠數(shù)量的可供測(cè)量的結(jié)晶顆粒。

粉末粒度—般要求約1-5um，定量相分析約在0.1-2um,用手搓無顆粒感即可。用量一般約為1—2g，粉粒密度不同，用量稍有變化，以填滿樣品窗孔或凹槽為準(zhǔn)。

裝填粉末樣品時(shí)用力不可太大，以免形成粉粒的定向排列。用平整光滑的玻璃板適當(dāng)壓緊，然后將高出樣品板表面的多余粉末刮去，如此重復(fù)一兩次即可，使樣品表面平整。若使用窗式樣品板，則應(yīng)先使窗式樣品板正面朝下，放置在一塊表面平滑的厚玻璃板上，然后再填粉、壓平。在取出樣品板時(shí)，應(yīng)使樣品板沿所墊玻璃板的水平方向移動(dòng)，而不能沿垂直方向拿起，否則，會(huì)因墊置的玻璃板與粉末樣品表面問的吸引力而使粉末剝落。測(cè)量時(shí)應(yīng)使樣品表面對(duì)著入射x射線。

五、鋅鋁基鎂鉛合金塊狀固體為例進(jìn)行物相分析

本實(shí)驗(yàn)所用儀器是丹東方圓儀器有限公司DX-2500型X射線衍射儀,包含DWS-3型彎曲石墨晶體單色器,外加Dwlc-2循環(huán)水制冷裝置。本實(shí)驗(yàn)所用試樣為鋅鋁基鎂鉛合金塊狀固體, 即已知金屬合金試樣中含有鋅、鋁、鎂、鉛4種元素,并且單質(zhì)鋅、鋁相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均各為27%。

本實(shí)驗(yàn)的測(cè)試條件為: CU靶材，Kα輻射,石墨晶體單色器開,管電壓35kV,管電流35mA,測(cè)角儀半徑185mm;采用θ-2θ聯(lián)動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式,連續(xù)掃描方式,掃描速度0.06°/s ,采樣時(shí)間1s,掃描起始角10°,停止角度90°,X射線波長值1.54184nm,量程3000CPS。

1.物相定性分析

待鋅鋁基鎂鉛合金掃描完畢后,計(jì)算機(jī)將自動(dòng)保存衍射結(jié)果,將衍射數(shù)據(jù)導(dǎo)入MDIJade5.0中,進(jìn)行背景扣除后,即可對(duì)其進(jìn)行物相分析,分析結(jié)果如圖1和圖 2所示。圖1是在MDIJade軟件中的物相分析結(jié)果。雖然圖1可以將金屬塊狀合金標(biāo)準(zhǔn)衍射峰的角度值(位置)和絕對(duì)強(qiáng)度值與實(shí)驗(yàn)所測(cè)的進(jìn)行對(duì)比,但并不能從圖中直接看出各個(gè)實(shí)驗(yàn)所測(cè)的衍射峰分別代表什么物相。為此,結(jié)合圖1的分析結(jié)果,在其原始X 射線衍射譜上用數(shù)字標(biāo)定出各個(gè)與標(biāo)準(zhǔn)衍射峰吻合的衍射峰,并用數(shù)字解釋每個(gè)峰分別代表什么物相(如圖2所示)。

圖1 MDI Jade 軟件中鋅鋁基鎂鉛合金的物相分析結(jié)果

圖2 Origin軟件中鋅鋁基鎂鉛合金的物相分析結(jié)果

圖2中,標(biāo)準(zhǔn)峰1代表MgZn2相,標(biāo)準(zhǔn)峰2代表Pb相,標(biāo)準(zhǔn)峰3代表Al 相,標(biāo)準(zhǔn)峰4代表Zn相?？梢?MgZn2相、Pb相、Al相的標(biāo)準(zhǔn)衍射峰的角度值(位置)和絕對(duì)強(qiáng)度值與實(shí)驗(yàn)所測(cè)的吻合得很好,只有2個(gè)強(qiáng)度很小的峰沒有與標(biāo)準(zhǔn)衍射峰對(duì)上,說明它們是在該金屬合金制備過程中混入的少量雜質(zhì)所產(chǎn)生的未知相。Zn 相標(biāo)準(zhǔn)衍射峰的角度值(位置)與實(shí)驗(yàn)所測(cè)的Zn相完全符合,但實(shí)驗(yàn)所測(cè)Zn相衍射峰的峰高強(qiáng)度比與標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片的Zn相不太一致這是由于該樣品是金屬塊狀樣品,存在擇優(yōu)取向而導(dǎo)致的結(jié)果。在一般多晶體中,每個(gè)晶粒都有不同于鄰晶的結(jié)晶學(xué)取向,從整體看,所有晶粒的取向是任意分布的； 某些情況下,晶體的晶粒在不同程度上圍繞某些特殊的取向排列,這些特殊的取向排列就稱為擇優(yōu)取向,或簡稱織構(gòu)。擇優(yōu)取向的存在是影響金屬塊狀樣品物相分析的主要因素之一。如果試樣中的晶粒具有定向排列,即存在擇優(yōu)取向,則擇優(yōu)取向晶面的衍射強(qiáng)度將異常增強(qiáng)。從圖2中也可以看出,在2θ=42.6左右時(shí),Zn相衍射峰的衍射絕對(duì)強(qiáng)度異常增強(qiáng),其峰高強(qiáng)度值達(dá)到了 1000以上。由此可以推斷出:①該金屬合金中的單質(zhì)相含有單質(zhì) Zn 相、單質(zhì)Al相和單質(zhì)Pb相②該金屬合金中含有化合物MgZn2相③金屬 Mg 相和部分Zn相在該金屬合金樣品的制備過程中形成了化合物MgZn2相④該金屬合金中還含有少許雜質(zhì)相⑤該金屬合金樣品檢索出來的物相與其已知元素組成完全相符⑥由于該金屬合金絕大部分物相都可以被檢索出來,因此,它們衍射峰的角度值(位置)和絕對(duì)強(qiáng)度值都與標(biāo)準(zhǔn)PDF 卡片上的衍射峰相符合,且雜質(zhì)含量很少,說明該樣品制備得較好⑦由于金屬塊狀樣品存在擇優(yōu)取向,導(dǎo)致Zn相衍射峰的峰高強(qiáng)度比與標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片中 Zn相的峰高強(qiáng)度比不太一致。

2.物相定量分析

物相質(zhì)量分?jǐn)?shù)的計(jì)算,由式(3)可知，若樣品中含有4種物相,則各物相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為: ?AL?IALIMgZn2?IIPbIZn?ALKAL??AL???MgZn2ALPbZn?KAL?KALKALKAL?IPbIMgZn2?IIPbIZn???AL???MgZn2ALPbZn?KAL?KALKALKAL?IMgZn2MgZn2KAL(4)?Pb?PbKAL（5）

?MgZn?2IMgZn2?IIPbIZn???AL???MgZn2ALPbZn?KKKKALALAL??AL（6）

?Zn?IZnIMgZn2?IIPbIZn?ZnKAL??AL???MgZn2ALPbZn?KKKKALALAL??AL（7）

由式(4)-(7)看出,若想計(jì)算出各物相的質(zhì)量分?jǐn)?shù),需要將每個(gè)物相的積分強(qiáng)度I值與相對(duì)K值分別計(jì)算出來。通過MDIJade計(jì)算出來的各物相的積分強(qiáng)度如表

1、表2所示,即IPb=2246,IAl=2415,IMgZn2=1981, IZn=4238。通過MDIJade 計(jì)算出的各個(gè)物相的K值如表3所示,即KAl=4.10,KZn=8.99,KMgZn2=3.43，KPb=29.37

表 1 金屬塊狀樣品峰的物相鑒定報(bào)告

表 2 金屬塊狀樣品峰搜索報(bào)告

表 3 鋅鋁基鎂鉛合金物相分析結(jié)果中各物相的相關(guān)參數(shù)與數(shù)據(jù)

