第一篇：X射線衍射技術(shù)在材料分析中的應(yīng)用和發(fā)展

X射線衍射技術(shù)在材料分析中的應(yīng)用和發(fā)展

姓名：班級(jí)：s1467

學(xué)號(hào)：201421801014 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，在各種材料的研究和生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。本文概要介紹了概要介紹了X射線衍射分析的原理及其相關(guān)理論，總結(jié)了X射線衍射的各種實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)X射線衍射分析在材料分析中的應(yīng)用分別進(jìn)行了敘述，最后對(duì)X射線衍射分析的發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞:X射線衍射技術(shù)；晶體結(jié)構(gòu)；材料分析 1 引言

自1896年X射線被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，可利用X射線分辨的物質(zhì)系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜。從簡(jiǎn)單物質(zhì)系統(tǒng)到復(fù)雜的生物大分子，X射線已經(jīng)為我們提供了很多關(guān)于物質(zhì)靜態(tài)結(jié)構(gòu)的信息。

此外，在各種測(cè)量方法中，X射線衍射分析法是研究物質(zhì)的物相和晶體結(jié)構(gòu)的主要方法。當(dāng)某物質(zhì)（晶體或非晶體）進(jìn)行衍射分析時(shí)，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(gòu)型、構(gòu)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(wú)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)。因此，X射線衍射分析法作為材料結(jié)構(gòu)和成分分析的一種現(xiàn)代科學(xué)方法，已逐步在材料的研究和生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。2 X射線衍射原理

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)。X射線同無(wú)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(zhǎng)范圍而已。X射線的波長(zhǎng)較短，大約在10-8~10-10cm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(yáng)極的真空封閉管，在管子兩極間加上高電壓，陰極就會(huì)發(fā)射出高速電子流撞擊金屬陽(yáng)極靶，從而產(chǎn)生X射線。

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(zhǎng)有相同數(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[1]。衍射線空間方位與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系可用布拉格方程表示。

式中d為晶面間距；n為反射級(jí)數(shù)；θ為掠射角；λ為X射線的波長(zhǎng)。布拉格方程是X射線衍射分析的根本依據(jù)。X射線衍射技術(shù)在材料分析中的應(yīng)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(jié)構(gòu)有關(guān)。每種結(jié)晶物質(zhì)都有其特定的結(jié)構(gòu)參數(shù)(包括晶體結(jié)構(gòu)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(jié)晶物質(zhì)會(huì)給出完全相同的衍射花樣。X射線衍射技術(shù)發(fā)展到今天，已經(jīng)成為最基本、最重要的一種材料測(cè)試手段，其主要應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面： 3.1 物相定性分析

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。通過(guò)分析待測(cè)試樣的X射線衍射花樣，將待分析物質(zhì)的衍射花樣與各種單質(zhì)的X射線衍射花樣對(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。3.2 物相定量分析 鑒定出各個(gè)相后，根據(jù)各相花樣的強(qiáng)度正比于該組分存在的量(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。目前常用衍射儀法得到衍射圖譜，用“粉末衍射標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合會(huì)(JCPDS)”負(fù)責(zé)編輯出版的“粉末衍射卡片(PDF卡片)”進(jìn)行物相分析。

X射線衍射物相定量分析有內(nèi)標(biāo)法[2]、外標(biāo)法[3]、增量法[4]、無(wú)標(biāo)樣法[5]和全譜擬合法[6]等常規(guī)分析方法。內(nèi)標(biāo)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)，給定量分析帶來(lái)困難。無(wú)標(biāo)樣法和全譜擬合法雖然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，但需要煩瑣的數(shù)學(xué)計(jì)算，其實(shí)際應(yīng)用也受到了一定限制。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，這也給實(shí)際操作帶來(lái)一定的不便。3.3 點(diǎn)陣常數(shù)的測(cè)定

點(diǎn)陣常數(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(guò)X射線衍射線位置的測(cè)定而獲得的，通過(guò)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。

點(diǎn)陣常數(shù)測(cè)定中的精確度涉及兩個(gè)獨(dú)立的問(wèn)題[7]，即波長(zhǎng)的精度和布拉格角的測(cè)量精度。波長(zhǎng)的問(wèn)題主要是X射線譜學(xué)家的責(zé)任，衍射工作者的任務(wù)是要在波長(zhǎng)分布與衍射線分布之間建立一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。知道每根反射線的密勒指數(shù)后就可以根據(jù)不同的晶系用相應(yīng)的公式計(jì)算點(diǎn)陣常數(shù)。晶面間距測(cè)量的精度隨θ角的增加而增加，θ越大得到的點(diǎn)陣常數(shù)值越精確，因而點(diǎn)陣常數(shù)測(cè)定時(shí)應(yīng)選用高角度衍射線。3.4 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)。

X射線測(cè)定應(yīng)力具有非破壞性，可測(cè)小范圍局部應(yīng)力，可測(cè)表層應(yīng)力，可區(qū)別應(yīng)力類型、測(cè)量時(shí)無(wú)需使材料處于無(wú)應(yīng)力狀態(tài)等優(yōu)點(diǎn)，但其測(cè)量精確度受組織結(jié)構(gòu)的影響較大，X射線也難以測(cè)定動(dòng)態(tài)瞬時(shí)應(yīng)力。3.5 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(lái)?；竟綖椋?/p>

