本科：晶体X射线衍射实验报告(参考格式)

1、中 南 大 学X射线衍射实验报告学院材料院专业 材料班级1302姓 名胡平学号0603130219同组者本班同学实验日期2015年12月5日指导教师黄继武评分分评阅人评阅日期一、 实验目的1) 掌握X射线衍射仪的工作原理、操作方法；2) 掌握X射线衍射实验的样品制备方法；3) 学会X射线衍射实验方法、实验参数设置，独立完成一个衍射实验测试；4) 学会MDI Jade 6的基本操作方法；5) 学会物相定性分析的原理和利用Jade进行物相鉴定的方法；6) 学会物相定量分析的原理和利用Jade进行物相定量的方法。二、 实验原理1、X射线衍射仪工作原理1）、测角仪测角仪在工作时，X射线从射线管发出，经

2、一系列狭缝后，照射在样品上产生衍射。计数器围绕测角仪的轴在测角仪圆上运动，记录衍射线，其旋转的角度即2，可以从刻度盘上读出。为了能增大衍射强度，衍射仪法中采用的是平板式样品，以便使试样被X射线照射的面积较大。在理想的在理想情况下，X射线源、计数器和试样在一个聚焦圆上。且试样是弯曲的，曲率与聚焦圆相同。对于粉末多晶体试样，在任何方位上总会有一些（hkl）晶面满足布拉格方程产生反射，而且反射是向四面八方的，但是，那些平行于试样表面的晶面满足布拉格方程时，产生衍射，且满足入射角=反射角的条件。由平面几何可知，位于同一圆弧上的圆周角相等，所以，位于试样不同部位处平行于试样表面的（hkl）晶面，可以把各

3、自的反射线会聚到F点。这样便达到了聚焦的目的。 在测角仪的实际工作中，通常X射线源是固定不动的。计数器并不沿聚焦圆移动，而是沿测角仪圆移动逐个地对衍射线进行测量。因此聚焦圆的半径一直随着2角的变化而变化。在这种情况下，为了满足聚焦条件，即相对试样的表面，满足入射角=反射角的条件，必须使试样与计数器转动的角速度保持1:2的速度比。 不过，在实际工作中，这种聚焦不是十分精确的。因为，实际工作中所采用的样品不是弧形的而是平面的，并让其与聚焦圆相切，因此实际上只有一个点在聚焦圆上。这样，衍射线并非严格地聚集在F点上，而是有一定的发散。但这对于一般目的而言，尤其是2角不大的情况下（2角越小，聚焦圆的曲率

4、半径越大，越接近于平面），是可以满足要求的。 2）、X射线探测器 衍射仪的X射线探测器为计数管。它是根据X射线光子的计数来探测衍射线是存在与否以及它们的强度。它与检测记录装置一起代替了照相法中底片的作用。其主要作用是将X射线信号变成电信号。3）、X射线检测记录装置 这一装置的作用是把从计数管输送来的脉冲信号进行适当的处理，并将结果加以显示或记录。它由一系列集成电路或晶体管电路组成。2、 物相定性分析原理任何一种结晶物质（包括单质元素、固溶体和化合物）都具有特定的晶体结构。在一定波长的X射线照射下，每种晶体物质都给出自己特有的衍射花样，每一种晶体物质和它的衍射花样都是一一对应的，不可能有两种晶体

5、物质给出完全相同的衍射花样。如果在试样中存在两种以上不同结构的物质时，每种物质所特有的衍射花样不变，多相试样的衍射花样只是它所含物质的衍射花样机械叠加而成。在进行定性相分析时，为了便于对比和储存，通常用晶面间距和衍射线相对强度的数据组代表衍射花样，将试样的d-I数据组与已知结构物质的标准d-I数据组进行对比，从而鉴定出试样中存在的物相。3、 物相定量分析原理 一般定量相分析采用K值法，K值法基本原理如下： 设待测试样中含有几个相，要测j相的含量，含量为Wj，掺入的内标物质为S，加入量为Ws，复合样中， 则根据X射线衍射强度公式有： 则：参比强度值只与两相的密度和衍射角有关，与相的含量无关， 是