由各相的K值以及式(2)可以計(jì)算出各個(gè)物相的相對(duì)K值: KALALKAL4.10KPb29.37KMgZn23.43MgZn2Pb?AL??1;KAL?AL??7.16;KAL???0.84AL4.104.104.10KKKKZn8.99?AL??2.19

4.10K;KZnAL將每個(gè)物相的積分強(qiáng)I值和相對(duì)K值代入到式(4)-(7)中,可得:ωAl=34.39%,ωPb=4.47%,ωMgZn2=33.58%,ωZn=27.56%,由此可知ωAl+ωPb + ωMgZn2+ωZn=100%。雖然金屬塊狀樣品4種物相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相加正好等于100%,但這并不意味著每種物相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)就如此準(zhǔn)確地等于上述數(shù)值。其原因有以下4 點(diǎn)。(1)金屬合金樣品中存在有少量雜質(zhì) , 雜質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生物相 ,只是具體產(chǎn)生什么物相不清楚,所以金屬合金樣品中4種物相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相加不會(huì)完全等于100 %。但由于雜質(zhì)含量很少,所以金屬合金樣品中4種物相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相加的數(shù)值也會(huì)與100%很接近。(2)金屬合金樣品中Pb相的RIR值是進(jìn)行背景扣除以后通過MDIJade5.0軟件中的“CalcMDI”功能計(jì)算出來的,該RIR值會(huì)有些偏高,實(shí)際的RIR值會(huì)比此數(shù)值小一些,且計(jì)算出來的都是2位數(shù),從而導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)誤差,使得計(jì)算出來的金屬合金樣品中4 種物相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與實(shí)際各物相所含的質(zhì)量分?jǐn)?shù)稍有偏差。(3)金屬合金樣品在制備過程中由于各種物相混合不均勻,導(dǎo)致實(shí)際金屬合金樣品中各物相的含量(即質(zhì)量分?jǐn)?shù))與參考值偏離,從而造成衍射數(shù)據(jù)偏離,引起實(shí)驗(yàn)誤差。(4)由于金屬塊狀樣品存在擇優(yōu)取向,即金屬試樣中的某晶粒具有定向排列,則擇優(yōu)取向晶面的衍射絕對(duì)強(qiáng)度將異常增強(qiáng),從而對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)造成誤差。由圖2以及計(jì)算出來的各物相質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以作出以下推斷。

(1)實(shí)驗(yàn)所測(cè)鋅鋁基鎂鉛合金樣品中每種物相的衍射峰的角度值(位置)和絕對(duì)強(qiáng)度值與標(biāo)準(zhǔn)衍射峰吻合得越多的,不一定說明該物相所含的質(zhì)量分?jǐn)?shù)就越大。MgZn2相與標(biāo)準(zhǔn)衍射峰吻合得最多,但其所含的質(zhì)量分?jǐn)?shù)并不是最大的,它比Al相所含的質(zhì)量分?jǐn)?shù)稍小。這是因?yàn)閺膱D1所觀察到的各物相衍射峰的角度值(位置)和絕對(duì)強(qiáng)度值與標(biāo)準(zhǔn)衍射峰相吻合的程度,只能定性地說明該金屬合金樣品是否含有所需物相,并不能通過兩者吻合的多少來定量判斷物相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。試樣中各個(gè)物相質(zhì)量分?jǐn)?shù)的數(shù)值是通過計(jì)算而得出,它與每種物相最強(qiáng)峰的積分強(qiáng)度和K值都有關(guān)系。對(duì)于一定的物相, K值是一常數(shù),不能通過圖1觀察得到,標(biāo)準(zhǔn)衍射卡片中固有的或是通過MDIJade軟件計(jì)算出來的數(shù)值。

(2)由于已知金屬塊狀樣品單質(zhì)Zn、Al相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均各為27% ,而通過物相質(zhì)量分?jǐn)?shù)的計(jì)算而得出的單質(zhì)Zn相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為ωZn =27.56% ,單質(zhì)Al相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為ωAl=34.39%,與已知金屬塊狀樣品單質(zhì) Zn、Al相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本符合。說明該金屬塊狀樣品的物相質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算結(jié)果可信程度較高。

六、X射線衍射在材料分析中的其他應(yīng)用

1.點(diǎn)陣常數(shù)的精確測(cè)定

點(diǎn)陣常數(shù)是晶體物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù),測(cè)定點(diǎn)陣常數(shù)在研究固態(tài)相變、確定固溶體類型、測(cè)定固溶體溶解度曲線、測(cè)定熱膨脹系數(shù)等方面都得到了應(yīng)用。點(diǎn)陣常數(shù)的測(cè)定是通過X射線衍射線的位置(θ)的測(cè)定而獲得的,通過測(cè)定衍射花樣中每一條衍射線的位置均可得出一個(gè)點(diǎn)陣常數(shù)值。

2.應(yīng)力的測(cè)定

3.晶粒尺寸和點(diǎn)陣畸變的測(cè)定 4.單晶取向和多晶織構(gòu)測(cè)定

七、X射線衍射在材料分析中的應(yīng)用展望

隨著X射線衍射技術(shù)越來越先進(jìn),X射線衍射法的用途也越來越廣泛, 計(jì)算機(jī)的普遍使用讓各種測(cè)量儀器的功能變得強(qiáng)大,測(cè)試過程變得簡單快捷,但是,伴隨X射線衍射測(cè)量儀器的軟件缺陷越來越明顯,在各種分析過程中,軟件分析檢索的準(zhǔn)確度都不盡人意。縱觀整個(gè)X射線衍射領(lǐng)域,可以看出儀器設(shè)備的精密化和多用途化是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì),然而測(cè)量儀器運(yùn)行的軟件明顯落后于設(shè)備的發(fā)展,因此今后需要開發(fā)強(qiáng)大的分析軟件，以滿足科學(xué)者分析的需要。

第二篇：X射線衍射在材料分析測(cè)試中的應(yīng)用

X射線衍射技術(shù)在材料分析測(cè)試中的應(yīng)用

摘要：X 射線衍射分析技術(shù)是一種十分有效的材料分析方法, 在眾多領(lǐng)域的研究和生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。介紹了X 射線衍射的基本原理, 從物相鑒定、點(diǎn)陣參數(shù)測(cè)定、微觀應(yīng)力測(cè)定等幾方面概述了X 射線衍射技術(shù)在材料分析中的應(yīng)用進(jìn)展。X射線基本原理

由于X 射線是波長在1000?~0.01?之間的一種電磁輻射, 常用的X 射線波長約在2.5?~ 0.5?之間, 與晶體中的原子間距(1?)數(shù)量級(jí)相同, 因此可以用晶體作為X 射線的天然衍射光柵, 這就使得用X射線衍射進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)分析成為可能。

當(dāng)X射線沿某方向入射某一晶體的時(shí)候, 晶體中每個(gè)原子的核外電子產(chǎn)生的相干波彼此發(fā)生干涉.當(dāng)每兩個(gè)相鄰波源在某一方向的光程差(Δ)等于波長λ的整數(shù)倍時(shí), 它們的波峰與波峰將互相疊加而得到最大限度的加強(qiáng), 這種波的加強(qiáng)叫做衍射, 相應(yīng)的方向叫做衍射方向, 在衍射方向前進(jìn)的波叫做衍射波。Δ= 0的衍射叫零級(jí)衍射, Δ = λ的衍射叫一級(jí)衍射, Δ = nλ的衍射叫n級(jí)衍射.n不同, 衍射方向也不同。

在晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中, 具有周期性排列的原子或電子散射的次生X射線間相互干涉的結(jié)果, 決定了X射線在晶體中衍射的方向, 所以通過對(duì)衍射方向的測(cè)定, 可以得到晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、晶胞大小和形狀等信息。

