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材料分析方法第3章物相分析內(nèi)蒙古科技大學(xué)-許劍軼主講3.1物相分析的意義及含義一、材料的相組成及其對(duì)性能的影響1、材料中原子的排列方式?jīng)Q定了晶體的相結(jié)構(gòu),原子排列方式的變化導(dǎo)致了相結(jié)構(gòu)的變化。2、在一種組織中可以同時(shí)存在幾種相;3、材料的物理、化學(xué)性能與材料中相組成有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系。二、物相分析的含義物相分析是指利用衍射分析的方法探測(cè)晶格類型和晶胞常數(shù),確定物質(zhì)的相結(jié)構(gòu)。物相分析不僅包括對(duì)材料物相的定性分析,還包括定量分析,和各種不同的物相在組織中的分布情況。三、物相分析的手段1、x射線衍射。2、電子衍射低能電子衍射(LEED)高能電子衍射分析(HEED)3、中子衍射湯姆生的ED實(shí)驗(yàn)原理圖3.2電磁波及物質(zhì)波的衍射理論

一、晶體幾何學(xué)基礎(chǔ)(一)正空間點(diǎn)陣1、晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣晶體:由原子在三維空間中規(guī)則排列而成??臻g點(diǎn)陣:由結(jié)點(diǎn)排列而成的,反映晶體結(jié)構(gòu)幾何特征的空間幾何圖形。原胞:取空間格子中任何一個(gè)體積最小平行六面體。晶胞:原胞是不能同時(shí)反映出空間點(diǎn)陣的周期性和對(duì)稱性的,因此必須選取比簡(jiǎn)單陣胞體積更大的復(fù)雜陣胞。(1)能同時(shí)反映出空間點(diǎn)陣的周期性和對(duì)稱性;(2)在滿足①的條件下,有盡可能多的直角;(3)在滿足①和②的條件下,體積最小。

面心點(diǎn)陣(F)簡(jiǎn)單點(diǎn)陣(P)底心點(diǎn)陣(C)體心點(diǎn)陣(I)點(diǎn)陣類型立方正方斜方六方單斜三斜菱方七晶系14種空間點(diǎn)陣

2、晶向和晶面3、晶帶(1)晶體中平行于同一晶向[uvw]的所有晶面(hkl)的總體稱晶帶,[uvw]稱為晶帶的晶帶軸,矢量表達(dá)式為

Ruvw=ua+vb+wc(2)晶帶定理:凡屬于[uvw]晶帶的晶面,其面指數(shù)(hkl)符合:

hu+kv+lw=0(3)若已知兩晶面(h1k1l1)和(h2k2l2)同屬于一個(gè)晶帶,則它們晶帶軸的指數(shù)[uvw]

u=k1l2-k2l1

v=l1h2-l2h1w=h1k2-h2k1(二)倒易點(diǎn)陣1、倒易點(diǎn)陣的引入(1)1921年德國(guó)物理學(xué)家厄瓦爾德引入倒易點(diǎn)陣概念。相對(duì)于正空間中的晶體點(diǎn)陣而言,它是衍射波的方向與強(qiáng)度在空間中的分布。(2)倒易點(diǎn)陣與正空間的晶體點(diǎn)陣存在嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系,正空間中的一組平行晶面就可以用倒空間中的一個(gè)矢量或陣點(diǎn)來(lái)表示(1)設(shè)正點(diǎn)陣原點(diǎn)為0,基矢為a、b、c,倒易點(diǎn)陣原點(diǎn)為0*,基矢為a*、b*、c*?jiǎng)t有:

V-點(diǎn)陣中的單胞體積

2、倒易點(diǎn)陣的概念某一倒易基矢垂直于正點(diǎn)陣中和自己異名的二基矢所成平面。(2)正點(diǎn)陣基矢與倒易點(diǎn)陣基矢之間的關(guān)系(正倒點(diǎn)陣異名基矢點(diǎn)乘為0,同名基矢點(diǎn)乘為1)

a·a*=b·b*=c·c*=1a·b*=a·c*=b·a*=b·c*=c·a*=c·b*=0(3)在倒易點(diǎn)陣中,由原點(diǎn)o*指向任意坐標(biāo)為hkl的陣點(diǎn)的矢量Ghkl為:

Ghkl=ha*+kb*+lb*

倒易矢量Ghkl垂直于正點(diǎn)陣中相應(yīng)(hkl)晶面,或平行于它的法向Nhkl。倒易點(diǎn)陣中的一個(gè)點(diǎn)代表正點(diǎn)陣中的一組晶面。3、倒易點(diǎn)陣與正空間點(diǎn)陣的關(guān)系(1)以h、k、l為指數(shù)倒易點(diǎn)陣矢量Ghkl=ha*+kb*+lb*與正點(diǎn)陣中(hkl)晶面正交,且∣Ghkl∣=1/d(2)倒易矢量和正空間中的晶面存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系,因此可以用倒空間的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)矢量代表正空間的一族晶面。3.3X射線衍射物相分析一、X射線物理學(xué)基礎(chǔ)(一)X射線的本質(zhì)1895年,德國(guó)物理學(xué)家倫琴在研究真空管中的高壓放電現(xiàn)象時(shí)發(fā)現(xiàn)一種穿透力很強(qiáng)的射線。稱為X射線。威爾姆·康拉德·倫琴(1)看不見(jiàn),能使氣體電離,使照相底片感光,能穿過(guò)不透明物體。(2)直線傳播,在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。(3)對(duì)生物細(xì)胞有殺傷作用。(4)波長(zhǎng)很短電磁波,波長(zhǎng)在10-8cm左右,具有波動(dòng)性和粒子性。1、X射線的性質(zhì)特點(diǎn)X射線的應(yīng)用X射線透視技術(shù)-利用X射線能量高、穿透能力強(qiáng)特性進(jìn)行人體透視和材料探傷X射線光譜技術(shù)-利用X射線激發(fā)物質(zhì)特征X射線進(jìn)行物質(zhì)化學(xué)成分分析,并通過(guò)X射線進(jìn)行原子結(jié)構(gòu)研究。X射線衍射技術(shù)-利用X射線照射晶體后產(chǎn)生衍射現(xiàn)象進(jìn)行物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)研究。2、X射線的產(chǎn)生(1)產(chǎn)生原理(2)產(chǎn)生條件(3)X射線管X光管基本組成包括:陰極;陽(yáng)極;窗口接變壓器玻璃鎢燈絲金屬聚燈罩金屬靶冷卻水電子X(jué)射線X射線3、X射線譜(1)連續(xù)X射線譜定義:在管壓很低時(shí),小于20kv曲線連續(xù)變化。特點(diǎn)(2)特征X射線譜。定義:當(dāng)管電壓增高到某臨界值時(shí),在連續(xù)譜某些特定波長(zhǎng)上,會(huì)出現(xiàn)一系列強(qiáng)度很高、波長(zhǎng)范圍很窄線狀光譜稱為特征譜或標(biāo)識(shí)。產(chǎn)生機(jī)理:特點(diǎn)特征X射線的命名方法4、X射線與物質(zhì)相互作用

被散射,被吸收,透過(guò)物質(zhì)繼續(xù)沿原來(lái)方向傳播。(1)X射線與物質(zhì)相互作用,可分為三部分:(2)X射線的散射

一個(gè)質(zhì)量為m的電子,對(duì)一束偏振x射線的散射波強(qiáng)度①相干散射散射波的波長(zhǎng)和頻率與入射波相同,這些新的散射波之間可以發(fā)生干涉作用。原因:

②非相干散射X射線光子與束縛力不大的外層電子發(fā)生非彈性碰撞時(shí),光子消耗一部分能量,剩余部份以X射線向外輻射。電子獲得一部分動(dòng)能成為反沖電子,同時(shí)發(fā)出波長(zhǎng)變長(zhǎng),能量降低的散射波,他們之間不能相互干涉。(3)X射線的吸收光電效應(yīng)愛(ài)因斯坦熒光效應(yīng)俄歇效應(yīng)

=ρ-吸收物質(zhì)的比重;