式中：Xc—結(jié)晶度；Ic—晶相散射強(qiáng)度；Ia—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。3.6 單晶取向和多晶織構(gòu)測(cè)定

單晶取向的測(cè)定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(wú)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[8]。

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，只要求出求其絲軸指數(shù)即可，照相法和衍射儀法是可用的方法。板織構(gòu)的極點(diǎn)分布比較復(fù)雜，需要兩個(gè)指數(shù)來(lái)表示，且多用衍射儀進(jìn)行測(cè)定[9]。4 展望

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(wú)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(lái)越重要的作用。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。計(jì)算機(jī)的普遍使用讓各種測(cè)量?jī)x器的功能變得強(qiáng)大，測(cè)試過(guò)程變得簡(jiǎn)單快捷，雙晶衍射、多重衍射也越來(lái)越完善。

但是，隨之而來(lái)的軟件也缺陷越來(lái)越明顯，在各種分析過(guò)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。文獻(xiàn)參考

[1] 黃華,郭靈虹1晶態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)的X射線衍射分析及其進(jìn)展[J]---化學(xué)研究與應(yīng)用,1998,10(2):118~123.[2] 吳建鵬,黃劍鋒,賀海燕,等.X射線衍射物相定量分析內(nèi)標(biāo)法標(biāo)準(zhǔn)曲線庫(kù)的建立[J].巖礦測(cè)試,2006,25(3):215-218.[3] 孫文華,魏銘鑒,秦麟卿.呼吸塵埃中游離晶態(tài)A-石英的X射線外標(biāo)法測(cè)定[J].分析測(cè)試學(xué)報(bào),1996, 15(2):62-64.[4] 儲(chǔ)剛.含非晶樣品的X射線衍射增量定量相分析方法[J].物理學(xué)報(bào), 1998, 47(7):1143-1145.[5] 吳萬(wàn)國(guó),阮玉忠.X射線衍射無(wú)標(biāo)定量分析法的研討[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào), 1997, 25(3):37-40.[6] 洪漢烈,陳建軍,楊淑珍,等.水泥熟料定量分析的全譜擬合法[J].分析測(cè)試學(xué)報(bào), 2001, 20(2):5-8.[7] H.P克魯格,L.E.亞歷山大1X射線衍射技術(shù)盛世雄等譯.[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1986.[8] 左演聲,等.材料現(xiàn)代分析方法[M].北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社,2000.[9] 楊于興,等.X射線衍射分析[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1989.

第二篇：X射線衍射技術(shù)在材料分析中的應(yīng)用

X射線衍射技術(shù)在材料分析中的應(yīng)用

沈欽偉126406324 應(yīng)用化學(xué)

1引言

X射線衍射分析法是研究物質(zhì)的物相和晶體結(jié)構(gòu)的主要方法。當(dāng)某物質(zhì)(晶體或非晶體)進(jìn)行衍射分析時(shí),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(gòu)型、構(gòu)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(wú)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)。因此,X射線衍射分析法作為材料結(jié)構(gòu)和成分分析的一種現(xiàn)代科學(xué)方法, 已逐步在各學(xué)科研究和生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。

2X射線衍射基本原理

X射線同無(wú)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(zhǎng)范圍而已。X射線的波長(zhǎng)較短, 大約在10-8~10-10cm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(yáng)極的真空封閉管, 在管子兩極間加上高電壓, 陰極就會(huì)發(fā)射出高速電子流撞擊金屬陽(yáng)極靶,從而產(chǎn)生X射線。當(dāng)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射線波長(zhǎng)有相同數(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)，不同的晶體物質(zhì)具有自己獨(dú)特的衍射花樣, 這就是X射線衍射的基本原理。X射線衍射技術(shù)在材料分析中的應(yīng)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(jié)構(gòu)有關(guān)。每種結(jié)晶物質(zhì)都有其特定的結(jié)構(gòu)參數(shù)(包括晶體結(jié)構(gòu)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(jié)晶物質(zhì)會(huì)給出完全相同的衍射花樣。通過(guò)分析待測(cè)試樣的X射線衍射花樣,不僅可以知道物質(zhì)的化學(xué)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(gòu)體存在。同時(shí),根據(jù)X射線衍射試驗(yàn)還可以進(jìn)行結(jié)晶物質(zhì)的定量分析、晶粒大小的測(cè)量和晶粒的取向分析。目前, X射線衍射技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)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(dú)特的結(jié)構(gòu)都具有與之相對(duì)應(yīng)的X射線衍射特征譜, 這是X射線衍射物相分析的依據(jù)。將待測(cè)樣品的衍射圖譜和各種已知單相標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的衍射圖譜對(duì)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(qiáng)度正比于該組分含量(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。

X射線衍射物相定量分析有內(nèi)標(biāo)法外標(biāo)法、增量法、無(wú)標(biāo)樣法和全譜擬合法等常規(guī)分析方法。內(nèi)標(biāo)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),給定量分析帶來(lái)困難。無(wú)標(biāo)樣法和全譜擬合法雖然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,但需要煩瑣的數(shù)學(xué)計(jì)算,其實(shí)際應(yīng)用也受到了一定限制。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, 這也給實(shí)際操作帶來(lái)一定的不便。

