材料表征分析技术-4-XRD-2014
材料表征-XRD分析实验
材料表征-XRD分析实验目的1、了解X衍射的基本原理以及粉末X衍射测试的基本目的；2、掌握晶体和非晶体、单晶和多晶的区别；3、了解使用相关软件处理XRD测试结果的基本方法。
实验原理1、晶体化学基本概念晶体的基本特点与概念：①质点（结构单元）沿三维空间周期性排列（晶体定义），并有对称性。
②空间点阵：实际晶体中的几何点，其所处几何环境和物质环境均同，这些“点集”称空间点阵。
③晶体结构=空间点阵+结构单元。
非晶部分主要为无定形态区域，其内部原子不形成排列整齐有规律的晶格。
对于大多数晶体化合物来说，其晶体在冷却结晶过程中受环境应力或晶核数目、成核方式等条件的影响，晶格易发生畸变。
分子链段的排列与缠绕受结晶条件的影响易发生改变。
晶体的形成过程可分为以下几步：初级成核、分子链段的表面延伸、链松弛、链的重吸收结晶、表面成核、分子间成核、晶体生长、晶体生长完善。
Bravais提出了点阵空间这一概念，将其解释为点阵中选取能反映空间点阵周期性与对称性的单胞，并要求单胞相等棱与角数最多。
晶体内分子的排列方式使晶体具有不同的晶型。
通常在结晶完成后的晶体中，不止含有一种晶型的晶体，因此为多晶化合物。
反之，若严格控制结晶条件可得单一晶型的晶体，则为单晶。
2、X衍射的测试基本目的与原理X射线是电磁波,入射晶体时基于晶体结构的周期性，晶体中各个电子的散射波可相互干涉。
散射波周相一致相互加强的方向称衍射方向。
衍射方向取决于晶体的周期或晶胞的大小,衍射强度是由晶胞中各个原子及其位置决定的。
由倒易点阵概念导入X射线衍射理论, 倒易点落在Ewald球上是产生衍射必要条件。
1912年劳埃等人根据理论预见，并用实验证实了X射线与晶体相遇时能发生衍射现象，证明了X射线具有电磁波的性质，成为X射线衍射学的第一个里程碑。
当一束单色X射线入射到晶体时，由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组成，这些规则排列的原子间距离与入射X射线波长有相同数量级，故由不同原子散射的X射线相互干涉，在某些特殊方向上产生强X射线衍射，衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结构密切相关。
(完整版)XRD技术介绍
在劳厄等发现X衍射不久，W.L.布拉格(Bragg )父子对劳厄花样进行了深入 的研究，提出花样中的各个斑点可认为是由晶体中原子较密集的一些晶面反射 而得出的，并导出了著名的布拉格定律。
1913年英国布拉格父子（W.H .bragg .WL Bragg)建立了一个公式--布喇格公式。 不但能解释劳厄斑点，而且能用于对晶体结构的研究。
晶体的三维光栅 Three-dimensional “diffraction grating”
劳厄想到了这一点，去找普朗克老师，没得到支持后，去找正 在攻读博士的索末菲，两次实验后终于做出了X射线的衍射实 验。
晶体的三维光栅 Three-dimensional “diffraction grating” Laue spots proves wave properties of X-ray.
1954 化学
鲍林Linus Carl Panling
1962 化学
肯德鲁John Charles Kendrew 帕鲁兹Max Ferdinand Perutz
1962 生理医学 Francis H.C.Crick、JAMES d.Watson、 Maurice h.f.Wilkins
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1964 化学
Dorothy Crowfoot Hodgkin
1985 化学 1986 物理 1994 物理
霍普特曼Herbert Hauptman 卡尔Jerome Karle 鲁斯卡E.Ruska 宾尼希G.Binnig 罗雷尔H.Rohrer 布罗克豪斯 B.N.Brockhouse 沙尔 C.G.Shull
φ
O .
