材料结构表征分析

合集下载
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
34
(2)实验参数选择
狭缝的选择:以测试范围内最小的2θ为依据来选择 狭缝宽度,使入射线的照射面积不超出试样的工作 表面。
发散狭缝光阑: 1/30o、1/12o、1/6o、1/4o、1/2o、1o、4o; 防寄生散射光阑:1/30o、1/12o、1/6o、1/4o、1/2o、1o、4o; 接收狭缝光阑: 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.4, 1.0 2.0(mm)
测角仪示意图
联动;
23
测角仪圆:X射线的焦点 F 和计 数管光阑 G位于同一圆周上。
聚焦圆:X射线的焦点F、样品表 面O 和计数管光阑 G 所在的圆
样品上各个点反射线均能聚焦;
在每一个固定的角度只有一个反 射晶面的衍射线可以检测,可对 不同晶面逐一检测;
聚焦圆半径r会发生改变,角度 增加r减小;角度减小, r增加; r=R/2sinθ 误差θ
19
物相定性分析的思路
制定标准物质的衍射卡片,即粉末 衍射卡片组(PDF);
将试样的 d 值 I / I1与标准物质衍 射卡的 d 值和 I / I1 值进行对比, 便可进行物相鉴定。
20
X衍射仪
X衍射仪原理图
X衍射仪设备图
21
测角仪的构 造
a、样品台:位于测角仪的中心,可绕样品 法线方向转动;
16
衍射方向
1、立方晶系:
sin
2

2
4a2
(h2

k2

l 2 )2 19
2、四方晶系:
sin
2

2
4
(H
2 K2 a2

L2 c2
)2 20
3、六方晶系:
sin
2

2
4
(4 3

H
2

HK a2

K2

L2 c2
)
17
X射线物相分析
材料的性能与成分组织结构的关系
衍射花样

形 溶溶 构
成 及
wk.baidu.com
貌 及
体体 组织
宏微介


形状
观观观


无 序
有 序
分布
位向
应应应 力力力
3
单晶结构
阵布 类拉 型非

状晶 和胞 大的 小形
原子类型及在 晶胞中的位置
X-四圆衍射仪
单晶材 料
单晶取向
晶体缺陷












晶晶晶



体体体
观 座
面 指
的 位
点线面



缺缺缺



陷陷陷





4
主要内容
一、X射线衍射分析(3-4次课) 二、原子力显微分析(1次课) 三、扫描电镜分析(1次课) 四、透射电镜分析(2次课)
5
一、 X射线衍射分析
X射线的本质:波长极短的电磁波,λ=0.1nm左右。 X射线的波动性:以一定的波长和频率在空间传播

X射线的粒子性:X是由大量不连续的粒子流构成, 即光子,以光子形式辐射时具有质量、能量和动量
材料结构表征技术
1
property
composition
design
preparation/ processing
structure
performance
2
结构及表征技术
单晶结构
原子及分 子结构
多晶材料组织结构
物相及结构
固溶结构
结构取向 应力