晶體結(jié)構(gòu)= 點(diǎn)陣+ 結(jié)構(gòu)基元, 點(diǎn)陣又包括直線點(diǎn)陣,平面點(diǎn)陣和空間點(diǎn)陣.空間點(diǎn)陣可以看成是互不平行的三組直線點(diǎn)陣的組合, 也可以看作是由互相平行且間距相等的一系列平面點(diǎn)陣所組成.勞厄和布拉格就是分別從這兩個(gè)角度出發(fā), 研究衍射方向與晶胞參數(shù)之間的關(guān)系。倫琴發(fā)現(xiàn)X射線之后, 1912年德國物理學(xué)家勞厄首先根據(jù)X 射線的波長和晶體空間點(diǎn)陣的各共振體間距的量級(jí), 理論預(yù)見到X 射線與晶體相遇會(huì)產(chǎn)生衍射現(xiàn)象, 并且他成功地驗(yàn)證了這一預(yù)見, 并由此推出了著名的勞厄定律。2 X射線的應(yīng)用.1 X射線衍射物相分析原理

與化學(xué)分析不同，X 射線衍射分析所能指示出的是“相”，而不僅限于元素。對(duì)X 光來說，晶體點(diǎn)陣是理想的衍射光柵，物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)上的差異導(dǎo)致形形色色的衍射花樣。沒有兩種結(jié)晶物質(zhì)會(huì)給出完全相同的衍射花樣。如果將幾種物相混合攝照，所得衍射線條將是各個(gè)單獨(dú)物相衍射結(jié)果的簡單疊加。對(duì)每種單相物質(zhì)都測(cè)定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的圖樣，制成卡片，物相分析就變成了簡單的對(duì)照工作。同理，可對(duì)多相混合物或化合物逐一進(jìn)行鑒定。

如今在硬質(zhì)合金涂層的研究分析中，X 射線衍射物相分析已是常用的手段之一，與金相分析結(jié)合應(yīng)用，充分發(fā)揮功效。硬質(zhì)合金涂層的物相分析就是借助前人制作的上萬種標(biāo)準(zhǔn)衍射圖樣，根據(jù)物質(zhì)的X 射線衍射花樣與物質(zhì)內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)的特點(diǎn)，查對(duì)而快速判定涂覆物相組分，確定材料含有的相，以此達(dá)到調(diào)控優(yōu)化工藝，獲取所需物相結(jié)構(gòu)。

2.1 物相定性分析即固體由哪幾種物質(zhì)構(gòu)成

不同的多晶體物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和組成元素各不相同, 它們的衍射花樣在線條數(shù)目、角度位置、強(qiáng)度上就呈現(xiàn)出差異, 衍射花樣與多晶體的結(jié)構(gòu)和組成有關(guān), 一種特定的物相具有自己獨(dú)特的一組衍射線條(即衍射譜), 反之不同的衍射譜代表著不同的物相.若多種物相混合成一個(gè)試樣, 則其衍射譜就是其中各個(gè)物相衍射譜疊加而成的復(fù)合衍射譜.因而, 我們可以通過測(cè)定試樣的復(fù)合衍射譜, 并對(duì)復(fù)合衍射譜進(jìn)行分析分解, 從而確定試樣由哪幾種物質(zhì)構(gòu)成。

2.2 物相定量分析

物相定量分析的任務(wù)是用X 射線衍射技術(shù), 準(zhǔn)確測(cè)定混合物中各相的衍射強(qiáng)度, 從而求出多相物質(zhì)中各相的含量.其理論基礎(chǔ)是物質(zhì)參與衍射的體積或者重量與其所產(chǎn)生的衍射強(qiáng)度成正比, 因而, 可通過衍射強(qiáng)度的大小求出混合物中某相參與衍射的體積分?jǐn)?shù)或者重量分?jǐn)?shù), 從而確定混合物中某相的含量.X射線衍射物相定量分析方法有: 內(nèi)標(biāo)法、外標(biāo)法、絕熱法、增量法、無標(biāo)樣法、基體沖洗法 和全譜擬合法等常規(guī)分析方法.內(nèi)標(biāo)法、絕熱法和增量法等都需要在待測(cè)樣品中加入?yún)⒖紭?biāo)相并繪制工作曲線, 如果樣品含有的物相較多、譜線復(fù)雜, 再加入?yún)⒖紭?biāo)相時(shí)會(huì)進(jìn)一步增加譜線的重疊機(jī)會(huì),從而給定量分析帶來困難;外標(biāo)法雖然不需要在樣品中加入?yún)⒖紭?biāo)相, 但需要用純的待測(cè)相物質(zhì)制作工作曲線;基體沖洗法、無標(biāo)樣法和全譜擬合法等分析方法不需要配制一系列內(nèi)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線, 但需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算, 如聯(lián)立方程法和最小二乘法等.總之, X射線衍射方法進(jìn)行物相定量分析方法很多, 但是有些方法需要有純的物質(zhì)作為標(biāo)樣, 而有時(shí)候純的物質(zhì)難以得到, 從而使得定量分析難以進(jìn)行, 從這個(gè)意義上說, 無標(biāo)樣定量相分析法具有較大的使用價(jià)值和推廣價(jià)值.2.3點(diǎn)陣參數(shù)的測(cè)定

點(diǎn)陣參數(shù)是物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù), 任何一種晶體物質(zhì)在一定狀態(tài)下都有一定的點(diǎn)陣參數(shù)。測(cè)定點(diǎn)陣參數(shù)在研究固態(tài)相變、確定固溶體類型、測(cè)定固溶體溶解度曲線、測(cè)定熱膨脹系數(shù)等方面都得到了應(yīng)用。點(diǎn)陣參數(shù)的測(cè)定是通過X 射線衍射線位置的測(cè)定而獲得的, 通過測(cè)定衍射花樣中每一條衍射線的位置均可得出一個(gè)點(diǎn)陣常數(shù)值。吳建鵬等 采用X 射線衍射技術(shù)測(cè)量了不同配比條件下Fe2 O3 和Cr2O3 的固溶體的點(diǎn)陣參數(shù),根據(jù)Vegard 定律計(jì)算出固溶體中某相的固溶度,這種方法雖然存在一定的誤差, 但對(duì)于反映固溶度隨工藝參數(shù)的變化趨勢(shì)仍然是非常有效的。劉曉等通過衍射技術(shù)計(jì)算出了低碳鋼中馬氏體的點(diǎn)陣常數(shù), 并建立了一個(gè)馬氏體點(diǎn)陣參數(shù)隨固溶碳量變化的新經(jīng)驗(yàn)方程, 他們根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)所獲得的回歸方程可成為鋼中相(過飽和)含碳量的實(shí)用的標(biāo)定辦法(特別在低碳范圍)。

2.4 微觀應(yīng)力的測(cè)定

微觀應(yīng)力是指由于形變、相變、多相物質(zhì)的膨脹等因素引起的存在于材料內(nèi)各晶粒之間或晶粒之中的微區(qū)應(yīng)力。當(dāng)一束X 射線入射到具有微觀應(yīng)力的樣品上時(shí), 由于微觀區(qū)域應(yīng)力取向不同, 各晶粒的晶面間距產(chǎn)生了不同的應(yīng)變, 即在某些晶粒中晶面間距擴(kuò)張, 而在另一些晶粒中晶面間距壓縮, 結(jié)果使其衍射線并不像宏觀內(nèi)應(yīng)力所影響的那樣單一地向某一方向位移, 而是在各方向上都平均地作了一些位移, 總的效應(yīng)是導(dǎo)致衍射線漫散寬化。材料的微觀殘余應(yīng)力是引起衍射線線形寬化的主要原因, 因此衍射線的半高寬即衍射線最大強(qiáng)度一半處的寬度是描述微觀殘余應(yīng)力的基本參數(shù)。錢樺等 在利用X 射線衍射研究淬火65Mn 鋼回火殘余應(yīng)力時(shí)發(fā)現(xiàn): 半高寬的變化與回火時(shí)間、溫度密切相關(guān)。與硬度變化規(guī)律相似, 半高寬也是隨著回火時(shí)間的延長和回火溫度的升高呈現(xiàn)單調(diào)下降的趨勢(shì)。因此,X 射線衍射中半高寬-回火時(shí)間、溫度曲線可以用于回火過程中殘余應(yīng)力消除情況的判定。