μm-質(zhì)量衰減系數(shù)X射線的衰減規(guī)律吸收限的應(yīng)用小結(jié)二、X射線衍射幾何學(xué)-布拉格定律(一)布拉格方程的導(dǎo)出1、布拉格實(shí)驗(yàn)(1)布拉格實(shí)驗(yàn)裝置,是現(xiàn)代x射線衍射儀的原型.掠射角或布拉格角

-入射線與反射面之夾角亨利·布拉格

勞倫斯·布拉格

2、布拉格方程的導(dǎo)出(1)在單一原子面情況

=CB-AD=ABcos

-ABcos

=0(2)多層原子面的反射經(jīng)l、2兩個(gè)原子面反射的反射波光程差:

=EB+BF=2dsin干涉加強(qiáng)的條件為:

2dsin=n

(二)布拉格方程的討論1、選擇性反射2、衍射極限條件(

<2d)3、干涉面和干涉指數(shù)-簡(jiǎn)化bragg方程如令,則4.衍射方向-衍射花樣和晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

立方系:正方系:

斜方系:六方系:

(三)布拉格方程應(yīng)用X射線衍射學(xué)(λ恒定,通過(guò)測(cè)θ求d--晶體結(jié)構(gòu)分析)X射線光譜學(xué)(d恒定,通過(guò)測(cè)θ求λ)(四)衍射矢量方程1、反射定律:s0及s分居反射面(HKL)法線(N)兩側(cè)且s0、s與N共面,s0及s與(HKL)面夾角相等(均為θ)(s0與s分別為入射線與反射線方向單位矢量,s-s0稱為衍射矢量)2、反射定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式:3、衍射矢量方程(五)厄瓦爾德(Ewald)圖解1.厄瓦爾德圖解的含義(1)將布拉格方程改寫(xiě):(2)電子束波長(zhǎng)(λ)、晶面間距(d)及取向關(guān)系可以用作圖方式表示。AO:電子束的入射方向;O1為球心球面-愛(ài)瓦爾德球(衍射球)在直角△AOG中:

OG=OAsinθ=2sinθ/l2dsinθ=l1/d=2sinθ/lNGdqAOO1q

OG用來(lái)描述參加衍射晶面組,因其具有以下特點(diǎn):OG=1/d(參與衍射晶面的倒數(shù))OG∥O1N

(衍射晶面的法線)衍射幾何愛(ài)瓦爾德球圖解

OG:參與衍射晶面組的倒易矢量。NGdqAOO1q(1)幫助確定哪些晶面參與衍射:對(duì)于單晶,先畫(huà)出倒易點(diǎn)陣確定原點(diǎn)位置O;以倒易點(diǎn)陣原點(diǎn)為起點(diǎn),沿入射線反方向前進(jìn)1/λ距離,找到Ewald球的球心O1(晶體的位置);以1/λ為半徑作球,得到Ewald球。所有落在Ewald球的倒易點(diǎn)對(duì)應(yīng)的晶面組均可參與衍射。入射束晶體O1O1/l2.厄瓦爾德圖解Ewald的應(yīng)用對(duì)于多晶體,由于倒易點(diǎn)在空間中連接為倒易球面,只要與Ewald球相交的倒易球面均可參與衍射。三、X射線衍射的強(qiáng)度(一)完整晶體的衍射強(qiáng)度I0-入射X射線強(qiáng)度;λ-波長(zhǎng);R-德拜相機(jī)或衍射儀測(cè)角儀半徑;e、m-電子的電荷及質(zhì)量;c-光速;N-被x射線照射的晶體的晶胞數(shù)目Fhkl-衍射hkl的結(jié)構(gòu)因子1、Fhkl-衍射hkl的結(jié)構(gòu)因子復(fù)數(shù),模量︱Fhkl︱稱為結(jié)構(gòu)振幅。對(duì)于一般完整晶體N-被x射線照射的晶體的晶胞數(shù)目;fe2

-一個(gè)電子的相干散射強(qiáng)度

fj-原子散射因子

(二)多晶體(粉晶)的衍射強(qiáng)度1、存在晶界,θ±Δθ附近內(nèi)發(fā)生衍射。2、實(shí)際粉晶衍射強(qiáng)度方程加入修正因子。3、多晶體的衍射強(qiáng)度(1)結(jié)構(gòu)因子Fhkl與晶胞中原子的種類fj和原子的數(shù)目和位置xj、yj、zj,有關(guān)。

