《材料结构表征及应用》第3章 X射线衍射分析
X射线衍射分析
X射线衍射分析X射线衍射分析是一种重要的材料表征方法，它能够帮助科学家研究物质的结构和性质。
X射线衍射分析技术被广泛应用于材料科学、化学、生物学等领域。
本文将介绍X射线衍射分析的原理、仪器设备，以及在实际应用中的一些案例。
X射线衍射分析的原理基于X射线与物质相互作用的规律。
当X射线照射到物质上时，X射线与物质中的原子发生散射，形成衍射图样。
这些衍射图样包含了物质的晶体结构信息。
通过分析这些衍射图样，我们可以了解物质的晶体结构、晶格参数以及晶体中的原子位置。
X射线衍射实验通常使用X射线衍射仪进行。
X射线衍射仪由X射线源、试样台和衍射检测器组成。
X射线源产生高能量的X射线束，试样台用于放置待测样品，而衍射检测器则用于检测经过试样台衍射的X射线。
在实验中，我们需要调整X射线源和试样台的相对位置，使得试样台上的样品能够受到均匀的X射线照射，并且衍射信号能够被检测器准确地记录下来。
X射线衍射实验的结果通常以X射线衍射图样的形式呈现出来。
X射线衍射图样是一系列强度和角度的关系曲线。
通过对衍射图样的分析，我们可以确定材料的晶体结构。
根据布拉格方程，我们可以计算出晶面的间距，从而推导出晶体中原子的位置和晶格参数。
X射线衍射分析可以应用于各种各样的材料。
例如，材料科学家可以通过X射线衍射分析来研究金属的晶体结构和晶格缺陷。
化学家可以使用X射线衍射分析来确定化合物的晶体结构，从而帮助他们理解化学反应的机理。
生物学家可以利用X射线衍射分析来研究蛋白质的三维结构，从而揭示生物分子的功能和活动机制。
除了单晶衍射分析，还有一种称为粉末衍射分析的技术。
粉末衍射分析可以用于不规则形状的晶体或非晶体材料的结构分析。
在粉末衍射分析中，试样通常是细粉末状的物质。
通过对粉末衍射图样的分析，我们可以推导出材料的平均晶体结构。
总之，X射线衍射分析是一种重要而强大的材料表征技术。
它可以帮助科学家研究物质的结构和性质，并为材料科学、化学、生物学等领域的研究提供有效的工具和方法。
X射线衍射分析的应用
X射线衍射分析的应用衍射分析方法是以材料结构分析为基本目的的现代分析方法。
电磁辐射或电子束、中子束等与材料相互作用产生相干散射（弹性散射），相干散射相长干涉的结果——衍射是材料衍射分析方法的技术基础。
衍射分析包括X射线衍射分析、电子衍射分析及中子衍射分析等方法。
X射线衍射分析基于以下原理：X射线照射晶体，晶体中电子受迫振动产生相干涉，同一原子内各电子散射波相互干涉形成原子散射波，各原子散射波相互干涉，在某些方向上一致加强，即形成了晶体的衍射波（线）。
衍射方向（衍射线在空间分布的方位）和衍射强度是据以现实材料结构分析等工作的两个基本特征。
衍射方向以衍射角即入射线与衍射线的夹角2θ表达，其与产生衍射晶面之晶面间距[d hkl,(HKL)为干涉指数表达之晶面]及入射线波长（λ）的关系即衍射产生的必要条件遵从布拉格方程：2d HKL sinθ=λ多晶X射线衍射的基本方法为衍射仪法与（粉末）照相法。
（粉末）照相法以光源（X射线管）发出的单色光（特征X射线，一般为K a射线）照射（粉末）多晶体（圆柱形）样品，用底片记录产生的衍射线。
用其轴线与样品轴线重合的圆柱形底片记录者称为德拜（Debye）法；用平板底片记录着称为针孔法。
较早的x射线衍射分析多采用照相法，而德拜法是常用的照相法，一般称照相法即德拜法，德拜法照相装置称德拜相机。
衍射仪法分析装置称衍射仪，由光源、测角计、检测器（计数管）、辐射测量电路（信号处理器）及读出部分组成。
衍射仪法亦以单色光照射（置于测角计中心样品架上的）多晶体（平板）样品，检测器与样品台同步转动（保持2:1的角速度比），扫描接收衍射线并转换为电脉冲信号，再经信号处理并记录或显示，得到I（衍射强度）——2θ曲线。
近年来衍射仪法已在绝大多数场合下取代了照相法，成为衍射分析的主要方法。
单晶X射线衍射分析的基本方法为劳埃（Laue）法与周转晶体法。
劳埃法以光源发出的复合光即连续X射线照射置于样品台上不动的单晶体样品，用平板底片记录产生的衍射线。
材料分析方法第3章X射线衍射强度
2)当H,K,L为全奇或全偶数时， FHKL2 = 16f 2， 能产生衍射， 如(111)、(200)、(220)、(311)、(222) ，这些干涉面指数 (HKL)平方和之比为，
N1 : N2 : N3 : N4 : N5 3 : 4 : 8 :11 :12 14
衍射积分强度近似等于ImB， Im为顶 峰强度，B为 Im/2处的衍射峰宽度(称 半高宽)
Im和 1/sin 成比例，B和 1/cos 成比 例，故衍射积分强度与1/(sin cos) (即1/sin2 )成比例
图3-5 衍射的积分强度
20
第三节 洛伦兹因数
二、参加衍射的晶粒分数
图3-6 参加衍射的晶粒分数
n
FHKL Ab Ae
f jei j
(3-1)
j 1
将复数展开成三角函数形式，
n
FHKL f j cos2π Hx j Ky j Lj i sin Hx j Ky j Lj j 1
(3-2)
X射线的衍射强度IHKL与结构振幅的平方FHKL2成正比，即
图3-8
角因数与
的关系角因数称
1 cos2 2 8sin2 cos