吳建鵬等制備了一定比例的SiO2和其他物質(zhì)的混合物,然后分別采用內(nèi)標(biāo)法和外標(biāo)法測(cè)量了混合物中SiO2的含量,并與混合物中SiO2初始配比進(jìn)行對(duì)照,發(fā)現(xiàn)各個(gè)樣品的測(cè)量結(jié)果和初始配比都是比較接近的,說(shuō)明這兩種測(cè)定方法是可以用于待測(cè)樣品的物相定量分析的。

3.2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(guò)X射線衍射線位置的測(cè)定而獲得的,通過(guò)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Fe2O3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(guò)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(guò)飽和)含碳量的實(shí)用的標(biāo)定辦法(特別在低碳范圍)。

3.3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(zhǎng)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(guò)程中殘余應(yīng)力消除情況的判定。

3.4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(lái)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(zhǎng)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.總之,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(guò)虎克定律由應(yīng)變計(jì)算得到。

借助X射線衍射方法來(lái)測(cè)定試樣中宏觀應(yīng)力具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)不用破壞試樣即可測(cè)量;(2)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;(3)測(cè)量結(jié)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(guān)。納米材料由于顆粒細(xì)小,極易形成團(tuán)粒,采用通常的粒度分析儀往往會(huì)給出錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。采用X射線衍射線線寬法(謝樂法)可以測(cè)定納米粒子的平均粒徑。

顧卓明等采用謝樂法測(cè)定了納米碳酸鈣粒子和納米稀土(主要為CeO2)粒子的平均粒徑,測(cè)定結(jié)果為DCaCO3=39.3nm,DCeO2=11.0nm,另外他們采用透射電鏡法測(cè)定兩種粒子粒徑的結(jié)果為DCaCO3=40.2nm,DCeO2=12.7nm,兩種方法的測(cè)量結(jié)果比較吻合, 說(shuō)明謝樂法測(cè)定納米粒子粒徑是可信的。

3.6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(lái)?；竟綖? Xc=Ic/(Ic+ KIa)。式中: Xc 結(jié)晶度 Ic 晶相散射強(qiáng)度 Ia 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。

3.7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(wú)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。板織構(gòu)的極點(diǎn)分布比較復(fù)雜, 需要兩個(gè)指數(shù)來(lái)表示,且多用衍射儀進(jìn)行測(cè)定。

宓小川采用X射線能譜法測(cè)定了金屬板材織構(gòu),分別獲得了IF鋼、冷軋電工鋼、CuNi15Sn8合金的織構(gòu)信息, 說(shuō)明X射線衍射能譜儀在金屬板材的織構(gòu)測(cè)定方面具有快速、高效的優(yōu)點(diǎn),在材料性能與織構(gòu)及生產(chǎn)工藝相互關(guān)系研究方面有極大的應(yīng)用價(jià)值。X射線衍射的進(jìn)展

4.1X射線衍射在薄膜材料中的應(yīng)用 人工低維材料的出現(xiàn)是20世紀(jì)材料科學(xué)發(fā)展的重要標(biāo)志,它所表現(xiàn)出的生命力不僅是因?yàn)樗粩嘟沂境錾羁痰奈锢韮?nèi)涵,而且更重要的是所發(fā)現(xiàn)的新效應(yīng)不斷地被用來(lái)開發(fā)新的固態(tài)器件,對(duì)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響.薄膜就是一種典型的低維材料.薄膜的成分、厚度、應(yīng)力分布以及表面和界面狀態(tài)等都會(huì)直接影響材料和器件的性能,需要在原子尺度上對(duì)材料微結(jié)構(gòu)品質(zhì)進(jìn)行評(píng)估.除了上述六種X射線衍射的應(yīng)用適用于薄膜材料分析之外,X射線衍射還可以對(duì)薄膜材料作如下分析:

厚度是膜層的基本參數(shù).厚度的測(cè)量和控制始終是氣相沉積薄膜研究和生產(chǎn)中的主要問(wèn)題之一.由于厚度會(huì)產(chǎn)生三種效應(yīng):衍射強(qiáng)度隨厚度而變,膜愈薄散射體積愈小;散射將顯示干涉條紋,條紋的周期與層厚度有關(guān);衍射線隨著膜厚度降低而寬化, 因此可從衍射強(qiáng)度、線形分析和干涉條紋來(lái)實(shí)現(xiàn)薄膜厚度的測(cè) 定.用X射線儀測(cè)量單層膜的小角X衍射線。

由兩種材料交替沉積形成的納米多層膜具有成分周期性變化的調(diào)制結(jié)構(gòu),入射X射線滿足布拉格條件時(shí)就可能像晶體材料一樣發(fā)生相干衍射.由于納米多層膜的成分調(diào)制周期遠(yuǎn)大于晶體材料的晶面間距,其衍射峰產(chǎn)生于小角度區(qū)間.小角度X射線衍射被廣泛用來(lái)測(cè)量納米多層膜的周期數(shù).因此,不論是薄膜厚度還是多層膜的周期數(shù)都可以通過(guò)X射線衍射測(cè)得。

