X射线在材料中的应用课件

1、1895年，德国物理学家伦琴（Rntgen,W.C.）发现X射线1912年，德国物理学家劳厄（Von.Laue,M） 等人发现X射线 在晶体中的衍射现象，确证X射线是一种电磁波1912年，英国物理学家布喇格父子(Bragg,W.H; Bragg,V.L.) 开创X射线晶体结构分析的历史1914年，英国物理学家莫塞莱(H.G.J. Moseley)发现了原子序数与X射线的频率间的关系莫塞莱定律，并最终发展成为X射线发射光谱分析、X射线荧光分析1916年，德拜(P. Debye)、谢乐(P. Scherrer)提出多晶试样的“粉末法”1928年，盖革(H. Geiger)、弥勒(W. Muelle

2、r)采用计数器来记录X射线，导致X射线衍射仪的产生1950年，X射线衍射仪普遍使用1970年，现代型的自动化X射线衍射仪发展起来X射线衍射（XRD)1.发现 1895年伦琴发现用高速电子冲击固体时，有一种新射线从固体上发出来。 具有很强的穿透能力，能使照片感光，空气电离。本质是什么？不知道，就叫“X射线”吧！当时人们以照X射线像为时髦性质 ：阴级阳级+-一.X射线发现的X射线是什么呢？人们初步认为是一种电磁波，于是想通过光栅来观察它的衍射现象，但实验中并没有看到衍射现象。原因是X射线的波长太短，只有一埃（1）。 实际上是无法分辩的。要分辨X射线的光栅也要在埃的数量级才行。 人们想到了晶体。因为

3、晶体有规范的原子排列，且原子间距也在埃的数量级，是天然的三维光栅。1912年德国物理学家劳厄想到了这一点，去找普朗克老师，没得到支持后，去找正在攻读博士的索末菲，两次实验后终于做出了X射线的衍射实验。X射线晶体劳厄斑晶体的三维光栅2.X射线的性质 人的肉眼看不见X射线，但X射线能使气体电离，使照相底片感光，能穿过不透明的物体，还能使荧光物质发出荧光。X射线呈直线传播，在电场和磁场中不发生偏转；当穿过物体时仅部分被散射。X射线对动物有机体（其中包括对人体）能产生巨大的生理上的影响，能杀伤生物细胞。钨灯丝接变压器玻璃金属聚灯罩铍窗口金属靶冷却水电子X射线X射线X射线管剖面示意图3 X射线的产生及X

4、射线管X射线谱-连续X射线谱X射线强度与波长的关系曲线，称之X射线谱。在管压很低时，小于20kv的曲线是连续变化的，故称之连续X射线谱，即连续谱。X射线谱- 特征X射线谱当管电压超过某临界值时，特征谱才会出现，该临界电压称激发电压。当管电压增加时，连续谱和特征谱强度都增加，而特征谱对应的波长保持不变。 钼靶X射线管当管电压等于或高于20KV时，则除连续X射线谱外，位于一定波长处还叠加有少数强谱线，它们即特征X射线谱。钼靶X射线管在35KV电压下的谱线，其特征x射线分别位于0.63和0.71处，后者的强度约为前者强度的五倍。这两条谱线称钼的K系 特征X射线的命名方法同样当K空位被M层电子填充时，

5、则产生K辐射。M能级与K能级之差大于L能级与K能级之差，即一个K光子的能量大于一个K光子的能量； 但因LK层跃迁的几率比MK跃迁几率大，故K辐射强度比K辐射强度大五倍左右。显然， 当L层电子填充K层后，原子由K激发状态变成L激发状态，此时更外层如M、N层的电子将填充L层空位，产生L系辐射。因此，当原子受到K激发时，除产生K系辐射外，还将伴生L、M等系的辐射。除K系辐射因波长短而不被窗口完全吸收外，其余各系均因波长长而被吸收。连续谱(软X射线)高速运动的粒子能量转换成电磁波谱图特征:强度随波长连续变化是衍射分析的背底;是医学采用的特征谱(硬X射线)高能级电子回跳到低能级多余能量转换成电磁波仅在特

6、定波长处有特别强的强度峰衍射分析采用4.X射线与物质的相互作用X射线与物质的相互作用，是一个比较复杂的物理过程。一束X射线通过物体后，其强度将被衰减，它是被散射和吸收的结果，并且吸收是造成强度衰减的主要原因。布拉格定律的推证x射线有强的穿透能力，在x射线作用下晶体的散射线来自若干层原子面，除同一层原子面的散射线互相干涉外，各原子面的散射线之间还要互相干涉。这里只讨论两相邻原子面的散射波的干涉。过D点分别向入射线和反射线作垂线，则AD之前和CD之后两束射线的光程相同，当光程差等于波长的整数倍时，相邻原子面散射波干涉加强，即干涉加强条件为：布拉格定律的讨论-（1） 选择反射射线在晶体中的衍射，实质