为角因数
23
第四节 影响衍射强度的其他因数
一、多重性因数
晶体中同一晶面族{hkl}的各晶面（等同晶面），其原子排
列相同且晶面间距相等， 因此其衍射角 2 相同，故在多
晶体衍射花样中，其衍射将重叠在同一衍射环(衍射峰)上
令
Ni
H
2 i
K
2 i
L2i
，则简单点阵能够产生衍射的干涉面指
X射线衍射分析原理及应用
X射线衍射分析原理及应用一、X射线衍射分析的原理X射线衍射的基本原理是当X射线入射到晶体表面时，由于晶体具有定向排列的原子或离子，X射线与晶体中的电子发生相互作用并散射，形成不同方向上的干涉条纹，通过测量和分析这些干涉条纹的位置和强度可以推断出晶体的结构特征。
具体来说，X射线衍射分析的原理可以归纳为以下几个方面：1. 布拉格法则：当入射角θ和出射角θ'满足布拉格方程nλ = 2d·sinθ，即入射的X射线与晶体晶面的倾角和衍射角满足特定的关系时，会发生衍射。
2.动态散射：在晶体中，入射的X射线会与晶格中的电子发生相互作用，散射成各个方向上的次级波，波的振动方向垂直于入射方向。
3.干涉：次级波在不同晶面的散射电子之间发生干涉，产生特定的干涉条纹。
4.衍射图样：干涉条纹的位置和形状与晶体的晶胞结构、晶面间距以及晶体取向有关，通过测量和分析衍射图样可以确定这些信息。
二、X射线衍射分析的应用1.晶体结构分析：通过在不同角度下测量样品的X射线衍射图样，可以推断出材料的晶体结构，包括晶胞参数、晶面间距、原子位置等信息。
这对于理解材料的物理、化学以及电子结构等性质非常重要。
2.晶体取向分析：X射线衍射分析可以用来确定晶体中不同晶向的取向分布，即晶体中晶面的取向。
这对于材料工艺和性能的控制具有重要意义，例如金属的冷轧、挤压等过程中，晶体的取向对材料的力学性能有很大影响。
3.晶体缺陷分析：晶体中存在着各种缺陷，如位错、晶界、析出相等。
通过观察和分析X射线衍射图样中的峰形和峰宽等信息，可以确定晶体的缺陷类型和含量，进而了解材料的机械、电学以及热学性质。
4.应力分析：在材料的变形过程中，晶体中会引入应力场。
应力会引起晶格的畸变，从而导致X射线衍射图样的形状和位置发生变化。
通过分析这些变化可以得到材料中的应力分布和大小，对于材料的力学性能的评估和优化具有重要意义。
总之，X射线衍射分析是一种非常重要的材料表征方法，可以提供丰富的关于晶体结构、晶胞参数、晶体取向以及晶体缺陷等信息。
材料表征中的扫描电镜和X射线衍射分析
材料表征中的扫描电镜和X射线衍射分析随着材料科学的不断发展和应用领域的不断拓展，对材料结构和性质的研究也日趋深入。
而材料表征技术作为材料科学的一项重要支撑，一直占据着很重要的地位。
在各种材料表征技术中，扫描电镜和X射线衍射分析都是常用的手段之一，下面我将对这两种技术进行详细介绍。
一、扫描电镜扫描电镜即SEM，是通过电子束照射样品，利用与样品表面反射、透射和散射出来的电子产生的像来研究样品表面结构、电子束与样品的作用以及样品的成分等信息的一种表征手段。
经过适当的处理和放大后，样品表面的各种细节和微观形貌可以在图像上清晰地显示出来。
相比于光学显微镜，SEM具有更高的空间分辨率和更好的深层探测能力。
而在材料科学中，由于我们需要研究材料的表面形貌和微观结构，SEM成为了必不可少的技术手段之一。
在分析样品时，我们需要选择合适的加速电压，合理地进行样品制备和处理等步骤。
同时，SEM还可以与其他分析技术进行联用，如EDS（能量散射谱仪）等，进一步提升了SEM的应用范围和分析能力。
二、X射线衍射分析X射线衍射分析即XRD，是一种通过照射样品后分析其晶体结构和晶体学信息的技术手段。
原理是将X射线照射到样品上，样品的晶体结构会让X射线产生衍射，这些衍射可以被接收器捕捉到并记录下来，通过对衍射信号的处理，我们可以得到样品的晶体结构信息。
在材料科学中，XRD可以研究材料的晶格结构，晶体大小、方向、取向和应变等信息。
同时，通过对样品的XRD图谱进行分析，我们还可以确定样品的相组成，从而了解样品的化学成分，这也是XRD在材料表征中的一大优势。
在进行XRD分析时，我们需要选择合适的X射线波长、样品制备和处理方法等步骤。
同时，对于异构晶体或纳米晶体等情况，我们还可能需要进行择优取向或全息拍摄等特殊处理方式。
综上所述，SEM和XRD在材料表征中都是非常重要的技术手段，可以为我们研究材料的微观结构和成分提供很大的帮助。
当然，在实际应用中，我们还需要结合实验需求和技术特点来选用合适的表征手段，以达到最佳的分析效果。
材料研究方法-第三章X射线衍射分析
X射线衍射分析的优势和局限性
1 优势和应用价值
X射线衍射分析能够提供高分辨率的晶体结构信息，可用于研究材料相变、配位化学、催 化作用等领域。
2 局限性
X射线衍射分析只对晶体材料适用，对非晶态和纳米材料无法应用。
X射线衍射分析实例
1
研究锂离子电池电解质固体界面的晶体结构
Hale Waihona Puke 用单晶X射线衍射仪分析高效锂离子电解质与电极材料的交界面结构。
材料研究方法-第三章X射 线衍射分析
欢迎来到材料研究方法-第三章：X射线衍射分析。在这个演示中，我们将介 绍X射线衍射分析的原理、应用及其优势和局限性。让我们来探索这项有趣的 技术！
X射线衍射分析概述
