现代材料测试方法

1、授课教师：吴海涛老师授课教师：吴海涛老师上课班级：材专上课班级：材专041、042绪绪 论论第一章第一章 光学显微分析光学显微分析第二章第二章 X-射线衍射分析射线衍射分析第三章第三章 电子显微分析电子显微分析第四章第四章 综合热分析综合热分析第五章第五章 红外光谱分析红外光谱分析l一、开设课程的作用、地位一、开设课程的作用、地位 l二、课程的主要内容二、课程的主要内容 l三、主要参考书三、主要参考书 l四、听课要求四、听课要求 l五、考试情况五、考试情况 随着科学技术的迅猛发展与市场经济的激烈竞争，材随着科学技术的迅猛发展与市场经济的激烈竞争，材料科学也在不断地往前发展。随着材料研究的不断的

2、深入，料科学也在不断地往前发展。随着材料研究的不断的深入，众多新型材料如功能材料、梯度功能材料、纳米材料等被众多新型材料如功能材料、梯度功能材料、纳米材料等被研制出来。科技工作者对材料的研究也已经由过去的实验、研制出来。科技工作者对材料的研究也已经由过去的实验、实验方法逐步地摸索、试制性能合格的材料，向按一定的实验方法逐步地摸索、试制性能合格的材料，向按一定的指标性能来设计材料。材料向着新、高、精、尖的发展，指标性能来设计材料。材料向着新、高、精、尖的发展，对材料的性能和产品的质量提出了越来越高的要求，促使对材料的性能和产品的质量提出了越来越高的要求，促使材料工作者去探求材料组成、结构、生产工

3、艺和性能之间材料工作者去探求材料组成、结构、生产工艺和性能之间的关系，为原材料选择、工艺改进、材料改性以及研制预的关系，为原材料选择、工艺改进、材料改性以及研制预定性能的新材料等提供理论依据。材料性能和产品质量与定性能的新材料等提供理论依据。材料性能和产品质量与材料的组成和结构是密切相关的，人们要改进材料的性能、材料的组成和结构是密切相关的，人们要改进材料的性能、提高产品的质量，必须要了解材料内部的组成和结构，提高产品的质量，必须要了解材料内部的组成和结构，“现代材料测试方法现代材料测试方法”就是为研究材料内部的物相组成和就是为研究材料内部的物相组成和结构而设置的一门专业技术基础课。结构而设置

4、的一门专业技术基础课。 众所周知，材料的性能主要决定于其化学成分、矿物众所周知，材料的性能主要决定于其化学成分、矿物组成、宏观结构以及微观结构。其中物相组成，尤其是结组成、宏观结构以及微观结构。其中物相组成，尤其是结晶矿物相组成和微观结构特征是在化学成分确定后对物质晶矿物相组成和微观结构特征是在化学成分确定后对物质的性质起着关键性的作用。因为物相组成及显微结构是无的性质起着关键性的作用。因为物相组成及显微结构是无机材料生产过程和生产工艺条件的直接记录，每个生产环机材料生产过程和生产工艺条件的直接记录，每个生产环节发生的变化均在物相组成及显微结构上有所体现。而材节发生的变化均在物相组成及显微结构

5、上有所体现。而材料制品的物相组成和显微结构特征，又直接影响甚至决定料制品的物相组成和显微结构特征，又直接影响甚至决定着制品的性能、质量、应用性状和效果。改变无机材料的着制品的性能、质量、应用性状和效果。改变无机材料的化学组成、生产工艺过程和条件，就能获得具有不同物相化学组成、生产工艺过程和条件，就能获得具有不同物相组成和显微结构的制品，制品的技术性能，使用性能也就组成和显微结构的制品，制品的技术性能，使用性能也就不同。为了获得具有新技术需要的使用性能的新型材料，不同。为了获得具有新技术需要的使用性能的新型材料，可以通过物相组成和显微结构的设计，选用合适的原料及可以通过物相组成和显微结构的设计，

6、选用合适的原料及工艺配方，采用特定的生产过程及工艺条件，通过试验和工艺配方，采用特定的生产过程及工艺条件，通过试验和研究而获得需要的产品。研究而获得需要的产品。 而材料的物相组成和显微结构的获得必须通过一而材料的物相组成和显微结构的获得必须通过一定的测试方法和手段。所以，我们研究、研制新材料，定的测试方法和手段。所以，我们研究、研制新材料，要使材料产品的性能指标、产品质量达到我们的设计要使材料产品的性能指标、产品质量达到我们的设计目标、要求，对一些新研制材料的性能指标、安全性目标、要求，对一些新研制材料的性能指标、安全性等方面的检测，所有这些都与现代测试技术分不开。等方面的检测，所有这些都与现

7、代测试技术分不开。因此，每一个从事材料科学研究的科技工作者，每一因此，每一个从事材料科学研究的科技工作者，每一个材料的生产者都必须掌握和了解一定的材料测试方个材料的生产者都必须掌握和了解一定的材料测试方法方面的知识，这就是我们开设此课程的目的。而且法方面的知识，这就是我们开设此课程的目的。而且对现代材料测试方法的深入细致的研究，必将有助于对现代材料测试方法的深入细致的研究，必将有助于推动材料的进一步的发展。推动材料的进一步的发展。 第一章第一章 光学显微分析光学显微分析第二章第二章 X射线衍射技术射线衍射技术第三章第三章 电子显微分析电子显微分析第四章第四章 热分析热分析第五章第五章 红外光谱

8、分析红外光谱分析 1、杨南如，无机非金属材料测试方法，武汉工业大学出版社、杨南如，无机非金属材料测试方法，武汉工业大学出版社 1993 2、王成国等，材料分析测试方法，上海交通大学出版社、王成国等，材料分析测试方法，上海交通大学出版社 1994 3、物相分析，、物相分析， 武汉工业大学出版社，武汉工业大学出版社，1994 4、王英华，、王英华，X光衍射技术基础，原子能出版社，光衍射技术基础，原子能出版社，1993 5邵国有，硅酸盐岩相学，武汉工业大学出版社，邵国有，硅酸盐岩相学，武汉工业大学出版社，1991 6. 常铁军常铁军 等，材料近代分析测试方法，哈尔滨工业大学出版等，材料近代分析测试方