φ
d A . φ. .B
C
d
晶面间距
XRD的原理、方法及应用 ppt课件
汇报内容
材料表征概述 XRD的原理 XRD的实施方法 XRD的应用
XRD的原理
• X射线是一种波长很短（约为20~0.06埃），介于紫 外线和伽马射线之间的电磁辐射。由德国物理学家 W.K.伦琴于1895年发现，故又称伦琴射线。X射线 ，能穿透一定厚度的物质，并能使荧光物质发光、 照相胶乳感光、气体电离。
XRD的原理
• 布拉格公式： 2dsinθ=nλ
式中： λ，X射线波长； n，衍射级数； d，晶面间距； θ，衍射半角
汇报内容
材料表征概述 XRD的原理 XRD的实施方法 XRD的应用
XRD的实施方法
• 样品制备
• 准备衍射仪用的样品试片一般包括两个步骤： • 1.需把样品研磨成适合衍射实验用的粉末； • 2.把样品粉末制成有一个十分平整平面的试片。
材料表征概述
• 以纳米粉体材料为例，常用的表征手法如下图所示 ：
材料表征概述
• XRD即X-Ray Diffraction（X射线衍射）的缩写。通 过对材料进行X射线衍射，分析其衍射图谱，获得 材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等 信息的研究手段。
X射线衍射仪
材料表征概述
• 1. 1895年，德国，伦琴，发现，医疗，第一个诺贝 尔物理奖；
样品中晶体学取向与样品外坐 标系的位向关系。一般用劳厄 法单晶定向，其根据是底片上 劳埃斑点转换的极射赤面投影 与样品外坐标轴的极射赤面投 影之间的位置关系。（透射/ 背射）
X射线单晶衍射仪
XRD的应用
• 多晶材料中晶粒取向沿一定方位偏聚的现象称为织 构，常见的织构有丝织构和板织构两种类型。
• 为反映织构的概貌和确定织构指数，有三种方法描 述织构：极图、反极图和三维取向函数。
XRD技术介绍PPT课件
一束X射线通过物质时，它的能量可分为三部分： 一部分被吸收；一部分透过物质继续沿原来的方向 传播；还有一部分被散射。
X射线的产生及与物质的相互作用
X射线的散射
• X射线被物质散射时，产生两种现象： • 相干散射； • 非相干散射。
相干散射
• 物质中的电子在X射线电场的作用下， 产生强迫振动。这样每个电子在各方 向产生与入射X射线同频率的电磁波。 新的散射波之间发生的干涉现象称为 相干散射。
在劳厄等发现X衍射不久，W.L.布拉格(Bragg )父子对劳厄花 样进行了深入的研究，提出花样中的各个斑点可认为是由晶体中 原子较密集的一些晶面反射而得出的，并导出了著名的布拉格定 律。
1913年英国布拉格父子（W.H .bragg .WL Bragg)建立了一个公 式--布喇格公式。不但能解释劳厄斑点，而且能用于对晶体结构的 研究。
X射线的吸收
物质对X射线的吸收指的是X射线能量在 通过物质时转变为其它形式的能量，X射 线发生了能量损耗。物质对X射线的吸收 主要是由原子内部的电子跃迁而引起的。 这个过程中发生X射线的光电效应和俄歇 效应。
光电效应
• 以X光子激发原子所发生的激发和辐射过程。 被击出的电子称为光电子，辐射出的次级 标识X射线称为荧光X射线。
短波限
• 连续X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短 波限λ0，它是由光子一次碰撞就耗尽能量所产生的 X射线。它只与Байду номын сангаас电压有关，不受其它因素的影响。
• 相互关系为：
• 式中：ee为V电子h电ma荷x ，he=0c1.662 18920×110V.-2149C；(nm)
•
V为电子通过两极时的电压降V。
• X射线管的效率:
材料现代测试方法-XRD
布拉格定律
hkl
h1 k1 l1
h2 k2 l2
h3 k3 l3
h4 k4 l4
h5 k5 l5
.
.
.
dhkl dh1k1l1 dh2k2l2 dh3k3l3 dh4k4l4 dh5k5l5 .
X射线的产生
• 封闭式X射线管
X射线的产生
• 旋转阳极靶X射线管
其他X射线源
• 放射源 • 同步辐射
X射线与物质的相互作用
• X射线与物质相互作用时，就其能量转换而 言，可分为三部分：1）一部分被散射；2） 一部分被吸收；3）一部分透过物质继续沿 原来的方向传播。
散射
相干散射（瑞利散射) 非相干散射 (康普顿散射）
1913年，英国Bragg（布喇格父子）导出X射线 晶体结构分析的基本公式，即著名的布拉格公式。 并测定了NaCl的晶体结构。（1915年获得诺贝尔 奖)
1
X射线的本质
X射线和可见光 一样属于电磁 辐射，但其波 长比可见光短 得多，介于紫 外线与γ射线之 间，约为10－2 到102埃的范围。 与晶体中的键 长相当。
c
d 21 3
b
o
a
晶面(213)及d213
c
d300
b
o
a
晶面(300)及d300
晶面指标hkl及晶面间距dhkl
思考1：对于给定的晶胞，对于任意三个整数hkl（000除外）， 我们可以画出这个（hkl）晶面吗？相邻晶面的距离可知吗？
材料表征技术
m K3Z3
含多种元素物质的质量吸收系数 m
m i (m)i
为各元素的质量百分比
应用：
生物体透视 工业产品探伤
2.二次特征辐射
m = / m K3Z3
逸出功
hWk = eVk hc/ eVk=1.24/Vk = k
• 每种元素都有特定波长的标识X射线：X 射线光谱分析的原理
1.5 X射线与固体物质相互作用