定义和原理
X射线衍射分析是通过分析X射线穿过材料时的 衍射模式，探究材料的晶体结构和组成的技术。
仪器和设备
2
研究含铁亚铁酸盐的质子传导性质
通过Powder X射线衍射技术研究不同硅酸盐基质中铁亚铁酸盐的晶体结构和质 子导电机制。
3
研究金属氧化物的杂质掺杂过程
用Texture X射线衍射仪研究镉氧化物和钴氧化物的杂质掺杂过程，探究了掺杂 元素对材料结构的影响。
X射线衍射分析在材料研究领域中的应用
材料结构
材料相变
• 研究分子晶体的结构和 功能性固体材料的结构
• 探究半导体中的晶格畸变等
• 研究金属的相变和相变 动力学
• 分析材料在不同温度下 的相变特性
配位化学
• 研究金属络合物和配位 化合物的晶体结构和配
• 位探键究不同金属离子之间 的配位作用
新兴技术趋势-暴露在X射线下的人体结构
除了材料研究，X射线衍射技术还被应用于医学领域。最近，有研究者使用层析技术来分析复杂的人体结构， 如神经系统。这为神经疾病的诊断和治疗提供了新的思路。
X射线衍射分析原理与应用
X射线衍射分析原理与应用首先，X射线是一种电磁辐射，具有波动性和粒子性。
在X射线的波长范围内，它的波长大致在0.1-10纳米，相当于能量在1-100千电子伏特之间。
当X射线射到物质上时，发生与物质中原子核和电子的相互作用。
在物质中，晶体结构是各种晶体成分的排列有序的方式，不同晶体材料的晶体结构具有不同的特点。
当X射线作用在晶体上时，会被晶体中的原子发生干涉现象。
由于X射线的波长与晶体排列的空间尺寸相当，因此干涉现象会发生，形成一系列衍射图样。
衍射图样中最重要的特征是衍射角和衍射强度。
通过测量衍射角可以获得物质的晶体学参数，包括晶格常数、晶胞结构和晶体的对称性等。
而衍射强度可以用来得到物质结构中原子的位置和原子的放置方式等。
X射线衍射分析广泛应用于材料科学研究领域。
其中最为重要的是在晶体学研究中的应用。
通过X射线衍射实验，可以确定物质的晶体结构，进而揭示其化学成分和晶体生长机制。
这对于材料学家来说非常重要，能够帮助他们设计和合成新的材料。
此外，X射线衍射分析还被广泛应用于材料表征和质量控制中。
通过测量物质中的衍射角和衍射强度，可以快速准确地分析出材料中的晶体结构、相对含量和晶体缺陷等信息。
这对于材料的制备和性能改善具有重要意义。
此外，X射线衍射分析还被广泛应用于材料的破坏性和非破坏性测试中。
通过X射线衍射分析，可以非破坏地确定材料中的晶体结构和组分，进而评估材料的性能和可靠性。
这对于材料的质量控制和产品的性能改善具有重要意义。
在生物医学领域，X射线衍射分析技术也得到了广泛应用。
通过X射线衍射分析，可以研究生物大分子的结构和功能，揭示其在生物过程中的作用机制。
这对于理解疾病的发生和发展，以及药物的设计和开发具有重要意义。
总之，X射线衍射分析是一种重要的材料分析方法，通过对物质对X 射线的衍射现象进行研究，可以获取物质的结构信息和组成成分。
它在材料科学领域具有广泛的应用价值，不仅可以揭示材料的晶体结构和组分，还可以用于材料表征和质量控制，甚至应用于生物医学领域。
X射线衍射在材料分析中的应用
X射线衍射在材料分析中的应用一、X射线的背景及衍射原理1895年,伦琴首次发现X射线,随后由布拉格父子发现X射线本质是波长很短的电磁波。
X射线衍射技术是利用X射线在晶体、非晶体中衍射与散射效应，进行物相的定性和定量分析、结构类型和不完整性分析的技术。
由于X射线衍射分析方法具有用量少、对样品的非破坏性、大面积的平均性、对结构和缺陷的灵敏性等特性，使得X射线衍射分析方法的应用范围不断拓展，广泛应用于物理学、化学、分子物理学、医学、药学、金属学、材料学、高分子科学、工程技术学、地质学、矿物学等学科领域。
本文仅讨论X射线衍射在材料分析中的一些应用。
材料分析是通过对表征材料的物理性质或物理化学性质参数及其变化(称为测量信号或特征信息)的检测实现的。
采用各种不同的测量信号(相应地具有与材料的不同特征关系)形成了各种不同的材料分析方法。
二、X射线衍射方法在各种衍射实验方法中 ,基本方法有单晶法、多晶法和双晶法。
1.单晶衍射法单晶X射线衍射分析的基本方法为劳埃法与周转晶体法。
2.多晶衍射法多晶X射线衍射方法包括照相法与衍射仪法。
三、理论依据1.物相分析⑴ X射线物相分析原理:任何结晶物质都有其特定的化学组成和结构参数(包括点阵类型、晶胞大小、晶胞中质点的数目及坐标等)。
当x射线通过晶体时，产生特定的衍射图形，对应一系列特定的面间距d和相对强度I／I值。
其中dl与晶胞形状及大小有关，I ／I 1与质点的种类及位置有关。
所以，任何一种结晶物质的衍射数据d 和I ／I 1是其晶体结构的必然反映。
不同物相混在一起时,它们各自的衍射数据将同时出现，互不干扰地叠加在一起,因此,可根据各自的衍射数据来鉴定各种不同的物相。
⑵ 物相分析是指确定材料由哪些相组成和确定各组成相的含量。
物相是决定或影响材料性能的重要因素,因而物相分析在材料、冶金、机械等行业中得到广泛应用，物相分析有定性分析和定量分析两种。
① 物相定性分析的目的是检测固体样品中的相组成,采用未知样品衍射图谱与标准图谱比较的办法。
材料分析测试技术材料X射线衍射和电子显微分析课件
实际案例分析
