材料基本表征方法

材料基本表征方法材料基本表征方法 化学化工学院材料化学专业实验报告实验名称材料基本表征方法xrd X射线衍射分析 即X ray diffraction X射线衍射 通过对材料进行X射线衍射 分析其衍射 图谱 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 的研究手段 X射线是一种波长很短 约为20 0 06 的电磁波 能穿透一定厚度 的物质 并能使荧光物质发光 照相乳胶感光 气体电离 在用电子束轰击金属 靶 产生的X射线中 包含与靶中各种元素对 应的具有特定波长的X射线 称为特征 或标识 X射线 考虑到X射线的波长和晶体内部原子间的距离 10 8nm 相近 1912年德国物理学家劳厄提出一个重要的科学预见晶体 可以作为X射线的空间衍射光栅 即当一束X射线通过晶体时将发生衍 射 衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向上加强 在其他方 向上减弱 分析在照相底片上得到的衍射花样 便可确定晶体结构 这一预见随即为实验所验证 1913年英国物理学家布喇格父子在劳厄发现的基础上 不仅成功地测 定了NaCl KCl等的晶体结构 并提出了作为晶体衍射基础的著名公 式 布喇格定律2d sin n 式中 为X射线的波长 n为任何正整数 又称衍射级数 其上限为以下条件来表示nmax 2dh0k0l0 dh0k0l0 当X射线以掠角 入射角的余角 入射到某一点阵平面间距为d的原 子面上时 在符合上式的条件下 将在反射方向上得到因叠加而加强 的衍射线 布喇格定律简洁直观地表达了衍射所必须满足的条件 当X射线波长 已知时 选用固定波长的特征X射线 采用细粉末或 细粒多晶体的线状样品 可从一堆任意取向的晶体中 从每一 角符 合布喇格条件的反射面得到反射 测出 后 利用布喇格公式即可确 定点阵平面间距 晶胞大小和类型 根据衍射线的强度 还可进一步 确定晶胞内原子的排布 这便是X射线结构分析中的粉末法或德拜 谢乐法的理论基础 而在测定单晶取向的劳厄法中 所用单晶样品保持固定不变动 即 不变 以辐射束的波长作为变量来保证晶体中一切晶面都满足布 喇格条件 故选用连续X射线束 如果利用结构已知的晶体 则在测定出衍射线的方向 后 便可计算 X射线的波长 从而判定产生特征X射线的元素 这便是X射线谱术 可用于分析金属和合金的成分 X射线衍射的运动学理论达尔文理论称为X射线衍射运动学理论 该理 论把衍射现象作为三维夫琅禾曼衍射问题来处理 认为晶体的每个体 积元的散射与其他体积元的散射无关 而且散射线通过晶体时不会再 被散射 虽然这样处理可以得出足够精确的衍射方向 也能得出衍射 强度 但运动学理论的根本性假设并不完全合理 因为散射线在晶体 内一定会被再次散射 除了与原射线相结合外 散射线之间也能相互 结合 Darw in不久以后就认识到这点 并在他的理论中作出了多重散射修正 X射 线衍射的动力学理论埃瓦尔德理论称为X射线衍射的动力学理论 该 理论考虑到了晶体内所有波的相互作用 认为入射线与衍射线在晶体 内相干地结合 而且能来回地交换能量 衍射的运动学理论是考虑了 散射线之间的干涉效应 但略去了衍射的再散射效应 实际上衍射线 在晶体内的传播过程 还会被再散射 这种再散射 二次散射 很弱 在 晶体很小或晶体不完整时可略去不计 但当晶体是大块的 高度完整 的情况下 再散射在一定方向叠加起来 就形成可观的效应 两种理论 对细小的晶体粉末得到的强度公式相同 而对大块完整的晶体 则必 须采用动力学理论才能得出正确的结果 X射线衍射分析在材料分析 中的应用X射线衍射在结构分析方面有无损的特点 在材料分析与研 究工作中具有广泛的用途 1 物相分析物相分析指确定材料有哪些相组成 物相定性分析 和确 定各组成相的含量 