内层电子 外层电子、 价电子、自 由电子
真吸收
X射线的吸收
1. X射线的吸收与吸收系数
T2-18 X射线衰减
X射线衰减规律It
:线吸收系数。 意义：在X射线传播方向上，单位长度 上的X射线强度衰减程度[cm-1].与物质种 类、密度、X射线波长有关。
T2-15 特征X射线谱及 管电压对特征谱的影
响
特征X射线产生：能量阈值
En Rhc (Z )2
n2
h n2 n1 En2 En1
激发--跃迁--能量降低
KL L K
辐射出来的光子能量
KL h hc /
激发所需能量--与原子核的结合能Ek
eVk =-Ek=Wk
特征X射线产生
此外，还有旋转阳 极X射线管、 细聚焦X射线管
1.4 X射线谱 （连续X射线、特征X射线) T2-13 连续X射线谱特征及辐射 管电压对连续连辐射续谱影响 I连积分公式
0
曲线连续变化
• 短波极限 eV=hmax =hc/0
0 =1.24/V (nm) V(kV)
在X射线谱中某个波长处出现强度峰，峰窄而 尖锐；此波长放映了物质的原子序数特征----特征X射线
纳米材料的表征
原子力显微镜主要特征是不要求电导的表面, 因为 它测量的是扫描探针和它的样品表面间的相互作用 力, 包括静电的、范德华的、摩擦的、表面张力的 （毛细的）和磁力的, 因此它克服了STM方法不足并 成为它的互补。
由于仪器可以调节到所测量对象特定力有敏感作用 的范围, 故其可测量样品范围扩展到有机、无机、 生物材料及技术样品。
不同于STM, 从AFM探针所获得是每一个表面点力的 图。这力的图可解释为表面结构的反映, 是磁的、 静电的诸种力的几何图。
AFM的主要应用
纳米材料的形貌测定 生物材料研究 黏弹性材料的表面加工
二次电子就是在单电子激发过程中被入射电子轰击出来的核外电子,其信号主要来自样品 表面 5-10μm深度范围,能量较低,一般小于50 eV.
advantage
有较高的放大倍数, 20-100万倍之间连续 可调；
有很大的景深, 视野大, 成像富有立体感, 可直接观察各种试样凹凸不平表面的细 微结构；
利用XRD谱图可以推断出纳米材料的结晶度和层状结构的有序度。
D=Rλ/βcosθ 其中式中, D为粒子直径, R为Scherrer常数（0.89）, λ为入射X 光波长（0.15406 nm）, θ为衍射角（°）, β为衍射峰的半高峰 宽（rad）。
5.1.4 X射线法（XRD
1894年,德国物理学家伦琴发现了具有穿透力 的新型X射线,这是一种波长很短的电磁波,波 长是0.05～0.25nm.
1912年,德国物理学家劳厄发现了X射线通过晶 体时产生衍射现象.
1912年,小布拉格提出著名的布拉格方程. 1913年,老布拉格设计出第一台X射线分光计,
纳米材料的表征方法
纳米材料的表征及其催化效果评价方式纳米材料的表征主要目的是确定纳米材料的一些物理化学特性如形貌、尺寸、粒径、等电点、化学组成、晶型结构、禁带宽度和吸光特性等。
纳米材料催化效果评价方式主要是在光照（紫外、可见光、红外光或者太阳光）条件下纳米材料对一些污染物质（甲基橙、罗丹明B、亚甲基蓝和Cr6+等）的降解或者对一些物质的转化（用于选择性的合成过程）。
评价指标为污染物质的去除效率、物质的转化效率以及反应的一级动力学常数k的大小。
1 、结构表征XRD，ED，FT-IR, Raman，DLS2 、成份分析AAS，ICP-AES，XPS，EDS3 、形貌表征TEM，SEM，AFM4 、性质表征-光、电、磁、热、力等UV-Vis，PL，Photocurrent1. TEMTEM为透射电子显微镜，分辨率为0.1～0.2nm，放大倍数为几万～百万倍，用于观察超微结构，即小于0.2微米、光学显微镜下无法看清的结构。
TEM是一种对纳米材料形貌、粒径和尺寸进行表征的常规仪器，一般纳米材料的文献中都会用到。
The morphologies of the samples were studied by a Shimadzu SSX-550 field-emission scanning electron microscopy (SEM) system, and a JEOL JEM-2010 transmission electron microscopy (TEM)[1].一般情况下，TEM还会装配High-Resolution TEM（高分辨率透射电子显微镜）、EDX（能量弥散X射线谱）和SAED（选区电子衍射）。
High-Resolution TEM用于观察纳米材料的晶面参数，推断出纳米材料的晶型；EDX一般用于分析样品里面含有的元素，以及元素所占的比率；SAED用于实现晶体样品的形貌特征与晶体学性质的原位分析。
2. SEMSEM 表示扫描电子显微镜，可以获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结构和电子结构等等。
4XRD分析方法精品PPT课件
大的峰的积分强度IA/IB， – 根据工作曲线则可以测得其中组分的含量。
工作曲线
IA/IB
IAX/IBX
C1 C2 C3CXC4 C5
A相含量
X射线衍射定量分析
• K值法及参比强度法（自学）
– 简单但精度稍差。
X射线衍射定量分析
• 内标法
– 待测试样中含有多个物相 – 各相的质量吸收系数不同。
• 先完成工作曲线，确定混合物中的不同组分的 含量。
X射线衍射定量分析
• 例：