7、上是晶体中各原子相干散射波之间互相干涉的结果。但因衍射线的方向恰好相当于原子面对入射线的反射，故可用布拉格定律代表反射规律来描述衍射线束的方向。常用“反射”这个术语描述衍射问题，或者将“反射”和“衍射”作为同义词混合使用。但应强调指出，x射线从原子面的反射和可见光的镜面反射不同，前者是有选择地反射，其选择条件为布拉格定律；而一束可见光以任意角度投射到镜面上时都可以产生反射，即反射不受条件限制。因此，将x射线的晶面反射称为选择反射，反射之所以有选择性，是晶体内若干原子面反射线干涉的结果。布拉格定律的讨论-（2） 衍射的限制条件 由布拉格公式2dsin=n可知，sin=n/2d，因sin1，故n/

8、2d 1。为使物理意义更清楚， 现考虑n1（即1级反射）的情况，此时/2/2的晶面才能产生衍射。例如:一组晶面间距从大到小的顺序：2.02，1.43，1.17，1.01 ，0.90 ，0.83 ，0.76 当用波长为k=1.94的铁靶照射时，因k/2=0.97，只有四个d大于它，故产生衍射的晶面组有四个。如改用铜靶进行照射， 因k/2=0.77， 故前六个晶面组都能产生衍射。布拉格定律的讨论-（3） 干涉面为了使用方便， 常将布拉格公式改写成。如令 ，则这样由（hkl）晶面的n级反射，可以看成由面间距为的（HKL）晶面的1级反射，（hkl）与（HKL）面互相平行。不一定是晶体中的原子面，而是为

9、了简化布拉格公式而引入的反射面，常将它称为干涉面。 布拉格定律的讨论-（4） 衍射线方向与晶体结构的关系 从 看出，波长选定之后，衍射线束的方向（用 表示）是晶面间距d的函数。如将立方、正方、斜方晶系的面间距公式代入布拉格公式，并进行平方后得：立方系正方系斜方系从上面三个公式可以看出，波长选定后，不同晶系或同一晶系而晶胞大小不同的晶体，其衍射线束的方向不相同。因此，研究衍射线束的方向，可以确定晶胞的形状大小。X射线的强度X射线衍射理论能将晶体结构与衍射花样有机地联系起来，它包括衍射线束的方向、强度和形状。衍射线束的方向由晶胞的形状大小决定衍射线束的强度由晶胞中原子的位置和种类决定，衍射线束的形

10、状大小与晶体的形状大小相关。X射线衍射仪法 X射线衍射仪是广泛使用的X射线衍射装置。1913年布拉格父子设计的X射线衍射装置是衍射仪的早期雏形，经过了近百年的演变发展，今天的衍射仪如下图所示。送水装置X线管高压发生器X线发生器(XG)测角仪样品计数管控制驱动装置显示器数据输出计数存储装置(ECP)水冷高压电缆角度扫描X射线衍射仪X射线衍射仪是采用衍射光子探测器和测角仪来记录衍射线位置及强度的分析仪器 1.X射线发生器；2.衍射测角仪；3.辐射探测器；4.测量电路；5.控制操作和运行软件的电子计算机系统。衍射图谱 一张衍射图谱上衍射线的位置仅和原子排列周期性有关 强度则决定于原子种类、数量、相对

11、位置等性质 衍射线的位置和强度就完整地反映了晶体结构的二个特征，从而成为辨别物相的依据 衍射仪所能进行的工作峰位 面间距d 定性分析 点阵参数 d漂移 残余应力 固溶体分析半高宽 结晶性 微晶尺寸 晶格点阵非晶质的积分强度结晶质的积分强度定量分析结晶化度角度（2）强度判定有无谱峰晶态、非晶态样品方位与强度变化:单晶定向；多晶择优取向 (一）X射线物相分析 材料或物质的组成包括两部分： 一是确定材料的组成元素及其含量； 二是确定这些元素的存在状态，即是什么物相。材料由哪些元素组成的分析工作可以通过化学分析、光谱分析、X射线荧光分析等方法来实现，这些工作称之成份分析。材料由哪些物相构成可以通过X射