(2)多重性因子Phkl

表示多晶體中與某種晶面等同晶面的數(shù)目。

晶系指數(shù)H000K000LHHHHH0HK00KLH0LHHLHKLP

立方6812242448菱方,六方6261224

正方4248816

斜方248

單斜2424

三斜222(3)角因子φ(θ):是為修正角度因素對(duì)衍射強(qiáng)度的影響而引入的修正因子反映不同方向上原子及晶胞的散射強(qiáng)度不同以及能參與衍射的晶粒數(shù)目的不同。

φ(θ)=(4)吸收因子A(θ)在X射線粉末衍射儀中,A(θ)與θ無(wú)關(guān)的常數(shù)。在計(jì)算相對(duì)強(qiáng)度時(shí),吸收因子可略去不用計(jì)算。(5)溫度因子e-2M

晶體中原子熱振動(dòng)引起衍射強(qiáng)度減弱,公式中引入一個(gè)反映熱振動(dòng)影響因素的因子-溫度因子4、對(duì)同一物,各衍射線相對(duì)衍射強(qiáng)度除了︱Fhkl︱2、Phkl、

ф(θ)、和e-2M之外,其余幾項(xiàng)是相同或可不需計(jì)算。5、在實(shí)際工作中,主要是比較衍射強(qiáng)度相對(duì)變化,并不需要計(jì)算衍射強(qiáng)度的絕對(duì)值。如果忽略e-2M,則粉晶衍射法中衍射相對(duì)強(qiáng)度可簡(jiǎn)化為(三)結(jié)構(gòu)消光

1、系統(tǒng)消光:︱Fhkl︱=0使某些衍射方向有規(guī)律地,系統(tǒng)地不會(huì)出現(xiàn)衍射現(xiàn)象

2、結(jié)構(gòu)因子的計(jì)算(說(shuō)明系統(tǒng)消光規(guī)律)結(jié)構(gòu)因子表達(dá)式fj-原子散射因子,代表一個(gè)原子的散射能力(1)簡(jiǎn)單點(diǎn)陣:在簡(jiǎn)單點(diǎn)陣的情況下,F(xiàn)HKL不受HKL的影響,即HKL為任意整數(shù)時(shí),都能產(chǎn)生衍射。(2)體心點(diǎn)陣:(3)底心點(diǎn)陣當(dāng)H+K為偶數(shù)時(shí),當(dāng)H+K為奇數(shù)時(shí)在底心點(diǎn)陣中,只有當(dāng)H、K全為奇數(shù)或全為偶數(shù)時(shí)才能產(chǎn)生衍射(4)面心點(diǎn)陣H、K、L全為奇或偶數(shù)時(shí),H、K、L中有2個(gè)奇數(shù)一個(gè)偶數(shù)或2個(gè)偶數(shù)1個(gè)奇數(shù)時(shí),則

