材料近现代分析测试方法.doc

中 南 大 学 实 验 报 告 课程名称： 材料近现代分析测试方法 实验项目名称： X射线衍射仪操作与物相定性分析 学院： 粉末冶金研究院 专业： 粉体材料科学与工程 指导教师： 孔毅 报告人： 学号： 班级： 实验时间： 2015年4月13 实验报告提交时间： 2015年4月19 1 实验目的1、了解X衍射的基本原理以及粉末X衍3射测试的基本目的；2、基本学会样品测试过程；3、了解使用相关软件处理XRD测试结果的基本方法。2 实验原理原理一：X射线产生: 产生X射线的最简单方法是用加速后的电子撞击金属靶。撞击过程中，电子突然减速，其损失的动能（其中的1%）会以光子形式放出，形成X光光谱的连续部分，称之为制动辐射。通过加大加速电压，电子携带的能量增大，则有可能将金属原子的内层电子撞出。于是内层形成空穴，外层电子跃迁回内层填补空穴，同时放出波长在0.1纳米左右的光子。由于外层电子跃迁放出的能量是量子化的，所以放出的光子的波长也集中在某些部分，形成了X光谱中的特征线，此称为特性辐射。实验所用x射线为特征x射线。原理二：由X射线衍射满足布拉格方程2dsin=n，n=1,2(其中，d为晶面间距，为入射X射线与相应晶面的夹角，为X射线的波长，n为衍射级数，其含义是：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。上式表明，当晶面与X射线之间满足上述几何关系时，X射线的衍射强度将相互加强。)3 仪器与样品仪器型号及生产厂家： D8 advance Bruker X衍射仪样品：三氧化二铝X射线衍射仪的主要组成及其工作原理X射线衍射仪一般由X射线发生器，测角仪，计数器，数据处理系统等部分组成。 下图实验构造图：1、X光源 图2是目前常用的热电子密封式X射线管的示意图。阴极由钨丝绕成螺线形，工作时通电至白热状态。由于阴阳极间有几十千伏的电压，故热电子以高速撞击阳极靶面。为防止灯丝氧化并保证电子流稳定，管内抽成1.33X10-9-1.33X-11Mpa，的高真空。为使电子束集中，在灯丝外设有聚焦罩。阳极靶由熔点高、导热性好的铜制成，靶面上镀一层纯金属。常用的金属材料有Cr，Fe，Co，Ni，Cu，Mo，W等。当高速电子撞击阳极靶面时，便有部分动能转化为X射线，但其中约有99将转变为热。为了保护阳极靶面，管子工作时需强制冷却。为了使用流水冷却，也为了操作者的安全， 图2 X射线发生器原理图 应使X射线管的阳极接地，而阴极则由高压电缆加上负高压。X射线管有相当厚的金属管套，使X射线只能从窗口射出。窗口由吸收系数较低的Be片制成。结构分析X射线管通常有四个对称的窗口，靶面上被电子轰击的范围称为焦点，它是发射X射线的源泉。用螺线形灯丝时，焦点的形状为长方形(面积常为lmm10mm)，此称实际焦点。窗口位置的设计，使得射出 的X射线与靶面成6角(图实3)。从长方形短边上的窗口所看到的焦点为lmm2的正方形，称点焦点，在长边方向看则得到线焦点。一般的照相多采用点焦点，而线焦点则多用在衍射仪上。图3 实际焦斑示意图2、测角仪 测角仪是各种型号衍射仪的重要组成部分。测角仪的制造原理主要根据一种经常变化的聚焦园原理设计成的。其聚焦园半径r是入射角的函数r=f()=R/2sin式中R是测角仪半径。 根据聚焦原理，测角仪必须满足下列条件才能工作： X射线管的焦点，样品的表面，接受狭缝必须在同一衍射聚焦园上，样品表面必须与测角仪主轴中心共面。样品表面应该是平的，主转动时必须始终和聚焦园相切。 3、探测器D500衍射仪的探测器采用的是闪烁计数器，可以在高达105脉冲/秒的计数速率下使用，不会发生漏计损失，使用寿命长，稳定性好，但缺点是本底脉冲过高，使较弱的衍射信号淹没在脉冲背底中。图4 测角仪示测试条件： 1、X光管靶材料的选择用于粉末晶体衍射所用射线波长一般选用0.5埃-2.5埃，这是因为：A、该波长范围与晶体点阵的面网间距大致相当。B、波长增加，样品和空气对射线的吸收越来越大。C、波长太短，衍射线条过分集中在低角度区，还可能造成荧光辐射按上述原则，规律为：Z靶Z试样+1（Z为原子序数）。2、X光管的管压管流的选择X射线中特征和连续波是随管压增大而增大的，这样连续波不易被滤波片滤掉，因此选择合适的管压，K系特征X射线的强度与管电压管电流的关系：I特=K2i(V-Vk) K2,n为常数i-管电流，V和Vk-分别为工作电压和K系激发电压。另外管压管流的乘积不得超过X光管额定功率。3、滤波片的选择特征谱是由Ka,K组成，我们需要Ka滤去K线。对滤波片的选择就是它的K吸收限刚好位于Ka，K之间并尽量靠近Ka。4、狭逢参数的选择在X射线衍射仪光路中有五只狭缝：梭拉狭缝（两只），发散狭缝，散射狭缝，接受狭缝。梭拉狭缝是固定的。