6、一个常数，要求 得先求 参比强度值。具体步骤：1）测定值。制备WjWs=11的两相混合样。（Ij、Is各选一个或2个合适的衍射峰）2）制备待测相的复合样：掺入与相同的内标物质，含量可不同。3）测量复合样。精确测量Ij、Is，所选峰及条件与同。4）通过求待测相含量。求得。三、 仪器与材料1) 仪器：18KW转靶X射线衍射仪2) 数据处理软件：数据采集与处理终端与数据分析软件MDI Jade 63) 实验材料：进行多晶X射线衍射实验可用块体或粉末试样的粒度：一般要求用过325目筛子的粉末（约40m），要测量到良好的衍射线，晶粒大小应为0.110m。试样晶粒过大，实际参加衍射的晶粒数目过少，使衍射强

7、度降低。试样晶粒太小（ <0.1m ），会导致衍射线的宽化。试样的大小、厚度与表面质量：试样的表面积大于X射线的照射区。试样的厚度通常为1.52 mm，以获得最大的接收强度和较好的强度测量重现性。试样表面的平整状况影响所测衍射线的位臵、形状与强度。由于X光入射线仅能穿透试样的表面层（如用CuK照W试样，1.5m厚的表面所贡献的衍射强度约为总强度85%），因此要特别注意试样的表面质量，必要时可用化学试剂蚀刻试样表面。制样方法：粉末样品制备的最常用的方法是研磨后过筛，把制样框反放在玻璃平面上，将粉末洒入制样框的窗口中，再将样品压紧，小心地把制样框从玻璃平面上拿起；块体样品制备一般是先将块体磨

8、出一光滑平面，再用橡皮泥将试样块粘在试样框中，光滑面朝上。四、 实验步骤1 测量数据1) 准备样品；2) 打开X射线衍射仪；3) 按下“Door”按钮，听到报警；4) 向右拉开“常规衍射仪门”，装好样品；5) 向左轻拉“常规衍射仪门”，使之合上；6) 打开“控制测量”程序，输入实验条件和样品名，开始测量；表1 实验参数设定：仪器扫描范围扫描度电压电流D/max 2500型X射线衍射仪10-808°/min 40KV250mA7) 按相同的实验条件测量其它样品的衍射数据。2 物相鉴定1) 打开Jade，读入衍射数据文件；2) 鼠标右键点击S/M工具按钮，进入“Search/Match”

9、对话界面;3) 选择“Chemistry filter”，进入元素限定对话框，选中样品中的元素名称，然后点击OK返回对话框，再点击OK；4) 从物相匹配表中选中样品中存在的物相。在所选定的物相名称上双击鼠标，显示PDF卡片，按下Save按钮，保存PDF卡片数据；5) 在主要相鉴定完成后，对剩余未鉴定的衍射峰涂峰，做“Search/Match”，直至全部物相鉴定出来。6) 鼠标右键点击“打印机”图标，显示打印结果，按下“Save”按钮，输出物相鉴定结果。7) 以同样的方法标定其它样品的物相,物相鉴定实验完成。3 物相定量分析1) 在Jade窗口中，打开一个多相样品的衍射谱；2) 完成多相样品的物

10、相鉴定，物相鉴定时，选择有RIR值的PDF卡片；3) 选择每个物相的主要未重叠的衍射峰进行拟合，求出衍射峰面积；4) 选择菜单“Options|Easy Quantitative”，按绝热法计算样品中两相的重量百分数；5) 按下“Save”按钮，保存定量分析结果，定量分析数据处理完成。五 实验数据处理1 物相鉴定结果1） 物相鉴定结果：由下图可知，该物质中的物相有和。PDF#89-4837: QM=Calculated; d=Calculated; I=(Unknown)Hausmannite, synMn3O4Radiation=CuKa1Lambda=1.5406Filter=Calibr