– 按不同配比均匀混合A和B相，如100:0， 90:10， 80:20， 70:30， ……
– 分别测试其X射线衍射，计算衍射主极大的峰的积分 强度IA/IB，
衍射线
பைடு நூலகம்衍射峰
• I＝M·Lp·F2·e-2M·A*(θ)· (PO)
– M:多重性因数； – Lp：洛伦兹偏振因数； – F2：结构因数； – e-2M：温度因数； – A*(θ)：吸收因数； – (PO)：择优取向因数
X射线衍射定量分析
• 因此根据衍射强度，从理论上将无法精确确定混 合物中的精确含量；
• 物相定量分析的准确度与样品状况有密切关系
• I＝M·Lp·F2·e-2M·A*(θ)· (PO)
– 试样颗粒的大小， – 混合样中各相分布均匀，避免微晶体的择优取向。
X射线衍射可以得到的信息
• 物相鉴定
– 定性 – 定量
• 晶面的择优取向生长 • 结晶度的测定 • 晶胞参数的确定 • 晶粒尺寸的测定（谢乐公式） • 膜厚的测定 • 薄膜的应力分布
锂离子电池材料常用表征技术
锂离子电池材料常用表征技术在锂离子电池发展的过程当中，我们希望获得大量有用的信息来帮助我们对材料和器件进行数据分析，以得知其各方面的性能。
目前，锂离子电池材料和器件常用到的研究方法主要有表征方法和电化学测量。
电化学测试主要分为三个部分：（1）充放电测试，主要看电池充放电性能和倍率等；（2）循环伏安，主要是看电池的充放电可逆性，峰电流，起峰位；（3）EIS交流阻抗，看电池的电阻和极化等。
1、成分表征（1）电感耦合等离子体（ICP）用来分析物质的组成元素及各种元素的含量。
ICP-AES可以很好地满足实验室主、次、痕量元素常规分析的需要；ICP-MS相比ICP-AES是近些年新发展的技术，仪器价格更贵，检出限更低，主要用于痕量/超痕量分析。
Aurbac等在研究正极材料与电解液的界面问题时，用ICP研究LiC0O2和LiFePO4在电解液中的溶解性。
通过改变温度、电解液的锂盐种类等参数，用ICP测量改变参数时电解液中的Co和Fe含量的变化，从而找到减小正极材料在电解液中溶解的关键[1]。
值得注意的是，若元素含量较高（例如高于20%），使用ICP检测时误差会大，此时应采用其他方式。
（2）二次离子质谱（SIMS）通过发射热电子电离氩气或氧气等离子体轰击样品的表面，探测样品表面溢出的荷电离子或离子团来表征样品成分。
可以对同位素分布进行成像，表征样品成分；探测样品成分的纵向分布Ota等用TOF—SIMS技术研究了亚硫酸乙烯酯作为添加剂加到标准电解液后，石墨负极和LiC0O2正极表面形成SEI膜的成分[2]。
Castle等通过SIMS探测V2O5在嵌锂后电极表面到内部Li+的分布来研究Li+在V2O5中的扩散过程[3]。
（3）X射线光子能谱（XPS）由瑞典Uppsala大学物理研究所Kai Siegbahn教授及其小组在20 世纪五六十年代逐步发展完善。
X射线光电子能谱不仅能测定表面的组成元素，而且还能给出各元素的化学状态信息，能量分辨率高，具有一定的空间分辨率（目前为微米尺度）、时间分辨率（分钟级）。
材料分析方法4 X射线衍射实验方法
德拜相机直径
德拜相机直径为57.3mm或114.6mm。 目的是： 当相机直径为57.3mm时，其上周长为180mm， 因为圆心角为360º，所以底片上每一毫米长 度对应2º圆心角； 当相机直径是114.6mm时，底片上每一毫米 对应1º圆心角，这样做完全是为了简化衍射 花样计算公式。
材料学院
教师：孙继兵
24
七、相机的分辨本领
照相机的分辨本领： 1）当一定波长的X射线照射到两个间距相近的晶面上时， 用衍射花样中两条相邻线条的分离程度来定量表征； 2）它表示晶面间距变化时引起衍射线条位置相对改变的灵 敏程度。 按照 面间距d发生微小改变值d，而在衍射花样中引起线条位置 的相对变化为L，则相机的分辨本领
材料学院 教师：孙继兵 2
多晶体粉末法
第一节
第二节
粉末照相法 X射线衍射仪
材料学院
教师：孙继兵
3
第一节 粉末照相法
一、德拜法及德拜相机 二、试样的要求 三、德拜照相法试样制备 四、底片的安装 五、摄照规程的选择 六、衍射花样的测量和计算 七、相机的分辨本领
材料学院 教师：孙继兵 4
德拜相的计算
材料学院
教师：孙继兵
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衍射花样的指标化
对立方晶系，衍射方向 对同一试样中同一物相，由于对任何线条所反映的点阵参数 a和摄照条件l均相同，所以可以考虑消掉 a与 l
2 把 sin 2 q 都用 sin q1 来除，得到
其中N为整数
按
h2 k 2 l 2
由小到大的顺序排列，并考虑到系统消光可以得到
材料学院 教师：孙继兵 35
材料表征技术
入射线
X射线
X射线 晶体结构 衍射规律
试样(晶
体)？
衍射线
分析（结构）
XRD谱 I:强度
d(2)：位置
XRD分析
结构
尺度：埃量级—核外电子结构；微米级的晶粒度。 尺度更大的孔隙、裂纹等
结构（或组织结构）（广义）包括从原子结构到 肉眼能观察到的宏观结构各个层次的构造状况的 通称。原子结构、分子结构、晶体结构、电畴结 构等。
材料表征技术(一)
金灯仁
参考书：无机非金属材料测试方法 材料现代分析方法
X射线衍射分析原理、方法、应用 （周上祺）等
(英文版)
绪论(一)
现代分析测试技术:是研究物质的微观状 态与宏观性能之间关系的一种手段.
