材料研究方法课后题

材料研究方法课后题材料研究方法课后题 X射线衍射分析的实验方法及其应用复材131尤韦霖10131189自1896 年x射线被发现以来 可利用x射线分辨的物质系统越来越复杂 从简单物质系统到复杂的生物大分子 x射线已经为我们提供了很多 关于物质静态结构的信息 此外 在各种测量方法中 x射线衍射方法具有不损伤样品 无污染 快捷 测量精度高 能得到有关晶体完整性的大量信息等优点 由于晶体存在的普遍性和晶体的特殊性能及其在计算机 航空航天 能源 生物工程等工业领域的广泛应用 1 人们对晶体的研究日 益深人 使得x射线衍射分析成为研究晶体最方便 最重要的手段 1 X射线衍射原理1912年劳埃等人根据理论预见 并用实验证实了x 射线与晶体相遇时能发生衍射现象 证明了x射线具有电磁波的性质 成为x射线衍射学的第一个里程碑 当一束单色x射线人射到晶体时 由于晶体是由原子规则排列成的晶 胞组成 这些规则排列的原子间距离与人射x射线波长有相同数量级 故由不同原子散射的x射线相互干涉 在某些特殊方向上产生强x 射线衍射 衍射线在空间分布的方位和强度 与晶体结构密切相关 这就是x射线衍射的基本原理 2 衍射线空间方位与晶体结构的关系可用布拉格方程表示2dsin8 An式 中d为晶面间距 n为反射级数 e为掠射角 x为x射线的波长 布拉格方程是x射线衍射分析的根本依据 对于x射线衍射理论的研究 目前有两种理论 运动学和动力学衍射 理论 1 1运动学衍射理论Darwin 3 的理论称为x射线衍射运动学理论 该理论把衍射现象作为三维Frannhofe 衍射问题来处理 认为晶体 的每个体积元的散射与其它体积元的散射无关 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 Darwin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 1 2动力学衍射理论Ewald 4 的理论称为动力学理论 该理论考虑到了晶体内所有波的相互作用 认为人射线与衍射线在 晶体内相干地结合 而且能来回地交换能量 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 动力学理论在参考文献 5 6 里有详细介绍 2 X射线衍射方法研究晶体材料 x射线衍射方法非常理想非常有效 而对于液体和非晶态物固体 这种方法也能提供许多基本的重要 数据 所以x射线衍射法被认为是研究固体最有效的工具 在各种衍射实验方法中 基本方法有单晶法 多晶法和双晶法 2 1单晶衍射法单晶x射线衍射分析的基本方法为劳埃法与周转晶体 法 2 1 1劳埃法劳埃法 7 以光源发出连续x射线照射置于样品台上静止 的单晶体样品 用平板底片记录产生的衍射线 根据底片位置的不同 劳埃法可以分为透射劳埃法和背射劳埃法 背射劳埃法不受样品厚度和吸收的限制 是常用的方法 劳埃法的衍射花样由若干劳埃斑组成 每一个劳埃斑相应于晶面的1 一n级反射 各劳埃斑的分布构成一条晶带曲线 2 1 2周转晶体法周转晶体法以单色x射线照射转动的单晶样品 用 以样品转动轴为轴线的圆柱形底片记录产生的衍射线 在底片上形 成分立的衍射斑 这样的衍射花样容易准确测定晶体的衍射方向和衍射强度 适用于 晶体的结构分析 周转晶体法很容易分析对称性较低的晶体 如正交 单斜 三斜等晶 系晶体 结构 但应用较少 2 2多晶衍射法多晶x射线衍射方法包括照相法与衍射仪法 2 1 2照相法照相法以光源发出的特征x射线照射多晶样品 