2.5 結(jié)晶度的測(cè)定

結(jié)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(jié)晶相和非晶相的衍射圖譜往往會(huì)重疊。結(jié)晶度的測(cè)定主要是根據(jù)結(jié)晶相的衍射圖譜面積與非晶相圖譜面積的比, 在測(cè)定時(shí)必須把晶相、非晶相及背景不相干散射分離開來。基本公式為: X c = I c/(I c+ K I a)

式中: X c — 結(jié)晶度 I c —晶相散射強(qiáng)度 I a — 非晶相散射強(qiáng)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(shù)測(cè)定了高聚物聚丙烯(PP)的結(jié)晶度, 利用函數(shù)分峰法分離出非晶峰和各個(gè)結(jié)晶峰, 計(jì)算出了不同熱處理?xiàng)l件下聚丙烯的結(jié)晶度, 得出了聚丙烯結(jié)晶度與退火時(shí)間的規(guī)律。2.6晶體取向及織構(gòu)的測(cè)定

晶體取向的測(cè)定又稱為單晶定向, 就是找出晶體樣品中晶體學(xué)取向與樣品外坐標(biāo)系的位向關(guān)系。雖然可以用光學(xué)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(shí)還能得到晶體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)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(diǎn)轉(zhuǎn)換的極射赤面投影與樣品外坐標(biāo)軸的極射赤面投影之間的位置關(guān)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(gòu), 常見的織構(gòu)有絲織構(gòu)和板織構(gòu)兩種類型。為反映織構(gòu)的概貌和確定織構(gòu)指數(shù), 有三種方法描述織構(gòu): 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(duì)于絲織構(gòu), 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。示, 且多用衍射儀進(jìn)行測(cè)定。

2.7分析結(jié)果準(zhǔn)確性依據(jù)

X射線熒光光譜無標(biāo)樣分析軟件經(jīng)常用于未知樣分析，其結(jié)果的準(zhǔn)確性往往無法驗(yàn)證。Speelratplus 軟件提供了一個(gè)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性判據(jù)：康普頓線比率和瑞利線比率，即通過樣品中各元素的濃度計(jì)算出理論康普頓線強(qiáng)度和瑞利線強(qiáng)度，再將這個(gè)理論強(qiáng)度與實(shí)測(cè)的強(qiáng)度進(jìn)行比較，如果比率接近1，說明本次無標(biāo)樣分析結(jié)果較可靠。如果理論強(qiáng)度與實(shí)測(cè)強(qiáng)度相差較大，對(duì)于康普頓線比率而言，比率大于1，說明樣品的平均原子序數(shù)偏小，即這次分析的基體偏輕；比率小于1，說明樣品的平均原子序數(shù)偏大，即基體偏重?？紤]康普頓線對(duì)輕元素敏感，瑞利線對(duì)重元素敏感，因此，對(duì)于輕基體主要看康普頓線比率，對(duì)于重基體主要看瑞利線比率。一般比率在0.7~1.4 之間時(shí)，都認(rèn)為該比率比較接近1。

2.8 由多晶材料得到類單晶衍射數(shù)據(jù)

確定一個(gè)晶態(tài)材料晶體結(jié)構(gòu)最有力的手段是進(jìn)行單晶X 射線衍射, 通常要求單晶的粒徑在0.1~1mm之間, 但是合乎單晶結(jié)構(gòu)分析用的單晶有時(shí)難以獲得, 且所發(fā)現(xiàn)的新材料通常是先獲得多晶樣品, 因此, 僅僅依靠單晶衍射進(jìn)行結(jié)構(gòu)測(cè)定顯然不能適應(yīng)新材料研究快速發(fā)展的狀況.為加速研究工作的進(jìn)展,以及對(duì)復(fù)合材料和納米材料等的結(jié)構(gòu)研究, 都只能在多晶材料下進(jìn)行研究和測(cè)定其晶體結(jié)構(gòu), 因此, X射線粉末衍射法在表征物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu), 提供結(jié)構(gòu)信息方面具有極其重要的意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

近年來, 利用粉末衍射數(shù)據(jù)測(cè)定未知結(jié)構(gòu)的方法獲得了很大的成功, 這種方法的關(guān)鍵在于正確地對(duì)粉末衍射圖譜進(jìn)行分峰, 確定相應(yīng)于每一個(gè)面指數(shù)(hkl)的衍射強(qiáng)度, 再利用單晶結(jié)構(gòu)分析方法測(cè)定晶體結(jié)構(gòu).從復(fù)雜的氧化物到金屬化合物都可利用此方法測(cè)定晶體結(jié)構(gòu)。

晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定還有一些經(jīng)驗(yàn)方法, 如同構(gòu)型法、傅里葉差值法和嘗試法等。對(duì)于較為復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu), 人工嘗試往往受到主觀因素和計(jì)算量大的限制, 存在著可行的模型被忽略的可能性。目前計(jì)算機(jī)技術(shù)在材料相關(guān)系、晶體結(jié)構(gòu)研究和新材料探索中的應(yīng)用越來越廣泛, 其中計(jì)算機(jī)模擬法是對(duì)待測(cè)的晶體結(jié)構(gòu), 先給定一個(gè)隨機(jī)的模型, 根據(jù)設(shè)定的某一判據(jù), 指導(dǎo)計(jì)算機(jī)沿正確的方向?qū)ふ医Y(jié)構(gòu)中的原子位置, 以獲得初略結(jié)構(gòu), 繼而可采用差值傅里葉合成和立特沃爾德法修正結(jié)構(gòu)。以衍射強(qiáng)度剩差最小為判據(jù)的蒙特卡洛(MonteCarlo)法、以體系能量最低為判據(jù)的能量最小法以及模擬退火法和分子動(dòng)力學(xué)模擬法等都屬 于粉末衍射晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定的計(jì)算機(jī)模擬法。

2.9擇優(yōu)取向分析

單晶體是各向異性的，多晶材料卻表現(xiàn)出各向同性，因?yàn)樵诙嗑Яｓw中各晶粒為無規(guī)則取向，在各方向上的性能及是一種平均的表現(xiàn)。如果因?yàn)槟承┰蚴沟妹總€(gè)晶粒的取向趨于一致，我們稱此為擇優(yōu)取向或織構(gòu)。

在一般的X 射線衍射分析工作中，材料的擇優(yōu)取向往往起著干擾作用，因?yàn)樗沟盟鶞y(cè)衍射線的強(qiáng)度不準(zhǔn)確。這方面最典型的例子為物相定量分析、應(yīng)力測(cè)量等。因此，在進(jìn)行這些分析之前辨明織構(gòu)是很必要的。應(yīng)當(dāng)指出，織構(gòu)的存在與否跟晶粒的外形可能完全無關(guān)，具有拉長或扎扁的晶粒的多晶體有時(shí)完全沒有織構(gòu)，而具有等軸晶粒的多晶體卻并非總意味著取向是混亂的，因此，不能用金相法鑒定織構(gòu)是否存在。測(cè)定硬質(zhì)合金織構(gòu)即擇優(yōu)取向的方法主要有X 射線法、磁轉(zhuǎn)矩法、光學(xué)測(cè)角儀法等，其中以X 射線法較為有效。用X 射線衍射分析涂層材料的晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)考慮涂層厚度對(duì)分析結(jié)果的影響，當(dāng)基體與涂層中有相同的化學(xué)成分且涂層厚度在1～2 μm 以下時(shí)，應(yīng)注意排除基體背底衍射峰的干擾。限于篇幅不作詳論。結(jié)論