9、法，哈尔滨工业大学出版社，社， 1999l晶体光学基础晶体光学基础l一、一、 光在晶体中的传播光在晶体中的传播l1.1 光的基本性质光的基本性质l光是具有一定波长的电磁波；具有光是具有一定波长的电磁波；具有波动性和微粒性；波动性和微粒性；l微粒性微粒性光是有无数作直线飞行光是有无数作直线飞行的微粒组成（基于光的直线传播）。的微粒组成（基于光的直线传播）。l波动性波动性光是球形波的形式传播光是球形波的形式传播的（反映了光运动形式）。的（反映了光运动形式）。l光电效应光电效应的发现，证明了光是一物的发现，证明了光是一物质（即光是由具有极小能量的粒质（即光是由具有极小能量的粒“光子光子”组成的）。而

10、波动是质的组成的）。而波动是质的运动形式。运动形式。l光的波动形式光的波动形式以正弦曲线运动，以正弦曲线运动，其传播方向与振动方向相互垂直。其传播方向与振动方向相互垂直。l1895年年11月月5日，德国物理学家伦琴在研究阴极射线时，发现了日，德国物理学家伦琴在研究阴极射线时，发现了X射线。射线。l1912年，德国物理学家劳厄等人发现了年，德国物理学家劳厄等人发现了X射线在胆矾晶体中的衍射线在胆矾晶体中的衍射现象，一方面确认了射现象，一方面确认了X射线是一种电磁波，另一方面又为射线是一种电磁波，另一方面又为X射射线研究晶体材料开辟了道路。线研究晶体材料开辟了道路。l同年，英国物理学家布拉格父子首

11、次利用同年，英国物理学家布拉格父子首次利用X射线衍射方法测定了射线衍射方法测定了NaCl晶体的结构，开创了晶体的结构，开创了X射线晶体结构分析的历史。射线晶体结构分析的历史。lX射线在近代科学和工艺上的应用主要有以下三个方面：射线在近代科学和工艺上的应用主要有以下三个方面：1.X射线射线透视技术。透视技术。2.X射线光谱技术。射线光谱技术。3.X射线衍射技术。射线衍射技术。l利用利用X射线通过晶体时会发生衍射效应这一特性来确定结晶物质射线通过晶体时会发生衍射效应这一特性来确定结晶物质的物相的方法，称为的物相的方法，称为X射线物相分析法。射线物相分析法。l目前，目前，X射线物相分析法作为鉴别物相

12、的一种有效的手段，已在射线物相分析法作为鉴别物相的一种有效的手段，已在地质、建材、土壤、冶金、石油、化工、高分子物质、药物、纺地质、建材、土壤、冶金、石油、化工、高分子物质、药物、纺织、食品等许多领域中得到了广泛的应用。织、食品等许多领域中得到了广泛的应用。Achievement of RINT Siriese020406080Iron CompanyMedicalAnalytical LaboratryConstructionMedicalChemistry丒Oil丒HighPolimerFood丒Fiber丒PaperElectronicsCeramics丒CementMachinary丒

13、AutomobleNon Ferrous MaterialsIron CompanylX射线的本质射线的本质lX射线从本质上说，和无线电波、可见光、射线从本质上说，和无线电波、可见光、 射线一样，射线一样，也是一种电磁波，其波长范围在也是一种电磁波，其波长范围在0.01100埃之间，介埃之间，介于紫外线和于紫外线和 射线之间，但没有明显的界限。射线之间，但没有明显的界限。 nm m mm cm m km波长（）波长（）射线射线可见光可见光微波微波无线电波无线电波UVIR射线射线lX射线产生的条件射线产生的条件l能够提供足够供衍射实验使用的能够提供足够供衍射实验使用的X射线，目前都是以射线，目前

14、都是以阴极射线（即高速度的电子流轰击金属靶）的方式获阴极射线（即高速度的电子流轰击金属靶）的方式获得的，所以要获得得的，所以要获得X射线必须具备如下条件：射线必须具备如下条件：l第一，产生自由电子的电子源，加热钨丝发射热电子。第一，产生自由电子的电子源，加热钨丝发射热电子。第二，设置自由电子撞击的靶子，如阳极靶，用以产第二，设置自由电子撞击的靶子，如阳极靶，用以产生生X射线。射线。l第三，施加在阴极和阳极间的高电压，用以加速自由第三，施加在阴极和阳极间的高电压，用以加速自由电子朝阳极靶方向加速运动，如高压发生器。电子朝阳极靶方向加速运动，如高压发生器。l第四，将阴阳极封闭于小于第四，将阴阳极封

15、闭于小于133.3 10-6Pa的高真空中，的高真空中，保持两极纯洁，促使加速电子无阻挡地撞击到阳极靶保持两极纯洁，促使加速电子无阻挡地撞击到阳极靶上。上。X射线管是产生射线管是产生X射线的源泉，高压发生器及其附射线的源泉，高压发生器及其附加设备给加设备给X射线管提供稳定的光源，并可根据需要灵射线管提供稳定的光源，并可根据需要灵活调整管压和管流。活调整管压和管流。lX射线管有多种不同的类型，目前小功率的都使用封射线管有多种不同的类型，目前小功率的都使用封闭式电子闭式电子X射线管，而大功率射线管，而大功率X射线机则使用旋转阳极射线机则使用旋转阳极靶的靶的X射线管。射线管。-lX射线谱指的是射线谱