11、ation=2T=18.011-89.558I/Ic(RIR)=2.69Ref: Level-1 PDFTetragonal, I41/amd(141)Z=4mp=CELL: 5.763 x 5.763 x 9.456 <90.0 x 90.0 x 90.0>P.S=Density(c)=4.838Density(m)=Mwt=Vol=314.0Ref: Ibid.Strong Lines: 2.49/X 2.77/8 1.54/5 3.09/4 4.92/3 1.58/2 1.80/2 2.04/22-Theta d(?) I(f) ( h k l) Theta 1/(2d) 2

12、pi/d n2 18.011 4.9211 25.1 ( 1 0 1) 9.005 0.1016 1.2768 28.901 3.0868 38.0 ( 1 1 2) 14.451 0.1620 2.0355 31.010 2.8815 15.7 ( 2 0 0) 15.505 0.1735 2.1805 32.346 2.7654 75.7 ( 1 0 3) 16.173 0.1808 2.2721 36.091 2.4866 100.0 ( 2 1 1) 18.046 0.2011 2.5268 36.487 2.4605 14.1 ( 2 0 2) 18.243 0.2032 2.553

13、6 38.033 2.3640 18.1 ( 0 0 4) 19.016 0.2115 2.6579 44.425 2.0375 19.8 ( 2 2 0) 22.213 0.2454 3.0837 45.419 1.9952 0.3 ( 2 1 3) 22.710 0.2506 3.1491 48.305 1.8826 0.1 ( 3 0 1) 24.153 0.2656 3.3376 49.854 1.8276 5.6 ( 2 0 4) 24.927 0.2736 3.4379 50.766 1.7969 20.3 ( 1 0 5) 25.383 0.2783 3.4966 53.870

14、1.7005 8.5 ( 3 1 2) 26.935 0.2940 3.6950 56.014 1.6404 7.5 ( 3 0 3) 28.007 0.3048 3.8304 58.517 1.5760 24.0 ( 3 2 1) 29.259 0.3173 3.9868 59.880 1.5434 45.2 ( 2 2 4) 29.940 0.3240 4.0711 60.688 1.5247 0.8 ( 2 1 5) 30.344 0.3279 4.1208 63.207 1.4699 2.1 ( 1 1 6) 31.603 0.3402 4.2746 64.639 1.4408 16.

15、0 ( 4 0 0) 32.319 0.3470 4.3611 65.413 1.4255 0.8 ( 3 2 3) 32.707 0.3507 4.4076 67.709 1.3827 2.6 ( 4 1 1) 33.854 0.3616 4.5441 67.961 1.3782 1.4 ( 4 0 2) 33.981 0.3628 4.5590 69.718 1.3477 4.0 ( 3 0 5) 34.859 0.3710 4.6622 71.701 1.3152 0.1 ( 1 0 7) 35.850 0.3802 4.7773 72.315 1.3055 1.2 ( 3 3 2) 3

16、6.158 0.3830 4.8127 73.417 1.2887 1.1 ( 4 2 0) 36.708 0.3880 4.8758 74.148 1.2777 6.9 ( 4 1 3) 37.074 0.3913 4.9174 76.567 1.2433 2.9 ( 4 2 2) 38.283 0.4022 5.0537 77.527 1.2303 3.4 ( 4 0 4) 38.763 0.4064 5.1072 78.245 1.2208 0.7 ( 3 2 5) 39.122 0.4096 5.1469 80.151 1.1965 3.9 ( 2 1 7) 40.075 0.4179

