高分子材料测试技术系统介绍第五章

第五章X射线衍射 第一节概述第二节X射线衍射原理第三节各种实验方法第四节X射线衍射在聚合物中的应用 5 1概况 1895年伦琴 W C Roentgen 发现X 伦琴 射线 1912年劳埃 M VonLaue 发现了晶体的X射线衍射现象 确定了X射线的电磁波性质 其波长范围为10 2到102埃 聚合物的X射线衍射方法中所使用X射线波长一般在0 5 2 5埃 5 2X射线衍射原理 一X射线的产生电子束能量的99 左右被阳极靶中的原子吸收掉 转化成热能 阳极需强制冷 仅有约1 的电子束能量转变成X射线 E x射线产生的效率 Z 阳极靶材料的原子序数 V X射线管操作电压 电极间电压 X射线管示意图 讨论 1 X射线管产生X射线的效率低 例如 铜靶 30KV E为0 1 钨靶 1000KV E为0 8 2 X射线管的最大功率受阳极材料的熔点 导热系数和靶面冷却手段的限制 例如 铜靶 导热佳 和钼靶 熔点高 的功率常为铁 钴 铬靶的2倍 二X射线光谱 1连续X射线谱连续X射线谱为一系列具有连续波长的X射线 也称为 白色 X射线 短波限 m 根据量子理论 能量为eV的电子与物质相碰撞产生光量子时 光量子的能量 eV 因此 辐射必定有一频率上限 mh m hC m eVh 普朗克常数 6 626 10 34J S C 光速 3 108m s 1 X射线光谱 2特征X射线谱a 产生过程电压超过激发电压 高能电子流轰击到靶面 靶材原子内层电子被激发 回跃到低能级 辐射特征X射线谱b 特征X射线产生机理 三X射线衍射条件 Bragg方程 X光 原子中的电子 二次波源 散射 球面波 干涉 加强抵消 任选两相邻面 A1与A2 其光程差 ML LN 2dsin 干涉一致加强的条件为 n 即2dsin n 式中 为布拉格角 2 为衍射角 n 任意整数 称衍射级数 d为 hkl 晶面间距 即dhkl 晶体对X射线的衍射 设一束平行的X射线 波长 以 角照射到晶体中晶面指数为 hkl 的各原子面上 5 3各种实验方法 一照相法1平面底片法 平面照相法 无规取向POM 六方 平板图 X 衍射半径L 样品至底片间距离 2dsin n 入射X射线波长 2回转晶体法 n 0 n 1 n 2 n 3 n 1 n 2 n 3 3德拜 谢乐法通常所说的粉末法 如不另加说明 均指此法 入射光方向 底片 粉末样品 2L R 4 4 2L R rad 180 2L R R 相机半径2L 一对粉末衍射线的间距 二衍射仪1X射线衍射仪基本组成及工作原理 X射线衍射仪方框图 测角仪光学系统 X光管 探测器 样品台 2样品制备 根据所研究的课题 样品可以是多晶块 片或粉末 通常是将样品研磨成小颗粒粉末 将研磨后的粉末用手挤压在薄板内框中 利用粉末的自聚能力与框架一起成型 用厚玻璃板作为成型工作面 井以与玻璃接触过的样品表面作为衍射表面 为了消除取向 常把纤维样品剪切为长度小于0 5mm的小段 再用上述过程制样 5 4X射线衍射在聚合物中的应用 1高聚物的物相分析1 晶态和非晶态结构研究 分析聚合物是否结晶非晶态聚合物 X射线衍射为漫散射的 晕环 钝峰晶态聚合物 衍射图 衍射曲线 清晰圆环 衍射图中 2 识别晶体类型结晶性聚合物在不同结晶条件下可形成不同晶型 它们所属晶系及晶胞参数不同 如聚丙烯 四种晶型 它们对聚丙烯材料的性能影响不同 结晶类型识别办法是 将待定试样谱图与已知晶型谱图比较 看试样谱图中是否出现已知晶型的各衍射峰 P75 76 a 含 型晶体的IPPX射线衍射图 b 含 型晶体的IPPX射线衍射图 c 被鉴定的IPPX射线衍射图 上图中a与b分别为 型和 型IPP衍射图 c为一注射IPP板材衍射实验图 a中在2 20 一侧的三个峰其对应面间距分别为0 6252nm 0 5201nm和0 4766nm c中在相应衍射区所找到的三个峰的面间距为0 6240nm 0 5190nm和0 4760nm 由此断定c中有 晶体 b中在15 2 20 内有一 型晶体特征峰 其对应面间距为0 5520nm c中相应衍射区内可找到面间距为0 5512nm的峰与之相近 由此判定c中也有 型晶体 另外 在20 2 25 之间 a与b两图均有衍射峰 而c中在大致相同的位置呈现一个峰 可认为是 型晶体与 型晶体在该区域产生衍射峰的叠加 综上分析可确认 样品中既有 型晶体 也有 型晶体 2结晶度的测定 Ic 高聚物样品结晶部分衍射积分强度Ia 高聚物样品非晶部分衍射积分强度K 高聚物样品结晶和非晶部分单位重量的相对散射系数 3微晶尺寸的测定 谢乐公式 Lhkl 是垂直于hkl晶面的微晶尺寸 nm 入射x射线波长 nm 入射X射线与原子平面间夹角 布拉格角 纯衍射线增宽 用弧度表示 K 常数 称为晶体形状因子 4取向度的研究