RD技術(shù)在材料研究中的應(yīng)用

1、XRD 技術(shù)在材料爭辯中的應(yīng)用XRD：xrd 即 X-ray diffraction 的縮寫，X 射線衍射，通過對材料進(jìn)展 X 射線衍射， 分析其衍射圖譜，獲得材料的成分、材料內(nèi)部原子或分子的構(gòu)造或形態(tài)等信息的爭辯手段。射線介紹：X 射線是一種波長很短(約為200.06 埃)的電磁波，能穿透肯定厚度的物質(zhì)， 并能使熒光物質(zhì)發(fā)光、照相乳膠感光、氣體電離。在用電子束轟擊金屬“靶”產(chǎn)生的 X 射線中,包含與靶中各種元素對應(yīng)的具有特定波長的 X 射線，稱為特征或標(biāo)識X 射線。工作原理：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

2、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)生光的干預(yù)作用，從而影響散射的 X 射線的強(qiáng)度增加或減弱。由于大量原子散射波的疊加，相互干預(yù)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=n應(yīng)用波長的 X 射線來測量 角，從而計(jì)算出晶面間距 d，這是用于 X 射線構(gòu)造分析；另一個是應(yīng)用 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。布拉格衍射示意圖XRD 技術(shù)應(yīng)用：目前 X 射線衍射(包括散射)已經(jīng)成為爭辯晶體物質(zhì)和某些非晶態(tài)物質(zhì)微觀構(gòu)造的有效方法。在金屬中的主要應(yīng)用有以下方面：4.1 物相

3、分析：依據(jù)晶體對 X 射線的衍射特征衍射線的位置、強(qiáng)度及數(shù)量來鑒定結(jié)晶物質(zhì)之物相的方法，就是 X 射線物相分析法。X 射線衍射術(shù)(XRD)可用于物質(zhì)的相分析，即用于判別樣品的晶體構(gòu)造，晶體的完善性，晶態(tài)或是非晶態(tài)等等，從而鑒別樣品是由哪些物相組成以及各個物相的含量，分為物相定性、定量分析。定性分析：把對材料測得的點(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。定量分析：是基于待測物相的衍射峰強(qiáng)度與其含量成正比。依據(jù)衍射把戲的強(qiáng)度，確定材料中各相的含量。物相分析的工作程序：試驗(yàn)得到樣品的衍射圖，然后將之與物相在一樣試驗(yàn)條件下的衍射圖直接比較，依據(jù)峰位，相對強(qiáng)度，樣品構(gòu)造信

4、息等判別待定物相。試驗(yàn)得到待定樣品衍射圖，求出各衍射峰對應(yīng)的面間距d，然后結(jié)合各峰相對強(qiáng)度 Ii/I0 及試樣構(gòu)造信息等，在匯編標(biāo)準(zhǔn)PDF 卡中用 d- Ii/I0，比照檢索，定識物相。物相半定量分析方法是一種介于定量和定性之間的一種科學(xué)方法，主要是應(yīng)用 XPert Highscore Plus 等軟件對樣品中的物相組成進(jìn)展大體的分析，快速得出其大致含量。例如：圖：多相混合 TiO2 的 X 射線衍射圖譜及半定量分析結(jié)論：通過 XPert Highscore Plus 物相半定量分析可知，該粉末樣品成分為 TiO2主要由銳鈦礦相和金紅石相組成，兩相含量分別約 76%、24%。4.2 周密測量點(diǎn)

5、陣參數(shù)：點(diǎn)陣常數(shù)是晶體物質(zhì)的根本構(gòu)造參數(shù)。點(diǎn)陣常數(shù)的測定是通過X 射線衍射線的位置的測定而獲得的。確定點(diǎn)陣參數(shù)的主要方法是多晶 X 射線衍射法。X 射線衍射法測定點(diǎn)陣參數(shù)是利用準(zhǔn)確測得的晶體衍射線峰位 2 角數(shù)據(jù)， 然后依據(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。點(diǎn)陣參數(shù)準(zhǔn)確測定的應(yīng)用：可用于爭辯物質(zhì)的熱膨脹系數(shù)、固溶體類型及含量、固相溶解度曲線、宏觀應(yīng)力、化學(xué)熱處理層的分析、過飽和固溶體分解過程等。例如：用于相圖的固態(tài)溶解度曲線的測定:溶解度的變化會引起點(diǎn)陣常數(shù)的變化。當(dāng)?shù)竭_(dá)溶解限后，溶質(zhì)的連續(xù)增加引起相的析出，不再引起點(diǎn)陣常數(shù)的變化。這個轉(zhuǎn)折點(diǎn)為溶解限。結(jié)論：上