物 间 置 沉 取织

相 隙 换 淀 向构

的 固固 结
可见:组成物体的诸化学元素的原子序数越大,吸 收越强,X射线波长越长吸收越大。
10
电离作用与光电效应 当X射线通过气体时可以引起电离,入射到光
电材料上时可以产生光电效应。用于记录X射线的 各种仪器。
感光作用 X射线射到感光材料或乳胶片上,可以使底片感
光,用于X射线照相。 荧光效应
当X射线投射到诸如硫化锌一类物质上,可以 产生荧光。用于显示X射线的径迹。
物相定性分析的原理
宇宙中的结晶物质,之所以表现出种类及其性能 的差别,是因为任何一种结晶物质都具有自己特定 的晶体结构,包括结构类型,晶胞的形状及大小, 晶胞中原子的种类、数目及位置等。在一定波长的X 射线照射下,都呈现出自己特定的衍射化样,它表明 了物质中元素的结合状态。多相物质的衍射花样互 不干涉,相互独立,只是机械地叠加。所以衍射花 样能够作为物相鉴定的依据。衍射花样的区别主要 表现在衍射线的位置和强度 , 即 d 和 I 。
I(hkl)=kL(θ)P(θ)A(θ)T(θ) ︱F(hkl)︳2 其中极化因子P(θ)、积分因子L(θ)、温度因
子T(θ)、吸收因子A(θ)为影响实际晶体衍射强度 的几何与物理的因素。
15
应用衍射法测得的强度I(hkl)精确值,通
过晶体结构分析软件的运算(衍射强度的统 一,还原)可消除k、L、P、A、T的影响而得 到振幅(︱F(hkl)︳),并以此作为晶体结 构的起始数据。
29
测量方式和实验参数选择
(1)测量方式
连续扫描法: 将计数器连接到计数率仪上,试样以 θ/ 分的速度转动,计数器以2θ/ 分的速度转动 ,即为 1:2的θ/2θ联动扫描,在选定的2θ角范围内,以设定 的扫描速度扫测各衍射晶面对应的衍射角和衍射强度 。测量结果自动存入计算机,可在打印终端输出测量 结果,绘出其衍射线强度和衍射角的关系图,即 I-2θ 图。
布拉格方程给出了晶体(d),x射线()与衍射角 (θ)之间的定量关系。每种晶体结构都为唯一的 衍射谱线,可以利用这一关系来进行样品的鉴定。
14
晶体衍射强度与衍射空间的对称性
由大量晶胞组成的整个晶体,其特征强度(I(hkl)) 应正比于来自晶体全部晶胞中总散射波的振幅 (︱F(hkl)︳)的平方,故实际晶体衍射强度:
X射线的强度I,单位为:J/m2.s a、用波动性描述为:单位时间内通过垂直于传
播方向的单位截面上的能量大小;I∝A2。 b、用粒子性描述为:单位时间内通过垂直于传
播方向的单位截面上的光子的能量。I=nε
6
X射线的产生:带电粒子在加速运动过 程中,就会产生X射线。
其产生的条件为: 1)产生自由电子; 2)使电子作定向高速运动; 3)在电子运动的路径上设置使其突然 减速的障碍物。
-dI /I =μdx μ:线吸收系数
μ:X射线传播方向上单位长度内X射线强度衰减程度
μm :质量吸收系数——单位重量物质对X的吸收;
μm =μ/ρ (cm2 /ρ)
积分得:
x
Ix I0e

I emx 0
112
μm 是原子序数Z和波长λ的函数、其关系为:μm =Kλ3Z3 混合物的质量吸收系数μm 为:μm =w1μm1 +w2 μm 2+ ·······
7
X射线管
1) 阴极:W丝制成,发射热电子。
2)阳极:常用靶材有Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag, W 。
3)窗口:金属铍制成,保持高真空,对X吸收小。
4)聚焦罩
5)焦点1×10mm
6)表观焦点——点焦点,线焦点。
X射线管
X射线产生原理
8
X射线学
X射线透视学 X射线晶体学
狭缝的大小对衍射强度和分辨率都有影响。大狭缝可
得较大的衍射强度,但降低分辨率。小狭缝能提高分辨
率但损失强度,一般如需要提高强度时宜选取大些狭
缝,需要高分辨率时宜选小些狭缝,尤其是接收狭缝
对分辨率影响更大。每台衍射仪都配有各种狭缝以供
选用。
35
量程:量程是指记录纸满刻度时的计数(率)强度。 增大量程可表现为X 射线记录强度的衰减,不改变衍 射峰的位置及宽度,并使背底和峰形平滑,但却能掩 盖弱峰使分辨率降低,一般分析测量中量程选择应适 当。当测量结晶不良的物质或主要想探测分辨弱峰时 ,宜选用小量程。当测量结晶良好的物质或主要想探 测强峰时,量程可以适当大些,但以能使弱峰显示强 峰不超出记录纸满标为限。
扫描速度:0.06ο~ 76.2ο/min 或 0.01~ 1.27o / Sec 优点:扫描速度快、效率高、是衍射分析中最常用方法
30
31
步进扫描法
将计数器与定标器连接,首先让计数器转到起始的2θ角位置
,按定时器设定的步宽和步进时间测量脉冲数,将脉冲数
除以步进的时间,即为该处对应的强度。然后计数器按设
散射波之间的将出现干涉现象,称为相干散射,其结果 就是在不同方向上出现不同强度的散射线,也就是“衍 射现象”,X射线在晶体结构分析中应用就是晶体对X射 线的衍射效应。
12
布拉格方程
相干衍射的条件:波程差为波长的整数倍
13
如果把具有晶体点阵结构的晶体看作是一些原子平 面族,是一组相互平行,间距相等的晶面网,并以 (hkl)表示晶面方向,相邻间距记为d( hkl ),来 自相邻原子面衍射波相干的条件是波程差为波长的 整数倍(HKL)为衍射指标, (HKL)=(nhnknl) ,它表示的是由同一晶面产生的不同级的反射。
定的步宽和步进时间,每前进一步,重复一次上述的测量
,给出各步2θ对应的强度。 1)定时计数:设定步进时间,步进宽度,从设定的起始 角开始测定、直到设定的终止角。 2)定数计时:固定θ和2θ的位置测定峰的强度。
步进扫描的优点: 测量精度高、能给出精确的衍射峰位、衍射线形、积分
强度和积分宽度。适合作各种定量分析。
玻璃板将其压紧; 将槽外或高出样品板面多余粉末刮去,重新将样
品压平、压紧、使样品表面与样品板面一样平齐 光滑。
27
(2)特殊样品的制备
对于金属、陶瓷、玻璃等一些不易研成粉末的样品, 可先将其锯成窗孔大小,磨平一面,再用橡皮泥或石 蜡将其固定在窗孔内。对于片状、纤维状或薄膜样品 也可取窗孔大小直接嵌固在窗孔内。但固定在窗孔内 的样品其平整表面必须与样品板平齐,并对着入射X射 线。
衍射线的位置 衍射线强度
衍射几何理论 衍射强度理论
晶体结构
晶胞的形状和大小 原子的种类、 数量、和位置
X射线物相分析的应用
材料科学、材料工程、机器制造、地质矿产、环保、 食品工业、医药等部门及其行业,进行物质的结构及其相 关问题的研究,如物质的相组成及相变,同素异构体的区 别等。
18
定性分析的原理和思路
X射线光谱学
利用X对人体、 利用已知波长的X
工件等的穿透 在晶体中的衍射,
能力来探测人 对晶体结构以及与
体的病变及工 结构有关的各种问
件的缺陷。
题进行研究。
利用X在已知 结构晶体中的 衍射现象来测 定X射线的波
长。
9
X射线与物质的相互作用
(1)X射线的吸收:X射线通过物体时其强度逐渐衰减,一部分 射线被物体吸收。
采用平板试验,使其表面与聚焦 圆相切;
测角仪的衍射几