17、 5.2514 80.506 1.1921 2.1 ( 3 1 6) 40.253 0.4194 5.2708 81.336 1.1820 3.1 ( 0 0 8) 40.668 0.4230 5.3157 84.636 1.1441 0.3 ( 5 0 1) 42.318 0.4370 5.4917 85.810 1.1315 1.5 ( 4 2 4) 42.905 0.4419 5.5532 86.514 1.1241 4.5 ( 4 1 5) 43.257 0.4448 5.5898 88.387 1.1050 0.1 ( 3 0 7) 44.194 0.4525 5.6861 88.9

18、72 1.0992 1.2 ( 5 1 2) 44.486 0.4549 5.7159 89.558 1.0936 0.6 ( 2 0 8) 44.779 0.4572 5.7456 和标准卡片如下：76.567 1.2433 2.9 ( 4 2 2) 38.283 0.4022 5.0537 77.527 1.2303 3.4 ( 4 0 4) 38.763 0.4064 5.1072 78.245 1.2208 0.7 ( 3 2 5) 39.122 0.4096 5.1469 80.151 1.1965 3.9 ( 2 1 7) 40.075 0.4179 5.2514 80.506 1

19、.1921 2.1 ( 3 1 6) 40.253 0.4194 5.2708 81.336 1.1820 3.1 ( 0 0 8) 40.668 0.4230 5.3157 84.636 1.1441 0.3 ( 5 0 1) 42.318 0.4370 5.4917 85.810 1.1315 1.5 ( 4 2 4) 42.905 0.4419 5.5532 86.514 1.1241 4.5 ( 4 1 5) 43.257 0.4448 5.5898 88.387 1.1050 0.1 ( 3 0 7) 44.194 0.4525 5.6861 88.972 1.0992 1.2 (

20、5 1 2) 44.486 0.4549 5.7159 89.558 1.0936 0.6 ( 2 0 8) 44.779 0.4572 5.7456 PDF#89-2955: QM=Calculated; d=Calculated; I=(Unknown)SiliconSiRadiation=CuKa1Lambda=1.5406Filter=Calibration=2T=28.445-88.041I/Ic(RIR)=4.55Ref: Level-1 PDFCubic, Fd-3m(227)Z=8mp=CELL: 5.43029 x 5.43029 x 5.43029 <90.0 x 9

21、0.0 x 90.0>P.S=Density(c)=2.329Density(m)=Mwt=Vol=160.1Ref: Ibid.Strong Lines: 3.14/X 1.92/6 1.64/3 1.11/1 1.25/1 1.36/12-Theta d(?) I(f) ( h k l) Theta 1/(2d) 2pi/d n2 28.445 3.1352 100.0 ( 1 1 1) 14.223 0.1595 2.0041 3 47.307 1.9199 55.4 ( 2 2 0) 23.654 0.2604 3.2727 8 56.128 1.6373 30.0 ( 3 1

22、1) 28.064 0.3054 3.8376 11 58.862 1.5676 0.1 ( 2 2 2) 29.431 0.3190 4.0082 12 69.138 1.3576 6.9 ( 4 0 0) 34.569 0.3683 4.6283 16 76.385 1.2458 9.5 ( 3 3 1) 38.193 0.4014 5.0435 19 88.041 1.1085 11.5 ( 4 2 2) 44.021 0.4511 5.6684 242） 物相鉴定结果：由下图可知，该物质中的物相有和。PDF#89-2727: QM=Calculated; d=Calculated; I

23、=(Unknown)Tungsten CarbideWCRadiation=CuKa1Lambda=1.5406Filter=Calibration=2T=31.509-84.081I/Ic(RIR)=15.71Ref: Level-1 PDFHexagonal, P-6m2(187)Z=1mp=CELL: 2.906 x 2.906 x 2.837 <90.0 x 90.0 x 120.0>P.S=Density(c)=15.672Density(m)=Mwt=Vol=20.8Ref: Ibid.Strong Lines: 2.52/X 1.88/9 2.84/4 1.29/2

