粉末x射線衍射儀器的應(yīng)用

1、粉末粉末X射線衍射儀器的應(yīng)用射線衍射儀器的應(yīng)用向立人向立人（四川大學(xué)化學(xué)學(xué)院（四川大學(xué)化學(xué)學(xué)院成都成都610064610064）摘要粉末分析是一種重要的晶體結(jié)構(gòu)和物相分析技術(shù)。本文簡(jiǎn)要介紹粉末X射線衍射儀器的發(fā)展、原理及其在材料科學(xué)中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞粉末X射線衍射分析分析法材料科學(xué)1引言1895年W.K.Rntgen發(fā)現(xiàn)X射線，這是一種具有很強(qiáng)穿透力的電磁輻射。1901年獲第一個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1912年，W.L.Bragg和W.H.Br

2、agg建立X射線反射公式，為晶體X射線衍射法奠定了物理基礎(chǔ)，1915年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1916年，P.J.W.Debye和J.A.Scherrer發(fā)明粉末法測(cè)定晶體結(jié)構(gòu)，1936年，J.D.Watson和F.H.C.Crick根據(jù)M.Wilkins對(duì)DNA的X射線衍射數(shù)據(jù)，提出DNA雙螺旋分子的結(jié)構(gòu)模型，1963年獲諾貝爾生物學(xué)獎(jiǎng)。粉末X射線衍射分析儀器得到很快的發(fā)展。50年代以前，出現(xiàn)照相式X射線衍射儀，50年代初，研制出目前最廣泛

3、使用的X射線衍射儀，60年代設(shè)計(jì)成功了四圓衍射儀，與此同時(shí)采用聚焦原理設(shè)計(jì)了多晶X射線衍射儀，60年代采用各種輻射探測(cè)器制成X射線衍射儀，繼而又設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極靶X射線衍射儀。80年代研制PSPC探測(cè)器X射線衍射儀。近十余年以來(lái)，由于X射線源和輻射源探測(cè)設(shè)備的不斷更新、高速度大容量電子計(jì)算機(jī)和工作站的廣泛應(yīng)用，尤其是分子和晶體結(jié)構(gòu)的模型設(shè)計(jì)乙基高維（4維與5維）對(duì)稱群理論的發(fā)展，使得X射線衍射學(xué)進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。X射線衍射儀和電子顯微

4、鏡成為使用量最大的大型分析儀器。2粉末X射線衍射分析儀器原理粉末X射線衍射分析儀多為旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X射線衍射儀，由單色X射線源、樣品臺(tái)、測(cè)角儀、探測(cè)器和X射線強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)所組成。Cu靶X射線發(fā)生器發(fā)出的單色X射線通過(guò)入射soller狹縫，發(fā)散狹縫照射樣品臺(tái)，X射線經(jīng)試樣晶體產(chǎn)生衍射，衍射線經(jīng)出射狹縫，散射soller狹縫，接受狹縫被探測(cè)器檢測(cè)。X射線管發(fā)射的X射線照射晶體物質(zhì)后產(chǎn)生吸收、散射、衍射X熒光、俄歇電子和X電子。晶體中原子散射的電磁

5、波互相干涉和互相疊加而產(chǎn)生衍射圖譜。X射線粉末衍射圖譜可以提供三種晶體結(jié)構(gòu)信息：衍射線位置（角度）、強(qiáng)度和形狀（寬度），根據(jù)這些信息IiaIjs=K(XaXs)XRD定量方法有內(nèi)標(biāo)法、K值法、增量法和無(wú)標(biāo)定量法，其中常用的是內(nèi)標(biāo)法。衍射強(qiáng)度的測(cè)量用積分強(qiáng)度或峰高法，有利于消除基體效應(yīng)及其它因素的影響。XRD定量方法的優(yōu)勢(shì)在于它能夠給出相同元素不同成分的含量，這是一般化學(xué)分析不能達(dá)到的。粉末X射線衍射儀使得強(qiáng)度測(cè)量既方便又準(zhǔn)確。例如：鋼中

6、殘余奧氏體的測(cè)定，XRD比金相法、磁性法更加靈敏，更加準(zhǔn)確。3.4晶粒大小分析多晶體材料的晶體尺寸是影響其物理化學(xué)性能的重要因素，測(cè)定納米材料的晶粒大小要用XRD，用X射線衍射法測(cè)量小晶粒尺寸是基于衍射線剖面寬度隨晶粒尺寸減少而增寬。Scherrer方程：D=KB12cosθ式中，D為小晶體的平均尺寸，K為常數(shù)（約等于1），B12為衍射線剖面的半高寬。影響衍射峰寬度的因素很多，如光源、平板試樣、軸向發(fā)散、吸收、接受狹縫和非準(zhǔn)直性、入射X

7、射線的非單色性（Kα1、Kα2、Kβ）等。應(yīng)該指出，當(dāng)小晶體的尺寸和形狀基本一致時(shí)，上式計(jì)算結(jié)果比較可靠。但一般粉末試樣的晶體大小都有一定的分布，Scherrer方程需要修正，否則只能得到近似的結(jié)果。盧冬梅等用XRD對(duì)微波燒結(jié)的牙科全瓷材料晶粒度進(jìn)行測(cè)定，朱俊武等用XRD測(cè)定CuO納米多功能材料，根據(jù)Scherrer公式以（111）晶面計(jì)算樣品A、B、C、D的平均粒度分別為6nm、14nm、9nm、9nm。3.5結(jié)晶度分析物質(zhì)的結(jié)晶度會(huì)

8、影響材料的物性，測(cè)定結(jié)晶度的方法有密度法、IR法、NMR法和差熱分析法，XRD法優(yōu)于上述各法，它是依據(jù)晶相和非晶相散射守恒原理，采用非晶散射分離法(HWM)、計(jì)算機(jī)分峰法（CPRM）、或近似全導(dǎo)易空間積分強(qiáng)度法(RM)測(cè)定結(jié)晶度。無(wú)論這些方法還存在什么問(wèn)題，結(jié)晶度的測(cè)定對(duì)于高分子材料的研究都是有益的。從X射線測(cè)量來(lái)說(shuō)，理想的晶體產(chǎn)生衍射，理想的非晶體產(chǎn)生相干散射，而畸變的結(jié)晶（次晶、介晶、近晶、液晶）變成程度不同的散射，所以高分子材料結(jié)