X射线散射技术

X射线散射

X射线散射是指：X射线打到墙壁或者别的其他物体,会与其原子发生光电效应、康普顿效应或者电子对效应,会使光子向不同方向传播，从而形成散射线的过程。

X射线散射可用以研究材料内部原子或电子的动力学性质。例如，原子的热振动、电子的运动方式、电子和原子核之间的相互作用、电子和电子间的相互作用过程等一系列的问题。这些动力学过程就是材料宏观上的热、电、磁等性质在微观下的表现形式，通过对它们的研究，可帮助和促进我们理解材料的性质，指导我们寻找更加适于应用的材料。

X射线散射是现代凝聚态物理研究的重要手段，它们的实现是依赖于大型科学装置（如同步辐射和核反应堆等）提供X射线光源。已经建成的ZG上海光源就是为此服务的。

光的散射原理图

X射线散射是X射线衍射的基础，X射线散射现象分为两种，包括X射线相干散射和小角X射线散射

X射线相干散射

X射线相干散射是入射X射线光子同晶体原子中与核结合较紧的电子进行弹性碰撞产生。这种散射的X射线仅改变方向，无能量损失，波长和位相与入射X射线相同。它是X射线衍射的基础。

小角X射线散射

小角X射线散射（SAXS）是指当X射线透过试样时，在靠近原光束2°～5°的小角度范围内发生的散射现象。早在1930年，Krishnamurti就观察到炭粉、炭黑和各种亚微观大小的微粒在X射线透射光附近出现连续散射现象。

小角X射线散射是一种区别于X射线大角（2θ从5 ～165 ）衍射的结构分析方法。一种区别于X射线大角（2θ从5 ～165 ）衍射的结构分析方法。利用X射线照射样品，相应的散射角2θ小（5 ～7 ），即为X射线小角散射。用于分析特大晶胞物质的结构分析以及测定粒度在几十个纳米以下超细粉末粒子（或固体物质中的超细空穴）的大小、形状及分布。对于高分子材料，可测量高分子粒子或空隙大小和形状、共混的高聚物相结构分析、长周期、支链度、分子链长度的分析及玻璃化转变温度的测量。

小角X射线散射被越来越多地应用于材料微观结构研究，其研究趋势逐年增长。小角X 射线散射技术被用来表征物质的长周期、准周期结构、界面层以及呈无规则分布的纳米体系；还可用于金属和非金属纳米粉末、胶体溶液、生物大分子以及各种材料中所形成的纳米级微孔、合金中的非均匀区（GP区）和沉淀析出相尺寸分布的测定；对非晶合金加热过程的晶化和相分离的小角X射线散射研究已引起学者的关注。了解小角X射线散射技术对促进材料研究具有重要意义。 

X射线散射在高分子材料中的应用

在天然的和人工合成的高聚物中，普遍存在小角X射线散射现象，并有许多不同的特征。小角X射线散射在高分子中的应用主要包括以下几个方面：①通过Guinier散射测定高分子胶中胶粒的形状、粒度以及粒度分布等；②通过Guinier散射研究结晶高分子中的晶粒、共混高分子中的微区（包括分散相和连续相）、高分子中的空洞和裂纹形状、尺寸及分布等；③通过长周期的测定研究高分子体系中片晶的取向、厚度、结晶百分数以及非晶层的厚度等；④高分子体系中的分子运动和相变；⑤通过Porod－Debye相关函数法研究高分子多相体系的相关长度、界面层厚度和总表面积等；⑥通过强度的测量，测定高分子的分子量。

1.离聚体

离聚体是指共聚物中含有少量离子的聚合物。由于高分子链存在着离子化的侧基，可形成离子聚合体，从而使此类聚合物具有独特的结构和性能。小角X射线散射技术还可用于嵌段共聚物、胶体高分子溶液以及生物大分子等研究领域，用来测量分子量、粒子旋转半径以及形变和取向等。

2.结晶聚合物

所谓结晶聚合物，实际都是部分结晶，其结晶度一般在50%以下。小角X射线散射研究发现，高结晶度的线性聚乙烯、聚甲醛和聚氧化乙烯等聚合物的散射曲线尾部服从Porod定理，表明近似于理想两相结构。但是，大多结晶度较低聚合物的散射曲线显示出尾部迅速降低，偏离Porod定理，表明晶相与非晶相之间存在过渡层。