24
光学布置
采用由窄缝光阑与梭拉光阑组成的联合光阑系统 梭拉光阑:将倾斜的X射线挡住 窄缝光阑a:控制与测角仪平面平行方向
的射线束的发散度 窄缝光阑b:控制入射线在试样上的照射面积 窄缝光阑f:控制进入计数器的辐射能量。25
X衍射的试验注意事项
32
33
不论是哪一种测量方式,快速扫描的情况下都能相当 迅速地给出全部衍射花样,它适合于物质的预检,特 别适用于对物质进行鉴定或定性估计。对衍射花样局 部做非常慢的扫描,适合于精细区分衍射花样的细节 和进行定量的测量。例如,混合物相的定量分析,精 确的晶面间距测定、晶粒尺寸和点阵畸变的研究等。
b、X射线源:位于以样品台轴线为中心的 圆周上,与轴线平行;
22
c、光学布置:发散的X射 线经样品反射后在计 数器处聚焦,与X射线 源位于同一圆周;
d、测角仪台面:狭缝、 光阑、计数器固定于 测角仪上,随计数器 一起转动;狭缝的作 用就是为了获得平行 的入射线和衍射线
e、测量动作(试样与计
数管的动作):θ-2θ
11
散射
X射线通过晶体时,按照经典电磁场理论,电磁波的周期 性扰动迫使组成晶体的原子中的电子产生受激振动---吸 收入射射线并向各个方向散发出次级X射线。以一定方向 入射到晶体上的X射线,一部分改变原来的方向向四面八 方发散而出---X射线的散射。
原子散射X射线的能力和原子中所含电子数目成正比,即 原子序数大的原子散射能力强。
对于金属块样,如果存在应力,应该先通过热处理退 火消除。
28
样品的择优取向:具有片状或柱状完全解理的样 品物质,其粉末一般都呈细片状或细律状,在制 作样品过程中易于形成择优取向 ,对粉末进行长 时间(例如达半小时)的研磨,使之尽量细碎; 制样时尽量轻压,或采用上述NBS的装样方法; 必要时还可在样品粉末中掺和等体积的细粒硅胶 :这些措施都能有助于减少择优取向。
样品制备
在衍射仪法中,样品制作上的差异对衍射结果 所产生的影响,要比照相法中大得多。因此,制备 符合要求的样品,是衍射仪实验技术中的重要的一 环,通常制成平板状样品。衍射仪均附有表面平整 光滑的玻璃或铝质的样品板,板上开有窗孔或不穿 透的凹槽,样品放入其中进行测定。
26
(1)粉晶样品的制备
将被测试样在玛瑙研钵中研成5μm左右的细粉; 将适量研磨好的细粉填入凹槽,并用平整光滑的
相关文档
最新文档