材料A的X射线衍射和电子显微分析
通过结合应用，确定了材料A的晶体结构和微观结构特征，为其性能研究提供了 有力支持。
材料B的缺陷分析
利用X射线衍射和电子显微分析，成功检测到材料B中的晶体缺陷和微观结构变化 ，为优化制备工艺提供了指导。
材料X射线衍射和电
04
子显微分析的发展
趋势与未来展望
材料X射线衍射与电
03
子显微线衍射
01
局限性：对于非晶体或无定形材料，X射 线衍射效果不佳。
03
02
特点：能够确定晶体结构，提供宏观尺度上 的晶体信息。
04
电子显微分析
特点：高分辨率和高放大倍数，能够观察 材料的微观结构和表面形貌。
05
06
局限性：对于轻元素和某些化学态的识别 能力有限，且需要薄样品。
电子显微镜的工作原理
电子显微镜利用电子替代传统显微镜的光子，通过电子束 与样品的相互作用，将样品中的信息传递到荧光屏上，形 成图像。
分辨率和放大倍数
电子显微镜的分辨率和放大倍数主要取决于物镜的焦距和 中间镜的放大倍数，其分辨率通常比光学显微镜高，能够 观察更细微的结构。
电子显微镜的应用
生物医学研究
料X射线衍射和电子显微分析。
02
自动化和智能化
随着人工智能和机器学习技术的发展，未来的材料X射线衍射和电子显
微分析将更加自动化和智能化，能够自动识别、分类和处理数据。
03
多维度和多尺度分析
未来的材料X射线衍射和电子显微分析将能够实现多维度和多尺度分析
，从微观到宏观全面揭示材料的结构和性能。
技术发展面临的挑战与机遇
挑战
随着材料科学的发展，新型材料不断涌现，需要不断更新和完善材料X射线衍射和电子显微分析技术。同时，随 着环保意识的提高，如何降低这些技术对环境的负面影响也是一个重要的挑战。
X射线衍射分析
X射线衍射分析X射线衍射分析(X-ray Diffraction, XRD)是一种重要的材料分析技术，用于研究晶体的结构和性质。
它利用X射线的特征衍射现象，通过测量和分析样品对X射线的衍射图案，可以确定样品的晶胞、晶体结构、晶格常数等信息。
X射线衍射分析最早由德国物理学家Wilhelm Conrad Röntgen于1895年发现，并因此获得了1901年的诺贝尔物理学奖。
从那时起，X射线衍射分析在材料科学、物理学、化学等领域得到了广泛应用。
在X射线衍射实验中，样品首先被放置在样品支架上，然后被照射一束特定的X射线。
当X射线通过样品时，由于样品的晶体结构，它们将被散射成不同的角度。
探测器可以记录这些衍射角度和强度，并将其转换为衍射图谱。
通过分析衍射图谱，可以确定样品的晶体结构和晶胞参数。
这是因为每个晶体都有一组特定的晶胞参数，如晶格常数、晶体类别、晶胞形状等等。
根据衍射角度和衍射强度之间的关系，可以计算出这些晶胞参数。
除了确定晶体结构外，X射线衍射分析还可以用于确定晶体的物理性质，如晶格常数的变化、晶体的缺陷、晶体的应力情况等等。
通过对衍射图谱进行进一步的分析和计算，可以得到这些信息。
X射线衍射分析在材料科学中具有广泛的应用。
它可以用于研究各种不同类型的材料，如金属、陶瓷、液晶、聚合物等等。
通过确定晶体结构和物理性质，可以帮助科学家和工程师设计新的材料，改进现有材料的性能，解决材料失效问题等等。
总而言之，X射线衍射分析是一种重要的材料分析技术，通过测量和分析样品对X射线的衍射图案，可以确定样品的晶胞、晶体结构、晶格常数等信息。
它在材料科学、物理学、化学等领域具有广泛的应用，对于研究和开发新型材料具有重要意义。
x射线衍射的应用与原理
x射线衍射的应用与原理概述x射线衍射是一种用于研究晶体结构和分析物质中有序排列的原子或分子的方法。
通过向晶体中照射x射线，并记录和分析衍射图样，可以确定晶体中原子的排列方式和间距，从而揭示物质的内部结构。
x射线衍射的原理x射线是一种电磁波，具有很短的波长和高能量。
当x射线照射到晶体上时，晶体中的原子或分子会对x射线进行衍射，形成一系列衍射斑点。
这种衍射现象可以解释为由于晶体中的原子或分子间距的周期性排列，导致来自不同晶面的入射x射线波面被相干地散射，形成衍射斑点。
根据Bragg定律，这些衍射斑点的角度和晶体中晶面的间距有关。
x射线衍射的应用1.晶体结构分析：x射线衍射是确定晶体结构的主要方法之一。
通过测量和分析衍射斑点的强度和位置，可以确定晶体中原子的排列方式和间距。
这对于理解物质的性质和反应机制非常重要。
2.矿石和晶体质量分析：x射线衍射可以在矿石和晶体中分析和确定不同矿物物质的组成和结构。
这有助于矿石勘探和开采过程中的矿石品质评估。
3.材料表征：x射线衍射可以用于分析材料的结晶度、晶粒尺寸和应力分布等参数。
这对于材料的制备和性能优化非常重要。
4.药物研究：x射线衍射可以应用于药物研发过程中对晶体结构和成分的分析。
这有助于理解药物的活性和稳定性。
5.生物分子结构研究：x射线衍射可以用于解析生物大分子（如蛋白质和核酸）的结构。
这对于了解生物分子的功能和相互作用机制具有重要意义。
x射线衍射的实验装置进行x射线衍射实验需要一些基本的实验装置，包括：•x射线发射源：常用的x射线发射源有x射线管和同步辐射装置。
x 射线管通过在阳极上加电压，产生高能x射线。
同步辐射装置则通过电子在加速器中运动时释放出的高能x射线。
•样品台：样品台用于支撑并固定待测样品。
