小角X射线散射及聚合物表征分析.ppt

1、小角x射线散射技术(SAXS )和聚合物材料分析，材料和冶金学院，成员：2018/6/13，1.1轮廓：小角x射线散射(SAXS )是x射线透过样品时，在接近原光束2o5o的小角度范围内发生的散射现象。 小角x射线散射是区分大角x射线(2为5o165o )衍射(Wide Angle X-ray Diffraction，WAXD )的结构分析方法。 用x射线照射样品时，对应的散射角小2(5o7o )，是x射线的小角散射。 可以用于特大单位晶格物质的结构分析和测量粒度在几十纳米以下的超细粒子(或固体物质中的超细孔)的大小、形状、分布。 可以分析高分子粒子和空隙的大小和形状、混合的高分子相结构、长周

2、期、分支度、分子链长的分析、玻璃转变温度的测定。 一、小角x射线散射概要：二十世纪初，伦琴发现了比可见光波长小的辐射。 因为不知道这种放射线的性质，所以x射线命名为x射线(X-ray )。 到了20世纪30年代，以固体纤维和胶体粉末为研究物质发现了小角度的x射线散射现象。 当x射线照射样品时，样品内部存在纳米级的电子密度不均匀区域时，在入射光束周围的小角度范围(一般为26 )内产生散射x射线，将该现象称为x射线小角散射或小角x射线散射(简称Small Angle X-ray Scattering，SAXS )。 1.2 .理论基础：x射线和物质的作用、吸收体、入射x射线、热效应、透射x射线、散

3、射x射线干涉散射不干涉散射、荧光x射线、电子、斥电子、康普顿散射、汤姆森散射、x射线是非常短的波长(0.05-0.25nm )的电磁波一条x射线照射试料时，观察到两个过程： (1)试料具有周期结构(结晶区域)时，x射线发生相干散射，入射光和散射光之间没有波长变化，这一过程称为大角x射线衍射效果。 (2)样品具有不同电子密度的非周期结构(结晶区和非结晶区)时，x射线被无关地散射，波长发生变化，这一过程称为小角x射线衍射效应。 1.3 X射线分析技术的运用，纳米尺寸的微粒纳米尺寸的细孔，某一形式的电子云密度在高分子化合物和生物体中起伏，结晶区域和非晶区域交替形成的长周期结构实质上与散射体和周围介质

4、的电子云密度不同。2.1小角x射线散射的条件、二、SAXS分析及其机器结构、2.2 X射线在结晶中衍射的基本原理入射到结晶的x射线，由于使结晶内的原子的电子产生相同频率的强制振动，因此各原子作为新的x射线源向周围放射波长和射线相同的二次x射线。 他们虽然波长相同，但强度非常弱。 但是，结晶中存在着以一定周期反复出现的多个原子，从这些原子产生的二次x射线会引起干涉现象。 当二次x射线的光路差为波长的整数倍时，光波相互重叠，被观察。 准直系得到发散度小的平行光束，分点把准直和线弄直。 准直系的狭缝越细越好，准直系的长度越长越好，可以得到发散度小的平行光束。 样品架真空室接收系统、2.3小角x射线散

5、射计的基本构造、2.3小角x射线散射系统的构成、SAXS几何装置的图像、x光源： (1)旋转阳极靶(2)同步放射检测器： (1)摄影法(2)计数管法(3)位传感器(4)成像板法， 使用2.4 SAXS准直系真空对准和照片法记录x射线强度，可以得到全方位的小角散射图案，适用于取向粒子，可以避免对准误差，不能适用于定量测定，(1)针孔对准系，(2)四狭缝对准系，计数第一狭缝宽度是一定的。第三狭缝宽度可以调整，可以遮挡前两个狭缝发生的寄生散射，(3)扩大了3)Kratky U准直系统、高角度分辨率、粒度的研究范围。 得到了小角度的散射强度数据，外推的零角散射强度值准确，提高了积分不变量的计算精度。

6、(4)锥形准直器通常用于定量测定。 胶体分散体系(溶胶、凝胶、表面活性剂等)的生物高分子(蛋白质、核酸)聚合物溶液、结晶取向聚合物(工业纤维、薄膜)、嵌段聚合物的溶致液晶、液晶状态生物膜、囊肿、脂质体、2.4小角x射线分散研究的几个常见体系，I . (2)散射体的分散性(单分散或多分散，用Guinier映射判定) Guinier定理式： Rg是粒子旋转半径。 通过ln I(q )对q2绘图，可以由斜率求出粒子的旋转半径Rg和球形粒子半径R (R=(3/5 )1/2Rg ) . Guinier式只要不满足qRg 1的条件就无效。 2.5 SAXS分析，(3)两相界面是否尖锐(对于Porod定理的

7、负偏离) (4)每相的电子密度均一性(对于Porod定理的正偏移) Porod式： k为Porod常数，表示具有尖锐界面的散射体在大角部的散射强度遵循q4规则。 正偏差反映了矩阵的微观结构的不均匀性，表示矩阵上存在一定尺寸的微小密度的起伏，该密度的起伏不均匀的区域成分不均匀，或结晶化不完全，存在非晶成分，因此应该修正正的偏差，得到漂亮的孔散射。 (5)散射体的自相似性(是否有分形特征).定量分析：散射体尺寸分布、平均尺度、旋转半径、相关距离、平均壁厚、散射体体积分数、比表面、平均界面层厚、分形维数等。 III .聚合物SAXS曲线、非均匀系SAXS散射强度的实验曲线，如右图(a )所示，考虑到