X射線掠入射衍射(grazing incident diffraction, GID)或散射方法的最大優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)表面和界面內(nèi)原子位移十分敏感,可以通過(guò)調(diào)節(jié)X射線的掠入射角來(lái)調(diào)整X射線的穿透深度,從而用來(lái)研究表面或表層不同深度處的結(jié)構(gòu)分布,如表面單原子的吸附層、表面粗糙度、密度,膜層次序,表面下約1000A深度的界面結(jié)構(gòu)以及表面非晶層的結(jié)構(gòu)等。

4.2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(lái), 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(lái)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。5 結(jié)束語(yǔ)

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(wú)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(lái)越重要的作用。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。

第三篇：X射線衍射分析原理及其應(yīng)用

X射線衍射分析

摘要：

X射線衍射分析是一種重要的晶體結(jié)構(gòu)和物相分析技術(shù)，廣泛應(yīng)用于冶金、石油、化工、科研、航空航天、教學(xué)、材料生產(chǎn)等領(lǐng)域。本文簡(jiǎn)要介紹X射線衍射原理，X射線衍射儀器的結(jié)構(gòu)、原理，及其在地質(zhì)學(xué)、醫(yī)學(xué)等自然科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

前言：

1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線，又稱倫琴射線。德國(guó)科學(xué)家勞厄于1912年發(fā)現(xiàn) 0 了X射線衍射現(xiàn)象，并推導(dǎo)出勞厄晶體衍射公式。隨后，英國(guó)布拉格父子又將此衍射關(guān)系用簡(jiǎn)單的布拉格方程表示出來(lái)。到上世紀(jì)四、五十年代，X射線衍射的原理、方法及在其他各方面的應(yīng)用逐漸建立。在各種測(cè)量方法中，X射線衍射方法具有不損傷樣品、無(wú)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)。X射線衍射技術(shù)可以探究晶體存在的普遍性和特殊性能，使得其在冶金、石油、巖石礦物、科研、航空航天、材料生產(chǎn)等領(lǐng)域的被廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：方法，衍射，原理，應(yīng)用

X射線衍射儀的原理

1.X射線衍射原理

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?jī)蓚€(gè)相鄰波源在某一方向的光程差等于波長(zhǎng)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。光程差為0的衍射叫零級(jí)衍射，光程差為λ的衍射叫一級(jí)衍射，光程差為nλ的衍射叫n級(jí)衍射。n不同，衍射方向的也不同。

由于常用的X射線波長(zhǎng)約在2.5A～0.5A之間，與晶體中的原子間距(1A)數(shù)量級(jí)相同，因此可以用晶體作為X射線的衍射光柵，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。

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(guò)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。在x射線作用下晶體的散射線來(lái)自若干層原子面，除同一層原子面的散射線互相干涉外，各原子面的散射線之間還要互相干涉。光柵衍射

當(dāng)光程差(BD+BF)=2dsinθ等于波長(zhǎng)的整數(shù)倍nλ時(shí)，相鄰原子面散射波干涉加強(qiáng)，即干涉加強(qiáng)條件為：

2dsinθ=nλ

一、X射線衍射法

1.多晶粉末法

a.物相分析

X射線物相分析是以晶體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過(guò)比較晶體衍射花樣來(lái)進(jìn)行分析的。

對(duì)于晶體物質(zhì)中來(lái)說(shuō)，各種物質(zhì)都有自己特定的結(jié)構(gòu)參數(shù)（點(diǎn)陣類型、晶胞大小、晶胞中原子或分子的數(shù)目、位置等），結(jié)構(gòu)參數(shù)不同則X射線衍射花樣也就各不相同，所以通過(guò)比較X射線衍射花樣可區(qū)分出不同的物質(zhì)。

2單晶衍射法

若將一束單色X射線射到一粒靜止的單晶體上，入射線與晶粒內(nèi)的各晶面族都有一定的交角，只有很少數(shù)的晶面能符合布拉格公式而發(fā)生衍射。目前常用的收集單晶體衍射數(shù)據(jù)的方法，一為回?cái)[法，二為四圓衍射儀法。

X射線衍射法的應(yīng)用

由于，X射線衍射方法具有不損傷樣品、無(wú)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)，所以X射線衍射技術(shù)在冶金、石油、巖石礦物、科研、航空航天、材料生產(chǎn)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。本文主要介紹其在藥物鑒定和巖石礦物學(xué)中的重要作用。

1.X射線衍射分析方法在中藥鑒定中的應(yīng)用

X射線衍射分析方法具有簡(jiǎn)便易行、直觀、圖譜信息量大、指紋性強(qiáng)、穩(wěn)定可靠、所需樣品量少、結(jié)果可靠的特點(diǎn)，用于中藥鑒定是一種比較理想而有效的方法，它不僅可用于植物類、動(dòng)物類、礦物類中藥的鑒定，還可用于菌類中藥和中藥復(fù)方的鑒定，為中藥的鑒定提供了準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便、可靠的鑒定方法，并為臨床安全用藥提供了保證[23]。

[24] 呂揚(yáng)，鄭啟泰，吳楠等探究了x射線衍射Fourier圖譜分析方法在茜草類、貝母類、山藥類植物類中藥中的應(yīng)用，揭示了中藥材道地性的客觀規(guī)律，并建立了相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)。