綜上所述, X 射線衍射技術(shù)在材料分析領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用, 在無機(jī)材料、有機(jī)材料、鋼鐵冶金、納米材料等研究領(lǐng)域中發(fā)揮越來越重要的作用。通過X射線衍射分析, 可以測(cè)得試樣的結(jié)晶度、晶粒大小、點(diǎn)陣參數(shù)、試驗(yàn)由哪幾種物質(zhì)構(gòu)成以及各物質(zhì)的含量等, 可以對(duì)薄膜材料進(jìn)行厚度、粗糙度等測(cè)定, 同時(shí)還可以由多晶材料得到類單晶衍射數(shù)據(jù), 從而獲得試樣的晶體結(jié)構(gòu)。X 射線衍射技術(shù)已經(jīng)成為人們研究材料尤其是晶體材料最方便、最重要的手段。隨著技術(shù)手段的不斷創(chuàng)新和設(shè)備的不斷完善升級(jí), X 射線衍射技術(shù)在材料分析領(lǐng)域必將擁有更廣闊的應(yīng)用前景。

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第三篇：X射線衍射在材料分析當(dāng)中的應(yīng)用

X射線衍射在材料分析當(dāng)中的應(yīng)用

摘要：X射線衍射分析（X-ray diffraction，簡稱XRD），是利用晶體形成的X射線衍射，對(duì)物質(zhì)進(jìn)行內(nèi)部原子在空間分布狀況的結(jié)構(gòu)分析方法。將具有一定波長的X射線照射到結(jié)晶性物質(zhì)上時(shí)，X射線因在結(jié)晶內(nèi)遇到規(guī)則排列的原子或離子而發(fā)生散射，散射的X射線在某些方向上相位得到加強(qiáng)，從而顯示與結(jié)晶結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的特有的衍射現(xiàn)象。X射線衍射方法具有不損傷樣品、無污染、快捷、測(cè)量精度高、能得到有關(guān)晶體完整性的大量信息等優(yōu)點(diǎn)。本文主要介紹X射線衍射分析在材料科學(xué)中應(yīng)用并以測(cè)量內(nèi)應(yīng)力為例對(duì)其進(jìn)行具體分析。關(guān)鍵詞：材料分析，射線衍射，應(yīng)用

1912年勞厄衍射實(shí)驗(yàn)的成功,為X射線衍射分析的應(yīng)用開辟了廣闊的前景。根據(jù)衍射花樣可以進(jìn)行晶體和非晶體的結(jié)構(gòu)測(cè)定,研究與結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)變化相關(guān)的各種問題。X射線衍射的應(yīng)用已滲透到物理、化學(xué)、地質(zhì)、天文、生命科學(xué)、材料科學(xué)、石油化工、金屬冶金、醫(yī)藥等行業(yè) ,成為非常重要的近代物理分析方法。X 射線衍射分析在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用包括未知物物相鑒定、催化研究、結(jié)晶性聚合物研究。

X射線衍射分析用于催化研究已經(jīng)有五十余年的歷史，近年來由于X射線儀的新發(fā)展以及電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，使X射線衍射成為催化研究中不可缺少的分析手段。在催化研究中的應(yīng)用包括催化劑的剖析、催化劑研制及應(yīng)用過程中各階段物相組成變化、活性組分變化狀況等。從催化劑的剖析結(jié)果可以推斷催化劑載體和活性組分的類型。通過對(duì)催化劑研制過程中各階段的樣品分析, 幫助了解工藝條件變化對(duì)各物相組成的影響。應(yīng)用過程中各階段物相組成變化、活性組分變化狀況等對(duì)于尋找改善催化劑的途徑，增加其活性與選擇性是十分重要的。

在催化劑的研究中,總要涉及催化劑的活性、穩(wěn)定性、失活機(jī)理等問題,這些問題與催化劑的活性物相有關(guān)。催化劑的物相組成、晶粒大小等往往是決定其活性和選擇性的重要因素。

目前各衍射儀廠家都可配備各種附件裝置,包括高低溫衍射附件、原位樣品池,可以在高、低溫條件下模擬生產(chǎn)過程,測(cè)量出相變或反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的各種信息,高溫加熱中樣品的晶體結(jié)構(gòu)變化或各種物質(zhì)相互熔解的變化,晶格常數(shù)漂移,熔融樣品析出晶相的識(shí)別等。

為了能確切測(cè)量在不同氣氛、溫度、壓力條件下催化劑等各種材料的結(jié)構(gòu)組成變化,近年設(shè)計(jì)開發(fā)了原位技術(shù)。原位分析已在紅外等儀器上有了很大程度的發(fā)展。由于X射線強(qiáng)度被衍射儀附件的窗口強(qiáng)烈衰減,金屬被等窗口厚度 在微米數(shù)量級(jí),不能承受較大壓力,附件只能在常壓或低壓下使用, 并且一些反應(yīng)氣體腐蝕性較強(qiáng),使原位技術(shù)在衍射儀上的應(yīng)用受到限制。清華大學(xué)自行設(shè)計(jì)了“原位”X 射線衍射樣品池,用于催化劑的測(cè)試,研究催化劑體系的震蕩反應(yīng)機(jī)理及活性物相。

衍射分析還用于X型、Y型、ZSM、SAPO等各種分子篩的硅鋁比、結(jié)晶度、晶胞參數(shù)測(cè)定,各類樣品的結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)定。

隨著X射線衍射技術(shù)越來越先進(jìn)，X射線衍射法的用途也越來越廣泛，除了在無機(jī)晶體材料中的應(yīng)用，已經(jīng)在有機(jī)材料、鋼鐵冶金、以及納米材料的研究領(lǐng)域中發(fā)揮出巨大作用，并且還應(yīng)用于瞬間動(dòng)態(tài)過程的測(cè)量。計(jì)算機(jī)的普遍使用讓各種測(cè)量儀器的功能變得強(qiáng)大，測(cè)試過程變得簡單快捷，雙晶衍射、多重衍射也越來越完善。但是，隨之而來的軟件也缺陷越來越明顯，在各種分析過程中，軟件分析檢索的準(zhǔn)確度都不盡人意?？v觀整個(gè)X射線衍射領(lǐng)域，可以看出儀器設(shè)備的精密化和多用途化是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，然而各種設(shè)備運(yùn)行的軟件明顯落后于設(shè)備的發(fā)展，所以今后迫切的需要是軟件系統(tǒng)的更新和完善。隨著各行業(yè)對(duì)金屬材料的需求不斷增長，在金屬材料分析領(lǐng)域必將擁有更廣闊的應(yīng)用前景。

第四篇：X射線衍射在材料科學(xué)中的應(yīng)用

X射線衍射在材料科學(xué)中的應(yīng)用

姓名：王杰

班級(jí)：1129201

學(xué)號(hào)：1112920103

X射線衍射在材料科學(xué)中的應(yīng)用

學(xué)號(hào)：1112920103 姓名：王杰

摘要： X射線衍射是人類用來研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的第一種方法，并且x射線衍射的應(yīng)用范圍非常廣泛, 現(xiàn)已滲透到物理、化學(xué)、地球科學(xué)、材料科學(xué)以及各種工程技術(shù)科學(xué)中, 成為一種重要的實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)構(gòu)分析手段, 具有無損試樣的優(yōu)點(diǎn)。本文將主要介紹x射線衍射及其在材料科學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：x射線 材料科學(xué) 物相分析 應(yīng)用

X射線是波長介于紫外線和γ射線之間的電磁輻射。X射線是一種波長很短的電磁輻射，其波長約為（20～0.06）×10-8厘米之間。由德國物理學(xué)家W.K.倫琴于1895年發(fā)現(xiàn)，故又稱倫琴射線。倫琴射線具有很高的穿透本領(lǐng)，能透過許多對(duì)可見光不透明的物質(zhì)，如墨紙、木料等。這種肉眼看不見的射線可以使很多固體材料發(fā)生可見的熒光，使照相底片感光以及空氣電離等效應(yīng)。而我們對(duì)x射線了解最多的無疑是x射線的衍射了，1912年勞埃等人根據(jù)理論預(yù)見，并用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了X射線與晶體相遇時(shí)能發(fā)生衍射現(xiàn)象，證明了X射線具有電磁波的性質(zhì)，成為X射線衍射學(xué)的第一個(gè)里程碑。

