聚合物表征与测试4.XRD2015
材料表征分析技术-4-XRD-2014
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
高聚物的测试与表征
1.在涉及高聚物力学行为的场合下，必须同时考虑应变、应力、温度、时间四个参数。
2.测定链结构的方法：X射线衍射法（大角），电子衍射法，紫外吸收光谱，红外吸收光谱，拉曼光谱，核磁共振法，荧光光谱，旋光分光法，电子能谱。
3.测定聚集态结构的方法：X射线小角散射，电子衍射法，电子显微镜（TEM、SEM），原子力显微镜。
4.测定结晶度的方法：X射线衍射法，电子衍射法，核磁共振吸收（宽线），红外吸收光谱，密度法，热分析法。
5.高聚物本身从某种模式分子运动状态改变到另一种平衡模式分子运动的状态，这就是转变，或称松弛。
6.测定体积的变化：膨胀计法，折射系数测定法测定热学性质的方法：差热分析法（DTA），差示扫描量热法（DSC）测定力学性质的变化的方法：热机械法，应力松弛法测定电磁效应：介电松弛，核磁共振第一章波谱分析1.中红外区，波长：2um~25um；运动形式：分子基频振动；光谱法：红外光谱第二章红外光谱IR（分子振动-转动光谱）1.红外光区在电磁总谱中指波长在750nm~1000um的区域。
分成近红外区，中红外区，远红外区。
2.复杂分子的简正振动分为两类：伸缩振动和弯曲振动伸缩：指原子沿着键轴方向伸缩使键长发生变化的振动方式。
特点：键长变化，键角基本不变弯曲振动：变形振动。
特点：键长不变化，键角发生变化（周期性）3.红外光谱两种表示方法。
（横坐标相同，纵坐标不同）a．记录原始光强在通过样品后透过光的强度变化百分比（透过率T）b．记录样品吸收的红外光强度（吸光度A）T=I/I0³100% A=lg1/T=lgI0/I I0：入射光强度 I：透过光强度4.通常把能代表某种基团存在并有较高强度的吸收峰称为基团的特征吸收峰，此峰所在的频率称为基团的特征吸收频率。
P11表2-1！5.聚合物的红外光谱图能反应：①聚合物结构单元的化学组成，单体之间的连接方式；②特殊结构如支化，交联及序列分布6.制样方法：溶液流延薄膜法，热压薄膜法（用于聚烯烃），溴化钾压片法（粉末状），切片法，可拆卸液体池法（低聚物，有机物）7.影响吸收谱带位移的内部因素a．诱导效应（I效应）与电负性有关b．共轭效应（C效应）吸收频率低c．氢键效应伸缩振动：作用越强，吸收频率下降，谱带变宽；弯曲振动：氢键形成，吸收频率升高，谱带变窄d．偶合效应分子内两个基团位置很近，振动频率很近，发生振动偶合8.影响谱图质量因素：仪器参数的影响，环境因素。
化合物结构表征课件第二章XRD定量相分析
布拉格方程
衍射波的角度与晶面间距 、X射线波长和晶面取向有 关，可以用布拉格方程表
示。
晶体结构与XRD
晶体结构的周期性导致X射 线衍射现象的出现，不同 的晶体结构具有独特的衍
射图谱。
XRD定量相分析的方法
相对强度法
通过测量各衍射峰的强度，利用已知 纯物质的标准谱图进行对比，计算各 相的相对含量。
绝对强度法
晶体结构的解析
晶体结构类型
根据衍射数据确定晶体所属的晶系和 空间群。
晶胞参数
通过晶格常数计算晶胞参数，如晶格 类型、晶格常数等。
定量相分析的计算方法
峰面积法
通过测量各物相衍射峰的 面积或高度，计算各物相 的相对含量。
线性组合法
通过测量各物相衍射峰的 角度位置，利用线性组合 计算各物相的相对含量。
案例三：矿物材料的XRD定量相分析
总结词
通过XRD技术对矿物材料的晶体结构和相组成进行定量分析，有助于了解矿物的形成过程和演化历史 。
详细描述
矿物材料是由地质作用形成的天然矿石和矿物集合体，其晶体结构和相组成反映了地球的形成和演化 历史。XRD技术可以对矿物材料的晶体结构和相组成进行定性和定量分析，从而了解矿物的形成过程 和演化历史，为地质学和地球科学的研究提供重要依据。
案例二：陶瓷材料的XRD定量相分析
总结词
利用XRD技术对陶瓷材料的晶体结构和相组成进行定量分析，有助于优化陶瓷 材料的制备工艺和提高其性能。
详细描述