張麗等將馬鹿茸的對(duì)照X射線衍射圖譜與花鹿茸對(duì)照X射線衍射圖譜進(jìn)行拓?fù)浞治霰容^,得出兩種來(lái)源的鹿茸具有共同的組分性質(zhì)，二者可作為同一種中藥材[26]使用的結(jié)論。王媚等對(duì)磁石XRD的圖譜特征峰數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不同產(chǎn)地不同批次的磁石礦物組成及其含量有一定的差異，同時(shí)得出磁石藥材中主要物相為Fe2O3,SiO2。翁立明[27]等通過(guò)對(duì)全國(guó)10個(gè)不同省份的全蝎樣品進(jìn)行分析研究，獲取相應(yīng)的X射線衍射圖譜，得出X射線衍射指紋圖譜可以用于動(dòng)物中藥材全蝎樣品的分析鑒定和質(zhì)量控制。

總之，,應(yīng)用X射線衍射Fourier指紋圖譜可以實(shí)現(xiàn)某些植物或動(dòng)物中藥材的鑒[25] 2 定，而且在分析鑒別同種中藥材的不同來(lái)源方面有著廣闊的發(fā)展前景。綜上所述，X射線衍射分析技術(shù)已廣泛應(yīng)用于我國(guó)藥學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域，并發(fā)揮著不可替代的作用.相信通過(guò)藥學(xué)與晶體學(xué)科研究人員的共同努力，利用X射線衍射技術(shù)，不斷建立新的分析方法，并擴(kuò)展其應(yīng)用范圍，將使X射線衍射技術(shù)在我國(guó)和世界的不同交義學(xué)科領(lǐng)域中發(fā)揮更為重要的作用，為我國(guó)的創(chuàng)新中、西藥學(xué)的研究與開發(fā)提供有效的質(zhì)量控制方法。

2.X射線衍射分析法在巖石礦物學(xué)中的應(yīng)用

地殼由礦物、巖石組成，對(duì)其成分、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等的分析是礦物學(xué)、巖石學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容。X射線衍射技術(shù)特別是粉晶X射線衍射技術(shù)自發(fā)明以來(lái)就被應(yīng)用于礦物、巖石研究，廣泛應(yīng)用于礦物的定性、定量分析。在石油地質(zhì)和鉆采工程等領(lǐng)域，對(duì)粘土礦物的研究成果應(yīng)用較廣。盡管方法還存在不足，但基本能滿足目前的地質(zhì)應(yīng)用要求。因?yàn)樵诘刭|(zhì)研究中主要關(guān)心粘土礦物的種類和相對(duì)含量的高低，對(duì)粘土礦物的準(zhǔn)確含量并不特別要求。

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)

[29]意義上說(shuō)，無(wú)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。

X射線是研究粘土礦物尤其是研究泥巖和碳酸巖鹽中粘土礦物的重要手段。馮澤[30]

31[28]則列舉了實(shí)例，說(shuō)明了X衍射技術(shù)在石油勘探開發(fā)中的重要應(yīng)用。范光、葛祥坤[]，利用微區(qū)X射線儀對(duì)新疆某地區(qū)鈹?shù)V床的礦石進(jìn)行鈹選礦試驗(yàn)，探究了鈹?shù)拇嬖谛问?確定該區(qū)域的主要礦物為羥硅鈹石。

廖立兵等，介紹了粉晶X射線衍射在巖石礦物學(xué)研究中的應(yīng)用。龐小麗等綜述了粉晶X射線衍射法在造巖礦物、拈土礦物、巖組學(xué)、類質(zhì)同象和結(jié)晶度的測(cè)定等領(lǐng)域發(fā)揮的重要作用。綜述他們的觀點(diǎn)，粉晶X射線衍射不僅在礦物的定性/定量分析、晶胞參數(shù)測(cè)定、類質(zhì)同像研究、多型研究、有序/無(wú)序結(jié)構(gòu)研究、巖組學(xué)研究等傳統(tǒng)領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)揮著重要作用，在礦物結(jié)晶過(guò)程和相轉(zhuǎn)變研究、礦物表面物相研究、礦物缺陷研究和礦物晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定等新領(lǐng)域也展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

-6由于原子吸收系統(tǒng)分析特點(diǎn)是靈敏度高（10級(jí)）、準(zhǔn)確度和精確度高、分析速度塊、分析范圍廣，可測(cè)定70多種元素，該方法在地球化學(xué)找礦分析中常用在Cu，[34]Pb,Zn,Ni,等元素的測(cè)定。

李國(guó)武[35][32]

[33]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究西藏羅布莎鉻鐵礦中硅鐵合金礦物發(fā)現(xiàn)樣品的x射線衍射中以FeSi為主的單顆粒中含有FeSi2的衍射峰，而在另一些FeSi2單顆粒樣品中含有自然硅的衍射峰。說(shuō)明可能存在FeSi-FeSi2-Si的晶出順序推測(cè)其環(huán)境中的還原程度依次增高。因此認(rèn)為羅布莎鉻鐵礦重砂中的硅鐵合金礦物可能是地球旱期演化分異作用的結(jié)果。