當(dāng)一束單色X射線入射到晶體時(shí)，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射線波長有X射線衍射分析相同數(shù)量級(jí)，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(qiáng)X射線衍射，衍射線在空間分布的方位和強(qiáng)度，與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，這就是X射線衍射的基本原理。還有在x射線衍射方面最為重要的一個(gè)定理即布拉格定理，2d sinθ=nλ。這個(gè)公式的得出直接推動(dòng)了x射線的發(fā)展，引起了人們對(duì)它的關(guān)注。時(shí)至今日，x射線衍射的應(yīng)用范圍已非常廣泛, 滲透到物理、化學(xué)、地球科學(xué)、材料科學(xué)以及各種工程技術(shù)科學(xué)中, 成為一種重要的實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)構(gòu)分析手段, 具有無損試樣的優(yōu)點(diǎn)，它的應(yīng)用包括物相分析、精密測(cè)量晶體點(diǎn)陣參數(shù)、宏觀應(yīng)力的測(cè)定等。

物質(zhì)結(jié)構(gòu)的分析盡管可以采用中子衍射、電子衍射、紅外光譜、穆斯堡爾譜等方法，但是 X 射線衍射是最有效的、應(yīng)用最廣泛的手段, 而且X射線衍射是人類用來研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的第一種方法。

關(guān)于材料科學(xué)方面，x射線的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，我們都知道在研究材料時(shí)，其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)占用很大部分，晶體結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣常數(shù)、微觀結(jié)構(gòu)、晶粒取向等等的研究都十分重要。所以在研究這些的時(shí)候方法的選擇也變得尤為重要，由于x射線衍射具有無損和結(jié)構(gòu)分析的優(yōu)點(diǎn)，故它在材料科學(xué)的研究中占有相當(dāng)?shù)牡匚?。接下來就具體介紹一下它的應(yīng)用。

1、物相分析

物相分析是X射線衍射在材料中用得最多的方面，分定性分析和定量分析。前者把對(duì)材料測(cè)得的點(diǎn)陣平面間距及衍射強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)物相的衍射數(shù)據(jù)相比較，確定材料中存在的物相；后者則根據(jù)衍射花樣的強(qiáng)度，確定材料中各相的含量。

物相定量分析的任務(wù)是用X射線衍射技術(shù)，準(zhǔn)確測(cè)定混合物中各相的衍射強(qiáng)度，從而求出多相物質(zhì)中各相的含量。其理論基礎(chǔ)是物質(zhì)參與衍射的體積或者重量與其所產(chǎn)生的衍射強(qiáng)度成正比，因而，可通過衍射強(qiáng)度的大小求出混合物中某相參與衍射的體積分?jǐn)?shù)或者重量分?jǐn)?shù)，從而確定混合物中某相的含量。X射線衍射物相定量分析方法有：內(nèi)標(biāo)法、外標(biāo)法、絕熱法、增量法、無標(biāo)樣法、基體沖洗法和全譜擬合法等常規(guī)分析方法。內(nèi)標(biāo)法、絕熱法和增量法等都需要在待測(cè)樣品中加入?yún)⒖紭?biāo)相并繪制工作曲線，如果樣品含有的物相較多、譜線復(fù)雜，再加入?yún)⒖紭?biāo)相時(shí)會(huì)進(jìn)一步增加譜線的重疊機(jī)會(huì)，從而給定量分析帶來困難；外標(biāo)法雖然不需要在樣品中加入?yún)⒖紭?biāo)相，但需要用純的待測(cè)相物質(zhì)制作工作曲線；基體沖洗法、無標(biāo)樣法和全譜擬合法等分析方法不需要配制一系列內(nèi)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，但需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，如聯(lián)立方程法和最小二乘法等，總之，X射線衍射方法進(jìn)行物相定量分析方法很多，但是有些方法需要有純的物質(zhì)作為標(biāo)樣，而有時(shí)候純的物質(zhì)難以得到，從而使得定量分析難以進(jìn)行，從這個(gè)意義上說，無標(biāo)樣定量相分析法具有較大的使用價(jià)值和推廣價(jià)值。

故此可以看出在研究材料時(shí)，應(yīng)用物相分析無疑是最有效的方法，研究一個(gè)物質(zhì)的組成及比例情況，就只需對(duì)其進(jìn)行x射線衍射便可以很快得出結(jié)論。

2、宏觀應(yīng)力的測(cè)定

在材料部件宏觀尺度范圍內(nèi)存在的內(nèi)應(yīng)力分布在它的各個(gè)部分，相互間保持平衡，這種內(nèi)應(yīng)力稱為宏觀應(yīng)力，宏觀應(yīng)力的存在使部件內(nèi)部的晶面間距發(fā)生改變，所以可以借助X射線衍射方法來測(cè)定材料部件中的應(yīng)力。按照布拉格定律可知，在一定波長輻射發(fā)生衍射的條件下，晶面間距的變化導(dǎo)致衍射角的變化，測(cè)定衍射角的變化即可算出宏觀應(yīng)變，因而可進(jìn)一步計(jì)算得到應(yīng)力大小?？傊?，X射線衍射測(cè)定應(yīng)力的原理是以測(cè)量衍射線位移作為原始數(shù)據(jù), 所測(cè)得的結(jié)果實(shí)際上是應(yīng)變，而應(yīng)力則是通過虎克定律由應(yīng)變計(jì)算得到。

借助X射線衍射方法來測(cè)定試樣中宏觀應(yīng)力具有以下優(yōu)點(diǎn)：不用破壞試樣即可測(cè)量；可以測(cè)量試樣上小面積和極薄層內(nèi)的宏觀應(yīng)力，如果與剝層方法相結(jié)合，還可測(cè)量宏觀應(yīng)力在不同深度上的梯度變化；測(cè)量結(jié)果可靠性高等。

由于我是材料學(xué)院的學(xué)生，所以對(duì)此有些了解，我們平常在對(duì)一種材料進(jìn)行分析的時(shí)候，它所能承受的最大應(yīng)力是研究的關(guān)鍵所在，只有對(duì)此有了研究，才可以繼續(xù)研究它的其他方面。所以x射線的研究也變得尤為重要了。

3、晶體點(diǎn)陣參數(shù)的測(cè)定

點(diǎn)陣參數(shù)是晶態(tài)材料的重要物理參數(shù)之一，精確測(cè)定點(diǎn)陣參數(shù)有助于研究該物質(zhì)的鍵合能和鍵強(qiáng)，計(jì)算理論密度、各向異性熱膨脹系數(shù)和壓縮系數(shù)、固溶體的組分和固溶度、宏觀殘余應(yīng)力大小，確定相溶解度曲線和相圖的相界，研究相變過程，分析材料點(diǎn)陣參數(shù)與各種物理性能的關(guān)系等，確定點(diǎn)陣參數(shù)的主要方法是多晶X射線衍射法。X射線衍射法測(cè)定點(diǎn)陣參數(shù)是利用精確測(cè)得的晶體衍射線峰位2H角數(shù)據(jù)，然后根據(jù)布拉格定律和點(diǎn)陣參數(shù)與晶面間距d值之間的關(guān)系式計(jì)算點(diǎn)陣參數(shù)的值。常用于相圖的固態(tài)溶解度曲線的測(cè)定。溶解度的變化往往引起點(diǎn)陣常數(shù)的變化；當(dāng)達(dá)到溶解限后，溶質(zhì)的繼續(xù)增加引起新相的析出，不再引起點(diǎn)陣常數(shù)的變化。這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)即為溶解限。另外點(diǎn)陣常數(shù)的精密測(cè)定可得到單位晶胞原子數(shù)，從而確定固溶體類型；還可以計(jì)算出密度、膨脹系數(shù)等有用的物理常數(shù)。

