X射线衍射分析技术(修改).ppt

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1、 图图1 （a）Wilhelm Conrad Roentgen （b）透过）透过X射线的手像射线的手像 （a） （b） 18951895年，德国物理学家伦琴在研究阴极射线过程中偶然发年，德国物理学家伦琴在研究阴极射线过程中偶然发现了现了X X射线，因而获得首届诺贝尔物理学奖（射线，因而获得首届诺贝尔物理学奖（19011901年）。年）。 01 图图2 （a）Max von Laue （b）晶体的）晶体的X射线衍射图像射线衍射图像 19121912年，物理学家劳厄发现了晶体年，物理学家劳厄发现了晶体X X射线衍射现象，证明了射线衍射现象，证明了X X射线具有波动属性，获得诺贝尔物理学奖（射线具有

2、波动属性，获得诺贝尔物理学奖（19141914年）。年）。 （a） （b） 02 图图3 （a）Bragg 父子父子 （b）NaCl晶体及模型晶体及模型 1913-19141913-1914年，英国物理学家年，英国物理学家BraggBragg父子利用父子利用X X射线成功测定射线成功测定了了NaClNaCl晶体的结构并提出了晶体的结构并提出了BraggBragg方程，共同获得方程，共同获得19151915年的年的诺贝尔物理学奖。诺贝尔物理学奖。 （a） （b） n2dsin 03 19531953年，英国科学家沃森等利用年，英国科学家沃森等利用X X射线衍射技术成功揭示了射线衍射技术成功揭示了

3、DNADNA分子具有双螺旋结构，获得了分子具有双螺旋结构，获得了19621962年诺贝尔医学奖。年诺贝尔医学奖。 图图4 4 （a a）DNADNA结构发现者克里克和沃森结构发现者克里克和沃森 （b b）DNADNA双螺旋结构双螺旋结构 （a） （b） 04 19531953年，年，ZieglerZiegler和和NattaNatta借助借助X X射线晶体结构分析手段发明射线晶体结构分析手段发明了可实现了可实现 烯烃定向聚合的烯烃定向聚合的Ziegler-NattaZiegler-Natta催化剂，有力促催化剂，有力促进了塑料、橡胶的工业化应用。获进了塑料、橡胶的工业化应用。获19621962

4、年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。 （a） （b） （c） 05 自劳厄证实了自劳厄证实了X X射线衍射效应以及射线衍射效应以及BraggBragg父子提出父子提出BraggBragg方程方程 以来，以来，X X射线衍射分析技术至今已有显著发展，已成为固体射线衍射分析技术至今已有显著发展，已成为固体晶体结构分析的最重要而基本的测试手段，广泛应用于：晶体结构分析的最重要而基本的测试手段，广泛应用于： l 化学领域；化学领域； l 材料的制备、改性及加工领域；材料的制备、改性及加工领域； l 矿物成份分析；矿物成份分析； l 生物、医学领域；生物、医学领域；l 其他领域；其他领域； 06 图图6 X

5、射线管结构及射线管结构及X射线产生过程示意图射线产生过程示意图 在阴极和阳极间通在阴极和阳极间通以高压电场，高温以高压电场，高温下由阴极发射的自下由阴极发射的自由电子经聚焦、加由电子经聚焦、加速后以一定方向撞速后以一定方向撞击阳极表面，部分击阳极表面，部分动能转为热能，另动能转为热能，另一转化为一转化为X X 射线加射线加以收集。以收集。 07 （a） （b） 图图7 （a）X射线管射线管 （b）X射线管旋转阳极金属靶（钨）射线管旋转阳极金属靶（钨） 阳极靶通常由传热性能好且阳极靶通常由传热性能好且熔点高的金属材料制成，如熔点高的金属材料制成，如铜、钴、镍、铁、钼等。铜、钴、镍、铁、钼等。 0

6、8 图图8 金属陶瓷金属陶瓷X射线管射线管 X X射线管是射线管是X X射线机最射线机最重要的部件之一，目重要的部件之一，目前常用的前常用的 X X射线管均射线管均为封闭式电子为封闭式电子 X X射线射线管，大功率管，大功率 X X射线机射线机一般采用旋转阳极一般采用旋转阳极 X X射线管。射线管。 09 X X 射线的属性是一种电磁波，其波长范围为射线的属性是一种电磁波，其波长范围为1010-2-210102 2 埃，埃，介于紫外线与介于紫外线与 射线之间。射线之间。 10 h(1)h(2)h12.4/(3)EPcE为为X X射线的能量；射线的能量；为为X X射线的频率；射线的频率； 为为X