物相定量分析 定性分析可采用样品衍射图谱与 标准图谱比较的方法 定量分析中 根据衍射强度理论 物质中某相的 衍射强度I i与其质量百分数X i有如下关系Ii kiX i Um式中ki为实验条件和待测相共同决定的常数 Um为待测样品的平 均质量吸收系数 与Xi有关 物相分析存在的问题主要有 1 待测物图 样中的最强线条可能并非某单一相的最强线 而是两个或两个以上相 的某些次强或三强线叠加的结果 这时若以该线作为某相的最强线将 找不到任何对应的卡片 2 在众多卡片中找出满足条件的卡片 十分 复杂而繁锁 虽然可以利用计算机辅助检索 但仍难以令人满意 3 定 量分析过程中 配制试样 绘制定标曲线或者k值测定及计算 都是复 杂而艰巨的工作 为此 有人提出了可能的解决办法 认为从相反的角 度出发 根据标准数据 PDF卡片 利用计算机对定性分析的初步结果 进行多相拟合显示 绘出衍射角与衍射强度的模拟衍射曲线 通过调 整每一物相所占的比例 与衍射仪扫描所得的衍射图谱相比较 就可 以更准确地得到定性和定量分析的结果 从而免去了一些定性分析和 整个定量分析的实验和计算过程 2 取向分析包括测定单晶取向和多晶的结构 见择优取向 测定硅钢片的取向就是一例 另外 为研究金属的范性形变过程 如孪生 滑移 滑移面的转动 等 也与取向的测定有关 3 结构分析对新发现的合金相进行测定 确定点阵类型 点阵参数 对称性 原子位置等晶体学数据 其他用途晶粒 嵌镶块 大小和微观应力的测定由衍射花样的形状 和强度可计算晶粒和微应力的大小 在形变和热处理过程中这两者有明显变化 它直接影响材料的性能 结晶度结晶度指结晶部分质量与总试样质量的百分比 结晶度直接影 响着材料的性能与损耗等 测定结晶度的方法主要根据结晶相的衍射 图谱面积与非结晶相图谱面积相比 也可根据衍射线位置来确定结晶 度 X射线分析的新发展金属X射线分析由于设备和技术的普及已逐步 变成金属研究和材料测试的常规方法 早期多用照相法 这种方法费时较长 强度测量的精确度低 50年代初问世的计数器衍射仪法具有快速 强度测量准确 并可配 备计算机控制等优点 已经得到广泛的应用 但使用单色器的照相法在微量样品和探索新相的分析中仍有自己的 特色 从70年代以来 随着高强度X射线源 包括超高强度的旋转阳极X射 线发生器 电子同步加速辐射 高压脉冲X射线源 和高灵敏度探测 器的出现以及电子计算机分析的应用 使金属X射线学获得新的推动 力 这些新技术的结合 不仅大大加快分析速度 提高精度 而且可以 进行瞬时的动态观察以及对更为微弱或精细效应的研究 X射线衍射仪是利用衍射原理 精确测定物质的晶体结构 织构及应力 精确的进行物相分析 定性分析 定量分析 广泛应用于冶金 石油 化工 科研 航空航天 教学 材料生产等领域 X射线是波长介于紫外 线和 射线间的电磁辐射 X射线管是具有阴极和阳极的真空管 阴极用钨丝制成 通电后可发 射热电子 阳极 就称靶极 用高熔点金属制成 一般用钨 用于 晶体结构分析的X射线管还可用铁 铜 镍等材料 用几万伏至几十万伏的高压加速电子 电子束轰击靶极 X射线从靶 极发出 电子轰击靶极时会产生高温 故靶极必须用水冷却 XRDX 射线衍射 Wide AngleX ray Diffraction 主要是对照标准谱图分析纳米粒子的组成 分析粒径 结晶度等 应用时应先对所制样品的成分进行确认 在确定后 查阅相关手册标准图谱 以确定所制样品是否为所得 20253035402455055600100 xx00400500600700800900100011001xx300 1400粒度400500600 27 6125 4225 2625 18由上图可得在400度时 有一强峰2 27 61 此峰与金红石晶体强峰2 27 459相接近 故判断400度时有金红石晶体 同时400度时还有一峰2 25