8、密集系中粒子间的相互干涉对散射的影响，实验曲线如右图(b )和(c )所示，产生非常大的部分。 有长期结构存在的纤维，其小角散射强度曲线常数就是此类型。 研究溶液中的微粒，研究最简便的研究生物体微观结构，研究生物和动态过程中高分子材料的散射强度，研究高分子流动过程关闭粒子内部的内孔获得样品内的统计平均信息，比内面和离子体积百分比等参数样品调制更能准确确定， 小角x射线散射方法的特征：测定应用于三、高分子的溶液中高分子的形态和尺寸，测定胶体中的胶体粒的形状、粒度和粒度分布，研究了结晶高分子中的晶粒、混合高分子中的微观区域(分散相、连续相)、高分子中的空洞和裂纹的形状、尺寸和分布。 测定粒子量和相

9、互作用参数测定结晶空间的结构分布，通过长周期测定研究高分子系中的晶片的取向、厚度和结晶百分比，研究分子运动和相变，SAXS研究在高分子材料中的应用，1 .云纹法，红外热像法(只能检测材料表面情况)云纹法该方法使用由光的机械干涉形成的云纹图来分析。 分为面内和影像(面外)云纹法的：可以从前者的平行云纹图和旋转云纹图中求出应变场，后者成功地分析了褶皱形式和断裂变形场。 红外线热像仪将由红外线检测器和光学成像物镜接收到被测定物的红外线放射能的分布模式反映在红外线检测器的受光元件上，得到与物体表面的热分布场对应的红外线热像仪。 一般而言，红外线热像仪是指将物体发出的不可见的红外线能量转换成可见的热图像

10、。 热图像上的颜色表示被测量物的温度。四、检查几种可能的材料破坏过程的方法，二.超声波检查从探伤器发射超声波，被检查材料中的缺陷反射超声波，根据反射波的有无和反射波的强弱判断缺陷的有无和严重度，反射信号在探伤器荧光屏上的位置确定缺陷的深度。 如果将该信号发送给图像处理器进行图像处理，则能够获得材料内部的缺陷的分布图像。 3 .放射线检测放射线的检测是基于被检查工件根据成分、密度、厚度等而在放射线(即电磁辐射或粒子辐射)中产生不同的吸收或散射的特性，来判断被检查工件的质量、尺寸、特性等。 放射线检查是检查零件内部缺陷的有效方法，常用的是x射线、射线、中子射线检查方法。 4 .涡流检测是一种利用电

11、磁感应原理，通过测量被检查工件内的感应涡流的变化，来非破坏性地评价导电材料及其工件的性能，或发现缺陷的非破坏性检测方法。 涡电流的检测可以用于表面或近表面缺陷的无损检测，也可以用于材料筛选、厚度测量和电导率测量等。 5 .渗透检查是以毛细管现象渗透到细的表面开口缺陷，除去工件表面多馀的渗透液，干燥后涂抹显影剂，缺陷的渗透液因毛细管现象再吸附在零件表面，形成放大的缺陷表示。 渗透检测主要用于检查非疏松性金属和非金属部件的表面开口缺陷。 6 .磁粉检查(主要检查工业设备的强磁性材料)强磁性材料的工件被磁化后，由于不连续性的存在，工件表面和近表面的磁力线局部变形，产生泄漏磁场，吸附施加在工件表面的磁

12、粉，在适当的光下形成可见的磁痕，不连续性的位置、大小、形状和重症磁粉检测定义了磁粉检测(Magnetic Particle Testing，简称MT )，也称为磁粉检测或磁粉探伤，是无损检测的五种常用方法之一。 7 .声发射技术的声发射检测与以往的无损检测技术不同，是没有外部激励的声方法的检测。 其基本原理是检测由于材料在负载中发生塑性变形、裂纹形成和发展、脱粘等变化而产生的局部能量的快速释放而产生的过渡弹性波声辐射信号，根据声辐射信号的特征来判断材料破坏的开始时期、损伤的进化过程和最终故障， 8 .图像检测技术(主要用于测定龟裂长度和发展速度)、在室温下进行正常拉伸试验的非交联UHMWPE纤

13、维的破坏表面的SEM显微镜图. 73 的持续负荷试验和名义应力0=0.37 Gpa作用后的用非交联UHMWPE纤维断裂的表面的SEM显微图133 9、空气耦合超声波兰姆波检查(主要用于复合材料的冲击损伤缺陷的检查)在包含冲击损伤的层叠板样品的同一侧激发接收兰姆波，对冲击损伤区域在相互正交的两个方向上进行兰姆波检查，得到了不同位置的检查信号。 图像形成的结果，能够良好地表现冲击性损伤的位置和双向的尺寸的大小。 另外，噪声检测、磁弹性检测、工业内窥镜检查、激光全息检测、微波检测、磁记忆检测技术等在工业上取得了成功。1左婷，宋西平.小角x射线散射技术在材料研究中的应用J .理化检查(物理分册)，20

14、11，47 (12 ) :782-785.2赵晓雨.小角x射线散射技术的新进展J .重庆高教研究，2006， 5 (4) :35-38.3 Shi oyama kawazoe t，okazaki r et al.small-anglex-rayscatteringstudyonthetensilefracureprocessofpoly (ethyl . kobunshironbunnshu， 2008 63(63):345-359. 4传感器是基于重构模型的孔介孔介质的孔结构和扩散性能研究D .北京化学工业大学，2012. 5Smook J， hamers ma w penning saj.thefractureprocessofultra-highstrengthpolyethylenefibres j .journalofmaterialscience，1984， 19(4):359-1373.6朱进生冰杏娟、李传鼎.碳纤维复合材料破坏的超声波检测J .复合材料学报，1990，7 (4) :29-34.7刘贵民、马丽丽、郑铁军