(5)消光規(guī)律與晶體點(diǎn)陣。結(jié)構(gòu)因子只與原子品種和晶胞的位置有關(guān),而不受晶胞形狀和大小的影響(6)四種基本點(diǎn)陣的消光規(guī)律簡(jiǎn)單點(diǎn)陣:任何晶面都能產(chǎn)生衍射體心點(diǎn)陣:指數(shù)和為偶數(shù)的晶面面心點(diǎn)陣:指數(shù)為全奇或全偶的晶面底心點(diǎn)陣:不受L影響,當(dāng)H、K全為奇數(shù)或全為偶數(shù)時(shí)才能產(chǎn)生衍射3.2X射線衍射分析方法2dsinθ=nλ可知,在d、θ、λ三個(gè)變量中,d是定量(取決于晶體);θ和λ是變量。對(duì)于一定的晶體,d的一系列數(shù)值已定,只有選擇適當(dāng)?shù)摩然颚?,才能使之滿足布拉格方程。最基本的衍射方法有三種:勞厄法、轉(zhuǎn)晶法、粉晶法。1、用連續(xù)x射線譜作為入射光源,單晶體固定不動(dòng),入射線與各衍射面的夾角也固定不動(dòng),靠衍射面選擇不同波長(zhǎng)的x射線來(lái)滿足布拉格方程。2、產(chǎn)生的衍射線表示了各衍射面的方位,故此法能夠反映晶體的取向和對(duì)稱性。(一)勞埃法3、勞埃法成像的衍射花樣分布規(guī)律可用厄瓦爾德圖解解釋連續(xù)x射線對(duì)應(yīng)厄瓦爾德球半徑t-衍射斑到中央透射斑的距離;D-底片到試樣的距離單晶體的特點(diǎn)是每種(hkl)晶面只有一組,固定后,任何晶面對(duì)入射x射線的方位固定即角一定。SiO2的勞厄相1、工作原理:入射線的波長(zhǎng)不變,依靠旋轉(zhuǎn)單晶體以連續(xù)改變各個(gè)晶面與入射線的角來(lái)滿足布拉格方程的條件,在底片上感光出一個(gè)感光點(diǎn)。(二)周轉(zhuǎn)晶體法2、周轉(zhuǎn)晶體法很容易分析對(duì)稱性較低的晶體(如正交、單斜、三斜等晶系晶體)結(jié)構(gòu),但應(yīng)用較少。多晶X射線衍射方法包括照相法與衍射儀法二、粉末法(多晶衍射法或粉晶法)粉末鋁的德拜相

(一)衍射儀法由X射線發(fā)生器、X射線測(cè)角儀、輻射探測(cè)器和輻射探測(cè)電路4個(gè)基本部分組成現(xiàn)代X射線衍射儀還配有控制操作和運(yùn)行軟件的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。樣品臺(tái)探測(cè)器衍射儀工作過(guò)程:x射線管發(fā)出單色x射線照射到片狀試樣上,所產(chǎn)生的衍射線光子用輻射探測(cè)器接收,經(jīng)檢測(cè)電路放大處理后在顯示或記錄裝置上給出精確的衍射數(shù)據(jù)和譜線。這些衍射信息可作為各種x射線衍射分析應(yīng)用的原始數(shù)據(jù)。1、X射線測(cè)角儀(1)X射線發(fā)生裝置

(1)測(cè)角儀結(jié)構(gòu):x射線管發(fā)出線狀X射線源。從A發(fā)出的線狀平行光,發(fā)散地射向試樣。由試樣反射形成的衍射光束,在焦點(diǎn)B處聚焦后射入輻射探測(cè)器J中。(2)衍射儀光路圖X光管產(chǎn)生X射線索拉狹縫發(fā)散狹縫樣品臺(tái)防散射狹縫索拉狹縫濾波片接收狹縫探測(cè)器去除x射線中的K

部分2、工作原理θ聚焦圓半徑r隨θ的增大而減少,其定量關(guān)系R-測(cè)角儀圓半徑;r-聚焦圓半徑在測(cè)量時(shí),試樣繞測(cè)角儀中心軸轉(zhuǎn)動(dòng),不斷改變?nèi)肷渚€與試樣表面夾角θ,計(jì)數(shù)器、沿測(cè)角儀圓運(yùn)動(dòng)接收各衍射角2θ所對(duì)應(yīng)的衍射強(qiáng)度3、衍射儀測(cè)量方法(1)連續(xù)掃描:探測(cè)器在勻速移動(dòng)過(guò)程中記錄衍射光強(qiáng)度。速度不能太快,否則峰會(huì)沿掃描方向位移,衍射峰也會(huì)展寬。(2)步進(jìn)掃描:以一定角度間隔逐步前進(jìn),在每個(gè)角度上停留一定的時(shí)間,記錄衍射光強(qiáng)度。掃描速度快,工作效率高。測(cè)量精度受掃描速度和時(shí)間常數(shù)影響,因此,在測(cè)量前要合理地選定這兩個(gè)參數(shù)(1)連續(xù)掃描的優(yōu)點(diǎn)步進(jìn)掃描每步停留測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)步進(jìn)掃描測(cè)量精度高,適合作各種定量分析步進(jìn)掃描精度取決于步進(jìn)寬度和步進(jìn)時(shí)間,所以在測(cè)量前要根據(jù)實(shí)際需要選定合適的步進(jìn)寬度和步進(jìn)時(shí)間(2)步進(jìn)掃描的特點(diǎn)4、樣品制備(1)粉末樣品為防止樣品出現(xiàn)擇優(yōu)取向,粉末樣品要細(xì)?。惶畛鋮^(qū)直徑為25mm,通過(guò)玻璃片壓平,使樣品平面與樣品臺(tái)平面平齊。(2)塊體樣品塊狀樣品表面研磨拋光,大小應(yīng)該能夠放入直徑25mm填充區(qū);用橡皮泥將樣品粘在填充區(qū),并用玻璃板壓平,要求樣品表面與支架表面平齊。