7、 X射线的动量；射线的动量； 为为X X射线射线的波长；的波长； 为为X X射线的波射线的波速；速； 为普朗克常数；为普朗克常数； EPchX X 射线与其他电磁波一样，具有波粒二象性，可看作为具射线与其他电磁波一样，具有波粒二象性，可看作为具有一定能量有一定能量E E、动量、动量P P、质量、质量m m 的的X X 射线光子流。射线光子流。 11 X X 射线的性质与可见光有着非常大的区别，表现于：射线的性质与可见光有着非常大的区别，表现于： l X X 射线可以穿透可见光不能穿透的物体；射线可以穿透可见光不能穿透的物体；l X X 射线始终沿直线传播，不受电场、磁场影响；射线始终沿直线传播

8、，不受电场、磁场影响；l X X 射线肉眼无法察觉，但能使照相底片感光；射线肉眼无法察觉，但能使照相底片感光； l X X 射线能够杀死生物细胞或组织。射线能够杀死生物细胞或组织。 12 50 kV 40 kV 30 kV 20 kV X射线相对强度 图图9 不同加速电压下由金属钨产生的连续不同加速电压下由金属钨产生的连续X射线谱射线谱 在高能电子束与阳极靶在高能电子束与阳极靶撞击过程，由于不同电撞击过程，由于不同电子的运动状况、撞击条子的运动状况、撞击条件等存在差异，导致所件等存在差异，导致所产生的产生的X X 射线波长不一射线波长不一，最终形成波长连续分，最终形成波长连续分布的连续布的连续

9、X X射线。射线。 13 maxminmin2minhh(4)h(5)111() (6)ceVceVIC Z为电子电荷；为电子电荷； 为加速电压；为加速电压； 为普朗克常数；为普朗克常数； 为辐射频率；为辐射频率； 为光速；为光速； 为短波限；为短波限； 为常数；为常数；为阳极原子序数；为阳极原子序数； eVhcminCZ连续连续X X射线谱可以经验方程式（射线谱可以经验方程式（6 6）进行描述；式中）进行描述；式中X X射线射线的短波限可由加速电压和电子电量通过式（的短波限可由加速电压和电子电量通过式（5 5）求得。）求得。 14 o/ AI KK由于阳极靶物质原由于阳极靶物质原子核外层子核

10、外层 K K电子被电子被高能电子撞出，形高能电子撞出，形成空位后高能级电成空位后高能级电子进行补充，剩余子进行补充，剩余能量以能量以 X X射线形式射线形式释放，最终形成特释放，最终形成特征征 X X射线，具有单射线，具有单一分布的波长。一分布的波长。 图图10 Mo靶靶X射光管产生的特征射光管产生的特征X射线谱（射线谱（39kV） 15 2121242n222nnnn22122e ()(7)h n11hR h () ()(8)nnmZEEEc Z为为n n层电子的能量；层电子的能量； 为电子的质量；为电子的质量； 为电子的电荷；为电子的电荷； 为主量子数；为主量子数； nEmen为原子序数；

11、为原子序数； 为屏蔽常数；为屏蔽常数； 为里德伯常数；为里德伯常数； 为光速；为光速； ZRc特征特征X X射线的频率可由式（射线的频率可由式（8 8）进行描述，其波长与原）进行描述，其波长与原子序数及核外量子数有关，具有特征性。子序数及核外量子数有关，具有特征性。 16 入射X射线 散射X射线 电子 荧光X射线 穿透X射线 热 x 图图11 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 X X 射线与物质的相射线与物质的相互作用包括散射和互作用包括散射和吸收两部分。其中吸收两部分。其中散射包括相干和不散射包括相干和不相干两类；吸收由相干两类；吸收由光电效应引起。光电效应引起。 17 o/ A