样品可以是单晶体、多晶体或粉末状物质。
•衍射仪：衍射仪用于检测和记录衍射斑点的强度和位置。
常见的衍射仪包括传统的旋转衍射仪和现代的二维探测器。
•数据分析软件：对于从衍射仪中得到的数据，需要使用数据分析软件进行处理和解析。
第三章X射线衍射分析应用
X射线物相定性分析
• 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。
20
• Ni3Al 9-97 2.07 1.80 1.27 100 70
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表4-3 4-836卡片Cu的衍射数据
• d/Å I/I1 d/Å
I/I1
• 2.088 100 1.0436 5
• 1.808 46 0.9038 3
• 1.278 20 0.8293 9
• 1.090 17 0.8083 8
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。 • 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射线衍射物相分析工作就变成了简单的图谱对照工作。
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粉末衍射卡片（PDF卡片）
• 1938年 哈那瓦特开创对各种已知物相衍射花样的规范化 工作，即将物相的衍射花样特征（位置与强度〕用d（晶面间距〕 和I（衍射线相对强度〕数据表达并制成相应的物相衍射数据卡 片。
• 1942年 美国材料试验协会（ASTM〕整理并约1300张 ASTM卡片
X射线衍射在材料分析测试中的应用
X射线衍射在材料分析测试中的应用第一篇：X射线衍射在材料分析测试中的应用X射线衍射技术在材料分析测试中的应用摘要：X 射线衍射分析技术是一种十分有效的材料分析方法, 在众多领域的研究和生产中被广泛应用。
介绍了X 射线衍射的基本原理, 从物相鉴定、点阵参数测定、微观应力测定等几方面概述了X 射线衍射技术在材料分析中的应用进展。
X射线基本原理由于X 射线是波长在1000Å~0.01Å之间的一种电磁辐射, 常用的X 射线波长约在2.5Å~ 0.5Å之间, 与晶体中的原子间距(1Å)数量级相同, 因此可以用晶体作为X 射线的天然衍射光栅, 这就使得用X射线衍射进行晶体结构分析成为可能。
当X射线沿某方向入射某一晶体的时候, 晶体中每个原子的核外电子产生的相干波彼此发生干涉.当每两个相邻波源在某一方向的光程差(Δ)等于波长λ的整数倍时, 它们的波峰与波峰将互相叠加而得到最大限度的加强, 这种波的加强叫做衍射, 相应的方向叫做衍射方向, 在衍射方向前进的波叫做衍射波。
Δ= 0的衍射叫零级衍射, Δ = λ的衍射叫一级衍射, Δ = nλ的衍射叫n级衍射.n不同, 衍射方向也不同。
在晶体的点阵结构中, 具有周期性排列的原子或电子散射的次生X 射线间相互干涉的结果, 决定了X射线在晶体中衍射的方向, 所以通过对衍射方向的测定, 可以得到晶体的点阵结构、晶胞大小和形状等信息。
晶体结构= 点阵+ 结构基元, 点阵又包括直线点阵,平面点阵和空间点阵.空间点阵可以看成是互不平行的三组直线点阵的组合, 也可以看作是由互相平行且间距相等的一系列平面点阵所组成.劳厄和布拉格就是分别从这两个角度出发, 研究衍射方向与晶胞参数之间的关系。
伦琴发现X射线之后, 1912年德国物理学家劳厄首先根据X 射线的波长和晶体空间点阵的各共振体间距的量级, 理论预见到X 射线与晶体相遇会产生衍射现象, 并且他成功地验证了这一预见, 并由此推出了著名的劳厄定律。
04 第三章 X射线衍射原理-衍射方向
3.3.2 布拉格方程
布拉格公式的推导
首先讨论一个 晶面的衍射： P
Q
P' Q'
q
q'
A
B
1 d(h k l) 2 d(h k l) 3
入射线在波阵面PQ处位相相同，它射向晶面1时，被原子散 射。如果原子A,B的散射线在波阵面P′Q′处是同位相的话， 便产生相干加强，形成衍射光束。 这要求：
PA AP QB BQ
材料分析测试技术
Materials Characterization
湘潭大学 材料科学与工程学院
第三章 X射线衍射分析原理
1. 概述
2. X射线物理学基础 3. X射线衍射方向 4. X射线衍射强度
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3.3 X射线的衍射方向
3.3.1 劳埃方程 3.3.2 布拉格方程 3.3.3 布拉格方程的讨论 3.3.4 衍射矢量方程 3.3.5 布拉格方程的厄瓦尔德图解 3.3.6 常见的衍射方法
cos 2 a cos 2 cos 2 1
四个方程解三个 未知数？
用单色X射线照射不 动的单晶体，一般 不能获得衍射！
必须增加一个变量： 1. 利用连续X射线，使波长为变量，晶体固定不动－劳埃法； 2. 利用单色的X射线，单晶体围绕某一主要晶轴转动，周转晶 体法。
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3.3.1 劳埃方程