16、指的是X射线强度射线强度I随随波长波长变化的关变化的关系曲线。系曲线。X射线射线的 强 度 大 小 决的 强 度 大 小 决定 于 单 位 时 间定 于 单 位 时 间内通过与内通过与X射线射线传 播 方 向 垂 直传 播 方 向 垂 直的 单 位 面 积 上的 单 位 面 积 上的光量子数的光量子数。l1. 连续连续X射线谱射线谱l连续连续X射线谱是由某一短波射线谱是由某一短波限开始的一系列连续波长组限开始的一系列连续波长组成。它具有如下的规律和特成。它具有如下的规律和特点：点：l（1）、当增加）、当增加X射线管压时，射线管压时，各波长射线的相对强度一致各波长射线的相对强度一致增高，最大强度

17、波长增高，最大强度波长m和短和短波限波限0变小。变小。l（2）、当管压保持不变，）、当管压保持不变，增加管流时，各种波长的增加管流时，各种波长的X射线相对强度一致增高，射线相对强度一致增高， 但但m和和0数值大小不变。数值大小不变。l（3）、当改变阳极靶元素）、当改变阳极靶元素时，各种波长的相对强度随时，各种波长的相对强度随元素的原子序数的增加而增元素的原子序数的增加而增加。加。l2. 特征特征X射线谱射线谱l特征特征X射线具有特定的波射线具有特定的波长，且波长取决于阳极靶长，且波长取决于阳极靶元素的原子序数，只有当元素的原子序数，只有当管压超过某一特定值时才管压超过某一特定值时才能产生特征能

18、产生特征X射线。特征射线。特征X射线谱是叠加在连续射线谱是叠加在连续X射射线谱上的。线谱上的。l特征特征X射线的产生可以从射线的产生可以从原子结构的观点得到解释。原子结构的观点得到解释。l特征特征X射线的相对强度是射线的相对强度是由各能级间的跃迁几率决由各能级间的跃迁几率决定的，另外还与跃迁前原定的，另外还与跃迁前原来壳层上的电子数多少有来壳层上的电子数多少有关。关。l特征特征X射线的绝对强度随射线的绝对强度随X射线管电压、管电流的增射线管电压、管电流的增大而增大。大而增大。l特征特征X射线产生的根本原射线产生的根本原因是原子内层电子的跃迁因是原子内层电子的跃迁l当当X射线照射到物体上时，一部

19、分光子由于和原子碰撞而改变了前进的方向，造射线照射到物体上时，一部分光子由于和原子碰撞而改变了前进的方向，造成散射线，另一部分光子可能被原子吸收，产生光电效应，再有部分光子的能成散射线，另一部分光子可能被原子吸收，产生光电效应，再有部分光子的能量可能在与原子碰撞过程中传递给了原子，成为热振动能量。量可能在与原子碰撞过程中传递给了原子，成为热振动能量。l1. 相干散射相干散射l2. 非相干散射非相干散射l3. 二次特征辐射（荧光辐射）二次特征辐射（荧光辐射）l4. X射线的衰减射线的衰减l当当X射线穿过物质时，由于受到散射，光电效应等的影响，强度会减弱，这种现射线穿过物质时，由于受到散射，光电效

20、应等的影响，强度会减弱，这种现象称为象称为X射线的衰减。射线的衰减。l当当X射线穿过物体时，其强度是按指数规律下降的。若以射线穿过物体时，其强度是按指数规律下降的。若以I0表示入射到物体上的表示入射到物体上的入射线束的原始强度，而以入射线束的原始强度，而以I表示穿过厚度为表示穿过厚度为x的匀质物体后的强度，则有：的匀质物体后的强度，则有：lI=I0e-lxl式中式中l称之为线吸收系数，它相应于单位厚度的该种物体对称之为线吸收系数，它相应于单位厚度的该种物体对X射线的吸收，对于射线的吸收，对于一定波长的一定波长的X射线和一定的吸收体而言为常数。但它与吸收体的原子序数射线和一定的吸收体而言为常数。

21、但它与吸收体的原子序数Z、吸、吸收体的密度及收体的密度及X射线波长射线波长有关，实验证明，有关，实验证明，l与吸收体的密度与吸收体的密度成正比，即：成正比，即：ll=ml这里这里m称为质量吸收系数，它只与吸收体的原子序数称为质量吸收系数，它只与吸收体的原子序数Z以及以及X射线波长有关，而射线波长有关，而与吸收体的密度无关，所以有：与吸收体的密度无关，所以有：lI=I0e-mx吸收限的存在实际上吸收限的存在实际上与光电效应有关。与光电效应有关。利用吸收限两边吸收利用吸收限两边吸收系数相差十分悬殊的特系数相差十分悬殊的特点，可制作滤波片。点，可制作滤波片。如果选用适当的材料，如果选用适当的材料，使

22、其使其K 吸收限波长吸收限波长k正好位于所用的正好位于所用的K与与K线的波长之间，则线的波长之间，则当将此材料制成薄片放当将此材料制成薄片放入原入原X射线束中时，它射线束中时，它对对K线及连续谱这些线及连续谱这些不利成分的吸收将很大，不利成分的吸收将很大，从而将它们大部分去掉，从而将它们大部分去掉，而对而对K线的吸收却很线的吸收却很小，最后得到的就基本小，最后得到的就基本上是单色光了上是单色光了。What dose X-ray do whenbeamed at materialsa am mo or rp ph ho ou us sc cr ry ys st ta al lI In nc ci

23、 id de en nt tX X- -r ra ay yT Tr ra an ns sm mi is ss si io on n X X- -r ra ay yF Fl lu uo or re es sc ce en nt t - -r ra ay yD Di if ff fr ra ac ct te ed d X X- -r ra ay yHeatP Ph ho ot to o e el le ec ct tr ro on nM Me ed di ic ca al l/ /N ND DI IE ES SC CA A/ /A AX XI IS Sl1. 探测探测l荧光屏法荧光屏法l照相法照相