12、（a） （b） 图图12 Cu靶靶X射线谱线示意图射线谱线示意图 ：（：（a）滤波前；（）滤波前；（b）经）经Ni滤波后滤波后 其中，其中， 和和 为穿透为穿透前后前后X射线的强度，射线的强度， 为样品线吸收系数，为样品线吸收系数， 为样品厚度。为样品厚度。 01exp() (9)IIx0II1x为进行为进行X 射线衍射分析射线衍射分析的需要，通常利用吸收的需要，通常利用吸收限性质选择合适滤波材限性质选择合适滤波材料，过滤料，过滤X 射线连续谱射线连续谱获得单色获得单色X 射线。射线。 18 当当X 射线以特定方向入射某晶射线以特定方向入射某晶体结构时，在其背面底片上产体结构时，在其背面底片上

13、产生有规律分布的衍射斑点，称生有规律分布的衍射斑点，称该现象为该现象为X射线衍射。射线衍射。 X射线衍射花样 石英晶体点阵结构 19 图图13 一维原子列的衍射示意图一维原子列的衍射示意图 a0SSOPQRcos - cos = H (10)(H = 0, 1, 2.)aa为原子间距；为原子间距； 为为X射线波长；射线波长；为入射为入射X射线夹角；射线夹角；为散射为散射X射线夹角；射线夹角； a当相邻原子的散射当相邻原子的散射X射线射线光程差等于入射光程差等于入射X射线波射线波长整数倍时发生衍射。长整数倍时发生衍射。 20 (coscos )(coscos )(11)(coscos )aHbK

14、cL000()()(12)()a SSHb SSKc SSL为为X轴晶体点阵间距；轴晶体点阵间距； 为为Y轴晶体点阵间距；轴晶体点阵间距； 为为Z轴晶体点阵间距；轴晶体点阵间距； 为入射线与为入射线与X轴夹角；轴夹角；为入射线与为入射线与Y轴夹角；轴夹角；为入射线与为入射线与Z轴夹角；轴夹角；为衍射线与为衍射线与X轴夹角；轴夹角；为衍射线与为衍射线与Y轴夹角；轴夹角；为衍射线与为衍射线与Z轴夹角；轴夹角； abc 21 S S0 图图14 面网反射面网反射X射线的条件射线的条件 2 sinn(13)(n0,1,2.)d为晶面间距；为晶面间距； 为为入射线夹角入射线夹角； 为入射线波长；为入射线

15、波长； d当相邻晶面产生的反射线当相邻晶面产生的反射线光程差等于入射线波长的光程差等于入射线波长的整数倍时产生衍射。整数倍时产生衍射。 晶面 22 sin1n1sin1nsin(2)2ndd只有当入射线波长小于晶只有当入射线波长小于晶最大面间距的两倍时，才最大面间距的两倍时，才可能满足衍射条件。可能满足衍射条件。 S S0 晶面 23 S S0 晶面 123nsin1 / 2sin2/ 2sin3 / 2.sinn/ 22dsin/2d /ddddn=当当 与与 确定后，衍射级确定后，衍射级数数 随之确定，只有在若随之确定，只有在若干角度干角度 才能产生衍射。才能产生衍射。 dn 24 S S

16、0 晶面 hklHKLhklHKL2(d/ n)sind/ n2sin(14)dd为简化布拉格方程，引入假为简化布拉格方程，引入假想晶面（想晶面（HKLHKL），其面间距），其面间距为实际晶面（为实际晶面（hklhkl）的）的1/n1/n，称该类晶面为干涉面。称该类晶面为干涉面。 25 S S0 晶面 ）222222(4LKHaSin）2222222(4cLaKHSin）22222222(4cLbKaHSin立方晶系 正方晶系 斜方晶系 26 S S0 晶面 42e02241cos (2 )() (15)2eIIm r c为入射线光强；为入射线光强； 为散射线光强；为散射线光强； 为电子质量；

17、为电子质量； 为电子电荷；为电子电荷；为入射、散射线夹角；为入射、散射线夹角；为散射、观察点距离；为散射、观察点距离； 0IeIme2r单个电子对单个电子对X 射线的散射强射线的散射强度可表示为：度可表示为： 27 42aa02 2 4aae1 cos (2 )() (16)2/2eIfImr cfA AS S0 晶面 单个原子的散射线光强为：单个原子的散射线光强为： 为原子散射线光强；为原子散射线光强； 为原子散射因数；为原子散射因数； 为单个原子散射波振幅；为单个原子散射波振幅； 为单个电子散射波振幅；为单个电子散射波振幅； aIaAeAaf 28 S S0 晶面 22cei(17)e(1

