X射线衍射技术在材料分析中的应用和发展

1X射线衍射技术在材料分析中的应用和发展姓名：班级：s1467学号：201421801014摘要：X射线衍射分析技术是一种十分有效的材料分析方法，在各种材料的研究和生产中被广泛应用。本文概要介绍了概要介绍了X射线衍射分析的原理及其相关理论，总结了X射线衍射的各种实验方法，对X射线衍射分析在材料分析中的应用分别进行了叙述，最后对X射线衍射分析的发展进行了展望。关键词:X射线衍射技术；晶体结构；材料分析1引言自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射线衍射分析法是研究物质的物相和晶体结构的主要方法。当某物质（晶体或非晶体）进行衍射分析时，该物质被X射线照射产生不同程度的衍射现象，物质组成、晶型、分子内成键方式、分子的构型、构象等决定该物质产生特有的衍射图谱。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。因此，X射线衍射分析法作为材料结构和成分分析的一种现代科学方法，已逐步在材料的研究和生产中广泛应用。2X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。X射线同无线电波、可见光、紫外线等一样，本质上都属于电磁波，只是彼此之间占据不同的波长范围而已。X射线的波长较短，大约在10-8~10-10cm之间。X射线分析仪器上通常使用的X射线源是X射线管，这是一种装有阴阳极的真空封闭管，在管子两极间加上高电压，阴极就会发射出高速电子流撞击金属阳极靶，从而产生X射线。当一束单色X射线入射到晶体时，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入射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[1]。衍射线空间方位与晶体结构的关系可用布拉格方程表示。2ndsin2式中d为晶面间距；n为反射级数；θ为掠射角；λ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。3X射线衍射技术在材料分析中的应用由X射线衍射原理可知，物质的X射线衍射花样与物质内部的晶体结构有关。每种结晶物质都有其特定的结构参数(包括晶体结构类型，晶胞大小，晶胞中原子、离子或分子的位置和数目等)。因此，没有两种不同的结晶物质会给出完全相同的衍射花样。X射线衍射技术发展到今天，已经成为最基本、最重要的一种材料测试手段，其主要应用主要有以下几个方面：3.1物相定性分析不同的多晶体物质的结构和组成元素各不相同，它们的衍射花样在线条数目、角度位置、强度上就呈现出差异，衍射花样与多晶体的结构和组成有关，一种特定的物相具有自己独特的一组衍射线条（即衍射谱），反之不同的衍射谱代表着不同的物相。通过分析待测试样的X射线衍射花样，将待分析物质的衍射花样与各种单质的X射线衍射花样对照，从而确定物质的组成相，就成为物相定性分析的基本方法。3.2物相定量分析鉴定出各个相后，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)”负责编辑出版的“粉末衍射卡片(PDF卡片)”进行物相分析。X射线衍射物相定量分析有内标法[2]、外标法[3]、增量法[4]、无标样法[5]和全谱拟合法[6]等常规分析方法。内标法和增量法等都需要在待测样品中加入参考标相并绘制工作曲线，如果样品含有的物相较多，谱线复杂，再加入参考标相时会进一步增加谱线的重叠机会，给定量分析带来困难。无标样法和全谱拟合法虽然不需要配制一系列内标标准物质和绘制标准工作曲线，但需要烦琐的数学计算，其实际应用也受到了一定限制。外标法虽然不需要在样品中加入参考标相，但需要用纯的待测相物质制作工作曲线，这也给实际操作带来一定的不便。3.3点阵常数的测定点阵常数是物质的基本结构参数，任何一种晶体物质在一定状态下都有一定的点阵参数。测定点阵参数在研究固态相变、确定固溶体类型、测定固溶体溶解3度曲线、测定热膨胀系数等方面都得到了应用。点阵参数的测定是通过X射线衍射线位置的测定而获得的，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[7]，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θ角的增加而增加，θ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。3.4微观应力的测定微观应力是指由于形变、相变、多相物质的膨胀等因素引起的存在于材料内各晶粒之间或晶粒之中的微区应力。当一束X射线入射到具有微观应力的样品上时，由于微观区域应力取向不同，各晶粒的晶面间距产生了不同的应变，即在某些晶粒中晶面间距扩张，而在另一些晶粒中晶面间距压缩，结果使其衍射线并不像宏观内应力所影响的那样单一地向某一方向位移，而是在各方向上都平均地作了一些位移，总的效应是导致衍射线漫散宽化。材料的微观残余应力是引起衍射线线形宽化的主要原因，因此衍射线的半高宽即衍射线最大强度一半处的宽度是描述微观残余应力的基本参数。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。3.5结晶度的测定结晶度是影响材料性能的重要参数。在一些情况下，物质结晶相和非晶相的衍射图谱往往会重叠。结晶度的测定主要是根据结晶相的衍射图谱面积与非晶相图谱面积的比，在测定时必须把晶相、非晶相及背景不相干散射分离开来。基本公式为：)/(acccIIIX式中：Xc—结晶度；Ic—晶相散射强度；Ia—非晶相散射强度；K—单位质量样品中晶相与非晶相散射系数之比目前主要的分峰法有几何分峰法、函数分峰法等。3.6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4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[8]。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[9]。4展望综上所述，X射线衍射技术在材料分析领域有着十分广泛的应用，在无机材料、有机材料、钢铁冶金、纳米材料等研究领域中发挥越来越重要的作用。X射线衍射技术已经成为人们研究材料尤其是晶体材料最方便、最重要的手段。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。文献参考[1]黄华,郭灵虹1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):118~123.[2]吴建鹏,黄剑锋,贺海燕,等.X射线衍射物相定量分析内标法标准曲线库的建立[J].岩矿测试,2006,25(3):215-218.[3]孙文华,魏铭鉴,秦麟卿.呼吸尘埃中游离晶态A-石英的X射线外标法测定[J].分析测试学报,1996,15(2):62-64.[4]储刚.含非晶样品的X射线衍射增量定量相分析方法[J].物理学报,1998,47(7):1143-1145.[5]吴万国,阮玉忠.X射线衍射无标定量分析法的研讨[J].福州大学学报,1997,25(3):37-40.[6]洪汉烈,陈建军,杨淑珍,等.水泥熟料定量分析的全谱拟合法[J].分析测试学报,2001,20(2):5-8.[7]H.P克鲁格,L.E.亚历山大1X射线衍射技术盛世雄等译.[M].北京:冶金工业出版社,1986.[8]左演声,等.材料现代分析方法[M].北京:北京工业大学出版社,2000.[9]杨于兴,等.X射线衍射分析[M].上海:上海交通大学出版社,1989.