材料近現(xiàn)代分析測試方法

1、中 南 大 學 實 驗 報 告 課程名稱： 材料近現(xiàn)代分析測試方法 實驗項目名稱： X射線衍射儀操作與物相定性分析 學院： 粉末冶金研究院 專業(yè)： 粉體材料科學與工程 指導(dǎo)教師： 孔毅 報告人： 學號： 班級： 實驗時間： 2015年4月13 實驗報告提交時間： 2015年4月19 1 實驗?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、基本學會樣品測試過程；3、了解使用相關(guān)軟件處理XRD測試結(jié)果的基本方法。2 實驗原理原理一：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，其損失的動能（其中的1%）會以光子形式放出，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)層填補空穴，同時放出波長在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。實驗所用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倍時才產(chǎn)生衍射。上式表明，當晶面與X射線之間滿足上述幾何關(guān)系時，X射線的衍射強度將相

3、互加強。)3 儀器與樣品儀器型號及生產(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，計數(shù)器，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等部分組成。 下圖實驗構(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。當高速電子撞擊陽極靶面時，便有部分動能轉(zhuǎn)化為X射線，但其中約有99將轉(zhuǎn)變?yōu)闊?。為了保護陽極靶面，管子工作時需強制冷卻。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高壓。X射線管有相當厚的金屬管套，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射線管通常有四個對稱的窗口，靶面上被電子轟擊的范圍稱為焦點，它是發(fā)射X射線的源泉。用螺線形燈絲時，焦點的形狀為長方形(面積常為lmm×10mm)，此稱實際焦點。窗口位置的設(shè)計，使得射出 的X射線與靶面成6°角(圖實3

5、)。從長方形短邊上的窗口所看到的焦點為lmm2的正方形，稱點焦點，在長邊方向看則得到線焦點。一般的照相多采用點焦點，而線焦點則多用在衍射儀上。圖3 實際焦斑示意圖2、測角儀 測角儀是各種型號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，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)動時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數(shù)器，可以在高達

6、105脈沖/秒的計數(shù)速率下使用，不會發(fā)生漏計損失，使用壽命長，穩(wěn)定性好，但缺點是本底脈沖過高，使較弱的衍射信號淹沒在脈沖背底中。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，這是因為： A、該波長范圍與晶體點陣的面網(wǎng)間距大致相當。 B、波長增加，樣品和空氣對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X射線水平發(fā)散度，加大狹縫，分辨率降低但強度增加。 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)散狹縫配對使用，使用相同角度。 C、接受狹縫是用來限定進入探測器的X衍射線的。它位于衍射線的焦點。測量時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度，則應(yīng)加大接受狹縫。  圖5  狹縫示意圖 5、時間常數(shù)，掃描速度選擇 時間常數(shù)的選擇對實驗的影響較大，時間常數(shù)的增大導(dǎo)致衍射峰高下降，線形不對稱（向掃描方向拉

9、寬）以及峰形向掃描方向移動。這種線形崎變和峰頂移位均對測量結(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間常數(shù)，但選擇時間常數(shù)過小會造成衍射峰線毛刺，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 實驗步驟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。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。當粉末數(shù)量很少

10、時，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。分析氧化層時表面一般不作處理，而化學熱處理層的處理方法須視實際情況進行(例如可用細砂紙輕磨去氧化皮)。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 首先打開實驗室儀器房電源空氣開關(guān)，打開儀器穩(wěn)壓電源開關(guān)。啟動循環(huán)水電源開關(guān)。 2 聯(lián)機：先打開計算

11、機，輸入密碼后進入視窗系統(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”圖標測角儀自動校讀校讀結(jié)束表示聯(lián)機成功。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)閉后方可打開防護門，把樣品放入樣品架上。關(guān)防護門時，注意小心輕推。 4 開X射線：確定防護門一定是關(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°實驗記錄方式采用階梯掃描（步進掃描）.探測器角度2 Theta初始值為10

13、°，結(jié)束時ZTheta為90.0140°每次前進0.01968°，時間常數(shù)設(shè)為0.100s，總共測4066組數(shù)據(jù)，歷時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°各個參數(shù)設(shè)好后點擊電腦屏幕下方的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：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)閉計數(shù)器高壓和電源等待半個小時后，關(guān)閉循環(huán)冷卻水、測角儀和主機電源。五、注意事項 1X射線對人體有害，應(yīng)盡量防止和減少對人休的照射，特別是直接照射。因此X射線衍射儀安裝有鉛玻璃防護罩。 2出現(xiàn)緊急狀況時，關(guān)閉衍射儀的高壓。六 實驗數(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°及相對應(yīng)面間距；二，由圖一和圖二樣品氧化鋁與標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，造成背底強度較大，不利于物相分析。