此外，X射線衍射分析粘土礦物在油氣田開發(fā)中的應(yīng)用

[36]

也十分廣泛。許多油 3 氣田存在于沉積巖中，沉積巖中的粘土礦物與非粘土礦物的種類、性質(zhì)與油氣田的勘探、開采有大的關(guān)系。X射線衍射儀主要用來(lái)分析這些礦物，總結(jié)出礦物的種類和性質(zhì)，為勘探和開發(fā)提供依據(jù)。

六、總結(jié)

我認(rèn)為X射線衍射分析方法是一種有用的工具，在許多科研項(xiàng)目中有重要且有效的作用。它具有許多優(yōu)點(diǎn)，比如不損傷樣品、快捷、能得到有關(guān)晶體完整性的大量信息等，該方法雖然不是在任何領(lǐng)域都比別的分析方法優(yōu)，但在鑒定物質(zhì)及測(cè)定物質(zhì)結(jié)中應(yīng)用十分廣泛。作為物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析不可替代的分析手段，X射線衍射儀在航空、鋼鐵、化工、建材、石油、煤炭、地礦幾乎所有產(chǎn)業(yè)以及超導(dǎo)、生命科學(xué)等新興研究領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用，常被稱作分析儀器中的多面手。

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第四篇：X射線衍射技術(shù)

實(shí)驗(yàn)十二 X射線衍射技術(shù)

材料、能源和信息被公認(rèn)為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的三大支柱，而各種新材料的開發(fā)與研制則是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵．

X射線衍射技術(shù)是研究材料科學(xué)的重要手段之一，原是物理學(xué)的一個(gè)分支，近80年來(lái)在理論、設(shè)備、方法及應(yīng)用上都有迅速的發(fā)展，而且已滲透到物理、化學(xué)、生命科學(xué)、地球科學(xué)、材料科學(xué)及工程技術(shù)等各個(gè)領(lǐng)域．最近十余年來(lái)，由于新的X射線源和輻射探測(cè)設(shè)備的相繼出現(xiàn)，相關(guān)理論、實(shí)驗(yàn)方法的發(fā)展，以及高速度、大容量計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，使得這門古老的學(xué)科又獲得了新的生命，其相應(yīng)的X射線衍射技術(shù)的實(shí)用性和重要性也愈加被人們所認(rèn)識(shí)．

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1、掌握X射線衍射的基本原理以及利用X射線衍射進(jìn)行物相分析的基本方法。

2、掌握J(rèn)F-2型X射線衍射儀的基本使用方法。

二、實(shí)驗(yàn)原理

1、X射線的性質(zhì)

1895年11月8日德國(guó)維爾茨堡大學(xué)倫琴教授在做陰極射線實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一種新的射線—X射線．為此，1901年倫琴榮獲首屆諾貝爾物理獎(jiǎng)．

倫琴發(fā)現(xiàn)X射線后，1912年德國(guó)慕尼黑大學(xué)物理學(xué)家勞厄等利用晶體作為產(chǎn)生X射線衍射的光柵，使入射的X射線經(jīng)過(guò)晶體后發(fā)生衍射，證實(shí)了X射線與無(wú)線電波、可見光和?射線等其他各種高能射線無(wú)本質(zhì)上的區(qū)別，也是一種電磁波，只是波長(zhǎng)很短而已．X射線的波長(zhǎng)在10-2～102 ?，衍射工作中使用的X射線波長(zhǎng)通常在l?左右，圖1 為常用的X射線管結(jié)構(gòu)示意圖．在陰極(燈絲)和陽(yáng)極(靶)兩極間加高壓，使陰極發(fā)射的電子加速射向陽(yáng)極，則在轟擊處產(chǎn)生X射線，轟擊的面積稱為焦點(diǎn)，而經(jīng)X射線管出射的X射線束與靶面成一定的角度(為30～60)．

由X射線管發(fā)生的X射線可以分為兩種：一種是具有連續(xù)波長(zhǎng)的X射線，構(gòu)成連續(xù)X射線譜。連續(xù)X射線譜是擊中了陽(yáng)極靶的大量高能電

圖1 X射線管結(jié)構(gòu)示意圖 子迅速減速時(shí)產(chǎn)生的。另一種是居于特定波長(zhǎng)的X射線譜，它們疊加在連續(xù)X射線譜上，稱為標(biāo)識(shí)（或特征）X射線，標(biāo)識(shí)X射線譜是當(dāng)管壓提高到一特定電壓值以后，高能電子在轟擊陽(yáng)極靶的過(guò)程中，部分具有充分動(dòng)能的電子激發(fā)陽(yáng)極靶金屬原子內(nèi)殼層電子躍遷所產(chǎn)生．常依波長(zhǎng)增加的次序把標(biāo)識(shí)譜分成K，L，M，?若干線系，分別對(duì)應(yīng)于躍遷到K，L，M，?殼層時(shí)輻射的X射線．

2、X射線在晶體中的衍射

由于X射線是波長(zhǎng)為100～0．0l ?的一種電磁輻射，常用的射線波長(zhǎng)為2．5～o．5 ?，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時(shí)，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)兩個(gè)相鄰波源在某一方向的光程差(△)等于波長(zhǎng)?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．產(chǎn)生衍射的幾何條件可用布拉格定律來(lái)描述．