18、8)hk lhklhklhklINFIFF含含N N个晶胞的晶体散射强度：个晶胞的晶体散射强度： 为晶体总散射强度；为晶体总散射强度； 为晶体内晶胞数量；为晶体内晶胞数量； 衍射衍射 hkl 结构因子；结构因子； 为单个电子散射光强；为单个电子散射光强；为散射线束周相相差；为散射线束周相相差； cINhklFeIhkl 29 2 /I衍射峰 图图15 X射线衍射谱射线衍射谱 横坐标：衍射角横坐标：衍射角 ；纵坐标：衍射强度纵坐标：衍射强度 ；谱谱 峰：衍射峰；峰：衍射峰； 2I某特定样品的衍射强度随某特定样品的衍射强度随衍射角度的变化关系曲线衍射角度的变化关系曲线称为称为X射线衍射谱。射线衍射

19、谱。 30 X射线衍射仪射线衍射仪由由X 射线发生射线发生器、衍射测角器、衍射测角仪、辐射探测仪、辐射探测器、测量电路器、测量电路及记录分析系及记录分析系统等组成。统等组成。 31 X射线衍射仪射线衍射仪由由X 射线发生射线发生器、衍射测角器、衍射测角仪、辐射探测仪、辐射探测器、测量电路器、测量电路及记录分析系及记录分析系统等组成。统等组成。 32 X射线衍射仪射线衍射仪由由X 射线发生射线发生器、衍射测角器、衍射测角仪、辐射探测仪、辐射探测器、测量电路器、测量电路及记录分析系及记录分析系统等组成。统等组成。 X 射线衍射仪外形结构 33 固定阳极X射线管 X射线管旋转阳极靶 X 射线发生器通

20、常是指射线发生器通常是指X 射射线管，其作用是提供一定波线管，其作用是提供一定波长范围的特征长范围的特征X 射线谱。射线谱。 34 图图16 MSAL石墨弯晶单色器石墨弯晶单色器 由于由于 X射线管产生的射线管产生的 X射线通常含有连续射线通常含有连续 X射射线，其波长呈一定范围线，其波长呈一定范围分布，为得到单一波长分布，为得到单一波长的单色的单色X 射线，需利用射线，需利用单色器进行过滤。单色器进行过滤。 35 图图17 测角仪示意图测角仪示意图 测角仪内外圆可分别测角仪内外圆可分别绕中心轴转动；测试绕中心轴转动；测试过程样品台固定于测过程样品台固定于测角仪内圆，通过圆周角仪内圆，通过圆周

21、转动改变入射线的入转动改变入射线的入射角；计数器固定于射角；计数器固定于外圆，与样品转动同外圆，与样品转动同步测定对应角度上的步测定对应角度上的衍射强度。衍射强度。 36 测角仪内外圆可分别测角仪内外圆可分别绕中心轴转动；测试绕中心轴转动；测试过程样品台固定于测过程样品台固定于测角仪内圆，通过圆周角仪内圆，通过圆周转动改变入射线的入转动改变入射线的入射角；计数器固定于射角；计数器固定于外圆，与样品转动同外圆，与样品转动同步测定对应角度上的步测定对应角度上的衍射强度。衍射强度。 图图18 测角仪系统实图测角仪系统实图 37 其作用是接收样品其作用是接收样品产生的衍射线强度产生的衍射线强度，通常将

22、其转化为，通常将其转化为电信号；常用的探电信号；常用的探测器有闪烁计数器测器有闪烁计数器、正比计数器等。、正比计数器等。 晶体晶体 38 其作用是接收样品其作用是接收样品产生的衍射线强度产生的衍射线强度，通常将其转化为，通常将其转化为电信号；常用的探电信号；常用的探测器有闪烁计数器测器有闪烁计数器、正比计数器等。、正比计数器等。 高压接头高压接头 39 40 图图19 D2CRYSO XRD 仪仪 配备有先进的配备有先进的 X射线发生射线发生装置和探测系统，运用先装置和探测系统，运用先进的能量分散进的能量分散 X射线衍射射线衍射技术，非常适合进行各类技术，非常适合进行各类晶体的取向分析。晶体的

