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x射线衍射方法

材料现代研究方法 张 峻 巍 第四章 X射线衍射方法的实际应用 本 章 内 容 本章重点与难点 第一节 点阵常数的精确测定 点阵常数的精确测定 任何一种晶体材料的点阵常数都与它所处的状态有关。 当外界条件(如温度、压力)以及化学成分、内应力等发生变化,点阵常数都会随之改变。 可是,这种点阵常数变化是很小的,通常在10-5 nm量级。 点阵常数的精确测定 精确测定这些变化对研究材料的相变、固溶体含量及分解、晶体热膨胀系数、内应力、晶体缺陷等诸多问题非常有作用。所以精确测定点阵常数的工作有时是十分必要的。 (一)点阵常数的测定 X射线测定点阵常数是一种间接方法,它直接测量的是某一衍射线条对应的θ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: (一)点阵常数的测定 根据布拉格方程2dsinθ=λ,则有: 在式中,λ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sinθ。 问 题 在德拜谱线指标化一节中曾指出:利用多晶体衍射图像上每一条衍射线都可计算出点阵常数的数值,问题是哪一条衍射线确定的点阵常数的数值才是最接近真实值呢? 影响点阵常数精度的关键因素是sinθ 由图可见,当θ角位于低角度时,若存在△θ的测量误差,对应的△sinθ的误差范围很大;当θ角位于高角度时,若存在同样△θ的测量误差,对应的△sinθ的误差范围变小; 影响点阵常数精度的关键因素是sinθ 当θ角趋近于90°时,尽管存在同样大小的△θ的测量误差,对应的△sinθ的误差却趋近于零。 影响点阵常数精度的关键因素 影响点阵常数精度的关键因素 影响点阵常数精度的关键因素 第二节 物相的定性分析 对每种物质或材料,常常需要弄清楚它含有什么元素,每种元素的存在状态如何。含有什么元素,是成分分析的问题,回答元素的存在状态,则是物相分析的问题。利用化学分析方法,不仅能够确定含有什么元素,还能知道每种元素的百分重量。但是用普通的化学方法(如容量、重量、比色、极谱和光谱等),只能得出每种元素的含量,而不能说明其存在的状态。 X射线物相分析 假如有A、B两元素在同一容器中加热,可生成化合物AB,但该反应进行没有,有多少生成了AB,剩下还有没有A或B,用普通的化学方法是难于鉴别的。对上述问题,可以用X射线衍射进行物相的定性和定量分析。 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射线衍射分析加以确定,这些工作称之物相分析或结构分析。 X射线物相分析 例如对于钢铁材料(Fe-C合金),成份分析可以知道其中C%的含量、合金元素的含量、杂质元素含量等等。但这些元素的存在状态可以不同,如碳以石墨的物相形式存在形成的是灰口铸铁,若以元素形式存在于固溶体或化合物中则形成铁素体或渗碳体。究竟Fe-C合金中存在哪些物相则需要物相分析来确定。用X射线衍射分析可以帮助我们确定这些物相; X射线物相分析 进一步的工作可以确定这些物相的相对含量。前者称之X射线物相定性分析,后者称之X射线物相定量分析 X射线物相定性分析原理 X射线物相分析是以晶体结构为基础,通过比较晶体衍射花样来进行分析的。 对于晶体物质中来说,各种物质都有自己特定的结构参数(点阵类型、晶胞大小、晶胞中原子或分子的数目、位置等),结构参数不同则X射线衍射花样也就各不相同,所以通过比较X射线衍射花样可区分出不同的物质(对Al2O3的同素异形体有14种之多,完全可以采用X射线物相分析方法加以区分)。 X射线物相定性分析原理 当多种物质同时衍射时,其衍射花样也是各种物质自身衍射花样的机械叠加。它们互不干扰,相互独立,逐一比较就可以在重叠的衍射花样中剥离出各自的衍射花样,分析标定后即可鉴别出各自物相。 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了简单的图谱对照工作。 X射线物相定性分析原理 然而,衍射花样图谱不便于保存和交流,尤其因摄照条件不同,其衍射花样形态也大不一样,因此要有一个国际通用的标准。这一标准

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