圖2所示的是晶體內(nèi)部某—晶面族，晶面間距為d(hkl)。入射X射線受到原子A散射的同時(shí)，另一條平行的入射X射線受到原子B散射．如果兩條散射線在某處為同相位，則它們的光程差△應(yīng)為入射波長(zhǎng)的整數(shù)倍．即

光程差 ??2dhklsin??N? 此時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生干涉極大值，這就是布拉格定律．式中：λ是X射線的波長(zhǎng)；

圖2 布拉格定律示意圖

d是結(jié)晶面間隔；θ是衍射角(入射線與

晶面間夾角)，稱為布拉格角；N為整數(shù)，稱為干涉級(jí)次．由此可見，當(dāng)X射線入射到晶體上時(shí)，凡是滿足布拉格方程的晶面族，均會(huì)發(fā)生干涉性反射，反射X射線束的方向在入射X射線和反射晶面法線的同一平面上，且反射角等于入射角．

3、X射線衍射在金屬學(xué)中的應(yīng)用

X射線衍射現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)后，很快被用于研究金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)了許多具有重大意義的結(jié)果。如韋斯特格倫（A.Westgren）(1922年)證明α、β和δ鐵都是體心立方結(jié)構(gòu)，β-Fe并不是一種新相;而鐵中的α—→γ相轉(zhuǎn)變實(shí)質(zhì)上是由體心立方晶體轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄w，從而最終否定了β-Fe硬化理論。隨后，在用X射線測(cè)定眾多金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu)的同時(shí)，在相圖測(cè)定以及在固態(tài)相變和范性形變研究等領(lǐng)域中均取得了豐碩的成果。如對(duì)超點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，推動(dòng)了對(duì)合金中有序無(wú)序轉(zhuǎn)變的研究； 對(duì)馬氏體相變晶體學(xué)的測(cè)定，確定了馬氏體和奧氏體的取向關(guān)系；對(duì)鋁銅合金脫溶的研究等等。目前 X射線衍射(包括X射線散射)已經(jīng)成為研究晶體物質(zhì)和某些非晶態(tài)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的有效方法。

在金屬中的主要應(yīng)用有以下方面：

（1）物相分析

物相分析是X射線衍射在金屬中用得最多的方面，晶體的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，這就是X射線衍射物相分析方法的依據(jù)。

物相分析又分為定性分析和定量分析。定性分析是制備各種標(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。定量分析則是鑒定出各個(gè)相后，根據(jù)各相花樣的強(qiáng)度正比于該組分存在的量，確定待測(cè)材料中各相的比例含量。

（2）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(guò)X射線衍射線的位置（θ）的測(cè)定而獲得的，通過(guò)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。

（3）應(yīng)力的測(cè)定

X射線測(cè)定應(yīng)力以衍射花樣特征的變化作為應(yīng)變的量度。宏觀應(yīng)力均勻分布在物體中較大范圍內(nèi)，產(chǎn)生的均勻應(yīng)變表現(xiàn)為該范圍內(nèi)方向相同的各晶粒中同名晶面間距變化相同，導(dǎo)致衍射線向某方向位移，這就是X射線測(cè)量宏觀應(yīng)力的基礎(chǔ)；微觀應(yīng)力在各晶粒間甚至一個(gè)晶粒內(nèi)各部分間彼此不同，產(chǎn)生的不均勻應(yīng)變表現(xiàn)為某些區(qū)域晶面間距增加、某些區(qū)域晶面間距減少，結(jié)果使衍射線向不同方向位移，使其衍射線漫散寬化，這是X射線測(cè)量微觀應(yīng)力的基礎(chǔ)。超微觀應(yīng)力在應(yīng)變區(qū)內(nèi)使原子偏離平衡位置，導(dǎo)致衍射線強(qiáng)度減弱，故可以通過(guò)X射線強(qiáng)度的變化測(cè)定超微觀應(yīng)力。

三、實(shí)驗(yàn)儀器

1、產(chǎn)品型號(hào)名稱；

該產(chǎn)品型號(hào)為JF―2型，名稱為X射線晶體分析儀，如圖3所示。JF―2型X射線晶體分析儀是由X射線發(fā)生器，高壓變壓器、管套、高壓電纜、X射線管、控制匣組裝、底板組裝、光閘、防護(hù)罩、臺(tái)體、水泵等組成。

圖3 JF-2型 X射線衍射儀 圖4是JF-2型X射線衍射儀的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 JF-2型X射線衍射儀的結(jié)構(gòu)示意圖

拍照系統(tǒng)由相機(jī)和通用相機(jī)架兩部分組成。該相機(jī)由相盒、光闌、樣品軸、夾片機(jī)構(gòu)放大鏡、熒光屏等部件組成。入射光闌采用分段裝配結(jié)構(gòu)，光闌孔由重元素合金銀制成，對(duì)防止熒光輻射增加底影黑度，光闌和相盒采用錐孔連接，安裝方便，重復(fù)安裝精度高，適合暗室操作。調(diào)整樣品由機(jī)殼外部調(diào)整螺旋完成，照相底片采用偏裝法裝入相盒，通過(guò)拉緊銷把底片漲緊。