陶瓷材料广泛应用于电子、能源、环保等领域，其性能与晶体结构和相组成密 切相关。XRD技术可以对陶瓷材料的晶体结构和相组成进行定性和定量分析， 从而优化制备工艺，提高陶瓷材料的性能和稳定性。
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聚合物表征与测试4.XRD2015
XRD
39
多晶结构
多晶： 大量微单晶的聚集体
常见的多晶结构： 球晶
片晶
串晶
树枝晶
10/20/2020 12:42 PM
XRD
40
多晶体
单晶体
多个晶粒堆积而成 一个晶格贯穿整个晶体
10/20/2020 12:42 PM XRD
41
晶面
➢为便于确定X射线衍射的方向，Bragg借 用了晶体学中的晶面概念。晶面是指过 晶体基元的几何平面。
36
单斜晶系 monoclinic
c
a
c
a
b 简单单斜
b 底心单斜
a b c, = g = 90
10/20/2020 12:42 PM XRD
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三斜晶系 triclinic
c
g
b
a
a b c, g 90
10/20/2020 12:42 PM XRD
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七个晶系的晶格参数
阴极发射电子方向差异，能
量损失随机；
Ee
eU
1 2
m0
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XRD
16
（2）X射线特征光谱
特征光谱产生： 碰撞→跃迁↑(高) →空穴→跃迁↓(低)
特征谱线的频率：
n1 n2
E n1
En2 h
cR( Z
)2
n22
1
n12
R=1.097×107 m-1,Rydberg常数；
立方 六方 四方 三方 斜方 单斜 三斜
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a = b = c, = = g = 90 a = b c, = = 90, g 120 a = b c, = = g = 90 a = b = c, = = g 90 a b c, = = g = 90 a b c, = g = 90 a b c, g 90
聚合物光电磁性能的表征
聚合物光、电、磁性能的表征| [<<][>>]用途对电磁波（光、电、磁）而言，传统上认为聚合物仅是惰性的绝缘材料，不导电，不导磁，对光也仅是吸收透过和反射，不会对电磁波产生影响。
随着科学技术的发展，逐渐出现了导电高分子化合物，导磁高分子化合物和对光波有调制作用的非线性高分子化合物。
这些新高分子化合物的出现，引起人们对高分子聚合物用作光、电、磁材料产生了兴趣。
为了探讨高分子聚合物在光、电、磁等信息领域的应用，产生了对高分子化合物光、电、磁性能表征的需要。
目前，对高分子光、电、磁性能的表征，主要是表征下述一些参数：光学性能：透光率，折光指数（n），非线性光学性质（二阶、三阶极化系数，倍频系数（d），线性电光系数（r），折光指数变化系数（n2）等）；电性能：电导率（σ），电阻率（ρ），电阻的温度系数，电致发光性能，介电常数（ε＇），介电损耗ε＂（或复数介电常数ε，ε＝ε＇＋jε＂）等；磁性能：磁导率（μ＇），磁损耗μ＂（或复数磁导率μ，μ＝μ＇＋jμ＂）磁滞曲线等。
由于水平所限，这里只收集了部分的表征方法，希望能起到抛砖引玉的作用，盼有关学者能协助补充其他性能的表征方法。
表征方法及原理（1）油浸法测聚合物纤维的折射率采用偏光显微镜观测浸于油中的纤维，“浸油”是用阿贝折光仪已测得折光指数的油剂，变换不同折光指数的油剂浸泡纤维，用偏光显微镜来观测，直至偏光显微镜目镜中不再出现纤维和浸油界面因折射率不同而出现的黑线带（称贝克线）为止，这时浸油的折光指数就是纤维在某一个方向的折光指数（例称为n││）。
再旋转载物台9 0度，如上方法测定纤维在垂直前一方向的折光指数（例称为n┴）。
如此，即可得到纤维状聚合物在二个不同方向上的折光指数。
（聚合物成纤时，纤维内部高分子有取向产生，因此出现双折射现象）。
