X射線衍射和小角X射線散射

1、X射線衍射和小角X射線散射X射線衍射和小角X射線散射X射線散射WAXS原理X射線衍射測定粉末法單晶旋轉法聚合物纖維旋轉X射線衍射WAXS應用實例區(qū)別結晶和非晶聚合物不同晶型鑒別結晶度測定取向度測定SAXS及其應用X射線衍射和小角X射線散射X射線的散射現象晶體中的原子在射入晶體的X射線的作用下被迫強制振動，形成一個新的X射線源發(fā)射次生X射線。X-Ray Diffraction by Macromolecules, p. 15 X射線衍射和小角X射線散射廣角X射線散射（X射線衍射）如果被照射試樣具有周期性結構（結晶），則次生X射線會發(fā)生干涉現象，該現象被稱為X射線衍射（X-ray Diffract

2、ion, XRD ）。X射線衍射需要在廣角范圍內測定，因此又被稱為廣角X射線衍射（Wide-Angle X-ray Scattering, WAXS）。X射線衍射和小角X射線散射小角X射線散射如果被照射試樣具有不同電子密度的非周期性結構，則次生X射線不會發(fā)生干涉現象，該現象被稱為漫射X射線衍射（簡稱散射）。X射線散射需要在小角度范圍內測定，因此又被稱為小角X射線散射（Small-Angle X-ray Scattering, SAXS）。 X射線衍射和小角X射線散射WAXS（XRD）原理在不同的觀測點，從不同的次生源發(fā)出的X線間的光程差通常是不同的。X-Ray Diffraction by M

3、acromolecules, p. 16 X射線衍射和小角X射線散射WAXS（XRD）原理由于存在不同的光程差，因此，到達不同觀測點的次生X射線可能相互加強、減弱，甚至完全抵消。X-Ray Diffraction by Macromolecules, p. 19 X射線衍射和小角X射線散射不同光程差的X射線疊加當光程差等于X射線波長的整數倍時次生X射線互相疊加而加強；當光程差等于半波長時，次生X射線相互完全抵消。只有相互疊加的光波才能有足夠的強度被觀察到。Crystal Structure Analysis, 3rd Edition, p. 28 X射線衍射和小角X射線散射晶體的X射線衍射特征

4、Crystal Structure Analysis, 3rd Edition, p. 48 X射線衍射和小角X射線散射晶體結構及其晶胞類型Methods of Experimental Physics Volume 16: Polymers, Part B Crystal Structure and Morphology, p. 5 X射線衍射和小角X射線散射晶胞的描述晶面指數Physical Chemistry of Macromolecules, 2nd Edition, pp. 500-501 X射線衍射和小角X射線散射晶面指數Two-Dimensional X-Ray Diffrac

5、tion, p. 7 X射線衍射和小角X射線散射晶面指數及晶面距Encyclopedia of Materials Characterization, p. 201 X射線衍射和小角X射線散射晶面指數與晶胞參數Fundamentals of Powder Diffraction and Structural Characterization of Materials, 2nd Edition, p. 9 X射線衍射和小角X射線散射Bragg方程設晶體的晶面距為 d，X射線以與晶面間交角為 的方向照射，從晶面散射出來的X射線產生衍射的條件是相鄰散射X射線間的光程差等于波長的整數倍，即滿足Brag

6、g方程 ndsin2X射線衍射和小角X射線散射晶體參數解析當用單色X射線（波長已知）測定時結晶體時，從實驗測得掠射角，進而由Bragg方程求得晶面間距（即晶胞參數）。Methods of Experimental Physics Volume 16 Polymers, Part B Crystal Structure and Morphology, p. 53 X射線衍射和小角X射線散射X射線衍射測定測定X射線衍射的方法主要有兩種：一是粉末法，另一是單晶旋轉法。 Methods of Experimental Physics Volume 16 Polymers, Part B Crystal

7、 Structure and Morphology, pp. 53 & 63 X射線衍射和小角X射線散射X射線衍射測定之粉末法當單色的X射線通過晶體粉末時，因為粉末中包含無數任意取向的晶體，所以必然會有一些晶面距和掠射角滿足Bragg方程。Crystal Structure Analysis, 3rd Edition, p. 42 X射線衍射和小角X射線散射X射線衍射測定之粉末法由不同的晶面衍射得到的X射線束為錐形，錐形光束的軸就是入射X射線，錐的頂角等于 4。Fundamentals of Powder Diffraction and Structural Characterizat

8、ion of Materials, 2nd Edition, p. 154 X射線衍射和小角X射線散射粉末衍射光錐及條紋攝制X-Ray Analysis of Crystals, p.5 Introduction to X-Ray Powder Diffractometry, p. 60 X射線衍射和小角X射線散射粉末衍射條紋攝制及處理Fundamentals of Powder Diffraction and Structural Characterization of Materials, 2nd Edition, p. 265 X射線衍射和小角X射線散射粉末衍射平板圖案攝制Fundame