2、用途、特點(diǎn)及適用范圍

該儀器能夠提供穩(wěn)定的X射線光源，用來(lái)研究物質(zhì)內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)。

其特點(diǎn)是利用可控硅和集成電路自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)壓調(diào)流，從而獲得一個(gè)較強(qiáng)而穩(wěn)定的X射線光源。該儀器X射線發(fā)生器功率大、整機(jī)穩(wěn)定性高、操作簡(jiǎn)單、可靠性高、保護(hù)完善，可與各種X射線照相機(jī)一起構(gòu)成X射線晶體分析儀，或作其它X射線光源。

該儀器適用于冶金、機(jī)械、電子、化工、地質(zhì)、建材、環(huán)保、能源等科研部門、工礦、企業(yè)和大專院校。

四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟

1、準(zhǔn)備

（1）在可見光下，用相盒外部的調(diào)整螺旋把樣品調(diào)正(即樣品軸線和相機(jī)軸線重合)；

4（2）在暗室里安裝照相底片，裝片時(shí)注意不要碰歪樣品，然后將裝好底片的相機(jī)安裝在通用相機(jī)架的導(dǎo)軌上，選好儀器試驗(yàn)條件進(jìn)行照相；

（3）關(guān)閉儀器防護(hù)罩；

（4）調(diào)控千伏和毫安旋鈕到最小位置，即起始位置(10KV，2mA)；

2、操作步驟

（1）按“低壓開”鍵，此時(shí)低壓燈亮，準(zhǔn)備燈亮，蜂鳴器鳴響；

（2）送水，開水泵電源、排水流暢，蜂鳴器停鳴；

（3）按“高壓開”鍵，此時(shí)，高壓指示燈亮，大約延時(shí)30秒，表開始有10KV,2mA指示；

（4）調(diào)整KV和mA旋鈕到要求值，注意調(diào)整時(shí)兩旋鈕數(shù)值交替、逐漸增大，直到實(shí)驗(yàn)要求的數(shù)值；KV和mA的乘積不要超過(guò)X射線管的功率，建議使用35KV和20mA。（最大在射線管功率的80％）。

（5）用瑩光板對(duì)好機(jī)械光路，打開光閘，進(jìn)行工作，相機(jī)拍照時(shí)間為：大相機(jī)60分鐘，小相機(jī)40分鐘；

（6）工作完成后，關(guān)閉光閘，緩慢降低千伏和毫安到起始位置10KV，2mA（7）按“高壓關(guān)”鍵，此時(shí)高壓關(guān)斷，停止X射線發(fā)生；（8）按“低壓關(guān)”鍵，此時(shí)電源關(guān)斷；

（9）等10分鐘后，使X光管進(jìn)一步冷卻，然后關(guān)斷水泵電源。

（10）取下相機(jī)，到暗示中打開相機(jī)蓋，輕輕取出拍攝底片，切記將相機(jī)保護(hù)好，不要被顯影液、定影液腐蝕；

（11）沖洗拍攝底片，顯影、定影時(shí)間為3～8分鐘，隨季節(jié)溫度變化調(diào)整時(shí)間。

五、注意事項(xiàng)

1、注意X射線管的電壓為幾十千伏，要特別注意高壓安全．

2、安裝和取出拍攝底片時(shí)，一定按要求輕拿輕放，不要碰歪樣品；調(diào)整樣品位置時(shí)，一定要有耐心，調(diào)整螺旋不要用力過(guò)大，以免損壞儀器。

3、X射線對(duì)人體有極大傷害，操作時(shí)一定要按規(guī)程操作；

4、儀器防護(hù)罩是實(shí)驗(yàn)安全的保證，而且是易碎材料，所以開啟和關(guān)閉防護(hù)罩時(shí)，一定要小心謹(jǐn)慎。

六、思考題

1、X射線衍射儀的基本原理是什么？X射線衍射技術(shù)有哪些應(yīng)用？

2、X射線衍射儀開啟和關(guān)閉時(shí)，調(diào)整KV和mA旋鈕為什么要交替、逐漸增大和交替、逐漸減??？

3、定性物相分析的基本方法是什么?

第五篇：X射線衍射分析在材料研究中的應(yīng)用作業(yè)

X射線衍射在材料科學(xué)中的應(yīng)用

X射線衍射分析法是研究物質(zhì)的物相和晶體結(jié)構(gòu)的主要方法。當(dāng)某物質(zhì)(晶體或非晶體)進(jìn)行衍射分析時(shí),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(gòu)型、構(gòu)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(wú)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)。因此,X射線衍射分析法作為材料結(jié)構(gòu)和成分分析的一種現(xiàn)代科學(xué)方法,已逐步在各學(xué)科研究和生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在，X射線分析的新發(fā)展使得金屬、無(wú)機(jī)材料的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無(wú)機(jī)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(zhǎng)，強(qiáng)度測(cè)量的精確度低。50年代初問(wèn)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(lái)，隨著高強(qiáng)度X射線源（包括超高強(qiáng)度的旋轉(zhuǎn)陽(yáng)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，使金屬無(wú)機(jī)材料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。

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