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)明粉末法測定晶體結(jié)構(gòu)，1936年，J.D.Watson和F.H.C.Crick根據(jù)M.Wilkins對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器制成X射線衍射儀，繼而又設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)陽極靶X射線衍射儀。80年代研制PSPC探測器X射線衍射儀。近十余年以來，由于X射線源和輻射源探測設(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)陽極X射線衍射儀，由單色X射線源、樣品臺、測角儀、探測器和X射線強(qiáng)度測量系統(tǒng)所組成。Cu靶X射線發(fā)生器發(fā)出的單色X射線通過入射soller狹縫，發(fā)散狹縫照射樣品臺，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，接受狹縫被探測器檢測。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、增量法和無標(biāo)定量法，其中常用的是內(nèi)標(biāo)法。衍射強(qiáng)度的測量用積分強(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)度測量既方便又準(zhǔn)確。例如：鋼中

6、殘余奧氏體的測定，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，測定納米材料的晶粒大小要用XRD，用X射線衍射法測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對微波燒結(jié)的牙科全瓷材料晶粒度進(jìn)行測定，朱俊武等用XRD測定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)測定結(jié)晶度。無論這些方法還存在什么問題，結(jié)晶度的測定對于高分子材料的研究都是有益的。從X射線測量來說，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)