24、法l电离法电离法l2. 防护防护l如果让一束连续如果让一束连续X射线照射到一薄片晶体上，而在晶体后面放一黑射线照射到一薄片晶体上，而在晶体后面放一黑纸包着的照相底片来探测纸包着的照相底片来探测X射线，则将底片显影定影以后，我们可射线，则将底片显影定影以后，我们可看到除了连续的背景和透射光束造成的斑点外，还可以发现有许多看到除了连续的背景和透射光束造成的斑点外，还可以发现有许多其它斑点存在。其它斑点存在。l本节的主要内容是由波的干涉加强的条件出发，推导出衍射线的方本节的主要内容是由波的干涉加强的条件出发，推导出衍射线的方向与点阵参数、点阵相对于入射线的方位及向与点阵参数、点阵相对于入射线的方位及

25、X射线波长之间的关系，射线波长之间的关系，这种关系具体表现为劳厄方程式和布拉格方程式。这种关系具体表现为劳厄方程式和布拉格方程式。 l一、一、 劳厄方程式劳厄方程式l为了求出为了求出X X射线在晶体中的衍射方向，我们先求出一条行列对射线在晶体中的衍射方向，我们先求出一条行列对X X射射线的衍射所遵循的方程式，设有一条行列线的衍射所遵循的方程式，设有一条行列I-II-I：l图中之点皆代表晶体结构中相当的质点的中心，其结点间距为图中之点皆代表晶体结构中相当的质点的中心，其结点间距为a a，入射入射X X射线射线S S0 0与此行列的交角为与此行列的交角为 0 0，波长为，波长为 ，假定在，假定在S

26、 S1 1方向有衍方向有衍射线，它与行列的交角为射线，它与行列的交角为 h h。l由相邻原子所射出的次生由相邻原子所射出的次生X X射线在射线在S1S1方向上有一段行程差（方向上有一段行程差（ ），），这段行程差可以这样求出：由这段行程差可以这样求出：由A A、B B引引ACAC、BDBD两线分别垂直于两线分别垂直于BCBC、ADAD，则：，则：l =AD-CB=ABcos=AD-CB=ABcos h h-ABcos-ABcos 0 0=a(cos=a(cos h h-cos-cos 0 0) )l由以前可知：只有当行程差等于波长的整数倍时相邻原子所发射由以前可知：只有当行程差等于波长的整数倍

27、时相邻原子所发射出的次生出的次生X X射线才因干涉而加强，从而产生衍射线，也就是说衍射线才因干涉而加强，从而产生衍射线，也就是说衍射线的方向应符合以下方程式：射线的方向应符合以下方程式：l =a(cos=a(cos h h-cos-cos 0 0)=h )=h lb(cosb(cos k k-cos-cos 0 0)=k)=k lc(cosc(cos l l-cos-cos 0 0)=l)=l l应用劳厄方程虽可以决定衍射线方向，但计算麻烦，很不方便，应用劳厄方程虽可以决定衍射线方向，但计算麻烦，很不方便，1912年英国物理年英国物理学家布拉格父子导出了一个决定衍射线方向的形式简单、使用方便的

28、公式，常称学家布拉格父子导出了一个决定衍射线方向的形式简单、使用方便的公式，常称为布拉格公式。为布拉格公式。l晶体是由许多平行等距的原子面层层叠合而成的。例如：可以认为晶体是由晶面晶体是由许多平行等距的原子面层层叠合而成的。例如：可以认为晶体是由晶面指数（指数（hkl)的晶面堆垛而成的，晶面之间的距离为的晶面堆垛而成的，晶面之间的距离为dhkl（简写为（简写为d)，如图，其中，如图，其中1、2、3代表第代表第1、2、3个原子面（晶面）。个原子面（晶面）。l晶面晶面1 上的情况：上的情况：l =PAP-QBQ=ABcos -ABcos =0l可见原子可见原子A和原子不但散射波在和原子不但散射波在

29、反反l射射方向是同位相的方向是同位相的l由于由于X射线具有相当强的穿透能力，射线具有相当强的穿透能力，l它可以穿透上万个原子面，因此，它可以穿透上万个原子面，因此，l我们必须各个平行的原子面间的我们必须各个平行的原子面间的l反射反射波的相互干涉问题：波的相互干涉问题：l =QAQ-PAP=SA+ATl因为因为 SA=AT=dsin l所以所以 =2dsin l2dsin =n l 为布拉格角为布拉格角,n 为衍射级数。为衍射级数。l当当X射线的波长和衍射面选定以后，可能有的衍射级数射线的波长和衍射面选定以后，可能有的衍射级数n也就确定了，它不是无限也就确定了，它不是无限的。对于一定波长的的。对

30、于一定波长的X射线而言晶体中能产生衍射的晶面数是有限的。射线而言晶体中能产生衍射的晶面数是有限的。l1、衍射束强度的表达式、衍射束强度的表达式l2、结构因子、多重性因子、角因子、吸收因子、温度、结构因子、多重性因子、角因子、吸收因子、温度 因子的定义及物理意义各是怎样的？因子的定义及物理意义各是怎样的？l3、几种基本点阵的系统消光规律怎样？、几种基本点阵的系统消光规律怎样？l根据布拉格方程，我们知道，并不是在任何情况下，晶体根据布拉格方程，我们知道，并不是在任何情况下，晶体都能产生衍射的，产生衍射的必要条件是入射都能产生衍射的，产生衍射的必要条件是入射X射线的波射线的波长和它的反射面的布拉格方

31、程的要求。长和它的反射面的布拉格方程的要求。l当采用一定波长的单色当采用一定波长的单色X射线来照射固定的单晶体时，则射线来照射固定的单晶体时，则 、 和和d值都定下来了。一般来说，它们的数值未必能满值都定下来了。一般来说，它们的数值未必能满足布拉格方程式，也即不能产生衍射现象，因此要观察到足布拉格方程式，也即不能产生衍射现象，因此要观察到衍射现象，必须设法连续改变衍射现象，必须设法连续改变 或或 ，以使有满足布拉格反，以使有满足布拉格反射条件的机会，据此可有几种不同的衍射方法。最基本的射条件的机会，据此可有几种不同的衍射方法。最基本的衍射方法列表如下：衍射方法列表如下：衍射方法衍射方法 实验条

