材料學(xué)碩-X射線衍射原理、方法與應(yīng)用

1、物有本末，事有終始；物有本末，事有終始； 知所先后，則近道矣。知所先后，則近道矣。21. XRD研究的是材料的體相還是表面相？研究的是材料的體相還是表面相？ XRD采用采用單色單色X射線射線為衍射源，一般可以穿透為衍射源，一般可以穿透固體，從而驗(yàn)證其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此固體，從而驗(yàn)證其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此XRD給出的是給出的是材料的材料的體相結(jié)構(gòu)信息體相結(jié)構(gòu)信息。32. XRD是定性分析手段還是定量分析手段？是定性分析手段還是定量分析手段？ XRD多以多以定性物相分析為主定性物相分析為主，但也可以進(jìn)行定，但也可以進(jìn)行定量分析。量分析。 通過待測(cè)樣品的通過待測(cè)樣品的X 射線衍射譜圖與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的射線衍射譜圖與

2、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的X 射線衍射射線衍射譜圖進(jìn)行對(duì)比譜圖進(jìn)行對(duì)比，可以定性分析樣品的物相，可以定性分析樣品的物相組成。組成。 通過對(duì)樣品通過對(duì)樣品衍射強(qiáng)度數(shù)據(jù)的分析計(jì)算衍射強(qiáng)度數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，可以完，可以完成樣品物相組成的定量分析。成樣品物相組成的定量分析。43. XRD進(jìn)行定性分析時(shí)可以得到哪些有用信息？進(jìn)行定性分析時(shí)可以得到哪些有用信息？ A. 根據(jù)根據(jù)XRD譜圖信息，可以確定樣品是譜圖信息，可以確定樣品是無(wú)定型無(wú)定型還是晶體還是晶體： 無(wú)定型樣品為大包峰，沒有精細(xì)譜峰結(jié)構(gòu)；無(wú)定型樣品為大包峰，沒有精細(xì)譜峰結(jié)構(gòu)； 晶體則有豐富的譜線特征。晶體則有豐富的譜線特征。56 B. 通過與標(biāo)準(zhǔn)譜圖進(jìn)行對(duì)比，可

3、以知道所測(cè)樣通過與標(biāo)準(zhǔn)譜圖進(jìn)行對(duì)比，可以知道所測(cè)樣品由哪些品由哪些物相組成物相組成（XRD最主要的用途之一）。最主要的用途之一）。 基本原理：晶態(tài)物質(zhì)組成元素如果不相同或其結(jié)基本原理：晶態(tài)物質(zhì)組成元素如果不相同或其結(jié)構(gòu)有差異，它們的衍射譜圖在衍射峰數(shù)目、角度位構(gòu)有差異，它們的衍射譜圖在衍射峰數(shù)目、角度位置、相對(duì)強(qiáng)度以及衍射峰形上會(huì)顯現(xiàn)出差異。置、相對(duì)強(qiáng)度以及衍射峰形上會(huì)顯現(xiàn)出差異。78 C. 通過實(shí)測(cè)樣品和標(biāo)準(zhǔn)譜圖通過實(shí)測(cè)樣品和標(biāo)準(zhǔn)譜圖2值的差別，可以值的差別，可以定性分析定性分析晶胞是否膨脹或者收縮晶胞是否膨脹或者收縮的問題，因?yàn)榈膯栴}，因?yàn)閄RD的峰位置可以確定晶胞的大小和形狀。的峰位置可

4、以確定晶胞的大小和形狀。9 104. XRD可以用于定量分析哪些內(nèi)容？可以用于定量分析哪些內(nèi)容？ A. 樣品的樣品的平均晶粒尺寸平均晶粒尺寸 基本原理：當(dāng)基本原理：當(dāng) X 射線入射到小晶體時(shí)，其衍射射線入射到小晶體時(shí)，其衍射線條將變得彌散而寬化。晶體的線條將變得彌散而寬化。晶體的晶粒越小晶粒越小， X 射射線線衍射譜帶的寬化程度就越大衍射譜帶的寬化程度就越大。因此晶粒尺寸與。因此晶粒尺寸與XRD譜圖半峰寬之間存在一定的關(guān)系，即謝樂公譜圖半峰寬之間存在一定的關(guān)系，即謝樂公式（式（Scherrer equation）1112 B. 樣品的樣品的相對(duì)結(jié)晶度相對(duì)結(jié)晶度：一般將最強(qiáng)衍射峰積分：一般將最強(qiáng)

