本科：晶體X射線衍射實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、中 南 大 學(xué)X射線衍射實(shí)驗(yàn)報(bào)告材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程專業(yè)工程試驗(yàn)1301班級姓 名樂建溫學(xué)號0603130506同組者實(shí)驗(yàn)日期2015年12月07日指導(dǎo)教師黃繼武評分分評閱人評閱日期一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?) 掌握X射線衍射儀的工作原理、操作方法；2) 掌握X射線衍射實(shí)驗(yàn)的樣品制備方法；3) 學(xué)會X射線衍射實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置，獨(dú)立完成一個(gè)衍射實(shí)驗(yàn)測試；4) 學(xué)會MDI Jade 6的基本操作方法；5) 學(xué)會物相定性分析的原理和利用Jade進(jìn)行物相鑒定的方法；6) 學(xué)會物相定量分析的原理和利用Jade進(jìn)行物相定量的方法。本實(shí)驗(yàn)由衍射儀操作、物相定性分析、物相定量分析三個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)組成，實(shí)

2、驗(yàn)報(bào)告包含以上三個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。二、 實(shí)驗(yàn)原理X射線是原子內(nèi)層電子在高速運(yùn)動電子的轟擊下躍遷而產(chǎn)生的光輻射，主要有連續(xù)X射線和特征X射線兩種。晶體可被用作X光的光柵，這些很大數(shù)目的原子或離子/分子所產(chǎn)生的相干散射將會發(fā)生光的干涉作用，從而影響散射的X射線的強(qiáng)度增強(qiáng)或減弱。由于大量原子散射波的疊加，互相干涉而產(chǎn)生最大強(qiáng)度的光束稱為X射線的衍射線。 滿足衍射條件，可應(yīng)用布拉格公式：2dsin= 應(yīng)用已知波長的X射線來測量角，從而計(jì)算出晶面間距d，這是用于X射線結(jié)構(gòu)分析；另一個(gè)是應(yīng)用已知d的晶體來測量角，從而計(jì)算出特征X射線的波長，進(jìn)而可在已有資料查出試樣中所含的元素。三、 儀器與材料1) 儀器：18K

3、W轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀2) 數(shù)據(jù)處理軟件：數(shù)據(jù)采集與處理終端與數(shù)據(jù)分析軟件MDI Jade 63) 實(shí)驗(yàn)材料：樣品1含有Ti、O元素；樣品2含有Fe、Si、C、O和S元素四、 實(shí)驗(yàn)步驟1 測量數(shù)據(jù)1) 準(zhǔn)備樣品；2) 打開X射線衍射儀；3) 按下“Door”按鈕，聽到報(bào)警；4) 向右拉開“常規(guī)衍射儀門”，裝好樣品；5) 向左輕拉“常規(guī)衍射儀門”，使之合上；6) 打開“控制測量”程序，輸入實(shí)驗(yàn)條件和樣品名，開始測量；表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定：儀器掃描范圍掃描度電壓電流D/max 2500型X射線衍射儀10-808°/min 40KV250mA7) 按相同的實(shí)驗(yàn)條件測量其它樣品的衍射數(shù)據(jù)。2 物相

4、鑒定1) 打開Jade，讀入衍射數(shù)據(jù)文件；2) 鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊S/M工具按鈕，進(jìn)入“Search/Match”對話界面;3) 選擇“Chemistry filter”，進(jìn)入元素限定對話框，選中樣品中的元素名稱，然后點(diǎn)擊OK返回對話框，再點(diǎn)擊OK；4) 從物相匹配表中選中樣品中存在的物相。在所選定的物相名稱上雙擊鼠標(biāo)，顯示PDF卡片，按下Save按鈕，保存PDF卡片數(shù)據(jù)；5) 在主要相鑒定完成后，對剩余未鑒定的衍射峰涂峰，做“Search/Match”，直至全部物相鑒定出來。6) 鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊“打印機(jī)”圖標(biāo)，顯示打印結(jié)果，按下“Save”按鈕，輸出物相鑒定結(jié)果。7) 以同樣的方法標(biāo)定其它樣品的物相