32、件实验条件劳厄法劳厄法变变不变不变连续连续X射线照射固定的单晶体射线照射固定的单晶体转动晶体法转动晶体法不变不变部分变化部分变化单色单色X射线照射转动的单晶体射线照射转动的单晶体粉晶法照相法粉晶法照相法不变不变变变单色单色X射线照射粉晶或多晶试样射线照射粉晶或多晶试样衍射仪法衍射仪法不变不变变变单色单色X射线照射多晶体或转动的射线照射多晶体或转动的多晶体多晶体l劳厄法是用连续的劳厄法是用连续的X射线投射到不射线投射到不动的单晶体上产生衍射的一种实验动的单晶体上产生衍射的一种实验方法。所使用的试样可以是独立的方法。所使用的试样可以是独立的单晶体，也可以是多晶体中的粗大单晶体，也可以是多晶体中的粗

33、大晶粒。晶粒。l劳厄法是应用最早的衍射方法，其劳厄法是应用最早的衍射方法，其实验装置比较简单，通常包括光阑、实验装置比较简单，通常包括光阑、试样架和平板照相底片匣。由于晶试样架和平板照相底片匣。由于晶体不动，入射线和晶体作用后产生体不动，入射线和晶体作用后产生的衍射线束表示了各晶面的方位，的衍射线束表示了各晶面的方位，所以此方法能够反映出晶体的取向所以此方法能够反映出晶体的取向和对称性。和对称性。l转晶法是用单色转晶法是用单色X射线照射到转动射线照射到转动的单晶体上。比较简单的转晶相机的单晶体上。比较简单的转晶相机可以可以360度旋转，转轴上装有一个可度旋转，转轴上装有一个可绕三支轴旋转和沿三

34、个方向平移的绕三支轴旋转和沿三个方向平移的测角头，圆桶形暗盒环绕相机的转测角头，圆桶形暗盒环绕相机的转轴，以便记录足够的衍射斑点。由轴，以便记录足够的衍射斑点。由于这种衍射花样适宜于准确测定晶于这种衍射花样适宜于准确测定晶体的衍射方向和强度，因而适用于体的衍射方向和强度，因而适用于未知晶体的结构分析。未知晶体的结构分析。l 粉晶法采用单色（特征）粉晶法采用单色（特征）X射线作辐射源，被分析试样多数情况为很射线作辐射源，被分析试样多数情况为很细（细（10-310-5 cm)的粉末多晶体，故亦称为粉末法。根据需要也可以采用的粉末多晶体，故亦称为粉末法。根据需要也可以采用多晶体的块、片、丝等作试样。

35、衍射花样如用照相底片来记录，则称为粉多晶体的块、片、丝等作试样。衍射花样如用照相底片来记录，则称为粉晶照相法；衍射花样如用辐射探测器接收后，再经测量电路系统放大处理晶照相法；衍射花样如用辐射探测器接收后，再经测量电路系统放大处理并记录和显示，这种方法称为衍射仪法。由于电子计算机和工业电视等先并记录和显示，这种方法称为衍射仪法。由于电子计算机和工业电视等先进技术与进技术与X射线衍射技术结合，使射线衍射技术结合，使X射线衍射仪具有高稳定、高分辨率、多射线衍射仪具有高稳定、高分辨率、多功能和全自动等性能，可以自动地给出大多数衍射实验工作结果，应用十功能和全自动等性能，可以自动地给出大多数衍射实验工作

36、结果，应用十分普遍。本章主要介绍的就是这种方法，相比之下，粉晶照相法应用逐渐分普遍。本章主要介绍的就是这种方法，相比之下，粉晶照相法应用逐渐减少。下面对粉晶照相法作简单介绍。减少。下面对粉晶照相法作简单介绍。l一、衍射原理一、衍射原理l 粉末试样或多晶体试样从粉末试样或多晶体试样从X射线衍射的观点来看，实际上相当于一个射线衍射的观点来看，实际上相当于一个单晶体绕空间各个方向作任意旋转的情况。因此，当一束单色单晶体绕空间各个方向作任意旋转的情况。因此，当一束单色X射线照射射线照射到试样上时，对每一族晶面（到试样上时，对每一族晶面（hkl)而言，总有某些小晶体，其（而言，总有某些小晶体，其（hkl

37、)晶面族晶面族与入射线的方位角与入射线的方位角 正好满足布拉格条件，而能产生反射，由于试样中小晶正好满足布拉格条件，而能产生反射，由于试样中小晶粒的数目很多，满足布拉格晶面族（粒的数目很多，满足布拉格晶面族（hkl)也很多，它们与入射线的方位角也很多，它们与入射线的方位角都是都是 ，从而可以想象成为是由其中的一个晶面以入射线为轴，以衍射角，从而可以想象成为是由其中的一个晶面以入射线为轴，以衍射角2 为半顶角的圆锥面上，不同晶面族的衍射角不同，衍射线所在的圆锥的半为半顶角的圆锥面上，不同晶面族的衍射角不同，衍射线所在的圆锥的半顶角也就不同，各个不同晶面族的衍射线将共同构成一系列以入射线为轴顶角也

38、就不同，各个不同晶面族的衍射线将共同构成一系列以入射线为轴的同顶点的圆锥。正因为粉末法中衍射线分布在一系列圆锥面上，因此，的同顶点的圆锥。正因为粉末法中衍射线分布在一系列圆锥面上，因此，当用垂直于入射线的平板底片来记录时，得到的衍射图为一系列同心圆，当用垂直于入射线的平板底片来记录时，得到的衍射图为一系列同心圆，而若用围绕试样的圆桶形底片来记录时，得到的衍射图将是一系列弧线段。而若用围绕试样的圆桶形底片来记录时，得到的衍射图将是一系列弧线段。l二、德拜照相机二、德拜照相机l德拜照相机的组成部分包括圆筒外壳、试样架、前后光阑等，其直径一般德拜照相机的组成部分包括圆筒外壳、试样架、前后光阑等，其直