（2）聚合物电阻率（ρ）、电导率（σ）的测量对高聚物的导电性能表征，常常需要分别表征表面导电性能和体积导电性能，即表面电阻率（ρs）（表面电导率σs），和体积电阻率ρv（体积电导率σv）。
XRD报告-2015
X射线衍射实验报告实验名称: X射线衍射仪操作与物相定性分析一、实验目的。
1、熟悉X射线衍射仪的基本结构和工作原理；2、基本学会样品测试过程；3、掌握利用衍射图进行物相定性分析的方法；4、熟悉用PDF(ASTM)卡片及索引对多相物质进行相分析。
二、实验步骤。
（一）认识DX-2700型X射线衍射仪的基本结构。
X射线衍射仪一般由X射线发生器，测角仪，计数器，数据处理系统等部分组成。
（二）实验参数的选择。
1、X光管靶材料的选择。
2、X光管的管压和管流的选择。
3、滤波片的选择。
4、狭逢参数的选择。
5、时间常数。
6、扫描速度选择。
（三）样品准备。
包括：粉末样品制备；固体样品制备；薄膜样品制备。
（四）操作规程步骤。
1、首先打开实验室仪器房电源开关，打开仪器稳压电源开关。
启动循环水电源开关。
2、打开计算机。
3、开X射线衍射仪。
4、放置样品。
5、开始测量。
6、关机。
（五）X射线的物相分析。
1、了解物相分析的依据。
2、利用Jade软件进行物相分析。
3、计算d值，标出衍射线对应的晶面指数。
三、实验报告要求。
（操作通常的实验报告格式）基本内容应包括如下几部分。
1、DX-2700型X射线衍射仪的主要组成及其工作原理。
2、DX-2700型X射线衍射仪主要实验参数及设置。
3、试样准备过程及步骤。
4、DX-2700型X射线衍射仪的操作步骤。
5、X射线物相分析的主要步骤（针对实验中的具体试样进行分析）。
6、物相分析结果解释（包括如何使用Jade软件及步骤）。
7、回答以下几个问题：解释晶体和非晶体；衍射现象；粉晶X射线衍射原理；连续谱概念及产生机理；特征谱概念及产生机理；解释布拉格方程及其物理意义；说明粉末X射线衍射仪工作原理（用文字叙述）；说明粉末X射线衍射仪主要性能指标；解释X射线的产生机理。
聚合物表征与测试2.FTIR
10/20/2020 13:457 PM
3 50 0 3 50 0
3 00 0 3 00 0
2926.02
2926.02 2853.53
2853.53
2 50 0
2 00 0
Wa ven umb ers (cm-1)
2 50 0
2 00 0
Wavenumbers (cm-1)
1 50 0 1 50 0
1608cm-1
红外吸收谱带
• 4000-2000cm-1
2000-400cm-1
分子骨架振动区 指纹区
10/20/2020 1:47 PM
49
IR Absorbance Bands
官能团区
4000 - 1300 cm-1
Functional Group Peaks 较为稀疏，容易辨认
指纹区
1300 - 400 cm-1 Fingerprint Peaks
光源
样品
棱镜 或光栅
检测器 狭缝
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光谱图
3.2 FT-IR
10/20/2020 1:47 PM
迈克耳逊干涉仪 干涉图
傅里叶变换
40
3.2.1 FT-IR仪器结构图
M1（动镜） 迈克耳逊干涉仪
光 源
M2（定镜）
分束器
检
样品池
测 器
合成干涉光 （各种频率）
10/20/2020 1:47 PM
10/20/2020 1:47 PM
36
3.FTIR仪器结构
色散型 光栅型 干涉仪+傅立叶变换
10/20/2020 1:47 PM
37
小角X射线散射及聚合物表征分析 ppt课件
ppt课件
16
（5）散射体的自相似性（是否有分形特征）
II.定量分析：
散射体尺寸分布、平均尺度、回转半径、相关距离、 平均壁厚、散射体体积分数、比表面、平均界面层厚度、 分形维数等。
Guinier公式必须满足qRg <1的条件才有效。
ppt课件
15
（3）两相界面是否明锐（对Porod定理的负偏离）； （4）每一相内电子密度的均匀性（对Porod定理的正偏离）； Porod公式：