6、圖為利用 XPert Highscore Plus 軟件計(jì)算所得 Ni 摻雜 -Fe2O3 樣品的晶胞參數(shù)，由于Ni2+半徑小于 Fe3+，當(dāng)Ni2+進(jìn)入 -Fe2O3 晶格中取代 Fe3+， 導(dǎo)致肯定的晶格畸變，使金屬-氧鍵變長，晶胞參數(shù)增大。4.3 晶粒度的測定：材料中晶粒尺寸小于 10nm 時，將導(dǎo)致多晶衍射試驗(yàn)的衍射峰顯著增寬。故依據(jù)衍射峰的增寬可以測定其晶粒尺寸。在不考慮晶體點(diǎn)陣畸變的影響條件下，無應(yīng)力微晶尺寸可以由謝樂(Scherrer) 公式計(jì)算 ：D：晶粒尺寸nm ：衍射角 ：衍射峰的半高寬，在計(jì)算的過程中，需轉(zhuǎn)化為弧度rad ：單色入射 X 射線波長K ：為 Scherrer

7、 常數(shù)，當(dāng) B 為峰的半高寬時，k=0.89；當(dāng) B 為峰的積分寬度時，k=0.94結(jié)論：XPert PRO 型 X 射線衍射儀的儀器寬化值 Bstd 約為 0.05；將 ZnO顆粒看作近似球形計(jì)算其晶粒尺寸約為 51nm。4.4 結(jié)晶度的測定：結(jié)晶性高聚物中晶體局部所占的百分比叫做結(jié)晶度。是一種重要的工藝指標(biāo)。低分子晶體，由于完全結(jié)晶，沒有結(jié)晶度問題。高分子晶體，由于長的鏈狀構(gòu)造不易完全整規(guī)排列，往往導(dǎo)致非完全結(jié)晶。兩態(tài)清楚體系的衍射圖由兩局部簡潔疊加而成。一局部是晶態(tài)產(chǎn)生的衍射峰，另一局部非晶態(tài)產(chǎn)生的彌散隆峰。理論上推導(dǎo)得出如下質(zhì)量的結(jié)晶度公式：式中：Xc質(zhì)量結(jié)晶度；Ic晶體局部的衍射強(qiáng)度

8、； Ia非晶體局部的衍射強(qiáng)度；k 單位質(zhì)量非結(jié)晶態(tài)與單位質(zhì)量晶態(tài)的相對衍射線系數(shù)，稱總校正因子，理論上 k 1。4.5 宏觀應(yīng)力的測定：宏觀應(yīng)力的存在使部件內(nèi)部的晶面間距發(fā)生轉(zhuǎn)變,所以可以借助 X 射線衍射方法來測定材料部件中的應(yīng)力。依據(jù)布拉格定律可知：在肯定波長輻射發(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。X 射線衍射法來測定試樣中宏觀應(yīng)力的優(yōu)點(diǎn):可以測量試樣上小面積和極薄層內(nèi)的宏觀應(yīng)力,假設(shè)與剝層方法相結(jié)合,還可測量宏觀應(yīng)力在不同深度上的梯度變化;不用破壞試樣即可測量;測量結(jié)果牢靠性高； 例如：聚晶金剛石復(fù)合片(pol

9、ycrystallinediamond compacts , 簡稱:PDC)在聚晶金剛石層內(nèi)存在著宏觀應(yīng)力和微觀應(yīng)力， PDC 外表應(yīng)力大小可以反映聚晶金剛石層的應(yīng)力存在狀況，PDC 剩余應(yīng)力的大小與XRD 圖譜的斜率成正比，因此 XRD 方法可以用于金晶金剛石復(fù)合片應(yīng)力的表征。XRD 衍射圖的低角度區(qū)譜線成斜線，不同的制備過程，內(nèi)部的剩余應(yīng)力不同，剩余應(yīng)力的大小挨次：CBA.隨著 PDC 剩余應(yīng)力的不同，斜率也在變化，斜率的大小與外表應(yīng)力的大小成正比。4.6 取向分析：測定單晶取向和多晶的構(gòu)造擇優(yōu)取向。測定硅鋼片的取向就是一例。另外，為爭辯金屬的范性形變過程，如孿生、滑移、滑移面的轉(zhuǎn)動等，也與取向的測定有關(guān)。擇優(yōu)取向度 F 參數(shù)的計(jì)算：以計(jì)算一般的晶面如(hk1)的 F 因子為例，需計(jì)算出與該晶面方向平行的全部晶面的強(qiáng)度之和。式中：I 和 I*分別表示無規(guī)章和有織構(gòu)時樣品任一晶面hkl衍射強(qiáng)度值。4.7 XRD 在其它方面的應(yīng)用：對晶體構(gòu)造不完整性的爭辯：包括對層錯、位錯、原子靜態(tài)或動態(tài)地偏離平衡位置，短程有序，原子偏聚等方面的爭辯。構(gòu)造分析：對覺察的合金相進(jìn)展測定，確定點(diǎn)陣類型、點(diǎn)陣參數(shù)、對稱性、 原