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- liqinihaoma123 2008-05-27 00:00:00
- X射线衍射
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- ltc818 2008-05-27 00:00:00
- X射线荧光衍射:利用初级X射线光子或其他微观离子激发待测物质中的原子,使之产生荧光(次级X射线)而进行物质成分分析和化学态研究的方法。按激发、色散和探测方法的不同,分为X射线光谱法(波长色散)和X射线能谱法(能量色散)。 当原子受到X射线光子(原级X射线)或其他微观粒子的激发使原子内层电子电离而出现空位,原子内层电子重新配位,较外层的电子跃迁到内层电子空位,并同时放射出次级X射线光子,此即X射线荧光。较外层电子跃迁到内层电子空位所释放的能量等于两电子能级的能量差,因此,X射线荧光的波长对不同元素是特征的。 根据色散方式不同,X射线荧光分析仪相应分为X射线荧光光谱仪(波长色散)和X射线荧光能谱仪(能量色散)。 X射线荧光光谱仪主要由激发、色散、探测、记录及数据处理等单元组成。激发单元的作用是产生初级X射线。它由高压发生器和X光管组成。后者功率较大,用水和油同时冷却。色散单元的作用是分出想要波长的X射线。它由样品室、狭缝、测角仪、分析晶体等部分组成。通过测角器以1∶2速度转动分析晶体和探测器,可在不同的布拉格角位置上测得不同波长的X射线而作元素的定性分析。探测器的作用是将X射线光子能量转化为电能,常用的有盖格计数管、正比计数管、闪烁计数管、半导体探测器等。记录单元由放大器、脉冲幅度分析器、显示部分组成。通过定标器的脉冲分析信号可以直接输入计算机,进行联机处理而得到被测元素的含量。 X射线荧光能谱仪没有复杂的分光系统,结构简单。X射线激发源可用X射线发生器,也可用放射性同位素。能量色散用脉冲幅度分析器 。探测器和记录等与X射线荧光光谱仪相同。 X射线荧光光谱仪和X射线荧光能谱仪各有优缺点。前者分辨率高,对轻、重元素测定的适应性广。对高低含量的元素测定灵敏度均能满足要求。后者的X射线探测的几何效率可提高2~3数量级,灵敏度高。可以对能量范围很宽的X射线同时进行能量分辨(定性分析)和定量测定。对于能量小于2万电子伏特左右的能谱的分辨率差。 X射线荧光分析法用于物质成分分析,检出限一般可达10-5~10-6克/克(g/g),对许多元素可测到10-7~10-9g/g,用质子激发时 ,检出可达10-12g/g;强度测量的再现性好;便于进行无损分析;分析速度快;应用范围广,分析范围包括原子序数Z≥3的所有元素。除用于物质成分分析外,还可用于原子的基本性质如氧化数、离子电荷、电负性和化学键等的研究。
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一、物相分析
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。一张衍射图谱上衍射线的位置(方向)仅和原子排列周期性有关;衍射线的强度则取决于原子种类、含量、相对位置等性质;衍射线的位置和强度就完整地反映了晶体结构的二个特征,从而成为辨别物相的依据。
1、定性分析方法
(1)图谱直接对比法:直接比较待测样品和已知物相的谱图,该法可直观简单的对物相进行鉴定,但相互比较的谱图应在相同的实验条件下获取,该法比较适合于常见相及可推测相的分析。
(2)数据对比法:将实测数据(2θ、d、I/I1)与标准衍射数据比较,可对物相进行鉴定。
(3)计算机自动检索鉴定法:建立标准物相衍射数据的数据库(PDF卡片),将样品的实测数据输入计算机,由计算机按相应的程序进行检索,但这种方法还在不断地完善。
2、定量分析方法
每种物相的衍射线强度随其相含量的增加而提高,由强度值的计算可确定物相的含量。定量分析可用来确定混合物中某一化合物的含量。
对于多相样品,当通过定性相分析确定了样品中所存在的物相后,就需要更深入的了解各相的相对百分含量。目前定量方法有:外标法、内标法、标准加入法、RIR值法,其中RIR值法最为简单方便。