k是Porod常数,它表明具有明锐界面的散射体在大角区 域的散射强度遵守q−4规则。正偏离反映基体微结构的不
晶百分数 研究分子运动和相变
ppt课件
20
1 .云纹法、红外热像法（只能检测材料表面情况）
云纹法(moire method)又称莫尔纹法，是变形分析的一种模拟方法，由光的 干涉而产生。此法即利用光的机械干涉形成的云纹图进行分析。分为面内和影像 (面外)云纹法两类:根据前者的平行云纹图和转动云纹图可求得应变场;后者已成功 地用于褶皱形式和断裂变形场的分析。
ppt课件
2
1.2.理论基础：
20世纪初，伦琴发现了比可见光波长小的辐射。由于对该 射线性质一无所知，伦琴将其命名为X射线 (X-ray)。
到20世纪30年代，人们以固态纤维和胶态粉末为研究物 质发现了小角度X射线散射现象。
当X射线照射到试样上时，如果试样内部存在纳米尺度的 电子密度不均匀区，则会在入射光束周围的小角度范围内 （一般2 6º）出现散射X射线，这种现象称为X射线小角散 射或小角X射线散射（Small Angle X-ray Scattering,简写为 SAXS ）。
化合物结构表征课件第二章XRD定量相分析
形成氢键的羟基 —— 移向低波数，宽而强的吸收
醇、酚：
3600 cm-1附近，中等强度的尖峰
羧酸：
27002500 cm-1附近，峰形宽而钝
H2O 3300 cm-1附近
25
(2) CH
3000 cm-1前后
不饱和CH > 3000 cm-1 饱和CH < 3000 cm-1
CH3 CH2
2962 cm-1，反对称伸缩振动 2872 cm-1 ，对称伸缩振动 2926 cm-1，反对称伸缩振动 2853 cm-1 ，对称伸缩振动
分析等。
参考书:
1、于世林： 波谱分析法，重庆大学出版社
2、吴 刚： 材料结构表征及应用，化学工业出版社
3、陈镜泓： 热分析及其应用，科学出版社
1
第一部分 波谱分析表征技术 第一章 红外光谱
2
1.1 概述
• 红外光谱具有测定方法简便、迅速、所需 试样量少，得到的信息量大的优点，而且仪器 价格比核磁共振谱和质谱便宜，因此红外光谱 在结构分析中得到广泛的应用。
5
1.1.2 红外光谱基本知识
1.各种光谱区域 红外光是一• 近红外区（波长范围0.7-2.5μm）(15000-4000cm-1 )
低能量的电子跃迁及X-H的伸缩与弯曲振动的倍频与组合 频都在此区，与基频相比强度较弱.相差约两个数量级之多， 测定时需要加大样品的浓度。可用于定性定量分析。
根据存在的化学键和官能团以及其他结构 信息，通过与标准谱图的对比推断分子结构， 进行定性分析。
4
3.定量分析 红外光谱适用于一些异构体和特殊体系的
定量分析，它们的红外光谱尤其是指纹区的光 谱各有特征，因此可利用各自特征吸收峰的强 度定量。 4.鉴定无机化合物
聚合物表征与测试方法
聚合物表征与测试方法先说说啥是聚合物表征呢？简单来讲，就像是给聚合物做个全面“体检”，搞清楚它到底是啥样的。
那为啥要做这个表征呢？这就好比你找对象，得先了解对方的各种情况一样。
对于聚合物，我们得知道它的分子结构、分子量大小之类的重要信息。
咱先聊聊分子量的测试方法。
有个叫凝胶渗透色谱（GPC）的家伙，可神奇啦。
它就像是一个筛子，把不同大小的聚合物分子按照个头大小给分开，然后就能算出分子量啦。
这就像把一群小动物按照体型大小排队一样有趣呢。
还有端基分析法，通过测定聚合物分子链末端的基团数量，也能推算出分子量，就像数着一串珠子的两端来估摸珠子的总数。
再说说结构表征吧。
红外光谱（IR）就像是聚合物的“声音”。
不同的化学键在红外光下会发出不同的“声音”，也就是吸收不同频率的光。
我们通过听这些“声音”，就能知道聚合物里有哪些化学键，就像听一个人说话的口音能判断他是哪里人一样。
核磁共振（NMR）也很厉害，它能深入到聚合物分子内部，告诉你每个原子周围的环境是啥样的，就像给分子内部来个超级详细的“家访”。
还有热分析方法呢。
热重分析（TGA）就像是给聚合物“烤一烤”，看它在加热过程中重量怎么变化。
如果在某个温度下聚合物突然变轻了很多，那就说明它在这个温度可能发生了分解之类的反应。