并用底 片记录衍射花样 根据样品与底片的相对位置 照相法可以分为德拜法 聚焦法和针 孔法 其中德拜法应用最为普遍 德拜法以一束准直的特征x射线照射到小块粉末样品上 用卷成圆柱 状并与样品同轴安装的窄条底片记录衍射信息 获得的衍射花样是 一些衍射弧 此方法的优点为 1 所用试样量少 0 1毫克即可 f 2 包含了试样产生的全部反射线 3 装置和技术比较简单 聚焦法的底片与样品处于同一圆周上 以具有较大发散度的单色x射 线照射样品上较大区域 由于同一圆周上的同弧圆周角相等 使得多晶样品中的等同晶面的 衍射线在底片上聚焦成一点或一条线 聚焦法曝光时间短 分辨率是德拜法的两倍 但在小e范围衍射线条 较少且宽 不适于分析样品 针孔法用三个针孔准直的单色x射线为光源 照射到平板样品上 根据底片不同的位置针孔法又分为穿透针孔法和背射针孔法 针孔法得到的衍射花样是衍射线的整个圆环 适于研究晶粒大小 晶体完整性 宏观残余应力及多晶试样中的择优取向等 但这种方法只能记录很少的几个衍射环 不适于其它应用 2 2 2衍射仪法 7 x射线衍射仪以布拉格实验装置为原型 融合了 机械与电子技术等多方面的成果 衍射仪由x射线发生器 x射线测角仪 辐射探测器和辐射探测电路4 个基本部分组成 是以特征x射线照射多晶体样品 并以辐射探测器 记录衍射信息的衍射实验装置 现代x射线衍射仪还配有控制操作和运行软件的计算机系统 x射线衍射仪的成像原理与聚集法相同 但记录方式及相应获得的衍 射花样不同 衍射仪采用具有一定发散度的人射线 也用 同一圆周上的同弧圆 周角相等 的原理聚焦 不同的是其聚焦圆半径随20的变化而变化 3 X射线衍射分析的应用3 1物相分析晶体的X射线衍射图像实质上是 晶体微观结构的一种精细复杂的变换 每种晶体的结构与其X射线衍 射图之间都有着一一对应的关系 其特征X射线衍射图谱不会因为它 种物质混聚在一起而产生变化 这就是X射线衍射物相分析方法的依 据 制备各种标准单相物质的衍射花样并使之规范化 将待分析物质的 衍射花样与之对照 从而确定物质的组成相 就成为物相定性分析 的基本方法 鉴定出各个相后 根据各相花样的强度正比于该组分存在的量 需要 做吸收校正者除外 就可对各种组分进行定量分析 目前常用衍射仪法得到衍射图谱 用 粉末衍射标准联合会 JCPDS 负责出版的 粉末衍射卡片 PDF卡片 进行物相分析 目前 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 川从相反的角度出发 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3 2点阵常数的精确测定 点阵常数是晶体物质的基本结构参数 测定点阵常数在研究固态相 变 确定固溶体类型 测定固溶体溶解度曲线 测定热膨胀系数等 方面都得到了应用 点阵常数的测定是通过X射线衍射线的位置 e 的测定而获得的 通 过测定衍射花样中每一条衍射线的位置均可得出一个点阵常数值 点阵常数测定中的精确度涉及两个独立的问题 9 即波长的精度 和布拉格角的测量精度 波长的问题主要是X射线谱学家的责任 衍射工作者的任务是要在波 长分布与衍射线分布之间建立一一对应的关系 知道每根反射线的密勒指数后就可以根据不同的晶系用相应的公式 计算点阵常数 晶面间距测量的精度随e角的增加而增加 0越大得到的点阵常数值 越精确 因而点阵常数测定时应选用高角度衍射线 误差一般采用图解外推法和最小二乘法来消除 点阵常数测定的 