XRD试验报告蒙脱石鉴别

1、目录1实验目的 12实验原理 12.1晶体结构与晶体 X 射线衍射 12.2物相鉴定原理 23实验仪器 34实验步骤 44.1实验前的准备 44.2试样制备 44.3开机与测试过程 55数据处理 55.1图谱后期处理 55.2自动寻峰 75.3与标准 PDF 卡片对比 86实验结论 187实验存在的问题及可能原因 18土质学课 XRD 实验报告1.%2.%3实验目的耈 栀 了解 X 射线衍射仪的结构和工作原理；2）掌握 X 射线衍射物相定性分析的方法和步骤；3）学会用 Highscore 软件进行图谱分析；4）鉴定蒙脱石样品。2.%2.%3实验原理2 2晶体结构与晶体 X 射线衍射x 射线是一

2、种很短的电磁波，具有反射、折射、干涉、衍射、偏振等特征，属于横波， 波长范围约 0.01100nm,用于衍射分析的 x 射线波长约 0.52.5nm。 物质结构中，原子和分子的距离正好落在 x 射线的波长范围内，所以物质（特别是晶体）对 x 射线的散射和衍射能够传递极为丰富的微观结构信息。图 1 原子面网对 X 射线的衍射当一束单色 X 射线入射到晶体时，由于晶体是由原子有规则排列的晶胞所组成，而这些有规则排列的原子间距离与入射 X 射线波长具有相同数量级， 迫使原子中的电子和原子核成了新的发射源，向各个方向散发 X 射线，这是散射。不同原子散射的 X 射线相互干涉叠加，可在某些特殊的方向上产

3、生强的 X 射线，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。假定晶体中某一方向上的原子面网之间的距离为 d,波长为？的 X 射线以火角？射入晶体（如图 1 所示）。在同一原子面网上，入射线与散射线所经过的光程相等，在相邻的两个原子面网上散射出来的 X 射线有光程差， 只有当光程差等于入射波长的整数倍时，才能产生被加强了的衍射线，即：2?sin?=?这就是布拉格（Bragg）公式，式中 d 为晶面距离，n 是整数（或称反射级数），？先入射角，?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。此方程不仅能测单晶体，而且也能测多晶体。由于样品采用

4、晶体粉末，所以样品中包含着数目极多的细小单品，由于晶体无规则，存在各种可能的取向，相当于一个晶体在原点保持不动情况下绕各种可能的方位转动，从而形成无数个倒格子点阵。当入射的 X 射线与样品相遇时，对于每一组晶面族，总有许多小品粒处在适合的反射位置上，从而形成衍射。2 2物相鉴定原理任何结晶物质均具有特定晶体结构（结构类型，晶胞大小及质点种类，数目，分布）和组成元素。一种物质有自己独特的衍射谱与之对应，多相物质的衍射谱为各个互不相干，独立存在物相衍射谱的简单叠加。衍射方向是晶胞参数的函数（取决于晶体结构）；衍射强度是结构因子函数（取决于晶胞中原子的种类、数目和排列方式）。任何一个物相都有一套 d

5、-I 特征值及衍射谱图。因此，可以对多相共存的体系进行全分析。也就是说实验测得的图谱与数据库中的已知 X 射线粉末衍射图对照，通过两者的匹配性就可以确定它的物相。3.%2.%3实验仪器本实验中使用的是德国布鲁克公司 D8X 射线衍射仪。图 2D8X 射线衍射仪其核心部件是：1）高压发生器与 X 光管2）精度测角仪与 B-B 衍射几何3）光学系统及其参数选择对采集数据质量影响4）探测器5）控测、采集数据与数据处理仪器设计原理：R1=R2=R,试 1转？珀，探测器转 2?如（2?耦合）或试样不动，光管转?探测器转？（？?耦合），其基本结构原理如图 3 所示。图 3X 射线衍射仪设计原理聚焦圆随衍射

6、角大小而变化，衍射角越大、聚焦圆半径越小，当 2?=0,聚焦圆半径？?=oo;当 2?=1800 时，？?=?2,且？?=?2sin?4.%2.%3实验步骤4 4实验前的准备实验前的准备包括环境准备、固体探测器的更新及光管老化等内容。实验一般在室温 15c33c 范围内进行，通过空调与强冷却机实现。固体探测器的更新一般每周进行一次。光管老化一般在实验前 1 小时进行。本次实验是在 XXXX大学材料科学与工程学院进行，此步骤由实验室专人进行操作。4 4试样制备本实验采用的样品为高纯纳米蒙脱石粉，外观呈微黄粉末状，相关参数见表1:表 1 实验样品参数蒙脱石含量95%干燥失重100mmol/100g