X射线散射在无机材料中的应用

1.合金中的析出相

早在1938年，Guinier就已经用小角X射线散射技术研究合金中的非均匀区（现称作GP区），揭示了一些亚稳分解产物。如今小角X射线散射技术被越来越多地用于合金时效过程的研究，从而进行相变动力学研究等。

在形核阶段，析出相半径变化很小；在长大过程中，析出相基本满足抛物线长大规律；在粗化阶段，析出相半径变化满足LSW 定律。于此同时，还发现在形核阶段含锂和不含锂两种铝合金析出相半径随时效时间变化的差距较小，随时效时间的延长，两者之间的差距逐渐变大。由此说明锂YZ了析出相的长大和粗化进程。

利用原位小角X射线散射观察Fe－25%Co－9%Mo（原子分数）合金在不同时效温度和时间下析出相的变化。结果发现，淬火态试样的小角X射线散射强度随散射矢量的增大而递减并逐渐趋于一个常数，这说明材料是非常均匀的；随着时效时间的延长，散射强度出现了明显的增强，在h=2．4nm－1处出现了峰值，说明有小的析出物出现。随着时效时间的延长，其Z大散射强度的位置逐渐由2．4nm－1移动到1．3nm－1，表明析出物不断长大，且数量也在不断增加。

2.纳米颗粒

小角X射线散射技术被广泛用来测定纳米粉末的粒度分布，其粒度分析结果所反映的既非晶粒亦非团粒，而是一次颗粒的尺寸。在测定中参与散射的颗粒数一般高达数亿个，因此，在统计上有充分的代表性。

通过对Guinier曲线低角区域线性部分的拟合，得到试样中氧化铝颗粒的旋转半径约为6nm，表明在无机纳米杂化薄膜体系中，纳米颗粒未发生团聚现象。通过观察Porod曲线发现，随散射矢量h值的增大，曲线趋于水平直线。根据小角X射线散射理论中的Porod定律可知，该复合薄膜中纳米颗粒与基体间的界面明确，说明薄膜中的PI分子链与无机纳米颗粒间并未发生相互扩散、渗透以及缠结等现象。无机纳米颗粒与有机分子链主要是通过化学键锚定在一起，此界面结构与经典的有机与无机相结合的化学键理论相一致。

3.非晶合金

非晶合金也称金属玻璃，它是急冷得到的亚稳定合金，在加热过程中会产生一系列的转变，逐渐由亚稳态转变到稳定态。在这个过程中会发生相分离以及晶化过程。已有许多学者利用小角X射线散射技术来研究非晶合金中的这些转变。

4.金属的缺陷

金属经辐照或从较高温度淬火产生空位聚集，会引起相当强的小角散射。由于粒子体系和孔洞体系是互补体系，二者产生的散射是相同的。在306～319℃退火空洞会被部分地退火消除，旋转半径迅速增大；而在306℃之前，空洞则非常稳定。

X射线衍射仪

X射线衍射仪是利用衍射原理，精确测定物质的晶体结构，织构及应力，精确的进行物相分析，定性分析，定量分析。广泛应用于冶金，石油，化工，科研，航空航天，教学，材料生产等领域。

X射线衍射仪的形式多种多样，用途各异，但其基本构成很相似，为X射线衍射仪的基本构造原理图，主要部件包括4部分。

（1） 高稳定度X射线源　提供测量所需的X射线, 改变X射线管阳极靶材质可改变X射线的波长, 调节阳极电压可控制X射线源的强度。

（2） 样品及样品位置取向的调整机构系统　样品须是单晶、粉末、多晶或微晶的固体块。

（3） 射线检测器　检测衍射强度或同时检测衍射方向, 通过仪器测量记录系统或计算机处理系统可以得到多晶衍射图谱数据。

（4） 衍射图的处理分析系统　现代X射线衍射仪都附带安装有专用衍射图处理分析软件的计算机系统, 它们的特点是自动化和智能化。