材料近現(xiàn)代分析測試方法

1、中 南 大 學(xué) 實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告 課程名稱： 材料近現(xiàn)代分析測試方法 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱： X射線衍射儀操作與物相定性分析 學(xué)院： 粉末冶金研究院 專業(yè)： 粉體材料科學(xué)與工程 指導(dǎo)教師： 孔毅 報(bào)告人： 學(xué)號(hào)： 班級(jí)： 實(shí)驗(yàn)時(shí)間： 2015年4月13 實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交時(shí)間： 2015年4月19 1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解X衍射的基本原理以及粉末X衍3射測試的基本目的；2、基本學(xué)會(huì)樣品測試過程；3、了解使用相關(guān)軟件處理XRD測試結(jié)果的基本方法。2 實(shí)驗(yàn)原理原理一：X射線產(chǎn)生: 產(chǎn)生X射線的最簡單方法是用加速后的電子撞擊金屬靶。撞擊過程中，電子突然減速，其損失的動(dòng)能（其中的1%）會(huì)以光子形式放出，形成X光光譜的連續(xù)

2、部分，稱之為制動(dòng)輻射。通過加大加速電壓，電子攜帶的能量增大，則有可能將金屬原子的內(nèi)層電子撞出。于是內(nèi)層形成空穴，外層電子躍遷回內(nèi)層填補(bǔ)空穴，同時(shí)放出波長在0.1納米左右的光子。由于外層電子躍遷放出的能量是量子化的，所以放出的光子的波長也集中在某些部分，形成了X光譜中的特征線，此稱為特性輻射。實(shí)驗(yàn)所用x射線為特征x射線。原理二：由X射線衍射滿足布拉格方程2dsin=n，n=1,2(其中，d為晶面間距，為入射X射線與相應(yīng)晶面的夾角，為X射線的波長，n為衍射級(jí)數(shù)，其含義是：只有照射到相鄰兩晶面的光程差是X射線波長的n倍時(shí)才產(chǎn)生衍射。上式表明，當(dāng)晶面與X射線之間滿足上述幾何關(guān)系時(shí)，X射線的衍射強(qiáng)度將相

3、互加強(qiáng)。)3 儀器與樣品儀器型號(hào)及生產(chǎn)廠家： D8 advance Bruker X衍射儀樣品：三氧化二鋁X射線衍射儀的主要組成及其工作原理X射線衍射儀一般由X射線發(fā)生器，測角儀，計(jì)數(shù)器，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等部分組成。 下圖實(shí)驗(yàn)構(gòu)造圖：1、X光源 圖2是目前常用的熱電子密封式X射線管的示意圖。陰極由鎢絲繞成螺線形，工作時(shí)通電至白熱狀態(tài)。由于陰陽極間有幾十千伏的電壓，故熱電子以高速撞擊陽極靶面。為防止燈絲氧化并保證電子流穩(wěn)定，管內(nèi)抽成1.33X10-9-1.33X-11Mpa，的高真空。為使電子束集中，在燈絲外設(shè)有聚焦罩。陽極靶由熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱性好的銅制成，靶面上鍍一層純金屬。常用的金屬材料有Cr，F(xiàn)e

4、，Co，Ni，Cu，Mo，W等。當(dāng)高速電子撞擊陽極靶面時(shí)，便有部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為X射線，但其中約有99將轉(zhuǎn)變?yōu)闊?。為了保護(hù)陽極靶面，管子工作時(shí)需強(qiáng)制冷卻。為了使用流水冷卻，也為了操作者的安全， 圖2 X射線發(fā)生器原理圖 應(yīng)使X射線管的陽極接地，而陰極則由高壓電纜加上負(fù)高壓。X射線管有相當(dāng)厚的金屬管套，使X射線只能從窗口射出。窗口由吸收系數(shù)較低的Be片制成。結(jié)構(gòu)分析X射線管通常有四個(gè)對(duì)稱的窗口，靶面上被電子轟擊的范圍稱為焦點(diǎn)，它是發(fā)射X射線的源泉。用螺線形燈絲時(shí)，焦點(diǎn)的形狀為長方形(面積常為lmm×10mm)，此稱實(shí)際焦點(diǎn)。窗口位置的設(shè)計(jì)，使得射出 的X射線與靶面成6°角(圖實(shí)3