7、吸匿量42g/100g粒径325 目PH 值6-8本次实验目的之一便是鉴定该实验样品是否为蒙脱石。样品制备按如下步骤进行：1）把制样框平放在平滑的玻璃片，将样品粉末尽可能均匀撒入制样框的窗口中；2）将粉末用力压紧，把多余的粉末削去；3）把制样框从玻璃平面上拿起；4）面向玻璃片的一面样品平整光滑，并使试样面与玻璃表面齐平。4.3 开机与测试过程打开测量软件 DIFFRACplusMeasurementpart.rar 和 XRDcommander 软件，设定电压、电流分别为 40kv 和 40mA,设定左右两个狭缝值为 1,设置适当的步长（increment）与扫描速度，然后进行测试，得到衍射图

8、谱。此步骤仍由实验室专人完成。5 5 数据处理图谱后期处理测试完毕后，可将样品测试数据存入磁盘供随时调出处理。将得到的 xrdml图谱文件导入到 XRD 分析软件 Highscore 中，样品的原始图谱见图 4（由 Highscore导出数据到 Excel 中绘制），从图中可以看出尽管杂峰较多，但是蒙脱石的第一特征峰与第二特征峰仍然是比较明显的。为了保持原始数据不失真，这里不进行扣背底和曲线平滑处理（对自动寻峰结果影响较大），而仅仅去除 Ka2 衍射峰值。在 Treatment”菜单中选择StripK-Alpha2”命令，在弹出的对话框中按默认值直接依次单击“StripK-Alpha27Rep

9、lace；按钮，这样就去掉了 K 正衍射峰。一般 X 射线衍射都是使用 K 系辐射,K 系辐射中包括了两小系，即 Ka 和 KB 辐射，由于二者的波长相差较大，KB 辐射一般通过石墨晶体单色器”或滤波片”被仪器滤掉了，接收到的只有 Ka 辐射。但是，Ka 辐射中又包括两种波长差很小的 Ka1 和 Ka2 辐射， 它们的强度之比一般情况下刚好是 2:1。 经过处理后的图谱见图 5。1000900图 4 实验样品原始衍射图谱数计度强20203030405050606070709090O O2 20 000008 800007 700003 3ooOooOooOooO6546540000O O1 1

10、自动寻峰使用 searchpeaks 命令进行自动寻峰，得到衍射峰属性列表和自动寻峰结果图，见表 2 和图 6。从表中可以看出，1、2、3、4 和 7 号波峰相对于最强峰的强度计数（相对强度）是比较高的，其中 1 号波峰为最强峰，晶层间距为 4.50217?从图中可以看出，软件自动寻峰的结果基本符合实际峰形，同时也可以粗略看出,1 号波峰和 2 号波峰的晶层间距及其衍射角度与蒙脱石标准衍射谱线的第一、：特征峰吻合度很高表 2 样本衍射峰属性列表序号衍射角度/（2。）半峰宽/晶层间距/?强度计数相对强度15.89380.979214.98335329.46100219.70310.24484.5

11、0215245.8374.62321.9110.4084.05321141.4342.93429.42970.24483.03257127.3638.66534.76080.8162.5787265.2519.81654.10380.97921.6937225.767.82761.77820.4081.50045101.330.75873.03450.97921.2944825.847.8400008 890图 5 处理后的衍射图谱200100102030405026607080O O6 60 000007 700003 300005 5O O4 40 0数计度强7r11rI? ?-10M耗4

12、C50607029图 6 自动寻峰结果图5.3 与标准 PDF 卡片对比软件自动匹配初步筛选在 Highscore 软件中依次单击（Analysis、“Search&Match”、ExecuteSearch&Match命令打开 Search&Match”对话框，在 Restriction”选项卡中单击 Editrestrictionsets”按钮打开 Edit”对话框， 在此对话框中限定样品中理论上应该存在的化学元素以提高匹配效率。由于高纯度的蒙脱石粉属于天然矿物质无机盐，是一种水合硅铝酸盐矿物， 微观上为中间铝氧八面体、 上下硅氧四面体所组成的三层片状结构，不含重金属

