材料分析基础实验报告

《材料分析基础》实验课程实验报告

一、多晶材料的 X 射线衍射

1.实验原理

根据晶体对 X 射线的衍射特征——衍射线的位置、强度及数量来鉴定结晶物质之物相的方法，就是 X 射线物相分析法。每一种结晶物质都有各自独特的化学组成和晶体结构。没有任何两种物质，它们的晶胞大小、质点种类及其在晶胞中的排列方式是完全一致的。因此，当 X 射线被晶体衍射时，每一种结晶物质都有自己独特的衍射花样，它们的特征可以用各个衍射晶面间距 d 和衍射线的相对强度0I I 来表征。其中晶面间距 d 与晶胞的形状和大

小有关，相对强度则与质点的种类及其在晶胞中的位置有关。所以任何一种结晶物质的衍射数据 d 和0I I 是其晶体结构的必然反映，因而可以根据它们来鉴别结晶物质的物相。

图 1 给出铁的两种同素异形体的 X-射线衍射谱。上图为Fe α-，具有体心立方结构，空间群 Im-3m ，晶格参数 a=2.860Å；下图为Fe γ-，具有面心立方结构，空间群 Fm-3m ，晶格参数 a=3.659Å。从图 1 可以看出，铁的两种同素异形体的 X-射线谱不仅出现衍射峰的位置不同，而且衍射峰的相对强度也不同。把已知结构的物质的 X-射线衍射谱制成数据库，将未知结构的材料的衍射谱与已知结构的材料的衍射谱进行比较，就可以进行物相鉴定。

2.实验方案步骤

（1）样品制备：

相对于扫描电子显微镜、投射电子显微镜等分析手段而言，X-射线衍射方法的样品制备具有更为方便、 快捷等优点。 X 射线衍射分析的样品主要有粉末样品、块状样品、薄膜样品、纤维样品等。样品不同，分析目的不同（定性分析或定量分析），则样品制备方法也不同。实验所需的是粉末样品。X-射线衍射分析的粉末试样必需满足这样两个条件：晶粒要细小，试样无择优取向(取向排列混乱)。所以，通常将试样研细后使用，可用玛瑙研钵研细。定性分析时粒度应小于 44 微米(350 目)，定量分析时应将试样研细至 10 微米左右。较方便地确定 10 微米粒度的方法是，用拇指和中指捏住少量粉末，并碾动，两手指间没有颗粒感觉

的粒度大致为10 微米。常用的粉末样品架为玻璃试样架，在玻璃板上蚀刻出试样填充区为20×18平方毫米。玻璃样品架主要用于粉末试样较少时(约少于500 立方毫米)使用。充填时，将试样粉末一点一点地放进试样填充区，重复这种操作，使粉末试样在试样架里均匀分布并用玻璃板压平实，要求试样面与玻璃表面齐平。如果试样的量少到不能充分填满试样填充区，可在玻璃试样架凹槽里先滴一薄层用醋酸戊酯稀释的火棉胶溶液，然后将粉末试样撒在上面，待干燥后测试。

（2）测试：

1）开总电源，开循环水（启动——运行），开主机电源；2）开移动门，放样品(尽量放中间)，关移动门；3）打开软件，点击“样品测量”，弹出对话框，设置高压初始值为40KV，

设置参数如下：

1.测量参数：

扫描方式：步进扫描

转动方式：θs-θd

起始角度-终止角度：20-70

扫描步宽：0.02

采样时间：2s

管电压（kV）：40

管电流（mA）：30

θs+θd 角度：35

2.仪器参数：

靶材：Cu

发散狭缝（度）：1

接收狭缝（mm）：0.2

散射狭缝（度）：1

单色器（石墨）：ON

4）参数设置完毕，点击“开始测量”；

5）待测试完毕保存数据；

6）关机步骤：

（1）：样品测试完毕，点击样品测量，待探头降下点击停止测量，关软件（提示关高压，待管电压和管电流都降为0）；

（2）：关主机电源（换样品时不需关），关循环水（运行——启动），关总电源。

3.数据处理

1. 在获得衍射图像后，测量衍射线条位置(2θ)、计算出品面间距d，求出相对强度I／I0。在此基础上，单相物质的物相鉴定可用几步来完成：

2. 根据待测相的衍射数据，得出三条强线的晶面间距值d1、d2、d3；最好还要适当估计它们的误差d1±Δd1、d2±Δd2、d3±Δd3；

3. 根据d1、d2、d3 值，在数据库中找出三条强线的晶面间距与d1、d2、d3 值符合较好的一些卡片；

4. 把待测相的三条强线的d 值和I／I0 值与这些卡片上各物质的三强线d 值和I／I0 值相比较，淘汰一些不相符的卡片，最后获得与实验数据一一吻合的卡片，卡片上所示物质即为待测相。鉴定工作便告完成。

5. 以上介绍的是采用手动方法进行单相物相鉴定的方法。随着计算机技术的普及，目前单相及多相物质的物相鉴定都可以通过相应的物相分析软件来完成。此类商业软件有Search Match, X’pert Highscore, Jade 等。对于从事凝聚态物质实验研究的科研人员而言，掌握这

些软件的使用非常重要。对该领域感兴趣的同学可以在本实验室深入学习此类软件的应用。图 2 试样衍射曲线

4.定性分析

首先凭借我们自己对材料的性质和用途的了解打字确定材料的组成。该材料用于微波炉底盘中，用来汇聚磁感线，说明该材料为磁性材料，且由于它常温环境中不具有吸附铁磁性物质的能力，说明为软磁，且微波炉处于强磁场中，查文献可知可用于强磁场环境中的软磁性材料一般为铁氧体材料，下表列出了几种软磁铁氧体材料性能。

表 1 几种软磁铁氧体材料性能

从表 1 中可以看出，实验所用微波炉磁条最有可能是锰锌铁氧体材料，使用Pcpdfwin 查询可知锰锌铁氧体共 5 中不同的化学结构，分别为28284624642482249124,,,,Zn Mn Fe O Zn Mn Fe O Zn Mn Fe O Zn Mn Fe O Zn Mn Fe O

，在 Jade 中打开X 射线衍射图谱，将这四种物相的 PDF 卡片与衍射图谱进行比对，得出磁条所属物相。

（1）2824Zn Mn Fe O ,卡片号74-2402，对比结果：