人们能通过改变分子或晶体的结构来达 到控制物质宏观特性的目的,所以科学 技术的发展离不开分析测试.
• 传统的显微组织结构与成分分析测试方法
光学显微镜：100nm, 表面形态，难以实现同位微 区分析 化学分析：平均成分，不能给出元素分布
• X射线衍射与电子显微分析
• XRD:晶体结构、晶胞参数、晶体缺陷、相等。
• 局限性：无法形貌观察与晶体结构分析微观同位结 合；微 米、纳米级选择性分析
• 电子显微镜(EM,Electron Microscope)：用高能电子束 作光源，用磁场作透镜，高分辨率和高放大倍数
• 其它
X射线光电子能谱（XPS）、俄歇电子能谱（AES）、 扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）等
• 要求与目标 正确选择方法、制订方案、分析结果 为以后掌握新方法打基础
• 课程安排
第一章 X射线的性质
• •1.1 引言 • •1.2 X射线的本质 • •1.3 X射线的产生及X射线管 • •1.4 X射线谱 • •1.5 X射线与固体物质相互作用
材料仪器表征分析汇总表
材料仪器表征分析汇总表引言材料表征是材料科学研究领域中重要的一个分支，它通过使用各种仪器和技术对材料样品进行分析和表征，以揭示材料的结构、性质和功能。
在材料科学研究和工程应用中，材料表征的重要性不可忽视。
本文将汇总常见的材料仪器表征分析方法，并为每种方法提供相应的详细解释。
1. 扫描电子显微镜 (SEM)扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）是一种利用电子束和与材料相互作用产生的信号来观察和分析材料的表面形态、结构和成分的仪器。
它能够提供高分辨率的图像，揭示材料的微观形貌和表面特性。
SEM广泛应用于材料科学研究、制造和质量控制领域。
SEM的工作原理是使用聚焦的电子束对材料进行扫描，与材料发生相互作用后，产生的多种信号被接收和放大。
这些信号包括二次电子信号（SE）、反射电子信号（BSE）、散射电子信号（ESD）等。
通过分析这些信号，可以获取关于材料表面形态、成分和结构的信息。
2. 透射电子显微镜 (TEM)透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope, TEM）是一种利用电子束穿过样品而不是扫描样品的显微镜。
TEM能够提供高分辨率的图像，同时可以观察材料的晶体结构和微观缺陷。
在TEM中，电子束通过样品时会受到样品中的原子和结构的散射和吸收作用。
通过控制电子束的强度和角度，可以获取有关材料的晶体结构、缺陷和晶体学参数的信息。
TEM广泛应用于材料科学、纳米技术研究和生物科学等领域。
3. X射线衍射 (XRD)X射线衍射（X-ray Diffraction, XRD）是一种利用X射线与材料相互作用而产生的衍射现象来分析材料结构的方法。
XRD可以提供材料的结晶结构、晶体学参数和晶体品质的信息。
在XRD中，通过让X射线射向样品并观察出射角度和强度，可以获得由晶格产生的衍射图样。
通过分析衍射图样，可以推断样品的晶体结构和晶体学参数。
材料的表征技术PPT课件
2021
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红外光谱仪 一、仪器类型与结构
两种类型：色散型 干涉型（傅里叶变换红外光谱仪）
美国Nicolet公司AVATAR202-1360型FT-IR
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紫外可见吸收光谱
Ultraviolet and visible spectrophotometry UV—Vis
2021
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定义：紫外可见吸收光谱: 利用物质的分子或 离子对紫外和可见光的吸收所产生的紫外可 见光谱及吸收程度对物质的组成、含量和结 构进行分析、测定、推断的分析方法。
2021
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2. 物相分析 是指利用衍射的方法探测晶格类型和晶胞常数，
确定物质的相结构。 X-射线衍射 (XRD) 电子衍射 (ED) 中子衍射 (ND)
利用电磁波或运动电子束、中子束，与
材料内部规则排列的原子作用产生相干散射， 获得携带材料内部原子排列信息的衍射斑点， 重组处物质内部结构。
2021
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WDX1000波长色散X射线荧光光谱仪
2021