23、取向分析。 41 图图20 D2 PHASER - Desktop XRD 仪仪 一款小型、台式、结构一款小型、台式、结构紧凑的紧凑的 X射线衍射仪，射线衍射仪，具有先进的分析软件及具有先进的分析软件及探测系统，适合于工业探测系统，适合于工业矿物、地质、化学、药矿物、地质、化学、药物及教学等领域。物及教学等领域。 42 图图21 D4 ENDEAVOR XRD 仪仪 具有先进的一维探测系具有先进的一维探测系统，利用粉末衍射技术统，利用粉末衍射技术可进行多晶可进行多晶X 射线衍射射线衍射分析，广泛应用于水泥分析，广泛应用于水泥、地质、药物、化学等、地质、药物、化学等诸多领域。诸多领域。 43 图

24、图22 D8 Focus XRD 仪仪 通过性能优化，具有先通过性能优化，具有先进硬件、软件系统，尤进硬件、软件系统，尤其适合于粉末衍射分析其适合于粉末衍射分析，可根据实际需要选择，可根据实际需要选择探测系统及分析软件，探测系统及分析软件，适用于多用户的实验室适用于多用户的实验室环境。环境。 44 图图23 D8 ADVANCE with DAVINCI XRD 仪仪 具有很广的通用性，几具有很广的通用性，几乎可满足各种类型的粉乎可满足各种类型的粉末衍射分析需要，具有末衍射分析需要，具有操作安全、简便、适用操作安全、简便、适用范围宽等突出优点。范围宽等突出优点。 45 图图24 The New

25、 D8 DISCOVER XRD 仪仪 借助实时监测系统以及借助实时监测系统以及即插即用技术，使得该即插即用技术，使得该款仪器非常方便于在不款仪器非常方便于在不同分析目的间进行切换同分析目的间进行切换包括：反射、高倍衍射包括：反射、高倍衍射、小角、小角 X射线散射以及射线散射以及残余应力和组织结构研残余应力和组织结构研究等等。究等等。 46 图图25 X-ray Metrology with the D8 FABLINE 由于由于X射线衍射分析具射线衍射分析具有非破坏性、精确且可有非破坏性、精确且可靠，而且可以提供材料靠，而且可以提供材料纳米尺度上的关键性结纳米尺度上的关键性结构信息，因此在半

26、导体构信息，因此在半导体工业或研究领域具有显工业或研究领域具有显著的优势和意义。该仪著的优势和意义。该仪器非常适合于半导体加器非常适合于半导体加工制备过程中的在线结工制备过程中的在线结构监控和分析。构监控和分析。 47 图图26 D8 DISCOVER with GADDS 可采用多种样品形态进可采用多种样品形态进行多类型分析，包括小行多类型分析，包括小角度角度 X射线散射和射线散射和 X射射线衍射分析；关键硬件线衍射分析；关键硬件主要有：激光排样体系主要有：激光排样体系以及自主创新的以及自主创新的 HI-ST RA探测系统。探测系统。 48 图图27 NANOSTAR XRD 仪仪 纳米材料

27、的制纳米材料的制备及研究是材备及研究是材料领域的重要料领域的重要前沿，利用前沿，利用X射线衍射技术射线衍射技术可以分析纳米可以分析纳米结构信息。该结构信息。该仪器适用于纳仪器适用于纳米材料的结构米材料的结构分析与评价。分析与评价。 49 运用超级快速理论提运用超级快速理论提供高功率的供高功率的 X射线源射线源，该仪器非常适合于，该仪器非常适合于尺度处于尺度处于10 um 左右左右的样品衍射分析。此的样品衍射分析。此外该仪器借助先进的外该仪器借助先进的探测系统使高端可以探测系统使高端可以获得精确全面的数据获得精确全面的数据结果。结果。 图图28 SUPER SPEED SOLUTIONS XRD