39、径一般有有57.3mm57.3mm和和114.6mm114.6mm。照相底片紧贴在圆筒外壳的内壁，并用压紧装置使底。照相底片紧贴在圆筒外壳的内壁，并用压紧装置使底片固定不动。底片的安装方式，按圆筒底片开口处所在的位置不同，可分片固定不动。底片的安装方式，按圆筒底片开口处所在的位置不同，可分为正装法、反装法和不对称法，其中不对称法可以直接测算出圆筒底片的为正装法、反装法和不对称法，其中不对称法可以直接测算出圆筒底片的曲率半径，因此可以校正由于底片收缩、试样偏心以及相机半径不准确所曲率半径，因此可以校正由于底片收缩、试样偏心以及相机半径不准确所产生的误差，所以该方法使用较多。产生的误差，所以该方法

40、使用较多。l三、衍射花样的测量和计算三、衍射花样的测量和计算l对于低角度区：对于低角度区： 4 4 1 1/360/360o o=S=S1 1/2T /2T l 亦即亦即 1 1= 90= 90o oS S1 1/2T/2Tl S=2b-(a+b)=b-a S=2b-(a+b)=b-al对于高角度区：对于高角度区： l（360360o o-4 -4 2 2)/360)/360o o=S=S2 2/2T /2T l亦即亦即 2 2=90=90o o-90-90o oS S2 2/2T/2Tl S=(a+b)-2b=a-b S=(a+b)-2b=a-bl这样就可以求得这样就可以求得 ，l根据布拉格

41、方程式计算出相应的面网间距值根据布拉格方程式计算出相应的面网间距值d d。lX X射线衍射仪是用射线探测器和测角仪探测衍射线的强度和位置，并将它转化射线衍射仪是用射线探测器和测角仪探测衍射线的强度和位置，并将它转化为电信号，然后借助于计算技术对数据进行自动记录、处理和分析的仪器。为电信号，然后借助于计算技术对数据进行自动记录、处理和分析的仪器。技术上的进步，使衍射仪测量精度愈来愈高，数据分析和处理能力愈来愈强，技术上的进步，使衍射仪测量精度愈来愈高，数据分析和处理能力愈来愈强，因而应用也愈来愈广。因而应用也愈来愈广。l衍射仪按其结构和用途，主要可分为测定粉末试样的粉末衍射仪和测定单晶衍射仪按其

42、结构和用途，主要可分为测定粉末试样的粉末衍射仪和测定单晶结构的四圆衍射仪，此外还有微区衍射仪和双晶衍射仪等特种衍射仪。尽管结构的四圆衍射仪，此外还有微区衍射仪和双晶衍射仪等特种衍射仪。尽管各种类型的各种类型的X X射线衍射仪各有特点，但从应用的角度出发，射线衍射仪各有特点，但从应用的角度出发，X X射线衍射仪的一射线衍射仪的一般结构、原理、调试方法、仪器实验参数的选择以及实验和测量方法等大体般结构、原理、调试方法、仪器实验参数的选择以及实验和测量方法等大体上相似的。虽然由于具体仪器不同，很难提出一套完整的关于调试、参数选上相似的。虽然由于具体仪器不同，很难提出一套完整的关于调试、参数选择，以及

43、实验和测量方法的标准格式，但是根据仪器的结构原理等可以寻找择，以及实验和测量方法的标准格式，但是根据仪器的结构原理等可以寻找出对所有衍射仪均适用的基本原则，掌握好它有利于充分发挥仪器的性能，出对所有衍射仪均适用的基本原则，掌握好它有利于充分发挥仪器的性能，提高分析可靠性。提高分析可靠性。lX X射线衍射实验分析方法很多，它们都建立在如何测得真实的衍射花样信息的射线衍射实验分析方法很多，它们都建立在如何测得真实的衍射花样信息的基础上。尽管衍射花样可以千变万化，但是它们的基本要素只有三个：衍射基础上。尽管衍射花样可以千变万化，但是它们的基本要素只有三个：衍射线的峰位、线形和强度。实验者的职责在于准

44、确无误地测量衍射花样三要素，线的峰位、线形和强度。实验者的职责在于准确无误地测量衍射花样三要素，这就要求实验者掌握衍射仪的一般结构和原理，掌握对仪器调整和选择好实这就要求实验者掌握衍射仪的一般结构和原理，掌握对仪器调整和选择好实验参数的技能以及实验和测量方法。验参数的技能以及实验和测量方法。l原则上讲，衍射仪可以根据任何一种照相机的结构来设计，常用的粉末衍射原则上讲，衍射仪可以根据任何一种照相机的结构来设计，常用的粉末衍射仪的结构是与德拜相机类似的只是用一个绕轴转动的探测器代替了照相底片。仪的结构是与德拜相机类似的只是用一个绕轴转动的探测器代替了照相底片。l仪器结构主要包括四个部分：仪器结构主

45、要包括四个部分：1.X1.X射线发生系统，用来产生稳定的射线发生系统，用来产生稳定的X X射线光源。射线光源。2.2.测角仪，用来测量衍射花样三要素。测角仪，用来测量衍射花样三要素。3.3.探测与记录系统，用来接收记录衍探测与记录系统，用来接收记录衍射花样。射花样。4.4.控制系统用来控制仪器运转、收集和打印结果。控制系统用来控制仪器运转、收集和打印结果。l1、对光源的要求、对光源的要求l简单地说，对光源的基本要求是稳定，简单地说，对光源的基本要求是稳定，强度大，光谱纯洁。强度大，光谱纯洁。l用衍射仪测量衍射花样是用衍射仪测量衍射花样是“非同时测量非同时测量的的”，为了使测量的各衍射线可以相互