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能量色散X射线荧光光谱仪
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在宝石研究中的应用 X射线荧光光谱仪适用于各种宝石的无损测试。
具有分析的元素范围广； 谱线简单，相互干扰少，分析方法简单； 分析浓度范围较广，从常量到微量； 分析快速、准确、无损。
近年来受到世界各大宝石研究所和宝石检测机构 重视并加以应用。
2021
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红外光区的划分
分子振动能级间跃迁需要的能量小，一般在 0.025～1 eV间。 波长范围：0.75～1000 µm。
红外光谱区在可见光区与微波区之间
近红外区：0.75~2.5 µm （13333 ～ 4000 cm-1 ）
聚合物表征DSC-2014分析
热分析技术的概述
热分析的定义
热分析是在程序控制温度下，测量物质的物理性质与温度
之间关系的一类技术。 其数学表达式为：P
= f (T)，
其中 t 是时间，则 P
式中P为物质的一种物理量，T是物质的温度。 所谓程序控制温度就是把温度看作时间的函数：T = φ (t),
最大的差别是DTA只能定性或半定量，而DSC的 结果可用于定量分析
样品支持器示意图
DTA参比物：高温焙烧的α-Al2O3
DSC参比物：与样品盘相同的空样品皿
功率补偿型DSC测量原理
——动态零位平衡原理 • 通过外界对样品池或参比池补偿一定的 功率而使两者之间的T=Ts-Tr0； • DSC是通过测定试样与参比物所吸收的 功率差来代表试样的热焓变化。
（1）等温结晶动力学 （2）非等温结晶动力学
等温结晶动力学
Avrami方程:
1 X (t ) exp[k (T )t n ]
X(t)：t 时刻结晶分数 k(T)—与温度有关的结晶速率常数； n— Avrami指数，与成核机制和结晶形态有关
等温结晶过程的数学描述
结晶过程类似一个古典数学问题：雨点无规地落在水面上 ，每个雨点引起一个波环向四周扩散。
法一 直接法（粗略) 直接将DSC曲线纵坐标值代入（3）求c 法二 比例法（准确）
(3)
比例法测定比热容
• 样品
dH dT y mc dt dt dH dT ( )' y ' m' c ' dt dt
• 蓝宝石
• 两式相比：
c ym' c' y ' m
比例法测定比热容
4XRD分析方法
4XRD分析方法X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）是一种常用的材料表征技术，可以用于确定晶体结构、结晶度、晶粒尺寸和晶格常数等信息。
下面将介绍四种常见的XRD分析方法。
1.物相分析：物相分析是XRD最常用的应用之一，用于确定样品中存在的晶体物相。
通过比较样品的衍射图谱与标准物质的衍射图谱，可以确定样品中的晶体结构和晶格常数。
物相分析可以用于确定无机和有机材料的晶体结构，以及确定金属、陶瓷、合金等材料中的晶体相。
2.晶体结构解析：晶体结构解析是通过XRD确定材料的三维晶体结构。
通过测量样品的衍射强度、角度和峰形等信息，利用逆空间充分约束的结构解析方法，可以确定晶体的原子位置、晶胞参数、晶体对称性和空间群等。
晶体结构解析对于理解材料的物理和化学性质具有重要意义，特别是在无机固体中。
3.晶体品质分析：晶体品质分析用于评估晶体样品的完整性、缺陷含量和纯度。
缺陷如滑移、堆垛错位等可以通过分析XRD图谱的峰型和峰宽来监测。
此外，晶格畸变和晶格常数的测量也可以作为评估晶体品质的指标。
晶体品质分析在材料研究和工程应用中具有重要意义，可以帮助确定材料的可行性、优化制备工艺。
4.相变分析：相变分析用于研究样品在不同温度、压力或化学环境下的结构变化。
通过测量样品在不同条件下的衍射图谱，可以确定材料的相变温度、晶体结构的变化以及相变机制。
相变分析对于理解材料的相互作用和调控材料的物性具有重要意义，特别是在合金材料、储氢材料和铁电压电材料等领域。
综上所述，XRD分析方法包括物相分析、晶体结构解析、晶体品质分析和相变分析等。
这些方法在材料科学和工程中具有广泛的应用，可以帮助研究人员了解材料的微观结构和性质，并指导新材料的设计和制备。
XRD表征技术PPT课件
2、物相定量分析
基本原理
定 量 分 析 的 任 务 是 确 定 物 质 ( 样 品 ) 中 各 组 成 相 的 相 对含量。
由 于 需 要 准 确 测 定 衍 射 线 强 度 ， 因 而 定 量 分 析 一 般都采用衍射仪法。
设 样 品 中 任 意 一 相 为 j ， 其 某 ( H K L ) 衍 射 线 强 度 为 I j ，