精确度极限处在1x10 5附近 3 3应力的测定X射线测定应力以衍射花样特征的变化作为应变的量 度 7 宏观应力均匀分布在物体中较大范围内产生的均匀应变表现为该范 围内方向相同的各晶粒中同名晶面间距变化相同 导致衍射线向某 方向位移 这就是X射线测量宏观应力的基础 微观应力在各晶粒间 甚至一个晶粒内各部分间彼此不同 产生的不均匀应变表现为某些 区域晶面间距增加 某些区域晶面间距减少 结果使衍射线向不同 方向位移 使其衍射线漫散宽化 这是X射线测量微观应力的基础 超微观应力在应变区内使原子偏离平衡位置 导致衍射线强度减弱 故可以通过X射线强度的变化测定超微观应力 测定应力一般用衍射仪法 X射线测定应力具有非破坏性 可测小范围局部应力 可测表层应力 可区别应力类型 测量时无需使材料处于无应力状态等优点 但 其测量精确度受组织结构的影响较大 X射线也难以测定动态瞬时应 力 3 4晶粒尺寸和点阵畸变的测定 8 9 若多晶材料的晶粒无畸变 足 够大 理论上其粉末衍射花样的谱线应特别锋利线无法看到 这是因为仪器因素和物理因素等的综合影响 使纯衍射谱线增宽了 但在实际实验中 这种谱纯谱线的形状和宽度由试样的平均晶粒尺 寸 尺寸分布以及晶体点阵中的主要缺陷决定 故对线形作适当分 析 原则上可以得到上述影响因素的性质和尺度等方面的信息 在晶粒尺寸和点阵畸变测定过程中 需要做的工作有两个 1 从实验线形中得出纯衍射线形 最普遍的方法是傅里叶交换法和 重复连续卷积法 2 从衍射花样适当的谱线中得出晶粒尺寸和缺陷的信息 这个步骤主要是找出各种使谱线变宽的因素 并且分离这些因素对 宽度的影响 从而计算出所需要的结果 主要方法有傅里叶法 线形方差法和积分宽度法 3 5单晶取向和多晶织构测定单晶取向的测定就是找出晶体样品中晶 体学取向与样品外坐标系的位向关系 虽然可以用光学方法等物理方法确定单晶取向 但x衍射法不仅可以 精确地单晶定向 同时还能得到晶体内部微观结构的信息 一般用劳埃法单晶定向 其根据是底片上劳埃斑点转换的极射赤面 投影与样品外坐标轴的极射赤面投影之间的位置关系 透射劳埃法只适用于厚度小且吸收系数小的样品 背射劳埃法就无需 特别制备样品 样品厚度大小等也不受限制 因而多用此方法 多晶材料中晶粒取向沿一定方位偏聚的现象称为织构 常见的织构 有丝织构和板织构两种类型 为反映织构的概貌和确定织构指数 有三种方法描述织构 极图 反 极图和三维取向函数 这三种方法适用于不同的情况 对于丝织构 要知道其极图形式 只要求出求其丝轴指数即可 照 相法和衍射仪法是可用的方法 板织构的极点分布比较复杂 需要两个指数来表示 且多用衍射仪 进行测定 4 展望随着x射线衍射技术越来越先进 x射线衍射法的用途也越来 越广泛 除了在无机晶体材料中的应用 已经在有机材料 一川 钢铁冶金 以及纳米材料的研究领域中发挥出巨大作用 并且还应 用于瞬间动态过程的测量 计算机的普遍使用让各种测量仪器的功能变得强大 测试过程变得 简单快捷 双晶衍射 多重衍射 也越来越完善 但是 随之而来的软件也缺陷越来越明显 在各种分析过程中 软 件分析检索的准确度都不尽人意 纵观整个x射线衍射领域 可以看出仪器设备的精密化和多用途化是 一个发展趋势 然而各种设备运行的软件明显落后于设备的发展 所以今后迫切的需要是软件系统的更新和完善 参考文献 I 余永宁 毛卫民 材料的结构 M 北京 冶金工业出版 社 xx 2 黄华 郭灵虹 晶态聚合物结构的X射线衍射分析及其进 展 J 化学研究与应用 1998 10 2 11