XRD在材料分析中的应用（附分析综述）.docx

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1、XRD在材料分析中的应用（附分析综述）关于X射线衍射分析定义X射线衍射（Xraydiffraction,XRD）分析，是利用晶体形成的X射线衍射，对物质进行内部原子在空间分布状况的结构分析方法。分析原理当一束X射线入射到晶体时，首先被原子（电子）所散射，每个原子都是一个新的辐射源，向空间辐射出与入射波同频率的电磁波。由于晶体是由原子、分子或离子按一定规律排列成的晶面组成，这些按周期平行排列的晶面的间距与入射X射线波长有相同的数量级，故由不同晶面散射的X射线相互干涉，并在符合布拉格方程的空间方向上产生强X射线衍射。布拉格方程2dsin=n,n=l,2.其中：d为晶面间距；为入射X射线与相应晶面的

2、夹角；入为X射线的波长；n为衍射级数，只有照射到相邻两晶面的光程差是X射线波长的n倍时才产生衍射。应用方向物相分析每一种晶体都有它自己的晶面间距d,而且其中原子按照一定的方式排布着，这反映到衍射图上各种晶体的谱线有它自己特定的位置。数目和强度I。因此，只需将未知物中的衍射图中各谱线测定的角度和强度和已知样品的谱线进行比较就可以达到分析目的。通过对材料进行X射线衍射，分析其衍射图谱，获得获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息。测定晶粒度XRD测定晶粒度是基于衍射线的宽度与材料晶粒大小有关这一现象。对于Ti02纳米粉体，其主要衍射峰20为21.5。当采用铜靶作为衍射源，波长为0.15

3、4nm,衍射角的20为25.30,测量获得的半高宽为0.375。，一般SCheiTer常数取0.89根据SCheITer公式，可以计算获得晶粒的尺寸。此外，根据晶粒大小，还可以计算纳米粉体的比表面积。小角X射线衍射在纳米多层膜材料中，两薄膜层材料反复重叠，形成调制界面。当X射线入射时，周期良好的调制界面会与平行薄膜表面的晶面一样,在满足Bragg条件时，产生相干衍射，形成明锐的衍射峰。由于多层膜的调制周期比金属和化合物的最大晶面间距大得多，所以只有小周期多层膜调制界面产生的XRD衍射峰可以再小角度衍射时观察到，而大周期多层膜调制界面XRD衍射峰则因其衍射角度更小而无法进行观测。因此，对制备良好

4、的小周期纳米多层膜可以用小角度XRD方法测定其调幅周期。薄膜厚度和界面结构的测定随着纳米材料的高速发展，纳米薄膜的研究也变得越来越重要。利用XRD研究薄膜的厚度以及界面结构也是XRD发展的一个重要方向。通过二维XRD衍射还可以获得物相的纵向深度剖析结果，也可以获得界面物相分布结果。物质状态的鉴别不同的物质状态对X射线的衍射作用是不同的，因此可以利用X射线谱来区别晶态和非晶态。一般非晶态物质的XRD谱为一条直线,平时所遇到的在低2角出现的漫散型峰的XRD一般是由液体型固体和气体型固体所构成,晶体物质又可以分为微晶和晶态，微晶具有晶体的特征，但由于晶粒小会产生衍射峰的宽化弥散，而结晶好的晶态物质会

5、产生尖锐的衍射峰。应用实例例1单一物质的定性通过XRD可以对单一物质进行定性，所匹配结果为七水硫酸镁。例2混合样的定性通过XRD可以对混合物质进行定性，所匹配结果为二氧化钛、硫酸钢。某胶粘剂灰分的XRD测试，胶粘剂中的填料为碳酸钙、碳酸镁、硅酸盐。例3矿渣粉玻璃体含量的测定方法通过测量粒化高炉矿渣微粉X射线衍射图中玻璃体部分的面积与底线上面积之比得到玻璃体含量。w-m10式中1Weile丁液酚玻璃体含量（质量分数），m0代我样品中玻璃体的纸质量单位为克（8）；m.代裹样品中晶体部分的纸质总位为克（8参考标准：GB/T18046-2017结论通过XRD对玻璃体含量进行测定，其含量为97.80%。

