9.X射线衍射和散射解读.ppt

X射线衍射-2 材料与化工学院 焦明立 目录 衍射方法 广角X射线衍射法 X射线衍射在聚合物中的应用 小角X散射（SAXS） 衍射方法 衍射方法 衍射现象只有满足布拉格方程λ=2dsinθ才有发生的可能。 λ与θ的依赖关系是很严格的，简单地在X射线光路上放上单晶体，一般不会产生衍射现象。 满足布拉格方程： 要么连续地改变λ，要么连续地改变θ 三种主要的衍射方法： 劳厄法、周转晶体法、粉末法。 劳厄法-连续射线-单晶 单晶体的特点是每种（hkl）晶面只有一组 单晶体固定到台架上之后，任何晶面相对于入射X射线的方位固定，即θ角一定。 针对一组{hkl}晶面的面间距d1，产生反射时，连续谱中只有一个合适的波长λ1对反射起作用，在布拉格方向2θ1上产生衍射斑点P1。 劳厄法 在劳厄照片上每个斑点到中心的距离t可换算成2θ角tan2θ=t/D --D为式样到底片的距离。 可得到各点对应的是哪组晶面 可得到晶体取向、晶体不完整性等信息 对于另一个晶面d2，按2θ2的反射，由连续谱中波长为λ2的X射线生成的，产生衍射斑点P2。 周转晶体法：单色-单晶 单晶体的某一晶轴或某一重要的晶向垂直于X射线安装，再将底片在单晶体四周围成圆筒形。 让晶体绕选定的晶向旋转，转轴与圆筒状底片的中心轴重合。 特点：入射线λ不变，变θ角满足布拉格方程。 在单晶体旋转过程中，某组晶面在某时和入射线夹角满足布拉格方程 瞬间产生一根衍射线束，出现一个感光点。 粉末法基础 单色-多晶 单色X射线以掠射角θ照射到O点处单晶体的一组晶面（hkl） 。 在布拉格条件下衍射出一条线OP，在照片上照出一个点P。 如果能让这组晶面绕入射线为轴旋转，保持θ不变，则会以OP为母线画出一个圆锥 粉末法原理1 从实验角度来说，对一个未知的试样找到这样一组晶面，又让它绕入射X射线稳定地旋转几乎是不可能的。 把单晶体研磨成粉末，则在一定体积的粉末中有无穷多个颗粒和（hkl）晶面 因粉末颗粒在空间随机分布，处于不同的方位上，这样就使得在空间任意方位上都可以找到（hkl）晶面。 粉末法原理2 当X射线照射到粉末试样上之后，总会有足够多的（hkl）晶面满足布拉格方程 在2θ方向上产生衍射，衍射线形成象单晶体旋转似的衍射圆锥。 试样不必转动，即可在满足布拉格条件的任何方向上找到反射线 就象一个晶面旋转一样，衍射线分布在4θ顶角的圆锥上。 粉末法测试 当λ一定时，（h1k1l1）晶面必然有一个4θ1角圆锥 （h2k2l2）晶面也必然有相应的4θ2角圆锥。 将一张长条底片以试样为中心围成圆筒，所有的衍射圆锥都和底片相交 感光出衍射圆环的部分弧段，将底片展开即可的到粉末图 广角X射线衍射法 广角X射线衍射法 如果试样具有周期性结构（晶区），则X射线被相干散射 入射光与散射光之间没有波长的改变，这种过程称为X射线衍射效应 在大角度上测定，所以又称广角X射线衍射（WAXD） Wide angle X-ray diffraction 多晶照相法 又称粉末照相 利用X射线的感光效应，用特制胶片记录多晶式样的衍射方向与衍射强度 相机有两种 平板相机 Derby相机 平板相机 入射角度： 计算晶面间距 POM（六方）平板图 聚集态的照相底片特征 （a）无择优取多晶试样，呈现分明的同心衍射圆环。 （b）部分择优取向多晶试样，呈若干对衍射对称弧。 （c）完全取向多晶试样，呈若干对称斑。 （d）非晶态试样，呈一弥漫散射环。 德拜相机 德拜－谢乐法 多晶衍射仪法 照相法用胶片记录衍射方向和强度 衍射仪根据X射线的气体电离效应，利用充有惰性气体的记数管，逐个记录X射线光子 多晶衍射仪 衍射图与衍射曲线 典型聚集态衍射谱图的特征 c与d是半晶样品的谱图。C有尖锐峰，且被隆拱起，表明试样中晶态与非晶态“两相”差别明显； d呈现为隆峰之上有突出峰，但不尖锐，这表明试样中晶相很不完整。 a 晶态试样衍射，特征是衍射峰尖锐，基线缓平。微晶的择优取向只影响峰的相对强度。 b固态非晶散射，呈现为一个（或两个）相当宽化的“隆峰”。 多晶衍射仪的作用 根据衍射图中的峰位、峰形及峰的相对强度，可以进行物相分析、非晶态结构分析等。 高聚物中主要用于考察物相、结晶度、晶粒择优取向和晶粒尺寸。 X射线衍射在聚合物中的应用 X射线衍射物相分析基本思想 一束波长确定的单色X射线，同一物相产生确定的衍射花样。 混合物的谱图是各组分相分别产生衍射或散射的简单叠加。 晶态试样的衍射花样在谱图上表现为一系列衍射峰。 各峰的峰位2θi（衍射角）和相对强度Ii/I0是确定的。 用2dsinθ=λ可求出产生各衍射峰的晶面族所具有的面间距di。 这样，一系列衍射峰的di-Ii/I0,便如同“指纹”成为识别物相的