28、 仪仪 50 可沿着可沿着XYZ三维进行三维进行灵活移动，同时提供灵活移动，同时提供灵活多样的样品支座灵活多样的样品支座，适合于各类样品的，适合于各类样品的X 射线衍射分析。射线衍射分析。 图图29 Motorized XYZ sample stage 51 可沿两个不同中心轴可沿两个不同中心轴进行旋转，同时可沿进行旋转，同时可沿Z 轴移动，可安装于轴移动，可安装于各类各类 X射线衍射仪用射线衍射仪用于样品衍射分析。于样品衍射分析。 图图30 Compact Eulerian cradle 52 p 高稳定性的高稳定性的X射线发生器；射线发生器； p 测角仪（卧式或立式）；测角仪（卧式或立式）

29、； p X射线强度测量系统；射线强度测量系统； p 操作分析系统及应用分析软件包；操作分析系统及应用分析软件包； 53 l 额定功率：额定功率：3KW3KW；l X射线管电压：射线管电压：101060KV 1KV/step60KV 1KV/step；l X射线管电流：射线管电流：5 580mA 1mA/step80mA 1mA/step；l X射线管配置：射线管配置：Cu Cu 靶衍射管；靶衍射管； l 稳定度：稳定度：0.01%0.01%； l 管电压和管电流：手动设定或程序控制；管电压和管电流：手动设定或程序控制；l 高压电缆：高压电缆：100KV 100KV 介电强度介电强度, ,长度长

30、度2 2米；米；l 保护及报警装置；保护及报警装置； 高稳定性高稳定性 X射线发生器：射线发生器： 54 l 测角仪方式：卧式或垂直；测角仪方式：卧式或垂直； l 扫描半径：扫描半径： 185 mm185 mm； l 扫描范围（扫描范围（22）：）：0 0o o-164-164o o；-60 -60 o o-160-160o o； l 扫描速度范围：扫描速度范围：0.60.6o o-76.2-76.2o o/min; /min; l 扫描方式：扫描方式： 连续或步进扫描连续或步进扫描; ; l 最小步进角度：最小步进角度：0.0010.001; ; l 角重复精度：角重复精度：0.0010.0

31、01; ; l 测量精度：测量精度：0.0050.005; ; 测角仪规格：测角仪规格： 55 探测器规格：探测器规格： l 类型：闪烁计数器；类型：闪烁计数器； l 晶体：晶体：NaINaI； l 最大线性计数器：最大线性计数器：500,000CPS500,000CPS； l 噪声：噪声：10CPS10CPS； l 能谱分辨率：能谱分辨率：25%25%（PCPC）；）；60%60%（SCSC）；）； l 计数方式：微分或积分方式；计数方式：微分或积分方式； 56 平板照相法是平板照相法是 X射线照相射线照相法中最基本的类型。通常法中最基本的类型。通常采用平面底片相机进行拍采用平面底片相机进行

32、拍摄。入射摄。入射 X射线经针孔狭射线经针孔狭缝后辐照样品，所得散射缝后辐照样品，所得散射线与底片接触、感光后在线与底片接触、感光后在底片上可形成一定形状的底片上可形成一定形状的衍射花样。衍射花样。 57 对于无规取向结晶高聚物，采用特征对于无规取向结晶高聚物，采用特征X射线进行辐照，将射线进行辐照，将形成衍射圆锥，最终在底片上形成连续的衍射同心圆环。形成衍射圆锥，最终在底片上形成连续的衍射同心圆环。 58 根据布拉格公式，从平板照相底片圆环半径等参数，可粗根据布拉格公式，从平板照相底片圆环半径等参数，可粗略计算得聚合物晶体点阵面间距略计算得聚合物晶体点阵面间距 大小：大小： XL212arc

33、tan() (18)22(19)122sin arctan()22XLdXL其中，其中， 为半圆锥角；为半圆锥角； 为为衍射环半径；衍射环半径； 为样品至底为样品至底片距离；片距离； 为入射线波长；为入射线波长； 2XLd 59 对于单轴取向的结晶聚合物样品，由于样品取向，连续对对于单轴取向的结晶聚合物样品，由于样品取向，连续对称的衍射圆环在平面底片上将退化为弧，直至成为斑点。称的衍射圆环在平面底片上将退化为弧，直至成为斑点。 60 对于粉末样品，可将样品对于粉末样品，可将样品压入样品架孔内；如果是压入样品架孔内；如果是块状样品，可用刀片切取块状样品，可用刀片切取小片试样；对于纤维状样小片试样