6、材料分析测试方法（XRD射线分析）综述关于X射线，这里将从X射线的本质、产生、X射线谱、X射线衍射、X射线的衍射方向和强度以及应用来对其分析综述。X射线的本质：X射线实际上是一种频率极高，波长极短、能量很大的电磁波，频率一般高于30PHz,波长短于IOnm,能量大于124eV0ZAAVV三I_*IalMMlmNMMBNmMImb一丁IlI.TmvmAM2ta11r9u在电磁波中，X射线的频率和能量仅次于伽马射线，频率范围30PHz-300EHz,对应波长为lpm10nm,能量为124eV1.24MeV.X射线具有穿透性，但人体组织间有密度和厚度的差异，当X射线透过人体不同组织时，被吸收的程度不

7、同，经过显像处理后即可得到不同的影像。X射线的产生：高速电子轰击靶时，一些高速电子进入到靶物质原子核附近，在原子核的强电场作用下，速度的量值和方向都发生变化，一部分动能转化为X光子的能量（hv）辐射出去为获得X射线；必须具备以下条件：（1）用某种方法得到一定量的自由电子；（2）使这些电子在一定方向上做高速运动；（3）在电子运动的轨迹上设置一个能急剧阻止其运动的障碍物。一些高速电子进入物质原子内部，如果与某个原子的内层电子发生强烈相互作用，就有可能把一部分动能传递给这个电子,使它从原子中脱出，从而使原子内电子层出现一个空位,这个空位就会被更外层的电子跃迁填充，并在跃迁过程中发出一个X光子，而发出

8、的X光子的能量等于两个能级的能量差，这种辐射称为特征辐射。X射线谱：X射线谱：X射线强度I与波长的关系曲线通过测定X射线管发出的X射线发现:：X射线谱=连续谱+特征谱（标识谱）任何管电压下都会出现连续谱,而只有加到一定的电压后才会出现特征谱。连续谱产生机理：当高速电子轰击阳极靶时，电子穿过靶材原子核附近的强电场时被减速激发。X射线连续谱：1.存在最短波长eU=hv+热能;当eU=hvmaxhcmin=eU入min=1.2eUh普朗克常数;U-管电压入min=hceU2.1人关系I入max=l入=1.5入minX射线特征谱：产生机理：高速电子将阳极靶原子电离，从激发态一基态而产生的。入是固定的，

9、强度I决定于跃迁几率。电子从高激发态一低激发态而产生的1.fK产生Ka线MK产生KB线M-sts.aaa*ettxX射线散射：X射线散射是X射线与物质相互作用时，除了可能被物质吸收外，还可能被物质散射。在散射现象中，当散射线波长与入射线相同时，相位滞后恒定，散射线之间能互相干涉，称为相干散射；相干散射波之间产生相互干涉，就可获得衍射，故相干散射是X射线衍射技术的基础。当入射X射线光子与原子中束缚较弱的电子（如外层电子）发生非弹性碰撞时，光子消耗一部分能量作为电子的动能，于是电子被撞出原子之外，同时发出波长变长、能量降低的非相干散射或康普顿（COmPtOn）散射。因其分布在各个方向上，波长变长，

10、相位与入射线之间也没有固定的关系，故不产生相互干涉，也就不能产生衍射，只会成为衍射谱的背底，给衍射分析工作带来干扰和不利的影响。X射线的衍射方向和强度：方向劳埃方程被原于散射的X射线在某些方向上相长干涉的结果产生衍射线,其规律遵循布拉格方程。可以解释相干涉的条件。设为入射角，a为衍射角，相邻原子的波程差为a（cosa-cosaO）,产生相长干涉的条件是波程差为波长的整数倍：a（cosa-cosaO）=h入式中h为整数，入为波长。布拉格方程：如果光程差2dsin为波长的整数倍，即：2dsin=n（n=0,1,2,3,.）时，散射波1和，的位相完全相同，所以相互加强。这就是X射线衍射的最基本定律一