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五、X-射线衍射分析应用
物相分析
定性分析 定量分析
单一物相的鉴定或验证 混合物相的鉴定
晶体结构分析Biblioteka 等效点系的测定 晶体对称性（空间群）的测定
晶粒度测定 晶体定向 宏观应力分析
点阵常数（晶胞参数）测定
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Ce0.3Ti0.7O2样品在不同温度焙烧下的XRD谱图
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CexTi1-xO2样品的XRD谱图
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可以看出，
400 ℃ 、
500℃下煅烧
的
样品粒径很小；
600℃下煅烧
的晶粒较为清
楚；而
物质时转变为其它形式的能量。对X射线而
言，即发生了能量损耗。有时把X射线的这
种能量损耗称为吸收。物质对X射线的吸收
主要是由原子内部的电子跃迁引起的。在这
个过程中发生X射线的光电效应和俄歇效应，
使X射线的部分能量转变成为光电子、荧光X
射线及俄歇电子的能量。此外入射X射线的
聚合物表征XRD-2014
主要内容
１.X射线的产生及其性质 2.晶体基本概念
3.测量原理 4.X射线衍射在聚合物中的应用
１.X射线的产生及其性质
1896年，德国物理学家伦琴 (W.C.Rontgen)发现X射线,标志着现代物 理学的产生
19世纪末20世纪初物理学的三大发现:X射线 1896年、放射线1896年、电子1897年
确的方法。
从衍射图可以获得的信息
1 2 3 4 5 )定性判断是否存在结晶 )定量测定结晶度 )计算各晶面间距及平均晶粒尺寸 )判断晶型并测定某种晶型含量 ) 判断样品中是否存在微晶取向， 测定微晶单轴取向指数 6 )常规物相鉴定
XRD在聚合物研究中的应用
１．进行物相分析
*一般化学分析是分析组成物质的元素种类 及含量 *物相分析则能给出元素间化学结合的状态 和物质的聚集态结构
X 射线衍射的发展历史
1894年11月8日，德国物理学家伦琴将阴极射线管放在一个 黑纸袋中，关闭了实验室灯源，他发现当开启放电线圈电 源时，一块涂有氰亚铂酸钡的荧光屏发出荧光。用书，2-3 厘米厚的木板或几厘米厚的硬橡胶,水等液体进行实验，结 果表明它们也是“透明的”，铜、银、金、铂、铝等金属 也能让这种射线透过，只要它们不太厚。伦琴意识到这可 能是某种特殊的从来没有观察到的射线，它具有特别强的 穿透力。 1895年12 月22 日，伦琴和他夫人拍下了第一张X射线照片。 1896年，伦琴在他的论文(Nature,1896)中指出:X射线穿过 物质时会被吸收;原子量及密度不同的物质,对X射线的吸收 情况不一样;轻元素物质对X射线几乎是透明的,当通过重元 素物质时,透明程度明显减弱;X射线能使荧光物质发出荧光, 能使照相底片感光,能使气体电离. 伦琴把这一新射线称为X射线，因为他当时无法确定这一新 射线的本质。
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物相定量分析
• 衍射强度
X-Ray Diffraction studies run in series. Pasp: polyaspartic acid (聚天冬氨酸)
衍射峰的强度？
• 在入射X光的作用下，原子中的电子构成 多个X辐射源，以球面波向空间发射形成 干涉光；
– 强度与原子类型、晶胞内原子位置有关；
X射线衍射定量分析
• 因此根据衍射强度，从理论上将无法精确确定混 合物中的精确含量；
• 不仅要求鉴别物相的种类，而且要求测定各物相 的相对含量，进行定量分析；
• 各相的衍射线的强度，随该相含量的增加而提高
– 各物相对X射线的吸收不同，使得“强度”并不正比 于“含量”，而须修正。
朗伯－比尔定律
• 当用一适当的波长的单色光照射吸收物 质的溶液时，其吸光度与溶液浓度和透 光液层厚度的乘积成正比
物质微区不均匀性，例如存在纳米级别的异 类颗粒或孔隙，则会在 2θ<5o 范围内出现相 应的漫散射谱线即小角散射现象。
I
2θ
衍射强度
衍射积分强度：X射线受晶体中众多电子散 射后的干涉与叠加结果。原子在晶胞中位置 及原子种类则决定了衍射强度。
面积不变பைடு நூலகம்
衍射强度
有两种类型的散射
相干散射：波长与入射线波长相同即能量未变化，也 称汤姆逊散射
– A相的质量分数
• WA=IA/(IA)0
– 如混：合某样样 品品 中由 的质αA量l2O分3和数γ，Al2O3组成，欲测定αAl2O3在