5、)。從長方形短邊上的窗口所看到的焦點(diǎn)為lmm2的正方形，稱點(diǎn)焦點(diǎn)，在長邊方向看則得到線焦點(diǎn)。一般的照相多采用點(diǎn)焦點(diǎn)，而線焦點(diǎn)則多用在衍射儀上。圖3 實(shí)際焦斑示意圖2、測角儀 測角儀是各種型號(hào)衍射儀的重要組成部分。測角儀的制造原理主要根據(jù)一種經(jīng)常變化的聚焦園原理設(shè)計(jì)成的。其聚焦園半徑r是入射角的函數(shù)r=f()=R/2sin式中R是測角儀半徑。 根據(jù)聚焦原理，測角儀必須滿足下列條件才能工作： X射線管的焦點(diǎn)，樣品的表面，接受狹縫必須在同一衍射聚焦園上，樣品表面必須與測角儀主軸中心共面。樣品表面應(yīng)該是平的，主轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)必須始終和聚焦園相切。 3、探測器D500衍射儀的探測器采用的是閃爍計(jì)數(shù)器，可以在高達(dá)

6、105脈沖/秒的計(jì)數(shù)速率下使用，不會(huì)發(fā)生漏計(jì)損失，使用壽命長，穩(wěn)定性好，但缺點(diǎn)是本底脈沖過高，使較弱的衍射信號(hào)淹沒在脈沖背底中。圖4 測角儀示測試條件： 1、X光管靶材料的選擇 用于粉末晶體衍射所用射線波長一般選用0.5埃-2.5埃，這是因?yàn)椋?#160;A、該波長范圍與晶體點(diǎn)陣的面網(wǎng)間距大致相當(dāng)。 B、波長增加，樣品和空氣對(duì)射線的吸收越來越大。 C、波長太短，衍射線條過分集中在低角度區(qū)，還可能造成熒光輻射 按上述原則，規(guī)律為：Z靶<Z試樣+1（Z為原子序數(shù)）。 2、X光管的管壓管流的選擇 X射線中特征和連續(xù)波是隨管壓增大而增大

7、的，這樣連續(xù)波不易被濾波片濾掉，因此選擇合適的管壓，K系特征X射線的強(qiáng)度與管電壓管電流的關(guān)系： I特=K2i(V-Vk)     K2,n為常數(shù) i-管電流，V和Vk-分別為工作電壓和K系激發(fā)電壓。 另外管壓管流的乘積不得超過X光管額定功率。 3、濾波片的選擇 特征譜是由Ka,K組成，我們需要Ka濾去K線。對(duì)濾波片的選擇就是它的K吸收限剛好位于Ka，K之間并盡量靠近Ka。 4、狹逢參數(shù)的選擇 在X射線衍射儀光路中有五只狹縫：梭拉狹縫（兩只），發(fā)散狹縫，散射狹縫，接受狹縫。梭拉狹縫是固定

8、的。我們要選擇的另三種狹縫： A、發(fā)散狹縫是用來限制樣品表面初級(jí)X射線水平發(fā)散度，加大狹縫，分辨率降低但強(qiáng)度增加。 B、散射狹縫用來減少非相干散射及本底等因素造成的背景，提高峰背比，它與發(fā)散狹縫配對(duì)使用，使用相同角度。 C、接受狹縫是用來限定進(jìn)入探測器的X衍射線的。它位于衍射線的焦點(diǎn)。測量時(shí)如果主要為了提高分辨率，應(yīng)該選擇較小的接受狹縫。如果為了提高衍射強(qiáng)度，則應(yīng)加大接受狹縫。  圖5  狹縫示意圖 5、時(shí)間常數(shù)，掃描速度選擇 時(shí)間常數(shù)的選擇對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響較大，時(shí)間常數(shù)的增大導(dǎo)致衍射峰高下降，線形不對(duì)稱（向掃描方向拉

9、寬）以及峰形向掃描方向移動(dòng)。這種線形崎變和峰頂移位均對(duì)測量結(jié)果帶來不利影響。為了提高測量的精確度一般希望選擇小的時(shí)間常數(shù)，但選擇時(shí)間常數(shù)過小會(huì)造成衍射峰線毛刺，要選擇合適常數(shù)掃描速度的選擇與時(shí)間常數(shù)相似，為了提高測量精確度，選擇較小的掃描速度。 樣品： 氧化鋁4 實(shí)驗(yàn)步驟1、樣品制備 A、粉末樣品制備：粉末樣品應(yīng)有一定的粒度要求 (顆粒大小約在110 數(shù)量級(jí)。粉末過200-325目篩子即合乎要求)，不過由于在衍射儀上攝照面積較大，采用稍粗的顆粒。根據(jù)粉末的數(shù)量可壓在玻璃制的通框或淺框中。壓制時(shí)一般不加粘結(jié)劑，所加壓力以使粉末樣品粘牢為限，壓力過大可能導(dǎo)致顆粒的擇優(yōu)取向。當(dāng)粉末數(shù)量很少