5、衍射峰積分所得的面積（所得的面積（As）當(dāng)作計(jì)算結(jié)晶度的指標(biāo)，與標(biāo)）當(dāng)作計(jì)算結(jié)晶度的指標(biāo)，與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)積分所得面積準(zhǔn)物質(zhì)積分所得面積(Ag)進(jìn)行比較進(jìn)行比較 結(jié)晶度結(jié)晶度=As/Ag*100%。1314 C. 物相含量物相含量的定量分析：主要有的定量分析：主要有K值法值法也叫也叫RIR方方法和法和Rietveld全譜精修定量全譜精修定量等。等。 RIR法的基本原理為法的基本原理為1:1混合的某物質(zhì)與剛玉混合的某物質(zhì)與剛玉(Al2O3)，其最強(qiáng)衍射峰的積分強(qiáng)度會(huì)有一個(gè)比值，其最強(qiáng)衍射峰的積分強(qiáng)度會(huì)有一個(gè)比值，該比值為該比值為RIR值。通過將該物質(zhì)的積分強(qiáng)度值。通過將該物質(zhì)的積分強(qiáng)度/RIR 值，值

6、，總是可以換算成總是可以換算成Al2O3的積分強(qiáng)度。對(duì)于一個(gè)混合物的積分強(qiáng)度。對(duì)于一個(gè)混合物而言，物質(zhì)中所有組分都按這種方法進(jìn)行換算，最而言，物質(zhì)中所有組分都按這種方法進(jìn)行換算，最后可以通過歸一法得到某一特定組分的百分含量。后可以通過歸一法得到某一特定組分的百分含量。1516D. XRD還可以用于還可以用于點(diǎn)陣常數(shù)的精密計(jì)算點(diǎn)陣常數(shù)的精密計(jì)算，殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力計(jì)算計(jì)算等。等。 多晶材料多晶材料X射線衍射：實(shí)驗(yàn)原理、方法與應(yīng)用射線衍射：實(shí)驗(yàn)原理、方法與應(yīng)用1718192021222324峰位峰位 面間距面間距d 定性分析定性分析 點(diǎn)陣參數(shù)點(diǎn)陣參數(shù) d漂移漂移 殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力 固溶體分析固溶體分

7、析半高寬半高寬 結(jié)晶性結(jié)晶性 微晶尺寸微晶尺寸 晶格點(diǎn)陣晶格點(diǎn)陣非晶質(zhì)的積分強(qiáng)度非晶質(zhì)的積分強(qiáng)度結(jié)晶質(zhì)的積分強(qiáng)度結(jié)晶質(zhì)的積分強(qiáng)度定量分析定量分析結(jié)晶度結(jié)晶度角度（2）強(qiáng)度判定有無(wú)譜峰判定有無(wú)譜峰準(zhǔn)晶質(zhì)、非準(zhǔn)晶質(zhì)、非晶質(zhì)晶質(zhì)樣品方位與強(qiáng)度變化（取向樣品方位與強(qiáng)度變化（取向）集合組織集合組織纖維組織纖維組織極圖極圖1. X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用252. XRD的基本原理的基本原理 當(dāng)一束單色當(dāng)一束單色 X射線照射到晶體上時(shí)，晶體中原射線照射到晶體上時(shí)，晶體中原子周圍的電子受子周圍的電子受X 射線周期變化的電場(chǎng)作用而振動(dòng)，射線周期變化的電場(chǎng)作用而振動(dòng)，從而使每個(gè)電子都變?yōu)榘l(fā)射球面電

8、磁波的次生波源。從而使每個(gè)電子都變?yōu)榘l(fā)射球面電磁波的次生波源。所發(fā)射球面波的頻率與入射的所發(fā)射球面波的頻率與入射的 X 射線相一致射線相一致。26 基于晶體結(jié)構(gòu)的周期性，晶體中各個(gè)原子（原基于晶體結(jié)構(gòu)的周期性，晶體中各個(gè)原子（原子上的電子）的散射波可相互干涉而疊加，稱之為子上的電子）的散射波可相互干涉而疊加，稱之為相干散射或衍射相干散射或衍射。 X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象，實(shí)質(zhì)上是大量原子射線在晶體中的衍射現(xiàn)象，實(shí)質(zhì)上是大量原子散射波相互干涉的結(jié)果。散射波相互干涉的結(jié)果。 每種晶體所產(chǎn)生的衍射花樣都反映出晶體內(nèi)部每種晶體所產(chǎn)生的衍射花樣都反映出晶體內(nèi)部的原子分布規(guī)律。的原子分布規(guī)律。27 根據(jù)上