5、,物相鑒定實(shí)驗(yàn)完成。3 物相定量分析1) 在Jade窗口中，打開一個(gè)多相樣品的衍射譜；2) 完成多相樣品的物相鑒定，物相鑒定時(shí)，選擇有RIR值的PDF卡片；3) 選擇每個(gè)物相的主要未重疊的衍射峰進(jìn)行擬合，求出衍射峰面積；4) 選擇菜單“Options|Easy Quantitative”，按絕熱法計(jì)算樣品中兩相的重量百分?jǐn)?shù)；5) 按下“Save”按鈕，保存定量分析結(jié)果，定量分析數(shù)據(jù)處理完成。計(jì)算公式: , 五 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1 物相鑒定結(jié)果樣品1 的X射線衍射圖譜如下： 樣品1 中含有TiO2和Ti0.924O2樣品2 的X射線衍射圖譜如下：樣品2 中含有FeS2、SiO2和Fe(CO3)2 定

6、量分析結(jié)果樣品1樣品1 的含量為W%（TiO2）:W%(Ti0.924O2)=87.2%:12.8%樣品2 樣品2的含量為W%(FeS2):W%(SiO2):W%(Fe(CO3)=37.0%:24.2%:38.8%3 點(diǎn)陣常數(shù)精確測定結(jié)果 從樣品1的分析結(jié)果中可以看出 TiO2晶體為體心正方，點(diǎn)陣常數(shù)為3.7848 x 3.7848 x 9.5124 <90.0 x 90.0 x 90.0> Ti0.924O2晶體為體心正方，點(diǎn)陣常數(shù)為4.59053 x 4.59053 x 2.958 <90.0 x 90.0 x 90.0> 從樣品2的分析結(jié)果中可以看出 FeS2晶體

7、為簡單立方，點(diǎn)陣常數(shù)為5.417 x 5.417 x 5.417 <90.0 x 90.0 x 90.0> SiO2晶體為簡單六方，點(diǎn)陣常數(shù)為4.9134 x 4.9134 x 5.4052 <90.0 x 90.0 x 120.0>Fe(CO3)晶體為簡單六方，點(diǎn)陣常數(shù)為4.6916 x 4.6916 x 15.3796 <90.0 x 90.0 x 120.0>六 結(jié)果與討論X射線物相分析的任務(wù)是利用X射線衍射的方法，對試樣中由各種元素形的具有固定結(jié)構(gòu)的化合物（其中包括單質(zhì)元素和固溶體）進(jìn)行定性和定量的分析。X射線衍射可以進(jìn)行物相鑒定的基本原理是任何一種

8、結(jié)晶物質(zhì)（包括單質(zhì)元素，固溶體和化合物）均具有特定晶體結(jié)構(gòu)（包括結(jié)構(gòu)類型，晶胞的形狀和大小，晶胞中原子、離子或分子的種類，數(shù)目，分布）。在一定波長的X射線照射下，每種晶體物質(zhì)都給出自己特有的衍射花樣（衍射線的位置和強(qiáng)度）。每一種晶體物質(zhì)和它的衍射花樣都是一一對應(yīng)的，不可能有兩種晶體物質(zhì)給出完全相同的衍射花樣。如果在試驗(yàn)中存在兩種以上不同結(jié)構(gòu)的物質(zhì)時(shí)，每種物質(zhì)所特有的衍射花樣不變，多相試樣的衍射花樣只是有它所含有的物質(zhì)的衍射花樣的機(jī)械疊加而成。衍射方向是晶胞參數(shù)的函數(shù)（取決于晶體結(jié)構(gòu)）；衍射強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)因子函數(shù)（取決于晶胞中原子的種類、數(shù)目和排列方式）。任何一個(gè)物相都有一套d-I特征值及衍射譜圖。