13、，并且分子层间隙含有钙、镁等阳离子。故可知样品中必定含有 H、O、Al、Si、Ca 和 Mg 六种化学元素，所以在元素周期表中（PeriodicTable”按钮）将 H、O、Al、Si、Ca 和 Mg 六种元素设为Allof；并根据本实验目的单击 Addresttononeof”按钮以排除掉其他元素。最后回到Search&Match”对话框，切换到 Parameter选项卡，在 DataSourcS 下拉列表中选才PPeakDat,最后依次单击“SearchOK”按钮，Highscore 会自动匹配出可能矿物的 PDF 卡片，具体见表 3 及图 7。结合图表可以看出实验样本与蒙脱石-1

14、5?(Montmori110Mte-15A)的 PDF 卡片匹配度最高，但仍需进一步人工比对加以确认。表 3Highscore 自动匹配结果PDF卡片号匹配度评分矿物名称匹配峰数总峰数00-013-013541Montmorillonite-15A81700-029-149133Saponite-15A41000-004-074330CalciumMagnesiumAluminumSilicateHydroxide2301-079-113013ZeoliteX(Ca,Mg-exchanged),syn1111201-074-08367Xanthophyllite1ITMRG169401-074

15、-11895Xanthophyllite1ITMRG138800-006-00024Saponite-18A,glycerol31300-038-04733Vesuvianite1312401-087-11192Vesuvianite1814701-086-13802Vesuvianiteferric,B-bearing1813901-086-13812CalciumMagnesiumAluminumSilicateHydroxide1914000-027-00810Vesuvianite,syn754图 7 各 PDF 卡片的峰形与实验样本的对比人工定量对比虽然是人工对比，但仍可以借助 Ex

16、cel 编制计算表来辅助分析。算法如下：首先需要将 PDF 卡片中的各衍射峰角度与每条样本衍射峰角度匹配，为每条衍射峰找到最接近的 PDF 衍射峰，并计算其差值，再将找到的 PDF 衍射峰对应的晶层间距和相对强度与所匹配的样本衍射峰的晶层间距和相对强度比较，求出差值，最后将三种差值列表供定量比对。此方法比常规肉眼比对更加精确，并且使用自编的 ExcelExcel 计算表可以快速求出与以上 1212 种 PDFPDF 卡片对比的结果，见表 44表 1515。表中有些行的 PDF 卡片相关参数为空，说明该卡片中没有任何衍射峰与此行的样本衍射峰重合 （在求 PDF 衍射峰匹配序号的 Excel 公式

17、中， 设定了一个值为 1的阈值， 样本与 PDF衍射角之差超过该阈值即判定为不匹配）。表 4 与 00-013-0135 号 PDF 卡片各衍射峰对比样 本 衍射 峰 序号PDF衍射峰序号样本衍射角/PDF 衍射角衍射角匹配误差/。样本晶层间距/?PDF 晶层间距/?晶层间距匹配误差/?样本相对强度%PDF 相对强度%相对强度匹配误差%115.89385.8870.006814.98335150.0166510010002319.703119.7130.00994.502154.50.0021574.62805.38321.9114.0532142.934729.429729.5550.125

18、33.032573.020.0125738.666021.345834.760834.7430.01782.578722.580.0012819.814020.1961354.103853.8880.21581.693721.70.006287.823022.1871461.778261.7990.02081.500451.50.0004530.755019.2581673.034573.6620.62751.294481.2850.009487.842012.16表 5 与 00-029-1491 号 PDF 卡片各衍射峰对比样本衍射峰序号PDF衍射峰序号样本衍射角/PDF 衍射角衍射角匹配

19、误差/。样本晶层间距/?PDF 晶层间距/?晶层间距匹配误差/?样本相对强度%PDF 相对强度%相对强度匹配误差%115.89385.6970.196814.9833515.50.5166510010002419.703119.4080.29514.502154.570.0678574.62668.62321.9114.0532142.934629.429729.0630.36673.032573.070.0374338.66830.665734.760834.3310.42982.578722.610.0312819.81316.81654.10381.693727.82761.77821.