46、，为了使测量的各衍射线可以相互比较，要求在进行测量期间光源和各部比较，要求在进行测量期间光源和各部件性能是稳定的。件性能是稳定的。l提高光源强度可以提高检测灵敏度、衍提高光源强度可以提高检测灵敏度、衍射强度测量的精确度和实现快速测量。射强度测量的精确度和实现快速测量。l管子的光谱纯洁对衍射分析很重要，光管子的光谱纯洁对衍射分析很重要，光谱不纯，轻则增加背底，重则，则增添谱不纯，轻则增加背底，重则，则增添伪衍射峰，从而增加分析困难。伪衍射峰，从而增加分析困难。l2、光源单色化的方法、光源单色化的方法l衍射分析中需要单色辐射以提高衍射花衍射分析中需要单色辐射以提高衍射花样的质量。通常采用过滤片法、

47、弯曲晶样的质量。通常采用过滤片法、弯曲晶体单色器、脉冲高度分析器等方法，过体单色器、脉冲高度分析器等方法，过滤滤K 射线，降低连续谱线强度。射线，降低连续谱线强度。l（1）、过滤片法）、过滤片法l（2）、弯曲晶体单色器）、弯曲晶体单色器l（3）、脉冲高度分析器）、脉冲高度分析器l测角仪是衍射仪的关键部件，它的调整与使用正确与否，将直接影响到探测测角仪是衍射仪的关键部件，它的调整与使用正确与否，将直接影响到探测到的衍射花样的质量。就是说，倘若对测角仪调整准确和使用得当，所探测到的衍射花样的质量。就是说，倘若对测角仪调整准确和使用得当，所探测到的衍射花样即衍射线的峰位、线形和强度是真实的，否则将引

48、起失真，为到的衍射花样即衍射线的峰位、线形和强度是真实的，否则将引起失真，为了正确调整和使用，必须对测角仪有关问题作必要的叙述。了正确调整和使用，必须对测角仪有关问题作必要的叙述。l1 1、测角仪的结构和原理、测角仪的结构和原理l工作原理：工作原理：l（1 1）、光源到试样中心的距离等于样品中心到记录点的距离，即等于测角）、光源到试样中心的距离等于样品中心到记录点的距离，即等于测角仪半径。仪半径。l（2 2）、光束中心和试样表面形成的角度恰好等于衍射角）、光束中心和试样表面形成的角度恰好等于衍射角2 2 的一半。的一半。l这就要求计数管窗口前的接收狭缝位于距试样中心为测角仪半径这就要求计数管窗

49、口前的接收狭缝位于距试样中心为测角仪半径R R的圆周上，的圆周上，要求计数管和试样绕测角仪轴的转动速率比值恰好是要求计数管和试样绕测角仪轴的转动速率比值恰好是1 1：2 2。l通过光源中心、试样中心和探测点的聚焦圆，其半径通过光源中心、试样中心和探测点的聚焦圆，其半径l l随入射角随入射角 的增减而改的增减而改变。变。l2 2、衍射仪光束的几何光学、衍射仪光束的几何光学l发散狭缝的作用是增强衍射强度。防散射狭缝的作用是限制不必要的射线进发散狭缝的作用是增强衍射强度。防散射狭缝的作用是限制不必要的射线进入射线管。接收狭缝的作用是限制衍射光束的水平发散度。索拉狭缝的作用入射线管。接收狭缝的作用是限

50、制衍射光束的水平发散度。索拉狭缝的作用是限制入射光和衍射光的垂直发散度。是限制入射光和衍射光的垂直发散度。l3 3、探测器的扫描方式、探测器的扫描方式l连续扫描：步进扫描；连续扫描：步进扫描； 跳跃步进扫描跳跃步进扫描l4 4、测角仪的调整与检验、测角仪的调整与检验l测角仪的调整是使用衍射仪的重要环节，是衍射仪能否正确工作的关键。调测角仪的调整是使用衍射仪的重要环节，是衍射仪能否正确工作的关键。调整准确，所测试样衍射花样才不失真，否则将导致衍射强度和分辨率下降，整准确，所测试样衍射花样才不失真，否则将导致衍射强度和分辨率下降，线形失真，峰位移动，峰背比减小。线形失真，峰位移动，峰背比减小。l（

51、1 1）、调整）、调整l调整的目的在于获得一个比较理想的工作条件，当选择多晶体硅粉作试样，调整的目的在于获得一个比较理想的工作条件，当选择多晶体硅粉作试样，装在调整好的测角仪试样台进行衍射测量时，应能达到：装在调整好的测角仪试样台进行衍射测量时，应能达到：1.1.衍射峰的位置有衍射峰的位置有准确的读数，角偏差小于准确的读数，角偏差小于0.010.01度。度。2.2.有最佳的分辨率。有最佳的分辨率。3.3.能获得最大衍射强能获得最大衍射强度。度。l（2 2）、调整完毕后必须满足的条件）、调整完毕后必须满足的条件l1.1.发散狭缝、接收狭缝、防散射狭缝的中心线与测角仪轴线均应位于同一平发散狭缝、接

52、收狭缝、防散射狭缝的中心线与测角仪轴线均应位于同一平面内，且互相平行，各狭缝的中心点连线面内，且互相平行，各狭缝的中心点连线CCCC与测角仪轴与测角仪轴OOOO 垂直，垂直，CCCC轴称轴称为测角仪水平线。为测角仪水平线。l2.X2.X射线管焦斑中心线与各狭缝中心线准确平行，测角仪的水平线射线管焦斑中心线与各狭缝中心线准确平行，测角仪的水平线CCCC通过焦通过焦斑的中心，并与靶面成斑的中心，并与靶面成 角，一般角，一般 =3=3o o66o o，以此来确定，以此来确定X X射线管和测角仪的射线管和测角仪的相对位置。相对位置。l3.3.试样台与测角仪的零点必须重合，试样装在试样台上时，试样表面精

53、确包试样台与测角仪的零点必须重合，试样装在试样台上时，试样表面精确包含含OOOO和和CCCC所确定的平面重合。所确定的平面重合。l4.X4.X射线管焦斑和接收狭缝到测角仪轴心的距离相等。射线管焦斑和接收狭缝到测角仪轴心的距离相等。lX射线衍射仪是用探测器、定标器、计数率仪及其相应的电子线路作为探测与射线衍射仪是用探测器、定标器、计数率仪及其相应的电子线路作为探测与记录系统来代替照相底片记录试样的衍射花样的。记录系统来代替照相底片记录试样的衍射花样的。l1、探测器、探测器l用于用于X射线衍射仪的探测器主要有盖革计数管、闪烁计数管、正比计数管和固射线衍射仪的探测器主要有盖革计数管、闪烁计数管、正比

