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X射线衍射仪的原理及应用

测试目的:确定两种或多种晶体混合物中各相的相对含量。 例:催化剂载体中的?-Al2O3和?-Al2O3在使用过程中(加热、加压等)的相对含量的变化。 无定形的Al2O3结晶量——结晶度测试 两种晶相的相对量——物相定量分析 又如: Al2O3和ZrO2的混合物 t- ZrO2,m-ZrO2, c-ZrO2的混合物 能解决的问题: 对不同晶态结构的分辨,化学分析、定量金相不能解决,TEM很难解决。 分析方法: 通过衍射图谱中某相的衍射强度确定含量 困难所在: 衍射强度与含量不是正比关系。 随衍射仪的日益精密,处理方法和软件的进展(计算机的发展),精度日益提高。 确定衍射强度与含量的关系: 内标法 外标法 K值法 自冲洗法 应注意的问题: 对样品的要求: 考虑各相的吸收系数?i选合适的颗粒尺寸: 颗粒细小,峰漫散(宽化); 粗大,衍射环不连续,可能有峰漏测。 一般粒度在0.1-5?m。 b. 样品尽量无织构(texture,择优取向),防止某些峰衍射强度反常(可数学修正)。 仪器要求: 强度表示: 现代先进仪器可自动计算累积强度(扣背底后的总面积)——仍有人为因素。 仪器要精度高,稳定性好(综合稳定性优于1%) ——保证多组测试的重复性 测试参数:步进扫描,小步长慢扫(步长0.02°,每步计数时间2s或4s) ——保证得到的图谱精确 分析原理: 在固定的实验条件下,对混合物中的第i相, 某衍射线强度 可写成:Ii=Cifi/?li, 其中Ci是随体系改变的常数,fi是该相的体积分数, ?li是该相对X射线的线吸收系数。 据此可推导出 其中xi、?i分别是第i相的重量分数和密度,?m是各相对X射线的质量吸收系数的加权平均值。 Ii由实验图谱测出,?i可预知;根据预知的各相的质量吸收系数?mi可知?m 与xi的关系; ——上式是关于Ci、 xi的方程组,只要数据足够多即可解。 解法——分析方法 内标法( Alexander, 1948) 原理:以样品中原来不含的纯标准物质S(即内标物质)为强度的基准。 方法:用待测物质i与标准物质配成一系列的标准混合样品,其中含S的质量分数xs不变,待测物质i的质量分数xi变化,对每种试样测量物质i、 S的某一衍射线的强度比Ii/Is,作出Ii/Is—xi曲线,称为标准曲线。对任何待测试样,只要测出了Ii/Is,即可从标准曲线上查得xi。 优点:适用于多相体系,不受其他相种类和性质的影响,待测样品多,成分变化大时最适用。 缺点:要大量的试样先作标准曲线(每种10个样取平均),每个相都需几十个样。 内标物质不易选取:纯标准物质,稳定,衍射峰易与被测相分开。 (2) 外标法(Leroux, 1953): 原理:将混合物中掺加定量某相i的衍射线强度与该相纯物质的同一衍射线相比较,作出标准曲线,从标准曲线上查得xi——以各组分的纯样品为标准物质,不引入其它标准物质。 优点:不引入其它标准物质,适合于同素异构物的区分。 缺点:标准曲线只适用于两相混合物。 某些相的纯物质难于得到,如析出相Fe3C。 (3) K值法(F.H. Chung, 1974),即基体自冲洗法 原理:与内标法类似,将参比物S与待测物相i以1:1的重量比混合后比较其相对强度Ii/Is, 称为i相的K值;再将参比物以xs的比例混于试样中,测定其相对强度,则有 优点:不需标准曲线, 目前许多物质的K值以Ii/IC的标题列入JCPDS卡片索引中(以Al2O3作参比物质),方便;可测出非晶态的存在和含量。 缺点:仍需标准物质。 (4) 自冲洗法(F.H. Chung, 1975): 原理:确定样品中无非晶物质时,用不同相的K值解联立方程组得出xi 优点:不需参比物,微量相未稀释。 缺点:必须无非晶质相,必须分析所有相。 X射线衍射仪的其他应用 点阵常数的精确测定 应力分析 薄膜厚度测量 高温测试条件:大气,真空 室温-1300?C(极限1500?C) 样品要求: 粉末 不挥发 不含水 不液化 不腐蚀样品台 测试结果实例 3、德拜像(平面底片照相) 原理图 铜材经不同程度冷轧后的光学组织 随变形量增加,晶粒拉长,直至不能分辨,成为纤维状组织 织构——某些晶面、晶向的择优取向。 小角测角仪 IP读数装置 测试结果举例 4、极图分析 多功能样品台 测试实例 5、原位反应测试 原位反应附件 升温,通气,加压条件下反应过程中的晶态结构动态变化测试 极限条件:700oC(900oC) 4atm 无危险的气体( 爆炸、腐蚀等) 6、关于谢乐公式和晶粒尺寸 颗粒尺寸:受

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