9、ntals of Powder Diffraction and Structural Characterization of Materials, 2nd Edition, p. 153 X射線衍射和小角X射線散射粉末衍射圖Fundamentals of Powder Diffraction and Structural Characterization of Materials, 2nd Edition, p. 156 X射線衍射和小角X射線散射粉末衍射圖粉末衍射圖案粉末衍射強度分布Methods of X-ray and Neutron Scattering in Polymer Scie

10、nce, pp. 83 & 84X射線衍射和小角X射線散射X射線衍射測定之單晶旋轉法如果一束X射線垂直地投射到晶體的主晶軸方向的一系列原子上，而晶體是繞著主晶軸以恒速轉動著，會產生錐形散射光束。 nxcosX射線衍射和小角X射線散射單晶旋轉衍射圖案攝制一種是將相片卷成圓筒形，樣品放在圓筒形相片的中心，X射線從一側射入，這樣得到的衍射圖案是許多平行的層線。另一種方法是將平整的照相底片放置在垂直于X射線入射的方向上，這樣得到的是一系列的雙曲線。 X射線衍射和小角X射線散射四圓衍射儀Crystal Structure Analysis, 3rd Edition, p. 61 X射線衍射和小角

11、X射線散射聚合物纖維旋轉衍射聚合物纖維經單向拉伸后，可使晶粒有一定程度的取向，可以將晶粒中的原子面分成兩類，一類垂直于拉伸方向，另一類平行于拉伸方向，因此就滿足了單晶旋轉的條件。 Methods of Experimental Physics Volume 16 Polymers, Part B Crystal Structure and Morphology, p. 49 X射線衍射和小角X射線散射WAXS應用定性分析WAXS圖案可得到如下信息：（i）試樣的形態(tài)（結晶或非晶）；（ii）結晶的類型；（iii）結晶的大致程度；（iv）晶粒的取向及大致程度。 定量分析WAXS數據可得到如下信息：（

12、i）晶胞參數；（ii）結晶度；（iii）取向度。X射線衍射和小角X射線散射WAXS應用實例之區(qū)別結晶和非晶聚合物衍射環(huán)彌散環(huán)Methods of Experimental Physics Volume 16 Polymers, Part B Crystal Structure and Morphology, p. 54 X射線衍射和小角X射線散射WAXS應用實例之區(qū)別結晶和非晶聚合物衍射峰彌散峰X射線衍射和小角X射線散射WAXS應用實例之鑒別不同晶型尼龍6的晶型和晶型同屬單斜晶系，它們的區(qū)別是型在2=11o有明顯的002晶面的峰；型是擬六方晶系，衍射圖上只有一個銳峰 X射線衍射和小角X射線散射

13、WAXS應用實例之測定結晶度結晶聚合物的WAXS圖實際上是結晶和非晶部分兩相貢獻的總和，先用分峰技術分別測算出結晶峰和非晶峰的強度，然后再計算結晶度。 accckIIIXX射線衍射和小角X射線散射WAXS應用實例之取向鑒定未取向的非晶聚合物衍射圖案取向的非晶聚合物衍射圖案X射線衍射和小角X射線散射WAXS應用實例之取向鑒定未取向的結晶聚合物衍射圖案取向的結晶聚合物衍射圖案Methods of Experimental Physics Volume 16 Polymers, Part B Crystal Structure and Morphology, pp. 54 & 55 X射線衍

14、射和小角X射線散射WAXS應用實例之取向度測定冷拉不同倍數的全同聚丙烯薄膜的WAXS平板照片X射線衍射和小角X射線散射WAXS應用實例之取向度測定X射線法常用取向指數來表征結晶的取向程度。例如尼龍6拉伸后，衍射環(huán)退化為赤道弧，在方位角上掃描得峰，求得半峰寬，定義取向指數（R）%100180180WRX射線衍射和小角X射線散射SAXS及其應用根據Bragg方程，衍射角與晶格間距的關系2d/nm30o0.33o322.51o4051315”40520”100X射線衍射和小角X射線散射結構表征的尺度要求在廣角衍射的角度范圍內能測定的晶格間距為零點幾到幾納米。然而在結晶聚合物中，常常要求測定幾納米到幾十納米的長周期，這就要求測定角度縮小到小角范圍，也就是說，要在1-2o以內測定衍射強度或記錄衍射花樣。 X射線衍射和小角X射線散射SAXS技術一般X射線管發(fā)出的X射線束寬約1-2o，所以，小角散射會被淹沒在普通廣角衍射圖中而觀察不到。系統(tǒng)有特別的要求：首先準直系統(tǒng)要長且光柵或狹縫要小，才能使焦點變細。但焦點太細，光強太弱，將導致記錄時間過長，因而又要求X射線源要強。其次在準直系統(tǒng)和很長的工作距離內，空氣對X射線有強烈的散射作用，因而整個系統(tǒng)要置于真空中。 X射線衍射和小角X射線散射WAXS與SAXS工作距離的比較Polymer Sy