RIR法定量是利用各种纯物质与α三氧化二铝按照重量比1:1混合,测试二者强度的比值K,制作成一个数据库,在日常多组分混合物定量分析时,将K值引入利用计算机拟合计算各物相组分含量。
需要说明的是此定量结果为半定量,当然在具体样品分析时,可以将ICP-OES、碳硫氧氮等元素分析方法结合起来,提高定量准确性。若样品又含有有机物,也可将FTIR、TGA、GC-MS结合起来进行定量分析。
测试样品:未知化合物成分分析、某化合物中不同物相定量分析(如二氧化钛中的锐钛矿物相和金红石物相含量)、辅助失效分析、辅助矿物分析、辅助高分子材料定量分析。
二、精密测定点阵参数
点阵常数是晶体物质的基本结构参数。点阵常数的测定是通过X射线衍射线的位置(θ)的测定而获得的。
确定点阵参数的主要方法是多晶X射线衍射法。
X射线衍射法测定点阵参数是利用精确测得的晶体衍射线峰位2θ角数据,然后根据布拉格定律和点阵参数与晶面间距d值之间的关系式计算点阵参数的值。
点阵参数精确测定的应用:可用于研究物质的热膨胀系数、固溶体类型及含量、固相溶解度曲线、宏观应力、化学热处理层的分析、过饱和固溶体分解过程等。
三、宏观应力的测定
宏观应力的存在使部件内部的晶面间距发生改变,所以可以借助X射线衍射方法来测定材料部件中的应力。
按照布拉格定律可知:在一定波长辐射发生衍射的条件下,晶面间距的变化导致衍射角的变化,测定衍射角的变化即可算出宏观应变,因而可进一步计算得到应力大小。
X射线衍射法来测定试样中宏观应力的优点:
(1)可以测量试样上小面积和极薄层内的宏观应力,如果与剥层方法相结合,还可测量宏观应力在不同深度上的梯度变化;
(2)不用破坏试样即可测量;
(3)测量结果可靠性高;
四、晶粒尺寸大小的测定
材料中晶粒尺寸小于10nm时,将导致多晶衍射实验的衍射峰显著增宽。故根据衍射峰的增宽可以测定其晶粒尺寸。
在不考虑晶体点阵畸变的影响条件下,无应力微晶尺寸可以由谢乐(Scherrer)公式计算 :
D:晶粒尺寸(nm)
q :衍射角
b :衍射峰的半高宽,在计算的过程中,需转化为弧度(rad)
l :单色入射X射线波长
K :为Scherrer常数
当B为峰的半高宽时 k=0.89
当B为峰的积分宽度时 k=0.94
五、取向分析
测定单晶取向和多晶的结构(择优取向)。测定硅钢片的取向就是一例。另外,为研究金属的范性形变过程,如孪生、滑移、滑移面的转动等,也与取向的测定有关。
择优取向度F参数的计算:
以计算一般的晶面如(hk1)的F因子为例,需计算出与该晶面方向平行的所有晶面的强度之和。
六、结晶度的测定
结晶性高聚物中晶体部分所占的百分比叫做结晶度。是一种重要的工艺指标。低分子晶体,由于完全结晶,没有结晶度问题。高分子晶体,由于长的链状结构不易完全整规排列,往往导致非完全结晶。
两态分明体系的衍射图由两部分简单叠加而成。一部分是晶态产生的衍射峰,另一部分非晶态产生的弥散隆峰。理论上推导得出如下质量的结晶度公式:
通过软件计算的结晶度为相对结晶度,主要是针对晶态和非晶态差别明显的衍射图进行分析。常见四种结晶状态的XRD图谱:
(a)结晶完整的晶体,晶粒较大,内部原子的排列比较规则,衍射谱线强、尖锐且对称;(b)非晶样品没有衍射峰;
(b)结晶不完整的晶体,由于晶粒过于细小,晶体中有缺陷而使衍射峰形宽阔而弥散;
(d)结晶度越差,衍射能力越弱,峰形越宽。
七、XRD其他方面的应用
*对晶体结构不完整性的研究
包括对层错、位错、原子静态或动态地偏离平衡位置,短程有序,原子偏聚等方面的研究。
*结构分析
对新发现的合金相进行测定,确定点阵类型、点阵参数、对称性、原子位置等晶体学数据。
*液态金属和非晶态金属
研究非晶态、液态金属结构,如测定近程序参量、配位数等。
*合金相变
包括脱溶、有序无序转变、母相新相的晶体学关系等。
*特殊状态下的分析
在高温、低温和瞬时的动态分析。
*此外,小角度散射用于研究电子浓度不均匀区的形状和大小;X射线形貌术用于研究近完整晶体中的缺陷如位错线等。
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