24、1.45/2 1.24/2 1.15/1 1.26/12-Theta d(?) I(f) ( h k l) Theta 1/(2d) 2pi/d n2 31.509 2.8370 44.0 ( 0 0 1) 15.754 0.1762 2.2147 35.645 2.5167 100.0 ( 1 0 0) 17.823 0.1987 2.4966 48.302 1.8827 88.2 ( 1 0 1) 24.151 0.2656 3.3374 64.029 1.4530 17.9 ( 1 1 0) 32.014 0.3441 4.3243 65.780 1.4185 5.4 ( 0 0 2)

25、32.890 0.3525 4.4295 73.113 1.2932 18.8 ( 1 1 1) 36.557 0.3866 4.8584 75.489 1.2583 9.0 ( 2 0 0) 37.745 0.3974 4.9933 77.121 1.2357 16.6 ( 1 0 2) 38.560 0.4046 5.0846 84.081 1.1503 13.9 ( 2 0 1) 42.041 0.4347 5.4624 和的标准卡片如下：PDF#89-2371: QM=Calculated; d=Calculated; I=(Unknown)Tungsten CarbideW2CRad

26、iation=CuKa1Lambda=1.5406Filter=Calibration=2T=23.929-88.901I/Ic(RIR)=12.84Ref: Level-1 PDFOrthorhombic, Pbcn(60)Z=4mp=CELL: 4.728 x 6.009 x 5.193 <90.0 x 90.0 x 90.0>P.S=Density(c)=17.091Density(m)=Mwt=Vol=147.5Ref: Ibid.Strong Lines: 2.28/X 2.36/3 2.60/2 1.75/2 1.35/2 1.50/1 1.27/1 1.25/12-T

27、heta d(?) I(f) ( h k l) Theta 1/(2d) 2pi/d n2 23.929 3.7157 0.2 ( 1 1 0) 11.964 0.1346 1.6910 29.536 3.0218 0.2 ( 1 1 1) 14.768 0.1655 2.0793 29.710 3.0045 0.9 ( 0 2 0) 14.855 0.1664 2.0913 34.458 2.6006 23.1 ( 0 2 1) 17.229 0.1923 2.4161 38.033 2.3640 30.0 ( 2 0 0) 19.016 0.2115 2.6579 39.515 2.278

28、7 100.0 ( 1 2 1) 19.758 0.2194 2.7574 42.436 2.1284 0.1 ( 1 1 2) 21.218 0.2349 2.9521 46.169 1.9645 0.1 ( 0 2 2) 23.085 0.2545 3.1983 48.989 1.8579 0.4 ( 2 2 0) 24.495 0.2691 3.3819 49.373 1.8443 0.1 ( 1 3 0) 24.686 0.2711 3.4068 50.250 1.8142 0.5 ( 1 2 2) 25.125 0.2756 3.4634 52.251 1.7493 16.1 ( 2

29、 2 1) 26.126 0.2858 3.5919 58.801 1.5691 0.1 ( 1 1 3) 29.400 0.3187 4.0044 61.302 1.5109 0.2 ( 2 2 2) 30.651 0.3309 4.1585 61.694 1.5022 7.5 ( 1 3 2) 30.847 0.3328 4.1825 61.803 1.4999 13.8 ( 0 2 3) 30.901 0.3334 4.1891 63.553 1.4627 0.1 ( 3 1 1) 31.777 0.3418 4.2955 64.522 1.4431 0.1 ( 0 4 1) 32.26

30、1 0.3465 4.3540 65.202 1.4297 0.1 ( 1 2 3) 32.601 0.3497 4.3949 67.847 1.3802 0.6 ( 1 4 1) 33.923 0.3623 4.5523 69.710 1.3478 15.2 ( 3 2 1) 34.855 0.3710 4.6617 71.739 1.3146 0.1 ( 3 1 2) 35.869 0.3803 4.7795 72.653 1.3003 1.2 ( 0 4 2) 36.327 0.3845 4.8321 72.786 1.2982 1.3 ( 0 0 4) 36.393 0.3851 4.