通常要求樣品無(wú)擇優(yōu)取向(晶粒不沿某—特定的晶向規(guī)則地排列),而是在任何方向中都應(yīng)有足夠數(shù)量的可供測(cè)量的結(jié)晶顆粒。粉末尺寸過(guò)大會(huì)嚴(yán)重影響衍射強(qiáng)度的測(cè)量結(jié)果,但如果粒度太小,當(dāng)小于1μm時(shí),會(huì)引起衍射線寬化。粉末粒度在1-5μm之間為最好。粉末尺寸15—50μm5-50μm5~15μm<5μm強(qiáng)度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差24.4%12.6%4.3%1.4%3.3粉晶X射線衍射物相分析一、定性分析1、定性分析原理

某種物質(zhì)的多晶體衍射線條的數(shù)目、位置以及強(qiáng)度,是該種物質(zhì)的特征,因而可以成為鑒別物相的標(biāo)志。

2、定性分析的方法信息的采集(晶面間距d

、相對(duì)強(qiáng)度I/I1

)查找核對(duì)標(biāo)準(zhǔn)花樣(PDF卡片手冊(cè))3、PDF卡片的結(jié)構(gòu)

1a,1b,1c-三條最強(qiáng)衍射線對(duì)應(yīng)的晶面間距,1d-最大面間距2a,2b,2c,2d-上述各衍射線的相對(duì)強(qiáng)度,最強(qiáng)線為1003.實(shí)驗(yàn)條件輻射光源波長(zhǎng)濾波片相機(jī)直徑最大面間距測(cè)量相對(duì)強(qiáng)度方法數(shù)據(jù)來(lái)源4.晶體學(xué)數(shù)據(jù)晶系空間群晶胞邊長(zhǎng)軸率A=a0/b0C=c0/b0軸角單位晶胞內(nèi)“分子”數(shù)數(shù)據(jù)來(lái)源5.光學(xué)性質(zhì)折射率光學(xué)正負(fù)性光軸角密度熔點(diǎn)顏色數(shù)據(jù)來(lái)源6.樣品來(lái)源、制備方法、升華溫度(S.P.)

、分解溫度(D.T.),轉(zhuǎn)變點(diǎn)(T.P.),攝照溫度等。7.物相名稱8.物相的化學(xué)式與數(shù)據(jù)可靠性可靠性高

良好i一般空白較差O計(jì)算得到C9.全部衍射數(shù)據(jù)10.卡片編號(hào)(1)在2θ<90°范圍內(nèi)選取三強(qiáng)線,對(duì)應(yīng)晶面間距d值按強(qiáng)度遞減順序排列,再將其余線條之d值列于三強(qiáng)線之后。(2)在數(shù)字索引中找到對(duì)應(yīng)的d1組。(3)按次強(qiáng)線的面間距d2找到對(duì)應(yīng)的幾列。(4)檢查這幾列數(shù)據(jù)中第三個(gè)d值是否與實(shí)驗(yàn)值相對(duì)應(yīng)。再檢查后面其余的八強(qiáng)線,并從中找出最可能的物相及卡片號(hào)5、定性相分析的方法(5)將實(shí)驗(yàn)所得d及I/I1與卡片上的數(shù)據(jù)詳細(xì)對(duì)照,如果對(duì)應(yīng)很好,則物相鑒定結(jié)束。如果各列的第3個(gè)d值在待測(cè)樣中均找不到對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù),則應(yīng)選取待測(cè)樣中下一根線作為次強(qiáng)線,并重復(fù)(3-5)的檢索步驟。當(dāng)找出第

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