11、一布拉格定律式中n为整数，称为反射级数。X射线的衍射是由大量原子参与的一种散射现象。原子在晶面上是呈周期排列的，被它们散射的X射线之间必然存在位相关系，但在大部分方向上产生相消干涉，只有在仅有的几个方向上产生相长干涉，这种相长干涉的结果形成了衍射束。这样,产生衍射现象的必要条件是有一个可以干涉的波（X射线）和有一组周期排列的散射中心（晶体中的原子布拉格方程在实验上有两种用途：（1）利用已知波长的特征X射线，通过测量。角，可以计算出晶面间距d,这叫做结构分析；（2）利用已知晶面间距d的晶体，通过测量。角，从而计算出未知X射线的波长，这就是X射线光谱学；埃瓦尔德球图解sin=(d)/(y)强度一个

12、电子和一个原子对X射线的散射一个电子对X射线的散射X射线在电子上产生了波长不变的相干散射。le=IO(e11Rc2)sin2IO入射X射线强度；e电子电荷；m电子质量；C光速;0真空介电常数；散射方向与入射X线电场矢量振动方向间的夹角；R电场中任一点P到发生散射的电子的距离。一个电子对X射线的散射本领是很小的，在实验中观察到的衍射线，是大量的电子散射波干涉叠加的结果，相对于入射的X射线强度，电子的散射强度仍然是很弱的。一个原子对X射线的散射散射因子：f=AaAe=(Ia/骁式中Aa个原子相干散射波的振幅；Ae个电子相干散射波的振幅。3一个晶胞对X射线的散射研究晶胞的散射的意义在于晶胞是晶体结构

13、的代表。晶胞的散射可通过计算晶胞中各原子的散射得到，但当然并非直接数值的求和。晶胞中的每个原子分别造成的散射相互之间发生干涉，最终形成衍射图像。若存在两个不同种原子A、B位于不同位置，则每个原子产生的散射经各自的原子散射因子加权贡献于总的散射振幅中去。某晶胞中全部原子的散射的总结果决定了该晶胞的散射因子，晶胞的散射因子被称为结构因子（Sturcturefactor）FHK1.,（hkl）其中为发生衍射的晶面（族结构因数公式的应用：（1）简单点阵：晶胞内仅包含一个原子，其坐标为（000）,原子散射因数为f。对于简单点阵无论HK1.取什么值，IFHK1.l242。故所有晶面都能产生衍射。（2）体心

14、立方点阵：在H+K+1.=偶数的晶面上产生衍射；（3）面心立方点阵：同奇同偶的晶面产生衍射；（4）AUClJ3无序一有序固溶体；单位长度上衍射线的积分强度公式为：双代财料分析泅试方法.加射.则住即试样为K处记金利的中RKJg上衍t线的积分f四公式为3点C)PFmIW窿韵CR式中P_ttWftT二7F,ttft,tttwatitfK(rftWHtt)U吟一角闪数(包含偏股因故及济伦好:因数人Mn,*orA(O)吸收闪收，C以收闪教式(422)&述了各牌Iqit对人射束强度在透过试村时的班府HX射线衍射的应用X射线衍射技术己经成为最基本、最重要的一种结构测试手段，其主要应用主要有以下几个方面：(1

15、)物相分析物相分析是X射线衍射在金属中用得最多的方面，分定性分析和定量分析。前者把对材料测得的点阵平面间距及衍射强度与标准物相的衍射数据相比较，确定材料中存在的物相；后者则根据衍射花样的强度，确定材料中各相的含量。在研究性能和各相含量的关系和检查材料的成分配比及随后的处理规程是否合理等方面都得到广泛应用。(2)结晶度的测定结晶度定义为结晶部分重量与总的试样重量之比的百分数。非晶态合金应用非常广泛，如软磁材料等，而结晶度直接影响材料的性能，因此结晶度的测定就显得尤为重要了。测定结晶度的方法很多，但不论哪种方法都是根据结晶相的衍射图谱面积与非晶相图谱面积决定。(3)点阵参数的精确测量精密测定点阵参数常用于相图的固态溶解度曲线的测定。溶解度的变化往往引起点阵常数的变化；当达到溶解限后，溶质的继续增加引起新相的析出，不再引起点阵常数的变化。这个转折点即为溶解限。另外点阵常数的精密测定可得到单位晶胞原子数，从而确定固