x射线测结晶度和晶粒尺寸

X 射线测结晶度和晶粒尺寸

一、实验目的

1、利用X 射线衍射仪测结晶度及其计算方法；

2、掌握晶粒尺寸的计算方法和测试方法。

二、实验原理

X 射线衍射法的理论依据是：由N 个原子所产生的总得相干散射强度是一个常数，而与这些原子相互间排列的有序程度无关。假设为两相结构，总相干散射强度等于晶区与非晶区相干散射强度之和。即

ds s I s ds S I s ds s I s a C )()()(222⎰⎰⎰+= (1)

(1)式中I c 和I a 分别为晶相和非晶相的相干散射强度，设总原子数为N ，则

N=N c +N a ，N c 、N a 分别为晶相和非晶相的原子数，于是，结晶度Xc 等于:

⎰⎰⎰+=+=002202)()()(ds s I s ds s I s ds

s I s N N N X a c c a C C C

)(p

q k kA A A qA pA pA a c c a c c =+=+= (2) 式中Ac 、Aa 分别为衍射曲线下，晶体衍射峰面积和无定形峰面积。P 、q 为各自的比例系数。在进行相对比较时也可以认为K=1，则： %100⨯+=a

c c c A A A X （3） 因此，只要设法将衍射曲线下所包含的面积分离为晶区衍射贡献和非结晶区相干散射的贡献，便可利用（3）式计算结晶度。

按照两相结构理论，高聚物由晶相与非晶相所组成。高聚物X 射线衍射谱图由晶区衍射峰与非晶区散射峰叠加构成。从叠加谱中划分出晶区衍射贡献，计算结晶度是有一定困难的。 Challa 做了两个假设（1）样品中非晶散射曲线与完全无定形样品散射谱相同。（2）指定某两相邻晶峰之间的峰谷为非晶散射强度，按相对高度法划定两相贡献的分界线。这一方法所得结晶度值偏低，主要是由于将部分微晶衍射及晶格畸变宽化划归非晶散射所致。完全无定形样品的制备在一

定程度上改变结晶度值。Rulland法是X射线衍射测定高聚物结晶度的各种方法中理论基础较好的一种。由于热振动和晶格畸变的存在，晶区的部分衍射贡献落入谱图非晶散射中，Rulland法对此进行了相应校正，以获得合理的结晶度值。但在晶区衍射与非晶区散射分界的原始确定上仍存在有较大的任意性，这一方法使实验数据收取及处理过程复杂。Hindeleh使用计算机拟合法对纤维赤道谱进行分峰，设定晶峰为高斯——柯西混合型函数，非晶散射为多项式，用晶峰和非晶峰面积计算结晶度，消除了两种衍射贡献划分上的任意性。但所得数值缺乏全反射球意义，结果值偏高。相对指数法所得结晶度数据仅有相对意义，且由于标样的差异使得测定结果相差很大，数据没有可比性。

考虑上述几种测定方法的不足，我们提出一个涤纶纤维结晶度测定的实用方法。

纤维“粉末”样品的径向散射谱图上几乎包含了全部晶区和非晶区的散射贡献，具有较好的全反射球统计性。用纤维赤道谱分峰获得非晶散射曲线函数式。设定粉末谱上角2θ在14°至16°之间没有晶区贡献，利用这一区间粉末谱的强度计算非晶散射峰高，求出两相散射各自分量，计算结晶度。本方法不需要制备任何标样，计真过程只涉及省时而易于收敛的简单程序，获得合理的结晶度值。

三、实验步骤

（一)样品的制备：将涤纶长丝剪成粉末状，然后用胶水均匀地粘在玻璃边上，要保证其密实、均匀。

（二)样品测定：

1)开机前的准备和检查

将制备好的试样插入衍射仪样品架，盖上顶盖关闭防护罩；开启水龙头，使冷却水流通；X光管窗口应关闭，管电流管电压表指示应在最小位置；接通总电源，接通稳压电源。

2)开机操作

开启衍射仪总电源，启动循环水泵；待准备灯亮后，接通x光管电源。缓慢升高管电压、管电流至需要值(若为新X光管或停机再用，需预先在低管电压、管电流下"老化"后再用)。打开计算机X射线衍射仪应用软件，设置合适的衍射条件及参数，使计数管在设定条件下扫描。

3)停机操作

测量完毕，缓慢顺序降低管电流、管电压至最小值，关闭X光管电源；取出试样；15分钟后关闭循环水泵，关闭水龙头；关闭衍射仪总电源、稳压电源及线路总电源。

四、实验结果及分析

实验结果如附图。先用软件进行拟合、分峰。得到晶相和非晶相，经积分得到峰的面积，结果如附图。由数据可计算涤纶的结晶度：

%

44 .

53

%

100

873725

.

91

136995

.

78

972893

.

21

350091 .5

136995

.

78

972893

.

21

350091 .5%

100

=

⨯

+

+

+

+

+

=

⨯

+

=

a

c

c

c A

A

A

X

这与实验结果基本相符，误差在所允许的范围内。