Laue方程的讨论
测量时若晶体不动: a0,0,0一定; 用单色光: l一定;
a cos a cos a 0 H l b cos cos 0 K l c cos cos 0 Ll
对于特定的晶体和特定的方向: a,b,c,H,K,L一定. Laue 方程中只有 a ,, 是变量 , 又由于 a ,, 不是独立的变量 , 因此 一般得不到衍射图(三个变量四个方程)。
材料研究方法三X射线衍射分析PPT课件
结构分析时所采用的就是K系X射线。
.
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eU=1/2mV2
λmin=hc/eU
.
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三、X射线与物质的相互作用
➢1.透射。强度减弱，波长不变，方向基本不变； ➢2.吸收。①能量以其他能量形式释放，如光电效应、 俄歇(Auger)效应、荧光效应等。②吸收。类似LB定 律。 ➢3.散射。原子使X射线偏离原来方向。 ①波长不变相干散射-Thomson散射；②有能量交换，波长变长， 非相干散射-Compton散射。
.
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本章主要内容
➢ 1. X 射线介绍 ➢ 2. X 射线与物质的作用 ➢ 3. X 射线衍射仪器 ➢ 4. X 射线衍射分析方法 ➢ 5. X 射线衍射应用
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一、X-射线的性质
➢ ①肉眼不能观察到，但可使照相底片感光、荧光
板发光和使气体电离； ➢ ②能透过可见光不能透过的物体； ➢ ③这种射线沿直线传播，在电场与磁场中不偏转， 在通过物体时不发生反射、折射现象，通过普通光栅 亦不引起衍射； ➢ ④这种射线对生物有很厉害的生理作用。
穿透能力强，一般条件下不能被反射，几乎完全不发
生折射——X射线的粒子性比可见光显著的多
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二、X-射线的产生
1.产生X-射线的方法：是使快速移动的电子(或 离子)骤然停止其运动，则电子的动能可部分转 变成X光能，即辐射出X-射线。
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*X射线发生器的主要部件
➢ (1)阴极：钨灯，电流3-4A，加速电压5-8KV ➢ (2)阳极靶材：Cu/Mo/Ni等熔点高、导热性好的金属 ➢ (3)Be窗：d=0.2mm，可透过X射线。
X 射
铅 屏
底
线
晶体
简述x射线衍射分析的原理及应用
简述X射线衍射分析的原理及应用1. 原理介绍1.1 X射线衍射的基本原理X射线衍射是一种通过射线与晶体相互作用来研究晶体结构的方法。
当X射线通过晶体时，射线会被晶体的原子散射，形成衍射现象。
根据衍射现象可以得到晶体的衍射图样，进而推断晶体的结构和参数。
1.2 劳厄方程X射线衍射的重要基本原理是劳厄方程，其数学表达式为：n λ = 2 d sin θ其中，n表示衍射级别，λ表示入射X射线波长，d表示晶体的晶面间距，θ表示衍射角。
2. 应用领域2.1 结晶学X射线衍射分析在结晶学领域中得到广泛应用。
通过衍射图样的解析，可以得到晶体结构的详细信息，如晶胞参数、晶胞对称性等。
这对于研究晶体的物理、化学性质以及材料的合成和制备具有重要意义。
2.2 材料科学X射线衍射分析在材料科学领域中也有着重要的应用。
利用衍射技术，可以研究材料的晶体结构和晶体取向关系，进而推测材料的内部缺陷、晶格畸变等信息。
这对于材料的改进和性能优化具有重要意义。
2.3 矿物学在矿物学领域，X射线衍射分析被广泛用于鉴定矿物样品的组成和结构。
通过衍射图样的解析，可以判断矿物中存在的晶系、晶胞参数等信息，从而对矿物进行鉴定和分类。
2.4 生物科学X射线衍射在生物科学领域中也扮演着重要的角色。
通过衍射探测技术，可以研究生物大分子（如蛋白质、核酸等）的结构和构象，揭示其功能和相互作用机理。
这对于理解生命的基本原理以及药物研发具有重要意义。
2.5 化学分析X射线衍射分析也可以用于化学分析领域。
通过衍射技术，可以定量分析样品中不同晶相的含量，判断样品中的氧化物、硫化物、氮化物等化合物的结构信息，同时还可以检测样品的晶格畸变和应力情况。
3. 总结X射线衍射分析是一种通过射线与晶体相互作用来研究晶体结构的重要方法。
其基本原理主要建立在劳厄方程的基础上。
X射线衍射分析广泛应用于结晶学、材料科学、矿物学、生物科学和化学分析等领域，为相关领域的研究和应用提供了重要的支持和帮助。
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3.2.2 X射线穿过晶体产生衍射
X 射线作为一电磁波投射到晶体中时，会受到晶体中 原子的散射。由于原子在晶体中是周期排列，这些散射 球面波间存在固定的位相关系，它们之间会产生干涉， 结果导致在某些散射方向的球面波相互加强，而在某些 方向上相互抵消，从而出现如图所示的衍射现象。