4、結(jié)晶度的測(cè)定

結(jié)晶度定義為結(jié)晶部分重量與總的試樣重量之比的百分?jǐn)?shù)?，F(xiàn)在非晶態(tài)合金應(yīng)用非常廣泛，如軟磁材料等，而結(jié)晶度直接影響材料的性能，因此結(jié)晶度的測(cè)定就顯得尤為重要了。測(cè)定結(jié)晶度的方法很多，但不論哪種方法都是根據(jù)結(jié)晶相的衍射圖譜面積與非晶相圖譜面積決定。

X射線分析由于設(shè)備和技術(shù)的普及已逐步變成金屬研究和材料測(cè)試的常規(guī)方法。早期多用照相法，這種方法費(fèi)時(shí)較長，強(qiáng)度測(cè)量的精確度低。50年代初問世的計(jì)數(shù)器衍射儀法具有快速、強(qiáng)度測(cè)量準(zhǔn)確，并可配備計(jì)算機(jī)控制等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。但使用單色器的照相法在微量樣品和探索未知新相的分析中仍有自己的特色。從70年代以來，隨著高強(qiáng)度X射線源（包括超高強(qiáng)度的旋轉(zhuǎn)陽極X射線發(fā)生器、電子同步加速輻射,高壓脈沖X射線源）和高靈敏度探測(cè)器的出現(xiàn)以及電子計(jì)算機(jī)分析的應(yīng)用，使金屬 X射線學(xué)獲得新的推動(dòng)力。這些新技術(shù)的結(jié)合，不僅大大加快分析速度，提高精度，而且可以進(jìn)行瞬時(shí)的動(dòng)態(tài)觀察以及對(duì)更為微弱或精細(xì)效應(yīng)的研究。

X射線粉末衍射技術(shù)發(fā)展到今天，已經(jīng)滲透到包括物理、化學(xué)、天文、生命科學(xué)和材料科學(xué)等各個(gè)研究領(lǐng)域中，成為非常重要的近代物理學(xué)分析方法。通過X射線衍射分析，可以測(cè)得試樣的結(jié)晶度、晶粒大小、點(diǎn)陣參數(shù)、試驗(yàn)由哪幾種物質(zhì)構(gòu)成以及各物質(zhì)的含量等，可以對(duì)薄膜材料進(jìn)行厚度、粗糙度等測(cè)定，同時(shí)還可以由多晶材料得到類單晶衍射數(shù)據(jù)，從而獲得試樣的晶體結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

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第五篇：X射線衍射在礦物學(xué)中的應(yīng)用

X射線衍射在礦物學(xué)中的應(yīng)用

摘要：X射線衍射是測(cè)定物質(zhì)結(jié)構(gòu)的主要分析手段, 廣泛應(yīng)用于物理學(xué)、化學(xué)、醫(yī)藥學(xué)、金屬學(xué)、材料學(xué)、工程技術(shù)學(xué)、地質(zhì)學(xué)和礦物學(xué)。文章綜述了粉晶X射線衍射法在礦物學(xué)與晶體學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。隨著測(cè)量技術(shù)的發(fā)展, 粉晶X射線衍射在礦物結(jié)晶過程中的研究、礦物表面研究、礦物定量相分析和礦物晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定方面均有新的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：X射線衍射，礦物學(xué)，晶體學(xué)

1912年勞埃等人根據(jù)理論預(yù)見，并用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了X射線與晶體相遇時(shí)能發(fā)生衍射現(xiàn)象，證明了X射線具有電磁波的性質(zhì)，成為X射線衍射學(xué)的第一個(gè)里程碑。1913年英國物理學(xué)家布拉格父子在勞厄發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上,不僅成功地測(cè)定了NaCl、KCl等的晶體結(jié)構(gòu),并提出了作為晶體衍射基礎(chǔ)的著名的布拉格方程。.布拉格父子開拓了X 射線晶體結(jié)構(gòu)分析這門新興學(xué)科,從簡單的無機(jī)化合物和礦物,逐漸發(fā)展到有機(jī)化合物和生物大分子[1]。

礦物絕大部分是結(jié)晶質(zhì)。對(duì)礦物成分、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的研究是礦物學(xué)和晶體學(xué)的重要研究內(nèi)容。X射線衍射分析方法簡單、分析成本低、對(duì)樣品無損、數(shù)據(jù)穩(wěn)定、權(quán)威性高、分析速度快、分析范圍廣,已發(fā)展成為一項(xiàng)普遍開展的常規(guī)分析項(xiàng)目,廣泛應(yīng)用于結(jié)晶樣品的物相定性、定量分析和結(jié)晶度測(cè)定以及晶胞參數(shù)測(cè)定等方面,在晶體學(xué)和礦物學(xué)研究中被廣泛應(yīng)用[2]。本文簡單介紹一下X射線衍射技術(shù)在礦物學(xué)和晶體學(xué)中的應(yīng)用和發(fā)展。礦物定性、定量分析

礦物的X射線定性相分析指的是用粉晶X射線衍射數(shù)據(jù)對(duì)樣品中存在的礦物相進(jìn)行鑒別。其物相分析的理論依據(jù)是因?yàn)榫w的X射線衍射圖像實(shí)質(zhì)上是晶體微觀結(jié)構(gòu)的一種精細(xì)復(fù)雜的變換, 每種晶體的結(jié)構(gòu)與其X射線衍射圖之間都有著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系,其特征X射線衍射圖譜不會(huì)因?yàn)樗N物質(zhì)混聚在一起而產(chǎn)生變化。礦物學(xué)中的研究經(jīng)常需要鑒定礦物的組成,特別是混合礦物中含量較少的礦物組分,因此礦物定性分析是粉晶X射線衍射在礦物學(xué)研究中的最主要應(yīng)用。此外,由于天然礦物成因、成分復(fù)雜,同族礦物的不同礦物種以及同種礦物的不同變體往往很難用其他方法區(qū)分,粉晶X射線衍射便成為最有效的分析方法。礦物粉晶X射線衍射數(shù)據(jù)庫的不斷豐富以及計(jì)算機(jī)檢索技術(shù)的發(fā)展,使礦物的X射線定性相分析更加便捷,而大功率X射線源的出現(xiàn)則使微量礦物的發(fā)現(xiàn)與鑒定成為可能。很多粉晶X射線定量相分析方法,如直接分析法、內(nèi)標(biāo)法、基體清洗法(K值法)、增量法(沖稀法)、無標(biāo)樣法等,都已被應(yīng)用于礦物的定量相分析中,但由于礦物標(biāo)樣難以獲得以及對(duì)樣品和實(shí)驗(yàn)要求高等原因,相對(duì)于定性相分析,礦礦物的粉晶X射線定量相分析應(yīng)用較少。最近的應(yīng)用多集中于巖石和土壤中的粘土礦物定量分析方面[3],但由于粘土礦物成分、結(jié)構(gòu)易變,擇優(yōu)取向明顯,分析結(jié)果誤差較大。礦物定性、定量分析的大體過程是：制備各種標(biāo)準(zhǔn)單相物質(zhì)的衍射花樣并使之規(guī)范化,將待分析物質(zhì)的衍射花樣與之對(duì)照,從而確定物質(zhì)的組成相, 就成為物相定性分析的基本方法。鑒定出各個(gè)相后,根據(jù)各相花樣的強(qiáng)度正比于各組分存在的量(需要做吸收校正者除外),就可對(duì)各種組分進(jìn)行定量分析。礦物類質(zhì)同像替代研究