差示扫描量热法（DSC）也很有趣，它能测量聚合物在加热或者冷却过程中吸收或者放出热量的情况，就像知道一个人在不同温度下是怕冷还是怕热一样。
另外，还有像X - 射线衍射（XRD）这种方法，可以用来研究聚合物的晶体结构。
如果聚合物是晶体，那XRD就能像照X光一样，把它内部的晶体结构给显示出来，就像看一个精心搭建的积木城堡内部的结构一样。
Xrd在聚合物结构检测中的应用资料
Xrd在聚合物结构检测中的应用X射线衍射技术在聚合物结构检测中的应用摘要：X射线衍射法是研究聚合物结构的主要手段之一。
本文首先介绍了X射线衍射仪和X射线的产生过程。
当在真空管中的两极之间加上高电压时，阳极靶材中的内层电子发生跃迁从而产生X射线。
介绍了X射线衍射产生的基本原理和X射线衍射的实验方法，论述了X射线衍射技术在聚合物定性检测方面的应用。
关键词：X射线；衍射；聚合物；结晶性1. 引言X射线的衍射现象起因于相干散射线的干涉作用。
当一束X射线照射到晶体上时，出于晶体是由原子有规则排列成的晶胞所组成，而这些有规则排列的原子间距离与入射X射线波长具有相同数量级，故由不同原子散射的X射线会相互干涉叠加，在某些特殊方向上产生强的X射线衍射。
衍射方向与晶胞形状及大小有关，衍射强度则与晶胞方式有关。
由此可以通过衍射现象来分析晶体内部结构的诸多问题。
另外，X射线衍射对于液体和非晶态固体也能提供许多重要数据。
可以说X射线衍射是探索物质微观结构及结构缺陷等问题的有力工具。
自1912年德国物理学家劳厄从理论上预测并用实验证实了X射线射到晶体上能发生衍射现象，并推导出劳厄衍射方程以来，X射线衍射技术发展很快。
1923年赫维西提出了应用X 射线荧光光谱进行元素的定量分析，但由于受到当时检测技术水平的限制，该法并末得到实际应用，直到20世纪40年代后期，随着X射线管和分光技术的改进，X射线荧光分析才开始进入蓬勃发展的时期，成为一种极为重要的分析手段。
目前X射线衍射、X射线荧光技术已广泛应用于化学、材料科学、矿物学、生物学等各个领域，也可以作为当前高分子材料剖析中基本和重要的测试技术。
2. X射线衍射原理2.1 X射线衍射仪器结构传统的衍射仪由X射线发生器、测角仪、检测器、记录仪等几部分组成。
图1是目前常用的热电子密封式X射线管的示意图。
阴极由钨丝绕成螺线形，工作时通电至白热状态。
由于阴阳极间有几十千伏的电压，故热电子以高速撞击阳极靶面。
聚合物材料取向度的测试方法简述
聚合物材料取向度的测试方法简述聚合物材料的取向度是指分子链或晶格结构在空间中的排列方向和程度。
取向度对于聚合物材料的性能和加工过程具有重要影响，因此对聚合物材料的取向度进行测试是非常重要的。
目前常用的测试方法有X射线衍射法、红外吸收光谱法、拉曼光谱法和偏光显微镜法等，这些方法均可以通过测定材料在不同方向上的物理性能变化来评估材料的取向度。
下面将简要介绍几种常用的测试方法：1. X射线衍射法X射线衍射法是一种用来测定材料结晶结构的方法。
通过照射材料表面，并测定X射线在不同角度上经过材料后的衍射图样，可以得到材料的晶体结构的信息，包括晶格常数、晶体取向和结晶度等。
X射线衍射法是一种精确的测试方法，可以用于评估聚合物材料的晶体取向度。
2. 红外吸收光谱法红外吸收光谱法是通过测定分子振动谱图来分析材料的取向度。
聚合物材料中不同取向度的分子链会导致不同的振动频率和吸收峰的强度。
通过分析吸收光谱图，可以定量评估聚合物材料的取向度。
这种方法简单易行，可以在常规实验室条件下进行。
4. 偏光显微镜法偏光显微镜法是一种直观的观察材料取向度的方法。
通过将聚合物材料置于偏光显微镜下观察，可以直接看到材料内部的结构排列情况。
这种方法简单直观，可以用于快速评估材料的取向度。
除了上述方法外，还有一些其他的测试方法，例如透射电镜法、磁旋转法等，这些方法也可以用于评估聚合物材料的取向度。
值得注意的是，不同的测试方法有其适用的范围和精度，选用合适的测试方法对于准确评估聚合物材料的取向度是非常重要的。
对于聚合物材料的取向度测试是非常重要的，可以通过测定材料在不同方向上的物理性能变化来评估材料的取向度。
有了对材料取向度的准确评估，可以更好地了解材料的结构和性能，为材料的设计和加工提供重要参考。