测试时试样和探测器分别以ωs和ωc的角速度转动，试 样表面始终平分入射线和衍射线的夹角2θ，当2θ符合 某晶面对应的布拉格条件时，探测器计数管接收的衍 射信号就是由晶面平行于试样表面的晶粒所贡献。计 数管在扫描中接收不同角度下的衍射线，得到衍射图。 19
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2.衍射仪的工作方式
2. 晶面指数
晶面：在晶体学中，通过晶体中原子中心的平面叫作晶面。
晶体学中，确定晶面在空间的位置，一般采用解析几何 的方法，由英国学者ler在1839年创立的，称为 米氏符号或米勒指数。确定晶面指数的方法如下： 1）在基矢a、b、c构成的晶胞内，量出一个晶面在三个基 矢上的截距，并用基矢长度a、b、c为单位来度量； 2）写出三个分数截距的倒数； 3）将三个倒数化为三个互质的整数，并用括号括起，即 为该组平行晶面的晶面指数（米氏符号或米勒指数）。
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第3章 X射线衍射分析
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3.1 X射线的物理基础
3.1.1 X射线的性质
X 射线是一种电磁波 ，具有波粒二象性 X 射线的波长为10-2～102Å X射线的波长λ(Å)、振动频率ν和传播速度
C(m·s-1)符合： λ= C/ ν
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物相定性分析国际标准
PDF( The Power Diffraction File) 卡片（由 粉末衍射标准联合委员会编制）
三条最强线的面间距 最大面间距 化学式及英文名称
俗名
实验条件
物相晶体学 数据
光学及其他 物理常数 其他资料
连续扫描-试样和探测器以1:2的角速度作匀速圆周运动， 在转动过程中将探测器依次接收到的各晶面衍射信号输 入到记录系统或数据处理系统，获得的衍射图谱。
石英粉末样品的衍射仪记录曲线
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2.衍射仪的工作方式
步进扫描- 试样每转动一定的角度Δθ即停止，在这 期间，探测器等后续设备开始工作，并以定标器记录 测定在此期间内衍射线的总计数，然后试样转动一定 角度，重复测量，输出结果。
平板照相
(1)非晶高聚物 (PMMA)
(2)低结晶高聚物 (PAN、PVC)
(3)结晶高聚物 (POM、PP、PE) 16
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3.3.2 粉末衍射仪
X射线衍射仪是采用衍射光子探测器和测角仪 来记录衍射线位置及强度的分析仪器。
X衍射仪 （按用途分）
测定多晶粉末试样的粉末衍射仪-应用最广泛 测定单晶结构的四圆衍射仪 微区衍射仪
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布拉格方程讨论
1 sinθ≤1，所以只有当 λ ≤ 2d 时才能产生衍射，
即能被晶体衍射的电磁波的波长必须小于晶面中 最大面间距的两倍。实际衍射分析用的X 射线波 长与晶体的晶格常数较为接近 (0.05-0.25nm)。 3. 在常规的衍射工作中，往往将晶面族（hkl）的n 级衍射作为假想晶面族（nh，nk，nl）的一级衍
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4.样品的制备
粉末样品-形状为平板形 颗粒平均粒径控制在约5μm (过320 目筛）。 加工过程中，应防止由于外加物理或化学因素
而影响试样其原有的性质。 压制试样时，必须注意不能造成样品表面区域
产生择优取向，以防止衍射线相对强度的变化 而造成误差。
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X 射线分析常用阳极材料K系特征谱线
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3.1.4 X射线与物质的作用
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3.2 X射线衍射原理
3.2.1 晶体学基础 1.布拉菲点阵(Bravais A)
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能出现偏差。
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3. 物相定性分析所应注意问题
（5）特别要重视低角度区域的衍射实验数据：在低角度 区域，衍射所对应d值较大的晶面，不同晶体差别较大， 衍射线相互重叠机会较小。
（6）在进行多物相混合试样检验时，力求全部数据能合 理解释，但有时也会出现少数衍射线不能解释的情况， 这可能由于混合物相中，某物相含量太少，只出现一、 二级较强线，以致无法鉴定。