我们要选择的另三种狭缝：A、发散狭缝是用来限制样品表面初级X射线水平发散度，加大狭缝，分辨率降低但强度增加。B、散射狭缝用来减少非相干散射及本底等因素造成的背景，提高峰背比，它与发散狭缝配对使用，使用相同角度。C、接受狭缝是用来限定进入探测器的X衍射线的。它位于衍射线的焦点。测量时如果主要为了提高分辨率，应该选择较小的接受狭缝。如果为了提高衍射强度，则应加大接受狭缝。图5 狭缝示意图5、时间常数，扫描速度选择时间常数的选择对实验的影响较大，时间常数的增大导致衍射峰高下降，线形不对称（向扫描方向拉宽）以及峰形向扫描方向移动。这种线形崎变和峰顶移位均对测量结果带来不利影响。为了提高测量的精确度一般希望选择小的时间常数，但选择时间常数过小会造成衍射峰线毛刺，要选择合适常数扫描速度的选择与时间常数相似，为了提高测量精确度，选择较小的扫描速度。样品： 氧化铝4 实验步骤1、样品制备 A、粉末样品制备：粉末样品应有一定的粒度要求 (颗粒大小约在110 数量级。粉末过200-325目筛子即合乎要求)，不过由于在衍射仪上摄照面积较大，采用稍粗的颗粒。根据粉末的数量可压在玻璃制的通框或浅框中。压制时一般不加粘结剂，所加压力以使粉末样品粘牢为限，压力过大可能导致颗粒的择优取向。当粉末数量很少时，可在乎玻璃片上抹上一层凡士林，再将粉末均匀撒上。 B、固体样品制备：衍射采用块状平面试样，它可以是整块的多晶体，亦可用粉末压制。金属样可从大块中切割出合适的大小（大小能放入样品板孔)，经砂轮、砂纸磨平而得。分析氧化层时表面一般不作处理，而化学热处理层的处理方法须视实际情况进行(例如可用细砂纸轻磨去氧化皮)。样品抛光面朝向毛玻璃面，用橡皮泥从后面把样品粘牢，注意勿让橡皮泥暴露在X射线下，以免引起不必要干扰。 C、薄膜样品制备：将薄膜样品剪成比样品孔稍大的块，用胶粘纸背面粘牢。 2、操作规程 1 首先打开实验室仪器房电源空气开关，打开仪器稳压电源开关。启动循环水电源开关。 2 联机：先打开计算机，输入密码后进入视窗系统，再合上测角仪开关“Netz Power”。双击桌面上的D500-文件夹双击“X射线衍射图测量”图标测角仪自动校读校读结束表示联机成功。3 放置样品：按下仪器操作面板上的“Shut“按钮，X射线窗口关闭后方可打开防护门，把样品放入样品架上。关防护门时，注意小心轻推。 4 开X射线：确定防护门一定是关紧的。打开高压发生器钥匙开关按下循环水冷却开关按下高压开启开关，“X-ray ON”指标灯亮，显示电压电流为20KV，5mA， 先升电压至40KV ，逐步加载电流至40mA，将靶的材料设置为Cu靶，其特征X射线为1.5418（A）以下是关于X射线仪结构的设置 ： Drive Theta 45.8296 102Theta 91.6592 0.0Detector 45.8296 10Psi 0.0 0.0Phi 90.0 90.0Twin_Primary Motorized Slit:OpeningDegree0.50 0.50Twin_Secondary Motorized Slit:OpeningDegree 2.0 2.0实验记录方式采用阶梯扫描（步进扫描）.探测器角度2 Theta初始值为10，结束时ZTheta为90.0140每次前进0.01968，时间常数设为0.100s，总共测4066组数据，历时421s.狭缝的选择：Primary Beam PathTwin_Primary MotorizedNo Slit 10.5mmAxial Soller 2.5；Secondary Beam PathLYNXEYE 2.834442764DetelctorOpticsMount2 Soller_25 2.5各个参数设好后点击电脑屏幕下方的Start开始测5开始测量：单击“叠扫”输入样品名设置测量条件单击“执行”保存扫描数据及路径选择。 ，6关机：退出测量软件将电压电流逐步降至20KV、5mA关闭高压按钮关闭计数器高压和电源等待半个小时后，关闭循环冷却水、测角仪和主机电源。五、注意事项 1X射线对人体有害，应尽量防止和减少对人休的照射，特别是直接照射。因此X射线衍射仪安装有铅玻璃防护罩。 2出现紧急状况时，关闭衍射仪的高压。六 实验数据及分析结果图一 氧化铝（含碳）样品衍射图 图二 氧化铝标样衍射图 图三 Fe19Mn 衍射图结果分析：一，在阳极靶为铜的情况下氧化铝的二倍衍射角为25.5，35.5，37.8，43.5，52.4，57.8，77等可以根据布拉格方程算出氧化铝的面间距；Fe19Mn同样可得出其二倍衍射角：44.8，65，82.2及相对应面间距；二，由图一和图二样品氧化铝与标样氧化铝的衍射图可以看出，两者衍射峰的位置大致相同，但是样品氧化铝得到的图像背底较强且不光滑，衍射峰宽化，可以得出样品氧化铝结晶度不好，造成背底强度较大，不利于物相分析。衍射峰强度降低，衍射峰宽