20、5004530.75873.03451.294487.84表 6 与 00-004-0743 号 PDF 卡片各衍射峰对比样本衍射峰序号PDF衍射峰序号样本衍射角/PDF 衍射角衍射角匹配误差/。样本晶层间距/?PDF 晶层间距/?晶层间距匹配误差/?样本相对强度%PDF 相对强度%相对强度匹配误差%样本衍射峰序号PDF衍射峰序号样本衍射角/PDF 衍射角衍射角匹配误差/。样本晶层间距/?PDF 晶层间距/?晶层间距匹配误差/?样本相对强度%PDF 相对强度%相对强度匹配误差%15.893814.98335100219.70314.5021574.62321.9114.0532142.9342

21、9.42973.0325738.665234.760834.8820.12122.578722.570.0087219.8110080.19654.10381.693727.827361.778261.7990.02081.500451.50.0004530.757039.25873.03451.294487.84表 7 与 01-079-1130 号 PDF 卡片各衍射峰对比样本衍射峰序号PDF衍射峰序号样本衍射角/PDF 衍射角衍射角匹配误差/。样本晶层间距/?PDF 晶层间距/?晶层间距匹配误差/?样本相对强度%PDF 相对强度%相对强度匹配误差%115.89386.1040.21021

22、4.9833514.46840.5149510010002919.703120.0270.32394.502154.430020.0721374.621.972.7231221.91122.420.5094.053213.962330.0908842.930.342.6342029.429729.1450.28473.032573.061570.02938.660.737.9652834.760835.0560.29522.578722.557680.0210419.810.219.6166754.103854.1150.01121.693721.69340.000327.820.17.727

23、8761.778261.9080.12981.500451.497620.0028330.750.130.65873.03451.294487.84表 8 与 01-074-0836 号 PDF 卡片各衍射峰对比样本衍射峰序号PDF衍射峰序号样本衍射角/PDF 衍射角衍射角匹配误差/。样本晶层间距/?PDF 晶层间距/?晶层间距匹配误差/?样本相对强度%PDF 相对强度%相对强度匹配误差%15.893814.98335100样本衍射峰序号PDF衍射峰序号样本衍射角/PDF 衍射角衍射角匹配误差/。样本晶层间距/?PDF 晶层间距/?晶层间距匹配误差/?样本相对强度%PDF 相对强度%相对强度匹

24、配误差%2319.703119,7130,00994,502154,50,0021574,624,769,923621,91121,7990,1124,053214,073730,0205242,931,341,6341129.429729,3920,03773,032573,036340,0037738,66353.6651434,760834,6450,11582,578722,587050,0083319,8113,76.1164154,103853,9660,13781,693721,697730,004017.820,17.7275561,778261,860,08181,50045

25、1,498660,0017930,7539,58.7587573,034573,0980,06351,294481,293520,000967.846,31.54表 9 与 01-074-1189 号 PDF 卡片各衍射峰对比样本衍射峰序号PDF衍射峰序号样本衍射角/PDF 衍射角衍射角匹配误差/。样本晶层间距/?PDF 晶层间距/?晶层间距匹配误差/?样本相对强度%PDF 相对强度%相对强度匹配误差%15,893814,983351002319,703119,7060,00294,502154,50150,0006574,624,370,323621,91121,7680,1434,0532

26、14,079490,0262842,931,641,3341129,429729,2930,13673,032573,046430,0138638,6638,10.5651434,760834,6290,13182,578722,58820,0094819,8111,48.4164054,103854,1820,07821,693721,691460,002267.8243.8275461,778261,8140,03581,500451,499660,0007930,7542,912,1586973,034573,0590,02451,294481,29410,000387.846,51.3

27、4表 10 与 00-006-0002 号 PDF 卡片各衍射峰对比样本衍射峰序号PDF衍射峰序号样本衍射角/PDF 衍射角衍射角匹配误差/。样本晶层间距/?PDF 晶层间距/?晶层间距匹配误差/?样本相对强度%PDF 相对强度%相对强度匹配误差%15,893814,983351002419,703119,4940,20914,502154.550,0478574,625024,62样本衍射峰序号PDF衍射峰序号样本衍射角/PDF 衍射角衍射角匹配误差/。样本晶层间距/?PDF 晶层间距/?晶层间距匹配误差/?样本相对强度%PDF 相对强度%相对强度匹配误差%321,9114.0532142.