54、计数管和固体探测器，其中闪烁计数管和正比计数管应用较为普遍。体探测器，其中闪烁计数管和正比计数管应用较为普遍。l（1）、盖革计数管和正比计数管）、盖革计数管和正比计数管l盖革计数管和正比计数管都属于充气计数管，它们是利用盖革计数管和正比计数管都属于充气计数管，它们是利用X射线能使气体电离射线能使气体电离的特性进行工作的。的特性进行工作的。l（2）、闪烁计数管）、闪烁计数管l是利用某些固体（磷光体）在是利用某些固体（磷光体）在X射线照射下会发出荧光的原理制成的。把这种射线照射下会发出荧光的原理制成的。把这种荧光耦合到具有光敏阴极的光电倍增管上，光敏阴极在荧光的作用下会产生荧光耦合到具有光敏阴极的

55、光电倍增管上，光敏阴极在荧光的作用下会产生光电子，经多级放大后就可得到毫伏级的电脉冲信号。光电子，经多级放大后就可得到毫伏级的电脉冲信号。l（3）、固体探测器）、固体探测器l2、脉冲高度分析器、脉冲高度分析器l它是一种特殊的电子电路，和滤波片配合使用可以扣除它是一种特殊的电子电路，和滤波片配合使用可以扣除K 附近以外连续光谱。附近以外连续光谱。l3、定标器、定标器l可对脉冲进行累计计数，用于强度的精确测量。有定时计数和定数计时两种可对脉冲进行累计计数，用于强度的精确测量。有定时计数和定数计时两种工作方式。工作方式。l4、计数率仪、计数率仪l它是能连续测量计数速率变化的仪器。它是能连续测量计数速

56、率变化的仪器。l控制系统是利用电子计算机控制控制系统是利用电子计算机控制X X射线衍射仪测量、记录、数据射线衍射仪测量、记录、数据处理和打印结果的装置。处理和打印结果的装置。l1 1、样品的制备方法、样品的制备方法l2 2、仪器实验工作参数的选择、仪器实验工作参数的选择l3 3、测量方法、测量方法l（1 1）、衍射线峰位的测量）、衍射线峰位的测量l 1. 1. 峰巅法；峰巅法；2.2.切线法；切线法；3.3.半高宽半高宽中点法；中点法；4.4.中线峰法；中线峰法；5.5.重心法；重心法；6.6.抛抛物线拟合法。物线拟合法。l（2 2）、衍射线强度的测量）、衍射线强度的测量l 1.1.求积法；求

57、积法；2.2.计数法。计数法。l（3 3）、衍射线线形的测量）、衍射线线形的测量l 1.1.半高宽法；半高宽法；2.2.积分宽度法；积分宽度法；3.3.方差方差宽度法宽度法10203040506070 Ti3Al TiAl CPS2 l一、粉晶一、粉晶X X射线定性分析射线定性分析lX X射线衍射线的位置决定于晶胞的形状和大小，也即决定于各晶面的面间射线衍射线的位置决定于晶胞的形状和大小，也即决定于各晶面的面间距，而衍射线的相对强度则决定于晶胞内原子的种类、数目及排列方式。距，而衍射线的相对强度则决定于晶胞内原子的种类、数目及排列方式。每种晶态物质都有其特有的成分和结构，不是前者有异，就是后者

58、有别，每种晶态物质都有其特有的成分和结构，不是前者有异，就是后者有别，因而也就有其独特的衍射花样。因而也就有其独特的衍射花样。l由于粉晶法在不同的实验条件下总能得到一系列基本不变的衍射数据，由于粉晶法在不同的实验条件下总能得到一系列基本不变的衍射数据，因此借以进行物相分析的衍射数据都取自粉晶法，其方法就是将所得到因此借以进行物相分析的衍射数据都取自粉晶法，其方法就是将所得到的衍射数据（或图谱）与标准物质的衍射数据或图谱进行比较，如果两的衍射数据（或图谱）与标准物质的衍射数据或图谱进行比较，如果两者能够吻合，这就表明样品与该标准物质是同一物相，从而便可作出鉴者能够吻合，这就表明样品与该标准物质是

59、同一物相，从而便可作出鉴定。定。l19381938年左右，哈那瓦特（年左右，哈那瓦特（Hanawalt)Hanawalt)等就开始收集和摄取各种已知衍射花等就开始收集和摄取各种已知衍射花样，将其衍射数据进行科学的整理和分类。样，将其衍射数据进行科学的整理和分类。19421942年，美国材料试验协会年，美国材料试验协会（ASTMASTM）整理出版了卡片）整理出版了卡片13001300张，称之为张，称之为ASTMASTM卡片。卡片。19691969年起，由美国年起，由美国材料试验协会和英国、法国、加拿大等国家的有关单位共同组成了名为材料试验协会和英国、法国、加拿大等国家的有关单位共同组成了名为“粉

60、末衍射标准联合委员会粉末衍射标准联合委员会”（JCPDSJCPDS）国际机构，专门负责收集、校订）国际机构，专门负责收集、校订各种物质的衍射数据，将它们进行统一的分类和编号，编制成卡片出版，各种物质的衍射数据，将它们进行统一的分类和编号，编制成卡片出版，这种卡片组被命名为粉末衍射卡组（这种卡片组被命名为粉末衍射卡组（PDFPDF）。）。l1 1、卡片、卡片l2 2、索引、索引l1).1).字顺索引；字顺索引；l2).2).哈那瓦特索引；参照最新版本进行排序；哈那瓦特索引；参照最新版本进行排序；l3).3).芬克索引；若从芬克索引；若从d d值值大小上说：大小上说： d1d1d2d2d3d3d4