• 先用衍射仪测量纯αAl2O3某衍射峰的强度（一般用最强线， 但不应有其他衍射峰的重叠）， 为（IA）0。
• 再IA，在同样实验条件下测定混合样中αAl2O3同一根线的强度
2θ
物质结构状态与散射(衍射)谱线
原子近程有序但远程无序情况，例如非 晶体材料。由于近程原子的有序排列， 在配位原子密度较高原子间距对应的 2θ 附近产生非晶散射峰。
I
2θ
物质结构状态与散射(衍射)谱线
非晶体材料的近程原子有序度越高，则 配位原子密度较高原子间距对应的非晶 散射峰越强，且散射峰越窄。
X射线衍射可以得到的信息
• 定量分析
• 根据衍射峰（线）的强度； • 实际晶体不具有理想的完整性； • 入射线也不可能完全平行和单色； • 在同一实验条件下，衍射的相对积分强度I
衍射线
衍射峰
• I＝M·Lp·F2·e-2M·A*(θ)· (PO)
– M:多重性因数； – Lp：洛伦兹偏振因数； – F2：结构因数； – e-2M：温度因数； – A*(θ)：吸收因数； – (PO)：择优取向因数
I
2θ
物质结构状态与散射(衍射)谱线
理想晶体的衍射谱线，是布拉格方向对应的 2θ 处产生没有宽度的衍射线条。
前提是不存在消光现象。
I
2θ
物质结构状态与散射(衍射)谱线
实际晶体中
由于存在晶体 缺陷等破坏晶 I
体完整性的因
素，导致衍射
谱线的峰值强
2θ
度降低，峰形
变宽。
I
2θ
物质结构状态与散射(衍射)谱线
X射线衍射可以得到的信息
晶面的择优取向生长
• 试样中的晶粒显著倾向于某一晶体学方向称为择优取向； • 对于强解理的物质，可以发现择优取向； • 各向异性：制备这类材料时，容易发生择优取向，如片
状晶体和针状晶体，从而具有不同的物理（光、电、磁 等）性能； • 方法：根据该物质的标准卡片， In/I0是固定的，但是如 果实际测试的结果与In/I0不同（一般是变大），则相应 的晶面发生了择优取向。 • 注意：粉末衍射中试样要足够细，以免产生颗粒效应
• 物相定量分析的准确度与样品状况有密切关系
• I＝M·Lp·F2·e-2M·A*(θ)· (PO)
– 试样颗粒的大小， – 混合样中各相分布均匀，避免微晶体的择优取向。
X射线衍射可以得到的信息
• 物相鉴定
– 定性 – 定量
• 晶面的择优取向生长 • 结晶度的测定 • 晶胞参数的确定 • 晶粒尺寸的测定（谢乐公式） • 膜厚的测定 • 薄膜的应力分布
– 以 IA/IB为纵坐标，A物质含量为横坐标, 作工作曲线。 – 测试未知试样的X射线衍射图谱，计算其中衍射主极
大的峰的积分强度IA/IB， – 根据工作曲线则可以测得其中组分的含量。
工作曲线
IA/IB
IAX/IBX
C1 C2 C3CXC4 C5
A相含量
X射线衍射定量分析
• K值法及参比强度法（自学）
• 物质结构状态与散射(衍射)谱线
– 自然界中物质常见的结构状态包括：
• 原子完全无序(稀薄气体) • 原子近程有序但远程无序(非晶) • 原子近程有序和远程有序(晶体)
物质结构状态与散射(衍射)谱线
原子完全无序情况 ，例如稀薄气体。在 进行X射线分析时，只能得到一条近乎水 平的散射背底谱线。
I
材料表征分析技术
Material characterization techniques
屈树新
西南交通大学材料科学与工程学院
X射线衍射可以得到的信息
• 物相鉴定
– 定性 – 定量
• 晶胞参数的确定 • 晶面的择优取向生长 • 结晶度的测定 • 晶粒尺寸的测定（谢乐公式） • 膜厚的测定 • 薄膜的应力分布
非相干散射：波长则大于入射线波长即能量降低。称 为康普顿散射
• 非相干散射不能在晶体中参与衍射，只在衍射谱线上形成 强度随 sinθ/λ 增加而增大的连续背底，
• 入射波长愈短、被照物质元素愈轻，则这种效应愈显著。
– 二次特征辐射：当入射X射线将样品原子内层电子击 出，从而产生光电效应及光电子。原子被击出内层电 子后，将发生外层电子向内层跃迁的过程，同时发生 二次特征辐射。
– 简单但精度稍差。
X射线衍射定量分析
• 内标法
– 待测试样中含有多个物相 – 各相的质量吸收系数不同。
• 先完成工作曲线，确定混合物中的不同组分的 含量。
X射线衍射定量分析
• 例：
– 按不同配比均匀混合A和B相，如100:0， 90:10， 80:20， 70:30， ……
– 分别测试其X射线衍射，计算衍射主极大的峰的积分 强度IA/IB，
A＝kcb
I=kc
– A：吸光度；
– k：比例常数，与入射光的波长，溶液的性质、 厚度、浓度以及温度有关；
– c：溶液浓度； – b：溶液厚度。
X射线衍射定量分析
• 单线条法（外标法、直接对比法）
– 测量混合样品中欲测相（A相）某根衍射线的强度并 与纯A相同一条强度对比，既可定出A相在混合样品 中的相对含量