28、934629.429729.6550.22533.032573.010.0225738.66401.345734,760834.3310.42982.578722.610.0312819.816040.19654.10381.693727.82761.77821.5004530.75873.03451.294487.84表 11 与 00-038-0473 号 PDF 卡片各衍射峰对比样本衍射峰序号PDF衍射峰序号样本衍射角/PDF 衍射角衍射角匹配误差/。样本晶层间距/?PDF 晶层间距/?晶层间距匹配误差/?样本相对强度%PDF 相对强度%相对强度匹配误差%15.893814.983351

29、0021019.703119.7130.00994.502154.50.0021574.62173.6231121.91121.9560.0454.053214.0450.0082142.93438.9342429.429729.3270.10273.032573.0430.0104338.661226.6653534.760834.6180.14282.578722.5890.0102819.815535.1969754.103853.9770.12681.693721.69740.003687.8216.82761.77821.5004530.75873.03451.294487.84表

30、12 与 01-087-1119 号 PDF 卡片各衍射峰对比样本衍射峰序号PDF衍射峰序号样本衍射角/PDF 衍射角衍射角匹配误差/。样本晶层间距/?PDF 晶层间距/?晶层间距匹配误差/?样本相对强度%PDF 相对强度%相对强度匹配误差%15.893814.9833510021119.703119.6870.01614.502154.50590.0037574.620.174.5231221.91121.9210.014.053214.051360.0018542.933.539.43样本衍射峰序号PDF衍射峰序号样本衍射角/PDF 衍射角衍射角匹配误差/。样本晶层间距/?PDF 晶层间距

31、/?晶层间距匹配误差/?样本相对强度%PDF 相对强度%相对强度匹配误差%42529.429729.2670.16273.032573.049020.0164538.6611.926.7653534.760834.5410.21982.578722.594590.0158719.8156.136.29610654.103854.0690.03481.693721.694740.001027.820.47.42713861.778261.7090.06921.500451.501970.0015230.752.328.45873.03451.294487.84表 13 与 01-086-1380

32、 号 PDF 卡片各衍射峰对比样本衍射峰序号PDF衍射峰序号样本衍射角/PDF 衍射角衍射角匹配误差/。样本晶层间距/?PDF 晶层间距/?晶层间距匹配误差/?样本相对强度%PDF 相对强度%相对强度匹配误差%15.893814.9833510021219.703119.6990.00414.502154.503180.0010374.621.173.5231421.91122.0130.1024.053214.034740.0184742.934.438.5342729.429729.3610.06873.032573.039520.0069538.6611.527.1653834.7608

33、34.5710.18982.578722.592460.0137419.8134.314.49610254.103854.2820.17821.693721.688590.005137.8291.18712961.778261.7510.02721.500451.501060.0006130.752.927.85873.03451.294487.84表 14 与 01-086-1381 号 PDF 卡片各衍射峰对比样本衍射峰序号PDF衍射峰序号样本衍射角/PDF 衍射角衍射角匹配误差/。样本晶层间距/?PDF 晶层间距/?晶层间距匹配误差/?样本相对强度%PDF 相对强度%相对强度匹配误差%1

34、5.893814.9833510021219.703119.7080.00494.502154.500980.0011774.621.173.5231421.91122.0240.1134.053214.032610.020642.934.438.5342729.429729.3810.04873.032573.037470.004938.6611.327.36样本衍射峰序号PDF衍射峰序号样本衍射角/PDF 衍射角衍射角匹配误差/。样本晶层间距/?PDF 晶层间距/?晶层间距匹配误差/?样本相对强度%PDF 相对强度%相对强度匹配误差%53834.760834.5860.17482.5787

35、22.591370.0126519.8134.714.89610354.103854.3160.21221.693721.687610.006117.829.31.48712961.778261.7840.00581.500451.500330.0001230.753.227.55873.03451.294487.84表 15 与 00-027-0081 号 PDF 卡片各衍射峰对比样本衍射峰序号PDF衍射峰序号样本衍射角/PDF 衍射角衍射角匹配误差/。样本晶层间距/?PDF 晶层间距/?晶层间距匹配误差/?样本相对强度%PDF 相对强度%相对强度匹配误差%15.893814.9833510

36、02819.703119.6680.03514.502154.510.0078574.62371.623921.91122.0390.1284.053214.030.0232142.93537.9341329.429729.5550.12533.032573.020.0125738.66533.6651834.760834.4670.29382.578722.60.0212819.815535.1964454.103853.1780.92581.693721.7210.027287.8252.8274961.778261.7080.07021.500451.5020.0015530.75525.7585373.034572.610.42451.294481.3010.006527.8434.84在表 4表 15 中，首先排除掉匹配峰数明显较少的四张卡片（00-029-1491号、00-004-0743 号、00