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2.物相定性分析过程
（3）使用检索手册，查寻物相PDF卡片号 根据需要使用字母检索、Hanawalt检索或
Fink检索手册，查寻物相PDF卡片号。
（4）若是多物相分析，则在（3）步完成后，对 剩余的衍射线重新根据相对强度排序，重复 （3）步骤，直至全部衍射线能基本得到解释。 JADE 软件进行XRD数据处理
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内标物要求其化学性质稳定、成分和晶体结构简单，衍射 线少而强，尽量不与其他衍射线重叠。
常用内标物：NaCl、MgO、SiO2、KCl、KBr、CaF2等。 37
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3. 晶面间距
晶面间距是指两个相邻的平行晶面间的垂直距离，通常 用dhkl或简写为d来表示。 以立方晶为例，晶面ABC为某平行晶面组中最靠近坐标 原点的一个晶面(hkl)，坐标原点取在最邻近晶面ABC的 一个晶面上。由坐标原点向晶面ABC所引的垂直距离 ON就是这个晶面组的面间距d。
表层衍射仪
转靶X射线多晶衍射仪
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1. 衍射仪的构成：
X射线发生系统 测角及探测控制系统 记录和数据处理系统
衍射仪法采用计数管来接受衍射线，具有快速、精确、 灵敏的优点，但没有底片作为永久性记录，且不能直观 看出晶体缺陷。
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3.1.2 X射线的产生来自高速运动的电子流 γ射线
X射线 高能辐射流 中子流
在突然被减速时 均能产生X射线
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3.1.3 X射线谱
连续谱：强度随波长连续变化的连续谱。
特征谱：波长一定、强度很大的特征谱 只有当管电压超过一定值Vk(激发电压) 时才会产生，且这种特征谱与X射线光 管的工作条件无关，只取决于光管的阳 极靶材料，不同的靶材具有其特有的特 征谱线。
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1.外标法
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测定水泥水化产物钙矾石（AFt）的X射线定量分析用定标曲线。
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2. 内标法
当试样中所含物相数大于2 时，且各相的吸收 系数不同，常在试样中加入某种标准物相来进 行分析，称为内标法。
通常采用配制一系列的标样，即用纯j 相与掺 入物相S 配制成不同的重量分数的标样，用X 射线衍射仪测定。已知不同Xj 的Ij/IS，作出 定标曲线，然后再进行未知试样中j 相的测定。
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3.3 实验方法及样品制备
三种基本衍射实验方法
实验方法 所用辐射 样品
照相法
衍射仪法
粉末法 单色辐射 多晶或晶体 样品转动或固定 德拜照相机 粉末衍射仪 粉末
劳厄法 连续辐射 单晶体
样品固定
劳厄相机 单晶或粉末 衍射仪
转晶法 单色辐射
单晶体
样品转动或固定 转晶-回摆 单晶衍射仪 照相机
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3.4 X射线粉末衍射物相定性分析 1.X射线物相定性分析-判定物相组成
X射线衍射线的位置取决于晶胞形状、大小，也 取决于各晶面间距；
衍射线的相对强度则取决于晶胞内原子的种类、 数目及排列方式；
当物质中包含有两种或两种以上的晶体物质时， 它们的衍射花样也不会相互干涉。
X射线通过NaCl单晶时的衍射图1样1
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3.2.3 布拉格方程
2d sin θ = nλ
整数n 称为衍射级数
面网1，2，3 代表晶面符号为(hkl)的一组平行面网，面网间距 为d。入射X 射线沿着与面网成θ角（掠射角）的方向射入。当 散射线满足“光学镜面反射”条件（散射线、入射线与原子面 法线共面）时，各原子的散射波将具有相同的位相，干涉结果 产生加强，相邻面网的反射线光程差δ为入射波长λ的整数倍。12
（7）在物相定性分析过程中，尽可能地与其它的相分析 结合起来，互相配合，互相印证。
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3.5 X射线物相定量分析
原理：物相衍射线的强度或相对强度与物相在 样品中的含量相关。
步进扫描无滞后及平滑效应，衍射 峰位正确，分辨率好，特别是衍射 线强度弱且背底高的情况下。
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3. 衍射花样的基本要素