10、時(shí)，可在乎玻璃片上抹上一層凡士林，再將粉末均勻撒上。 B、固體樣品制備：衍射采用塊狀平面試樣，它可以是整塊的多晶體，亦可用粉末壓制。金屬樣可從大塊中切割出合適的大?。ù笮∧芊湃霕悠钒蹇?，經(jīng)砂輪、砂紙磨平而得。分析氧化層時(shí)表面一般不作處理，而化學(xué)熱處理層的處理方法須視實(shí)際情況進(jìn)行(例如可用細(xì)砂紙輕磨去氧化皮)。樣品拋光面朝向毛玻璃面，用橡皮泥從后面把樣品粘牢，注意勿讓橡皮泥暴露在X射線下，以免引起不必要干擾。 C、薄膜樣品制備：將薄膜樣品剪成比樣品孔稍大的塊，用膠粘紙背面粘牢。 2、操作規(guī)程 1 首先打開實(shí)驗(yàn)室儀器房電源空氣開關(guān)，打開儀器穩(wěn)壓電源開關(guān)。啟動(dòng)循環(huán)水電源開關(guān)。 2 聯(lián)機(jī)：先打開計(jì)算

11、機(jī)，輸入密碼后進(jìn)入視窗系統(tǒng)，再合上測角儀開關(guān)“Netz Power”。雙擊桌面上的D500-文件夾雙擊“X射線衍射圖測量”圖標(biāo)測角儀自動(dòng)校讀校讀結(jié)束表示聯(lián)機(jī)成功。3 放置樣品：按下儀器操作面板上的“Shut“按鈕，X射線窗口關(guān)閉后方可打開防護(hù)門，把樣品放入樣品架上。關(guān)防護(hù)門時(shí)，注意小心輕推。 4 開X射線：確定防護(hù)門一定是關(guān)緊的。打開高壓發(fā)生器鑰匙開關(guān)按下循環(huán)水冷卻開關(guān)按下高壓開啟開關(guān)，“X-ray ON”指標(biāo)燈亮，顯示電壓電流為20KV，5mA， 先升電壓至40KV ，逐步加載電流至40mA，將靶的材料設(shè)置為Cu靶，其特征X射線為1.5418（A）以下是關(guān)于X射線儀結(jié)構(gòu)的設(shè)置 ： Drive

12、 Theta 45.8296° 10°2Theta 91.6592° 0.0°Detector 45.8296° 10°Psi 0.0° 0.0°Phi 90.0° 90.0°Twin_Primary Motorized Slit:OpeningDegree0.50° 0.50°Twin_Secondary Motorized Slit:OpeningDegree 2.0° 2.0°實(shí)驗(yàn)記錄方式采用階梯掃描（步進(jìn)掃描）.探測器角度2 Theta初始值為10

13、°，結(jié)束時(shí)ZTheta為90.0140°每次前進(jìn)0.01968°，時(shí)間常數(shù)設(shè)為0.100s，總共測4066組數(shù)據(jù)，歷時(shí)421s.狹縫的選擇：Primary Beam PathTwin_Primary MotorizedNo Slit 10.5mmAxial Soller 2.5°；Secondary Beam PathLYNXEYE 2.834442764°DetelctorOpticsMount2 Soller_25 2.5°各個(gè)參數(shù)設(shè)好后點(diǎn)擊電腦屏幕下方的Start開始測5開始測量：單擊“疊掃”輸入樣品名設(shè)置測量條件單擊“執(zhí)行”保

14、存掃描數(shù)據(jù)及路徑選擇。 ，6關(guān)機(jī)：退出測量軟件將電壓電流逐步降至20KV、5mA關(guān)閉高壓按鈕關(guān)閉計(jì)數(shù)器高壓和電源等待半個(gè)小時(shí)后，關(guān)閉循環(huán)冷卻水、測角儀和主機(jī)電源。五、注意事項(xiàng) 1X射線對(duì)人體有害，應(yīng)盡量防止和減少對(duì)人休的照射，特別是直接照射。因此X射線衍射儀安裝有鉛玻璃防護(hù)罩。 2出現(xiàn)緊急狀況時(shí)，關(guān)閉衍射儀的高壓。六 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果圖一 氧化鋁（含碳）樣品衍射圖 圖二 氧化鋁標(biāo)樣衍射圖 圖三 Fe19Mn 衍射圖結(jié)果分析：一，在陽極靶為銅的情況下氧化鋁的二倍衍射角為25.5°，35.5°，37.8°，43.5°，52.4°，57.8°，77°等可以根據(jù)布拉格方程算出氧化鋁的面間距；Fe19Mn同樣可得出其二倍衍射角：44.8°，65°，82.2°及相對(duì)應(yīng)面間距；二，由圖一和圖二樣品氧化鋁與標(biāo)樣氧化鋁的衍射圖可以看出，兩者衍射峰的位置大致相同，但是樣品氧化鋁得到的圖像背底較強(qiáng)且不光滑，衍射峰寬化，可以得出樣品氧化鋁結(jié)晶度不好，造成背底強(qiáng)度較大，不利于物相分析。