聚合物材料表征与测试课程教学浅析_王倡春
334现代企业教育MODEＲN ENTEＲPＲISE EDUCATION在历次教学过程中，教员都会强调学习讨论和研究的重要性，尤其是对我校集体生活的学员来说，互助学习的重要作用更为凸显。
学习互助的方式很多，例如，学员队可根据学员的实际情况，指定学习优秀的学员充当“小教员”，以辅导的形式组成学习帮扶小组。
或者是，由教员制定讨论话题，在教员的指导下，由学员队定期组织学习研讨活动，帮助所有学员巩固和强化所学内容，达到教学相长的效果，促进共同进步。
四、结束语函数连续性教学中透露出的问题在学员学习本课程的过程具有一定的普遍性，教员在分析原因和制定措施时都要从学员的现实情况考虑，充分结合自身的教学实际，多思考多总结，突出针对性和实用性。
只有这样，教员在教学中才能不断提高教学水平，促进教学质量和教学层次的不断提升。
参考文献：［1］吴振英．论极限的思想方法［J ］．广州大学学报（自然科学版），2003，10．［2］张奠宙．教育数学是具有教育形态的数学［J ］．数学教育学报，2005．8．［3］辛志英，王升．保证主体教学有效性的策略［J ］．课程·教材·教法，2009，（5）：21．聚合物材料表征与测试课程教学浅析王倡春（南京工程学院211167）聚合物材料表征与测试是南京工程学院高分子材料与工程专业的一门专业必修课。
该课程安排在大学第七学期，是在学生学习了高分子物理，高分子化学等专业基础课后开设的一门课程。
该课程主要是利用近现代发展的仪器来研究聚合物分子链的结构、分子链聚集体的结构、链长的分布等内容，理论性较强。
课程中介绍的仪器众多，各种仪器的原理复杂，涉及物理理论、数学处理等内容，难度较大。
通过该课程的学习，能够让高分子材料与工程等相关专业的本科生掌握高分子材料性能的表征及结果分析的方法，了解现代测试技术在高分子领域中的应用，培养学生的动手能力。
该课程主要包括波谱分析、聚合物的相对分子质量及相对分子质量分布表征、热分析、高聚物流变性能以及显微分析技术等五个方面。
XRD定量分析方法
✦高聚物晶体X射线衍射大的结晶聚合物单晶（0.1mm以上，除蛋白质外）很难得到，一般采用多晶或单轴、双轴聚向聚合物材料样品。
随着2θ增大，衍射斑点增宽，强度下降,衍射峰主要出现在30°以下的低角区。
由于晶粒尺寸很小（一般小于30nm），结晶不完善，衍射图较弥散，谱线复杂。
聚合物大多属于低级晶系，要确定晶体结构较困难。
XRD主要用于鉴别高聚物的晶态和非晶态、借助标准图谱或数据（数量较少）确定晶型、估计结晶度和晶粒大小。
物相的定量分析定量分析是基于衍射线的相对强度与物相含量之间的关系。
依据是：衍射线强度随着相含量的增加而提高。
但由于各物相的吸收系数不同，使衍射强度Ij 并不严格正比于各相的含量xj，故须加以修正。
X射线衍射分析是物相定量分析的一个重要手段。
✦基本原理设试样是由n个相组成的混合物，其线吸收系数为μ，则其中j相的HKL晶面衍射线强度为：由于各物相的μl不相同，含量改变μ也会改变。
假设j相的体积分数为fj，试样被照射的体积V为单位体积，则：当混合物中j相含量改变时，强度公式中除f j和μ外，其余各项为常数（即与j相含量无关），合并记为Cj。
则j相某根衍射线的相对累积强度I j为：若以质量分数表示含量：质量吸收系数，故定量分析就是基于这种衍射线相对强度与物相含量的关系。
✦外标法又称单线条法、直接对比法。
这种方法只需测定n相混合物样品中待测相j某根衍射线的强度，并与纯j相的同一根衍射线的强度比较，即可确定样品中j相的相对含量。
混合物样品中j相某根衍射线的强度Ij为，而纯j相试样的某根衍射线的强度(Ij )o为，由此可得，其中，显然当相数较多时要求得μm有困难，但对于两相混合物有，因此，若知道两相的吸收系数，即可由上式求出含量。
若μm1和μm2未知，欲测混合物的相含量时，需要用纯1和2物相配制一系列不同质量分数的样品，以及一个纯1相样品。
在完全相同的条件下，分别测定各个样品中1相的同一根衍射线的强度，然后以相对强度比I 1/(I 1)0和含量x 1作图，从而绘出标准曲线。
XRD
7. 有机/无机纳米插层复合物的XRD判据是什么?