31、8397 74.821 1.2679 7.0 ( 2 4 0) 37.411 0.3944 4.9556 74.920 1.2665 11.9 ( 2 2 3) 37.460 0.3948 4.9611 75.221 1.2622 6.2 ( 1 3 3) 37.610 0.3961 4.9781 75.814 1.2537 8.8 ( 1 4 2) 37.907 0.3988 5.0115 75.945 1.2519 5.0 ( 1 0 4) 37.973 0.3994 5.0189 77.419 1.2317 0.2 ( 2 4 1) 38.709 0.4059 5.1011 77.599

32、 1.2293 0.2 ( 3 2 2) 38.799 0.4067 5.1111 77.878 1.2256 0.1 ( 1 1 4) 38.939 0.4080 5.1266 79.487 1.2048 0.1 ( 3 3 1) 39.744 0.4150 5.2152 80.533 1.1918 0.1 ( 0 2 4) 40.266 0.4196 5.2722 81.336 1.1820 2.2 ( 4 0 0) 40.668 0.4230 5.3157 82.801 1.1648 0.1 ( 1 5 0) 41.401 0.4293 5.3944 83.604 1.1556 0.1

33、( 1 2 4) 41.802 0.4327 5.4371 85.077 1.1393 1.7 ( 2 4 2) 42.539 0.4389 5.5149 85.205 1.1379 1.6 ( 2 0 4) 42.602 0.4394 5.5215 85.337 1.1365 1.0 ( 1 5 1) 42.668 0.4399 5.5284 85.518 1.1346 0.9 ( 0 4 3) 42.759 0.4407 5.5379 85.769 1.1319 0.1 ( 4 1 1) 42.885 0.4417 5.5511 87.109 1.1179 0.1 ( 2 1 4) 43.

34、554 0.4473 5.6205 88.564 1.1033 0.1 ( 1 4 3) 44.282 0.4532 5.6952 88.901 1.0999 0.1 ( 4 2 0) 44.450 0.4546 5.7123 75.945 1.2519 5.0 ( 1 0 4) 37.973 0.3994 5.0189 77.419 1.2317 0.2 ( 2 4 1) 38.709 0.4059 5.1011 77.599 1.2293 0.2 ( 3 2 2) 38.799 0.4067 5.1111 77.878 1.2256 0.1 ( 1 1 4) 38.939 0.4080 5

35、.1266 79.487 1.2048 0.1 ( 3 3 1) 39.744 0.4150 5.2152 80.533 1.1918 0.1 ( 0 2 4) 40.266 0.4196 5.2722 81.336 1.1820 2.2 ( 4 0 0) 40.668 0.4230 5.3157 82.801 1.1648 0.1 ( 1 5 0) 41.401 0.4293 5.3944 83.604 1.1556 0.1 ( 1 2 4) 41.802 0.4327 5.4371 85.077 1.1393 1.7 ( 2 4 2) 42.539 0.4389 5.5149 85.205

36、 1.1379 1.6 ( 2 0 4) 42.602 0.4394 5.5215 85.337 1.1365 1.0 ( 1 5 1) 42.668 0.4399 5.5284 85.518 1.1346 0.9 ( 0 4 3) 42.759 0.4407 5.5379 85.769 1.1319 0.1 ( 4 1 1) 42.885 0.4417 5.5511 87.109 1.1179 0.1 ( 2 1 4) 43.554 0.4473 5.6205 88.564 1.1033 0.1 ( 1 4 3) 44.282 0.4532 5.6952 88.901 1.0999 0.1 ( 4 2 0) 44.450 0.4546 5.7123 2 定量分析结果1） 定量分析结果由下图可知，和的含量分别为60.6%和39.4%2） 定量分析结果由下图可知，和的含量分别为84.6%和15.4%六 结果与讨论1. 实验原理讨论测角仪的光路布置如图所示。测角