12、线衍射分析加以确定，这些工作称之物相分析或结构分析。 7.X射线衍射方法的实际应用 由照片判断非晶无取向 弥散环非晶取向 赤道线上的弥散斑 结晶无取向 有系列同心锐环结晶取向 有系列对称弧结晶高度取向 对称斑点 定性判断结晶与取向 由衍射仪判断“宽隆”峰：表明无定形“尖锐“峰：表明存在结晶或近晶X射线物相定性分析原理目前已知的晶体物质已有成千上万种。事先在一定的规范条件下对所有已知的晶体物质进行X射线衍射，获得一套所有晶体物质的标准X射线衍射花样图谱，建立成数据库。当对某种材料进行物相分析时，只要将实验结果与数据库中的标准衍射花样图谱进行比对，就可以确定材料的物相。X射线衍射物相分析工作就变成

13、了简单的图谱对照工作。X射线物相定性分析1938年由Hanawalt提出，公布了上千种物质的X射线衍射花样，并将其分类，给出每种物质三条最强线的面间距索引（称为Hanawalt索引）。1941年美国材料实验协会（The American Society for Testing Materials，简称ASTM）提出推广，将每种物质的面间距d和相对强度I/I1及其他一些数据以卡片形式出版（称ASTM卡），公布了1300种物质的衍射数据。以后，ASTM卡片逐年增添。X射线物相定性分析1969年起，由ASTM和英、法、加拿大等国家的有关协会组成国际机构的“粉末衍射标准联合委员会”，负责卡片的搜集、校

14、订和编辑工作，所以，以后的卡片成为粉末衍射卡（the Powder Diffraction File），简称PDF卡，或称JCPDS卡（the Joint Committee on Powder Diffraction Standarda）。粉末衍射卡的组成粉末衍射卡（简称ASTM或PDF卡）卡片的形式如图所示粉末衍射卡的组成1栏：卡片序号。 2栏： 1a、1b、1c是最强、次强、再次强三强线的面间距。 2a、2b、2c、2d分别列出上述各线条以最强线强度(I1)为100时的相对强度I/I1。3栏： 1d是试样的最大面间距和相对强度I/I1 。4栏：物质的化学式及英文名称 5栏：测样时的实验条

15、件。 6栏：物质的晶体学数据。 7栏：光学性质数据。 8栏：试样来源、制备方式、测样温度等数据 9栏：面间距、相对强度及密勒指数。 粉末衍射卡片的索引在实际的X射线物相分析工作中，通过比对方法从浩瀚的物质海洋中鉴别出实验物质的物相决非易事。为了从几万张卡片中快速找到所需卡片，必须使用索引书。目前所使用的索引有以下二种编排方式：（1）数字索引（2）字母索引物相定性分析方法如待分析试样为单相，在物相未知的情况下可用索引进行分析。用数字索引进行物相鉴定步骤如下：1 根据待测相的衍射数据，得出三强线的晶面间距值d1、d2和d3（并估计它们的误差）。2 根据最强线的面间距d1，在数字索引中找到所属的组，

16、再根据d2和d3找到其中的一行。物相定性分析方法3 比较此行中的三条线，看其相对强度是否与被摄物质的三强线基本一致。如d和I/I1都基本一致，则可初步断定未知物质中含有卡片所载的这种物质。4 根据索引中查找的卡片号，从卡片盒中找到所需的卡片。5 将卡片上全部d和I/I1与未知物质的d和I/I1对比如果完全吻合，则卡片上记载的物质，就是要鉴定的未知物质。多相混合物物相定性分析方法当待分析样为多相混合物时，根据混合物的衍射花样为各相衍射花样的叠加，也可对物相逐一进行鉴定，但手续比较复杂。具体过程为：用尝试的办法进行物相鉴定：先取三强线尝试，吻合则可定；不吻合则从谱中换一根（或二根）线再尝试，直至吻

17、合。对照卡片去掉已吻合的线条（即标定一相），剩余线条归一化后再尝试鉴定。直至所有线条都标定完毕。应用字母索引进行物相鉴定的步骤根据被测物质的衍射数据，确定各衍射线的d值及其相对强度。2. 根据试样成分和有关工艺条件，或参考有关文献，初步确定试样可能含有的物相。按照这些物相的英文名称，从字母索引中找出它们的卡片号，然后从卡片盒中找出相应的卡片。3. 将实验测得的面间距和相对强度，与卡片上的值一一对比，如果某张卡片的数据能与实验数据的某一组数据吻合，则待分析样中含有卡片记载的物相。同理，可将其他物相一一定出。举例：鉴别结晶性化合物区别同种结晶性化合物的不同晶型单轴取向指数测定a.鉴别结晶性化合物将