9、述原理，某晶體的衍射花樣的特征最主根據(jù)上述原理，某晶體的衍射花樣的特征最主要的是兩個(gè)：要的是兩個(gè)：1) 衍射線在空間的分布規(guī)律衍射線在空間的分布規(guī)律；2) 衍射衍射線束的強(qiáng)度線束的強(qiáng)度。 其中，衍射線的分布規(guī)律由晶胞大小，形狀和其中，衍射線的分布規(guī)律由晶胞大小，形狀和位向決定，衍射線強(qiáng)度則取決于原子的品種和它們位向決定，衍射線強(qiáng)度則取決于原子的品種和它們?cè)诰О奈恢谩Ｔ诰О奈恢谩?因此，不同晶體具備不同的衍射圖譜。因此，不同晶體具備不同的衍射圖譜。28 布拉格方程所反映的是衍射線方向與晶體結(jié)構(gòu)布拉格方程所反映的是衍射線方向與晶體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。對(duì)于某一特定晶體而言，只有滿足布之間的關(guān)系。對(duì)于

10、某一特定晶體而言，只有滿足布拉格方程的入射線角度才能夠產(chǎn)生干涉增強(qiáng)，才會(huì)拉格方程的入射線角度才能夠產(chǎn)生干涉增強(qiáng)，才會(huì)表現(xiàn)出衍射條紋。這是表現(xiàn)出衍射條紋。這是XRD譜圖的根本意義。譜圖的根本意義。292d(hkl)sin nn 3. X射線衍射儀射線衍射儀30X線發(fā)生器線發(fā)生器(XG)測(cè)角儀測(cè)角儀樣品計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器X射線管角度掃描1. 樣品的制備樣品的制備 用于用于X射線衍射的樣品可以是粉末樣或塊狀樣射線衍射的樣品可以是粉末樣或塊狀樣 粉末樣品要求粉末樣品要求 樣品顆粒度小于樣品顆粒度小于300目目 塊狀樣品要求塊狀樣品要求 表面尺寸不得大于表面尺寸不得大于18mm18mm，表面（被照，表面（被照

11、射面）采用金相水磨砂紙磨平，無(wú)應(yīng)力和織構(gòu)射面）采用金相水磨砂紙磨平，無(wú)應(yīng)力和織構(gòu)31粉末樣品制備粉末樣品制備 用藥勺取適量粉末放入玻璃樣用藥勺取適量粉末放入玻璃樣品架樣品槽內(nèi)，用毛玻璃輕壓粉末，品架樣品槽內(nèi)，用毛玻璃輕壓粉末，使之充滿槽內(nèi)，輕輕刮去多余的粉使之充滿槽內(nèi)，輕輕刮去多余的粉末，最后壓平壓實(shí)樣粉末，使樣品末，最后壓平壓實(shí)樣粉末，使樣品表面與玻璃架表面在同一平面內(nèi)表面與玻璃架表面在同一平面內(nèi)32塊狀樣品的制備塊狀樣品的制備 取少量橡膠泥搓成取少量橡膠泥搓成2cm 2cm的平面，放在鋁樣品架上，制好的平面，放在鋁樣品架上，制好的塊狀樣品放入樣品架另一側(cè)的的塊狀樣品放入樣品架另一側(cè)的樣品框

12、內(nèi)，表面用稱量紙覆蓋，樣品框內(nèi)，表面用稱量紙覆蓋，輕壓橡皮泥，使樣品固定在樣品輕壓橡皮泥，使樣品固定在樣品架上。架上。332. 樣品的安裝樣品的安裝 按下衍射儀按下衍射儀面板上的面板上的Door按鈕，蜂鳴器按鈕，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，發(fā)出報(bào)警聲，向右拉開衍射向右拉開衍射儀保護(hù)門儀保護(hù)門34 將樣品表面朝上安裝樣品到樣品臺(tái)將樣品表面朝上安裝樣品到樣品臺(tái) 左手扶住左邊門邊使之不能動(dòng)，右左手扶住左邊門邊使之不能動(dòng)，右手向左邊輕拉右邊門，兩門自動(dòng)吸住手向左邊輕拉右邊門，兩門自動(dòng)吸住后報(bào)警聲停止。后報(bào)警聲停止。353.測(cè)量參數(shù)設(shè)置測(cè)量參數(shù)設(shè)置 在計(jì)算機(jī)桌面上雙擊在計(jì)算機(jī)桌面上雙擊Right Measurem