9、因此，可以對多相共存的體系進(jìn)行全分析。X射線定量分析的任務(wù)是，在定性相分析的基礎(chǔ)上測定多相物質(zhì)中各相的含量。定量相分析的理論基礎(chǔ)是。物質(zhì)的衍射強(qiáng)度與該物質(zhì)參與衍射的體積的正比。對于衍射儀法，其衍射強(qiáng)度為：這個(gè)強(qiáng)度是對單一物質(zhì)（即單相）而言的。對多相物質(zhì)而言，可以參比強(qiáng)度法來測定重量百分比。參比強(qiáng)度法是在K值法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，在運(yùn)用K值法時(shí)可以選用某種特定的物質(zhì)作為通用內(nèi)標(biāo)物質(zhì)。由于剛玉(-Al2O3)具有非常高的純度、很好的化學(xué)穩(wěn)定性、容易獲得以及制樣時(shí)無擇優(yōu)取向效應(yīng)而被采用。由K值法的表達(dá)式可知，如果我們事先將所有相與通用內(nèi)標(biāo)的K值測出來，則在測量混合物中的某相含量時(shí)，直接往樣品中加通用

10、內(nèi)標(biāo)即可，這時(shí)可以免去每次都要配制待測相和內(nèi)標(biāo)樣的麻煩。在PDF卡片上，有相當(dāng)多的已知相已經(jīng)測出了參比強(qiáng)度值。當(dāng)測定這些相的相對含量時(shí)，我們只要往樣品中加入通用內(nèi)標(biāo)物質(zhì)，即可通過查卡片得到K值，直接可以求出該相的含量。當(dāng)往樣品中加入的內(nèi)標(biāo)物質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)時(shí)(-Al2O3) ，K值法中的K值就是參比強(qiáng)度值，所以參比強(qiáng)度法的計(jì)算方法和思維方式與K值法是一致的，區(qū)別是不需要制備混合樣品。查到參比強(qiáng)度值后直接用下式即可算出所測相的含量。, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 樣品1 中含有TiO2和Ti0.924O2兩種物相，其含量比為87.2%:12.8%。TiO2晶體為體心正方，點(diǎn)陣常數(shù)為3.7848 x 3.7848

11、x 9.5124 <90.0 x 90.0 x 90.0>；Ti0.924O2晶體為體心正方，點(diǎn)陣常數(shù)為4.59053 x 4.59053 x 2.958 <90.0 x 90.0 x 90.0> 樣品2 中含有FeS2、SiO2和Fe(CO3)三種物相，其含量比為37.0%:24.2%:38.8%。 FeS2晶體為簡單立方，點(diǎn)陣常數(shù)為5.417 x 5.417 x 5.417 <90.0 x 90.0 x 90.0>；SiO2晶體為簡單六方，點(diǎn)陣常數(shù)為4.9134 x 4.9134 x 5.4052 <90.0 x 90.0 x 120.0>；

12、Fe(CO3)晶體為簡單六方，點(diǎn)陣常數(shù)為4.6916 x 4.6916 x 15.3796 <90.0 x 90.0 x 120.0>。心得體會通過這兩次的實(shí)驗(yàn)了解X射線衍射儀的工作原理、操作方法；并通過老師的講解知道了如何制備X射線衍射實(shí)驗(yàn)的樣品。粉末樣品要求磨成320目的粒度，約40微米。金屬樣品如塊狀、板狀、圓拄狀要求磨成一個(gè)平面，面積不小于10X10毫米。實(shí)驗(yàn)觀摩了X射線衍射儀，對其構(gòu)造和使用方法及實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置有感性的認(rèn)識。對于X射線物相定性和定量分析的原理有了更進(jìn)一步的掌握。學(xué)會了MDI Jade 6的基本操作方法，并利用其進(jìn)行物相鑒定和定量分析。這個(gè)實(shí)驗(yàn)對我以后的學(xué)習(xí)和工作中進(jìn)行物相鑒定起了