8. 为什么有机/无机复合物的插层晶面族所对应 的衍射峰通常比未形成插层结构前变宽？
思考题
4. 哪些方法表征方法可以表征聚合物结晶度？ 试举两种。 5. XRD可以表征结晶聚合物材料中 单元的 取向程度？IR表征的是什么单元的取向？ 6. 有机/无机纳米插层复合物的XRD判据是什么?
7. 用XRD能测晶粒尺寸，所以也可测球晶尺寸？
第三节 X射线衍射(XRD) ( X-RAY DIFFRACTION )
3.3.2
结晶度测定
不同拉伸速率下PET纤维的XRD叠加图
不同温度下等温结晶PPN纤维 XRD叠加图
不同力学条件下PPN纤维XRD叠加图
d 应变恒定6倍
c 应变6倍后保持恒应力
b 应变恒定2倍
a 无应变
结晶度测定公式
Sc Xc Sc Sa
CPS
Sc
Sc Sa
2
Sc
Sc
XRD测结晶度数据处理
3.2.1 衍射现象
3.2.1 X射线衍射现象
X射线照射到晶体后产生散射 散射X射线在空间传播途中相互叠加
在不同传播方向产生离散的光强空间分布
X射线衍射现象
3.2.2 X射线衍射机理
在X射线照射下，
晶面上每一个基元可视为等同的散射源。
在X射线照射下，
基元发出“次生X射线”（波长等同入射线）
晶面间距：一族晶面相邻晶面间的垂直距离。
晶面与晶面族示意图
晶面与晶面族示意图
不同晶面族的晶面间距
基元排列周期与X射线波长数量级相当 X射线照射晶体 衍射效应
聚合物表征与测试3.GPC2015
23 0.00022 0.56 150~11200
23 0.00035 0.74
150~600
47
5.4.5 应 用
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10/20/2020 24:097 PM
5.4.5.3 分峰处理
用于测定各种模型聚合物的分子质量及含量
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•饱和蒸汽压法、 冰点降低法，膜渗透压法
10/20/2020 2:07 PM
9
5.1 粘度法
• 测相对分子质量（粘均分子量）
乌氏粘度计
澳氏粘度计
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10
粘度法原理
• 聚合物分子为长链大分子，加入溶剂中后导致溶液的粘度很大。 • 聚合物溶液的粘度与聚合物的相对分子质量存在一定的关系：
15
20
25
30
35
40
Ve
有效排除体积
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流动相（溶剂）
• 用作流动相的溶剂必须使聚合物链打开成最放松的状态；且溶液粘度低； • 流动相与色谱柱中的凝胶固定相相互匹配，能浸润凝胶，防止凝胶的吸
附作用； • 流动相应与检测器匹配（例：示差）；
• 流动相不能腐蚀仪器部件，影响仪器使用寿命；
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32
5.4.3.5 过滤
•聚合物溶液必须经过0.45um的 过滤膜过滤（有些样品会在过 滤时因受到剪切效应影响使最 终的分子量值降低）； •可以使用在线过滤器(高温条件 下使用)
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5.4.4数据处理
•1、建立校正曲线 •2、根据公式计算相对分子质量及 相对分子质量分布 •3、普适校正
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——在聚合物中的应用
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XRD
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课堂内容
•1. X射线的产生及其性质 •2.晶体结构的基本概念 •3. 测量原理 •4. X光衍射在聚合物中的应用
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2
1. X射线及其性质
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XRD
3
1.1 X射线的发现
• 1895年，德国物理学家伦琴(W.C.Rontgen) 发现 • 并很快以“论一种新射线”为题发表论文公之于世。 • 因此成为第一个获诺贝尔物理奖的人。
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世界上第一张X光照片
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阴极发射电子方向差异，能
量损失随机；
Ee
eU
1 2
m0
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XRD
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（2）X射线特征光谱
特征光谱产生： 碰撞→跃迁↑(高) →空穴→跃迁↓(低)
特征谱线的频率：
n1 n2
E n1
En2 h
cR( Z
)2
n22
1
n12
R=1.097×107 m-1,Rydberg常数；
• X射线的突出特点是穿透能力很强 能穿透不透明物质。
• X射线能使照相底片被感光。
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XRD
1.3 次级X射线
1908年，巴拉克(C.G.Barkla)发现物质被X射线照射时，会
产生次级X射线。
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XRD
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次生X射线由两部分组成
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XRD