類質(zhì)同像是礦物中極為普遍的現(xiàn)象,也是引起礦物化學(xué)成分變化的主要原因類質(zhì)同像還與礦物形成溫度、壓力等外界條件有關(guān)。如閃鋅礦中鐵含量的變化, 反映了礦物形成溫度的變化。因此研究礦物的類質(zhì)同像對(duì)了解元素賦存狀態(tài)以及礦物的生成條件等有重要意義。類質(zhì)同像的實(shí)質(zhì)就是礦物中不同成分的相互替代。原子半徑不同的成分替代往往會(huì)使礦物的晶胞參數(shù)發(fā)生微小的變化。利用粉晶衍射數(shù)據(jù)精確測(cè)定晶胞參數(shù)以及測(cè)量某些有特征意義的d值是研究類質(zhì)同像的通用方法。Rietveld結(jié)構(gòu)精修對(duì)于類質(zhì)同像中原子的占位研究也有及其重要的作用[4]。

3礦物晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定

通常情況下,礦物晶體結(jié)構(gòu)主要是用X射線單晶衍射方法測(cè)定。然而由于自然條件下的晶體的不完整性,例如孿生、缺陷等的存在,以及一些礦物結(jié)晶細(xì)小, 有時(shí)難以獲得尺寸和質(zhì)量滿足單晶結(jié)構(gòu)分析需要的礦物單晶體,此時(shí)需要運(yùn)用粉晶X射線衍射法進(jìn)行結(jié)構(gòu)測(cè)定或精修。由于目前新發(fā)現(xiàn)的新礦物大多量少,且多為粉晶,因此粉晶X射線衍射成為新礦物結(jié)構(gòu)測(cè)定的重要手段。礦物相轉(zhuǎn)變研究

礦物相轉(zhuǎn)變包括化學(xué)組成不變僅晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變(即同質(zhì)多相轉(zhuǎn)變)和成分與結(jié)構(gòu)均發(fā)生改變兩種類型。礦物相轉(zhuǎn)變可用粉晶X射線衍射方法研究。如Sheng等提出以蝸牛殼中文石向方解石轉(zhuǎn)變的地層界線來進(jìn)行地層對(duì)比,為第四紀(jì)地層對(duì)比提供了一個(gè)新思路。而粉晶X射線衍射已成為研究粘土礦物相轉(zhuǎn)變的最重要手段。近年來發(fā)展的出射束斑僅為300μm的微光源和二維位敏探測(cè)器使得用粉晶X射線衍射研究α-石英向柯石英的轉(zhuǎn)變成為可能,這種研究可為解釋板塊的折返過程提供理論支持[5]。而同步輻射光源因其高亮度、束斑大小可調(diào)、射線波長可按需選擇等更是受到科學(xué)家們的青睞。

5礦物結(jié)晶過程研究(原位實(shí)驗(yàn))

掠入射X射線衍射方法的提出和強(qiáng)X射線光源的出現(xiàn)使得對(duì)礦物結(jié)晶過程的研究成為可能。近年來,眾多學(xué)者已利用掠入射粉晶X射線衍射方法對(duì)固-液界面進(jìn)行了研究。2006年DeMarco等[6]利用波長為1.000埃的同步輻射X射線、以0.6o掠入射于黃鐵礦的表面, 研究了黃鐵礦電極在電介質(zhì)溶液中的原位氧化過程, 其文中給出的黃鐵礦電極在pH值為10.5的0.1M NaCl和0.01MNaHCO3溶液中氧化了20、40和100分鐘后所得到的原位X射線衍射圖上,出現(xiàn)了除黃鐵礦以外的數(shù)條衍射線,推斷在電極表面出現(xiàn)了FeSO4, Fe(OH)SO4·2H2O和Fe(OH)2等物相。結(jié)晶過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程,高亮度的XRD光源和高靈敏度、高效率的二維探測(cè)器是獲得高質(zhì)量衍射數(shù)據(jù)的保證。

6幾種新的X射線衍射技術(shù) 時(shí)間分辨X 射線衍射：時(shí)間分辨動(dòng)態(tài)研究一個(gè)物理、化學(xué)或生物過程的重要性是不言而喻的,已經(jīng)發(fā)展了許多種在秒、毫秒、甚至微秒量級(jí)的實(shí)驗(yàn)方法, 但是這些方法對(duì)電子轉(zhuǎn)移、生化反應(yīng)中間態(tài)等研究還是不夠快的,需要有皮秒(ps =10-12s),甚至飛秒(fs =10-15s)分辨的實(shí)驗(yàn)技術(shù),近年提出的泵-探針法可以達(dá)到這一要求。所謂泵-探針法[7] ,是首先用一個(gè)強(qiáng)而短的(如200fs)激光脈沖打擊試樣, 在試樣中激發(fā)反應(yīng),激光起了泵的作用。接下來, 在一定的時(shí)間間隔(如1ps)后用一個(gè)強(qiáng)而短的X 射線脈沖打擊試樣,得到變化了的試樣衍射X 射線,解此X 射線譜即可得X 射線脈沖打擊試樣時(shí)的試樣結(jié)構(gòu),X 射線脈沖起了探針的作用。在不同的時(shí)間間隔后發(fā)射X 射線脈沖,就可得到反應(yīng)進(jìn)行中不同時(shí)間的結(jié)構(gòu)。但是,反應(yīng)不同時(shí)間的測(cè)量不是連續(xù)進(jìn)行的,在作不同反應(yīng)時(shí)間的測(cè)量前都需要重新激發(fā)。

共振X 射線衍射：在通常X 射線衍射中,入射X 射線波長并不靠近試樣中所含某一原子的吸收邊,此時(shí)存在Friedel 定律,若使入射X 射線波長靠近試樣中所含某一原子的吸收邊,此時(shí)此原子對(duì)入射X 射線發(fā)生共振吸收,出現(xiàn)異常散射,使原子散射因子f 發(fā)生變化,因而Friedel 定律不再遵守,此時(shí)的衍射稱共振X 射線衍射。此時(shí)的原子散射因子與通常的不同, 需要進(jìn)行修正。用X 射線衍射測(cè)定結(jié)構(gòu)時(shí),難以分辨那些f 相近的相鄰元素,依賴異常散射,可使它們的f 變得不同,因而可以加以辨別。

微結(jié)構(gòu)的深度分析：由于X 射線具有強(qiáng)大的透射能力,從來都認(rèn)為X 射線衍射是作塊體分析的。近年隨著薄膜材料的廣泛應(yīng)用,發(fā)展了表面和薄膜衍射。表面結(jié)構(gòu)和塊體內(nèi)部結(jié)構(gòu)是不同的, 但不是突變的,其間存在著過渡區(qū),如何來分析這過渡區(qū)中逐步變化的結(jié)構(gòu)呢? 利用做表面衍射的掠入射方法,改變掠射角可以改變射線的透入深度,此方法可探測(cè)的深度約為幾個(gè)μm ,不能更深。

能量色散多晶體衍射[8]：所謂能量色散多晶體衍射是以白色(包含各種波長的)X 射線作為入射線,入射光束、試樣和探測(cè)器的位置均固定不動(dòng)。此時(shí),θ角是不變的。具有不同d值的平面點(diǎn)陣族都可以在入射線中找到能符合布拉格方程的某個(gè)波長的X 射線使其(在相同的θ方向)發(fā)生衍射,各衍射同時(shí)進(jìn)入探測(cè)器。探測(cè)器需有能量分辨能力,一般用固體探測(cè)器。此種方法的一個(gè)特點(diǎn)是儀器構(gòu)造簡單,不需掃描,故是一種快速的實(shí)驗(yàn)方法,常用于時(shí)間分辨實(shí)驗(yàn)。

結(jié)語

應(yīng)用X射線衍射測(cè)量技術(shù)進(jìn)行礦物物相定性分析和定量分析是目前X衍射儀的主要工作, 雖然X衍射定量分析只能稱為半定量的方法,而且局限性較大, 但不斷發(fā)展的新的X射線衍射技術(shù)肯定會(huì)不斷滿足礦物學(xué)和晶體學(xué)的需求。

參考文獻(xiàn)：

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