粉末X射线衍射分析仪器的应用[转载并修改]
1 晶体结构分析
XRD是目前晶体结构分析的重要方法。粉末衍射法常用于立方晶系的晶体结构分析,测定晶胞参数,甚至点阵类型,晶胞中的原子数和原子位置。
2 物相定性分析
不同的物质具有不同的XRD特征峰值(晶面间距和相对强度)对照PDF卡片进行定性。
XRD不同于一般的元素分析(AES、AAS、XFA),它能确定元素所处的化学状态(FeO,Fe2O3,Fe3O4),能区别同分异构体,能区别是混合物还是固溶体,这种方法对于各种材料相变的研究是有用的。试样的形状可以是粉末、块状、板状和线状,但必须是结晶态的。气态、液态和非晶态物质只能予以状态的判别,不能作相分析。
XRD定性分析要求试样充分混合,使各晶面达到紊乱分布,从而得到与PDF卡片基本一致的粉末衍射数据。
3 物相定量分析
XRD物相定量分析是基于待测相的衍射强度与其含量成正比,但是影响强度的因素很多,至今凡是卓有成效的相定量方法都是建立在强度比的基础上。
XRD定量方法有内标法、K值法、增量法和无标定量法,其中常用的是内标法。衍射强度的测量用积分强度或峰高法,有利于消除基体效应及其它因素的影响。
XRD定量方法的优势在于它能够给出相同元素不同成分的含量,这是一般化学分析不能达到的。粉末X射线衍射仪使得强度测量既方便又准确。例如:钢中残余奥氏体的测定,XRD比金相法、磁性法更加灵敏,更加准确。
4 晶粒大小分析
多晶体材料的晶体尺寸是影响其物理化学性能的重要因素,测定纳米材料的晶粒大小要用XRD,用X射线衍射法测量小晶粒尺寸是基于衍射线剖面宽度随晶粒尺寸减少而增宽。
Scherrer方程: D = K/B1/2cosθ
式中,D为小晶体的平均尺寸,K为常数(约等于1),B1/2为衍射线剖面的半高宽。
影响衍射峰宽度的因素很多,如光源、平板试样、轴向发散、吸收、接受狭缝和非准直性、入射X射线的非单色性(Kα1、Kα2、Kβ)等。
应该指出,当小晶体的尺寸和形状基本一致时,上式计算结果比较可靠。但一般粉末试样的晶体大小都有一定的分布,Scherrer方程需要修正,否则只能得到近似的结果。
5 结晶度分析
物质的结晶度会影响材料的物性,测定结晶度的方法有密度法、IR法、NMR法和差热分析法,XRD法优于上述各法,它是依据晶相和非晶相散射守恒原理,采用非晶散射分离法(HWM)、计算机分峰法(CPRM)、或近似全导易空间积分强度法(RM)测定结晶度。
无论这些方法还存在什么问题,结晶度的测定对于高分子材料的研究都是有益的。从X射线测量来说,理想的晶体产生衍射,理想的非晶体产生相干散射,而畸变的结晶(次晶、介晶、近晶、液晶)变成程度不同的散射,所以高分子材料结晶度的精确测定时困难的。
6 宏观应力和微观应力分析
实际构件中的残余应力对构件的疲劳强度、抗压力、耐腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命等有直接影响。通过测定构件的残余应力,可以控制加工工艺的效果,解决具体的工艺问题,所以残余应力的测定具有重要的实际意义。
残余应力是一种内应力,是指物体较大范围内存在并平衡的内应力。当这种第Ⅰ类内应力所产生的力和力矩的平衡受到破坏时,会产生宏观尺寸的变化,又叫宏观应力。在晶体或若干原子范围内存在并保持平衡时的内应力叫微观应力,其中宏观应力可以精确测量。
X射线衍射法测量构件的残余应力具有无损、快速、测量精度高、能测量小区域应力等特点,所以备受人们重视。
通过热处理及冷热变形,使多晶体中晶块细碎化和增加点阵畸变度,是金属材料强韧化的重要途径之一。晶块细碎化和点阵畸变(也反映微观应力大小)的增加一般使衍射线变宽,也可能使衍射线强度减弱。据此可以测量,粉末X射线衍射仪测定应力需要配置专门的应力测试装置,亦有测定机械零件宏观残余应力的专用设备——X射线应力分析仪。
薄膜厚度的测定和物相纵向深度分析
薄膜厚度是一个重要的物理参数,但是薄膜厚度的测定是X射线衍射分析的难题之一。另外,随着高新技术材料的开发和应用,对衍射分析技术提出更高的要求,比如固体薄膜、表面改性材料、多层薄膜等新兴材料常需要纵向深度分析。由于二维衍射技术的发展,就是通常所说的薄膜X射线分析方法——STD技术,使得问题得到了解决。
择优取向分析
7 当材料存在择优取向(织构)时,材料变呈现各向异性。比如高分子聚集体总是存在某种择优取向,蛋白质有α-螺旋链的取向盘绕、β-锯齿链的取向叠合、DNA双螺旋链互相取向盘绕,合成高分子材料诸如薄膜、纤维、滚碾的片材、注塑、吹塑和挤塑的高分子产品都是具有各向异性的高分子聚集体。金属材料经拉丝、冲压、冷轧、退火、
液相凝固、电解沉积等都能形成织构,影响材料的机械性能、物理性能和化学性能。
织构测定有三种方法:极图法、反极图法和三维取向分布函数法。X射线衍射仪需要专门的织构测定装置附件。