18、样品的XRD谱图与标准谱图PDF对照物相鉴别更多应用于非聚合物材料中（金属，陶瓷，化合物）b.区别同种结晶性化合物的不同晶型例：等规聚丙烯IPP（单斜晶系） 刚性增加，冲击强度下降（六方晶系） 拉伸强度和拉伸模型下降， 而韧性增加HDPE 和LDPE性能比较 HDPE LDPE结构规整，结晶度高 结构规整性差，结晶度不高材料不透明，强度好 材料透明，强度差可以做容器，管道 做包装膜材料c.研究插层结构例：有机/无机“纳米插层”复合物纳米复合材料 分散相的尺寸至少有一维在纳米数量级（100nm）聚合物/蒙脱土纳米复合材料 在微观上由纳米级聚合物层与纳米级粘土层形成 周期交替的“插层”结构高耐热性

19、、高强度、高模量、高气体阻隔性、低的膨胀系数纳米插层材料衍射角及晶面间距的变化晶面间距：变大衍射角：变小PP-g-MMT/MMTsampled/nmMMT4.661.90PP-g-MMT/MMMT=100:102.104.01d.催化领域在催化研究中，总要涉及催化剂活性、稳定性、失活机理等问题，催化剂的物相组成、晶粒大小，等往往是决定其活性、选择性的重要因素。 各种衍射仪可配置各种附件装置，测量出相或反应动力学的各种信息，近年应用了原位技术，确切测量在不同气氛、温度、压力条件下催化剂等各种材料的结构组成变化，研究催化剂体系的反应机理及活性物质。（二）点阵常数的测定X射线测定点阵常数是一种间接方

20、法，它直接测量的是某一衍射线条对应的角，然后通过晶面间距公式、布拉格公式计算出点阵常数。以立方晶体为例，其晶面间距公式为： 根据布拉格方程2dsin=，则有： 在式中，是入射特征X射线的波长，是经过精确测定的，有效数字可达7位数，对于一般分析测定工作精度已经足够了。干涉指数是整数无所谓误差。所以影响点阵常数精度的关键因素是sin。（三）物相定量分析方法多相物质经定性分析后，若要进一步知道各个组成物相的相对含量，就得进行X射线物相定量分析.根据X射线衍射强度公式，某一物相的相对含量的增加，其衍射线的强度亦随之增加，所以通过衍射线强度的数值可以确定对应物相的相对含量。由于各个物相对X射线的吸收影响

21、不同，X射线衍射强度与该物相的相对含量之间不成正比关系，必须加以修正。德拜法中由于吸收因子与2角有关，而衍射仪法的吸收因子与2角无关，所以X射线物相定量分析常常是用衍射仪法进行。 基本原理Vj为j相参加衍射的体积，C、Kj分别代表与待测量无关的物理量强度因子。含量通常用体积百分数vj或重量百分数wj，单位体积内Vj与vj、wj之间的关系，聚合物特殊的结构使聚合物的结晶状态与其他材料（如金属）有明显区别由于分子链是无规线团的长链状态，所以不太容易使分子非常规整的排列。一般是结晶相与非结晶相共存所以就有结晶度的概念。结晶度是描述聚合物结构和性能的重要参数，通过成型条件可以控制结晶度，达到改善产品性

22、能的目的。在许多情况下，并不一定需要绝对结晶度，而是从x射线衍射得到一个再现值，以便对同一种聚合物不同的样品的结晶度进行比较，这个相对值也称为结晶指数。（四）结晶度的测定 结晶度是结晶峰面积与总面积之比 晶体粒度大小测定微晶尺寸在0-1000nm时，可以用Scherrer公式计算晶粒 D=K/COS D:所规定晶面族发向方向的晶粒尺寸 为该晶面衍射峰的半峰高的宽度 K为常数取决于结晶形状，通常取1 为衍射角（五）晶体尺寸的测定晶粒越小，衍射线行就越宽晶粒无限大时 晶粒尺寸有限时衍射线宽化主要影响因素： 1、仪器因素引起增宽 2、K双线引起宽化 3、晶格畸变引起宽化合成纤维、薄膜是经过不同形式的拉伸工艺制成的。在拉伸和热处理过程中，高聚物的分子链沿拉方向排，用x射线衍射技术研究结晶聚合物的取向度是一种非常有用的方法，可分别用取向因子、取向度和极图表征高聚物的取向特征。 （六）聚合物趋向度测定通过高聚物x射线小角散射，可以获得晶态非晶态高聚物的长周期尺寸，分子链堆积和进体聚集状态信息，采用Guiniet近似式或散射函数进行分析，测定其回转半径，再根据形状等已知参数可求出粒子大小和分布，利用x射线小角散射可测定干态树脂和溶胀状态树脂的孔结，还可以对起塑合金几十纳米数量级的微孔及其生长规律进行研究。