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1.4 X射线的产生及分类
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XRD
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1.4.1 入射X射线的产生
K系谱线) ～ (锂K系谱线)
高速电子撞击阳极(Cu、Cr等重金属)：热能(99%)+X射线(1%) 高速电子撞击使阳极元素的内层电子激发；产生X射线辐射
X光是一种电磁波
X-radiation
可见光
g-radiation
10-6
10-3
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Microwaves 微波
UV
IR
无线电波
Radio waves
1
103
106
Wavelength(nm)
109
1012
6
X射线的波长
• X 射线是波长很短的电磁波。 • 波长0.001～50nm
• 特征X射线的产生：电子的跃迁 I Kα： I Kβ=5：1 X射线衍射多使用Kα 线
K
K
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K LM
（1） 连续X射线光谱
电子→靶原子，产生连续的电磁 辐射，连续的X射线光谱；
Im K Z i U 2
成因：
大量电子的能量转换是一个
随机过程，多次碰撞；
；
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X射线的产生
X射线管
阴极
阳极 （对阴极）
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4
5
10 ~10 V
+
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X射线的分类
连续X射线： 具有连续波长，又称白色X射线
特征X射线： 在连续谱上叠加具有特定波长的 谱线，该谱线与靶极的材料有关 ，又称单色X射线。
n1 n2
En1 En2 h
cR(Z
)2
n22
1
n12
L→K层；K 线系；
n1 =2，n2 =1；
K
( 3 )cR(Z 4
)2
K
c
K
4
3R(Z )2
不同元素具有自己的特征谱 线 ——定性基础；
谱线强度——定量；
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1.5 X射线衍射
• 用于衍射分析的X射线波长介于0.05~0.25nm。
无线电波 红外线 可见光 紫外光 X射线 g射线 宇宙射线
103
10-1
10-4
10-5
10-7
10-9
10-11 10-13
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1.2 X射线的性质
• 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射线的吸收不同。
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X 射线衍射---劳厄实验
铅
X
屏
射
底
线
片
管
晶体
劳 厄 斑 点
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晶体可看作三维立体光栅。
根据劳厄斑点的分布可算 出晶面间距，掌握晶体点 阵结构。
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1.6 布拉格公式
• 英国物理学家布拉格(Bragg)父子提出了著名的布拉格公式-1915年诺 贝尔物理奖。
• 一部分与初级X射线相同 • 另一部分与被照物质组成的元素有关 • 即每种元素都能发出各自的X射线，成为次生X射线源。
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次级X射线与物质的作用
进入晶体的X射线与晶体中运动着的电子云相互作用，产生强度较弱、波长 相同的二次X射线。
晶体中每一处有电子云的地方，都能产生这种朝四面八方散射的二次X射线。 在散射的某些方向上，这些二次X射线互相干涉而得到加强。
• 确定了X射线衍射的方向 • 人类开始晶体结构分析的历史。
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1.7 X射线光谱
X-ray and X-ray Spectrum
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X光衍射分析 •X光衍射分析是表征包括液晶在内的结晶性聚 合物的重要手段。 • 借助X射线衍射仪，利用微晶对X射线的衍射效 应，获得试样的衍射图----衍射强度与衍射角 的关系图。
• 1912年，劳厄(uue)提出X射线是电磁波的假说。由弗里德利希 （W.Friedrich)证实。
• 推测波长与晶面间距（晶体中相邻两原子间的距离）相近的X射线通 过晶体时，会发生衍射现象。---开创了X射线晶体学。
• 1914年，劳厄获得诺贝尔物理奖。
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XRD
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X射线衍射图
• 衍射强度：
晶胞中的原子种类 原子位置
衍射方向：
晶胞形状42 PM
σ核外电子对核电荷的屏蔽常数；
n电子壳层数；c光速；Z原子序数；
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• 不同元素具有自己的特征谱线——定性基础。 • 当X光管的阳极为金属Cu时，X射线管发出的特 征X射线为0.15418nm.。
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特征光谱——定性依据