13、ent System 圖標(biāo)，打開測(cè)量控制系統(tǒng)軟件，進(jìn)入控制主界面圖標(biāo)，打開測(cè)量控制系統(tǒng)軟件，進(jìn)入控制主界面361.基于基于Jade的物相鑒定方法的物相鑒定方法 打開計(jì)算機(jī)，雙擊桌面上的打開計(jì)算機(jī)，雙擊桌面上的Jade圖標(biāo)，進(jìn)入圖標(biāo)，進(jìn)入Jade窗口窗口37打開測(cè)量文件打開測(cè)量文件38點(diǎn)擊文件打開工具按鈕，顯示文件打開對(duì)話框39雙擊文件名或選雙擊文件名或選擇多個(gè)擇多個(gè) 文件后點(diǎn)文件后點(diǎn)READ，打開一個(gè)，打開一個(gè)或多個(gè)文件或多個(gè)文件單擊圖譜平滑按鈕，使曲線顯得光單擊圖譜平滑按鈕，使曲線顯得光滑一些，每單擊一次在原基礎(chǔ)作一滑一些，每單擊一次在原基礎(chǔ)作一次平滑，每平滑一次，失真度增加次平滑，每平滑一

14、次，失真度增加圖譜平滑圖譜平滑單擊顯示背景線，再單擊一次扣除單擊顯示背景線，再單擊一次扣除圖譜背底，其它一些操作中會(huì)自動(dòng)圖譜背底，其它一些操作中會(huì)自動(dòng)扣除背底扣除背底扣除背底扣除背底K 2線自動(dòng)扣除，不需要手工扣除線自動(dòng)扣除，不需要手工扣除扣除扣除K2計(jì)算機(jī)自動(dòng)尋計(jì)算機(jī)自動(dòng)尋峰，并標(biāo)注峰，并標(biāo)注d值值手動(dòng)尋峰，點(diǎn)擊手動(dòng)手動(dòng)尋峰，點(diǎn)擊手動(dòng)尋峰按鈕后，在峰下尋峰按鈕后，在峰下單擊加一個(gè)峰，右擊單擊加一個(gè)峰，右擊去除峰標(biāo)記去除峰標(biāo)記尋峰尋峰試試右下角這些按鈕，試試右下角這些按鈕，看看它們的作用看看它們的作用左鍵點(diǎn)擊左鍵點(diǎn)擊S/M，直接進(jìn)入物相直接進(jìn)入物相檢索窗口檢索窗口物相檢索物相檢索右鍵點(diǎn)擊右鍵點(diǎn)

15、擊S/M，進(jìn)入物相檢索進(jìn)入物相檢索窗口窗口物相檢索物相檢索在你認(rèn)為存在的物相在你認(rèn)為存在的物相前的方框上點(diǎn)上勾，前的方框上點(diǎn)上勾，表示該物相存在表示該物相存在物相檢索完成后，物相檢索完成后，返回主窗口按鈕返回主窗口按鈕物相檢索物相檢索右擊打印機(jī)圖右擊打印機(jī)圖標(biāo)，進(jìn)入圖形標(biāo)，進(jìn)入圖形輸出窗口輸出窗口檢索結(jié)果輸出檢索結(jié)果輸出檢索結(jié)果輸出檢索結(jié)果輸出左鍵點(diǎn)擊S/M，進(jìn)入物相檢索窗口2.基于基于origin的的XRD數(shù)據(jù)作圖數(shù)據(jù)作圖 數(shù)據(jù)導(dǎo)入（基于數(shù)據(jù)導(dǎo)入（基于txt文件）文件）51 XRD定性分析中，縱坐標(biāo)衍射峰強(qiáng)度的數(shù)值不是定性分析中，縱坐標(biāo)衍射峰強(qiáng)度的數(shù)值不是特別重要，在譜圖中可以不顯示，相應(yīng)地其縱坐標(biāo)特別重要，在譜圖中可以不顯示，相應(yīng)地其縱坐標(biāo)為為Intensity (a.u.)，而橫坐標(biāo)是非常重要的，要顯示，而橫坐標(biāo)是非常重要的，要顯示數(shù)值且選擇的間距要合適，橫坐標(biāo)為數(shù)值且選擇的間距要合適，橫坐標(biāo)為2 (deg.)。 譜線與坐標(biāo)軸線條大小（一般為譜線與坐標(biāo)軸線條大?。ㄒ话銥?，顯示四個(gè)邊，顯示四個(gè)邊框，除底邊外，其他軸均不含刻度），合理調(diào)整譜框，除底邊外，其他軸均不含刻度），合理調(diào)整譜圖顯示范圍。圖顯示范圍。5253 為了更清晰樣品的物相結(jié)構(gòu)，會(huì)對(duì)樣品的晶型結(jié)為了更清晰樣