34、；对于纤维状样品，可将其平行缠绕或粘品，可将其平行缠绕或粘于样品框架上。于样品框架上。 61 22采用德拜相机进行，由圆采用德拜相机进行，由圆筒形外壳、试样架、光阑筒形外壳、试样架、光阑和承光管等部分组成。采和承光管等部分组成。采用特征用特征 X射线辐照位于中射线辐照位于中心轴线上的样品，产生的心轴线上的样品，产生的衍射线由四周的底片进行衍射线由四周的底片进行感光记录。感光记录。 62 22与平板照相法相比，德拜与平板照相法相比，德拜照相法不但能记录透射区照相法不但能记录透射区的衍射，而且也能记录背的衍射，而且也能记录背射区的衍射。此外，在已射区的衍射。此外，在已知圆形外壳直径下，只要知圆形外

35、壳直径下，只要知道底片上衍射环的距离知道底片上衍射环的距离即可很方便确定圆心角。即可很方便确定圆心角。 63 其中：其中： 为相机半径；为相机半径； 为某一对衍射线间距。为某一对衍射线间距。 2221804()()90R2sinLRLdR2L 64 65 德拜照相法所得衍射花样呈衍射圆弧对形式出现，由衍射德拜照相法所得衍射花样呈衍射圆弧对形式出现，由衍射圆锥与底片相交所得，代表某一等同晶面族的反射。圆锥与底片相交所得，代表某一等同晶面族的反射。 66 2 X 射线衍射射线衍射仪法也称计仪法也称计数器法、衍数器法、衍射曲线法或射曲线法或扫描法。具扫描法。具有测量快速有测量快速、记录准确、记录准确

36、的特点。的特点。 67 块状样品一般首先研磨成均匀粉末，然后在金属模框内挤块状样品一般首先研磨成均匀粉末，然后在金属模框内挤压成片；板状或薄膜样品测试前切成小条直接固定于样品压成片；板状或薄膜样品测试前切成小条直接固定于样品夹上；纤维状样品可缠绕或粘结于样品框架上进行测试。夹上；纤维状样品可缠绕或粘结于样品框架上进行测试。 68 2I低分子完善晶体的XRD曲线图中每个衍射峰均非常尖图中每个衍射峰均非常尖锐，表明样品具有严格的锐，表明样品具有严格的三维周期性晶格结构，如三维周期性晶格结构，如由低分子晶体样品。由低分子晶体样品。 三维介孔ZnO粒子及其前驱体的XRD谱图 69 2I结晶型聚合物的X

37、RD曲线 图中各衍射峰总体较尖锐图中各衍射峰总体较尖锐，但较低分子晶体的衍射，但较低分子晶体的衍射峰明显变宽，代表结晶能峰明显变宽，代表结晶能力较强的聚合物样品。力较强的聚合物样品。 HDPE/水滑石纳米复合材料的XRD曲线 70 2I低结晶度聚合物的XRD曲线 结晶衍射峰的尖锐程度进结晶衍射峰的尖锐程度进一步下降，一般仅在低衍一步下降，一般仅在低衍射区有较尖锐的衍射峰而射区有较尖锐的衍射峰而高衍射区峰较平坦，代表高衍射区峰较平坦，代表低结晶度的聚合物。低结晶度的聚合物。 71 2I非晶聚合物的XRD曲线 图中没有尖锐衍射峰，仅图中没有尖锐衍射峰，仅有一个平坦的有一个平坦的“钝衍射峰钝衍射峰”

38、，代表非晶聚合物，如聚，代表非晶聚合物，如聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯等等。烯等等。 72 2I半结晶聚合物的XRD曲线 图中含有尖锐衍射峰的同图中含有尖锐衍射峰的同时含有时含有“钝衍射峰钝衍射峰”，谱，谱图同时具备结晶、非晶谱图同时具备结晶、非晶谱图的特征，代表半结晶型图的特征，代表半结晶型聚合物。聚合物。 73 2I (P)2最大值法：最大值法： 以衍射峰表观最大强度以衍射峰表观最大强度处处 P点所对应的衍射角点所对应的衍射角 作为峰位置。作为峰位置。 2 74 2I (P)2切线法：切线法： 以衍射峰两侧切线的交以衍射峰两侧切线的交点点P所对应的衍射角所对应的衍射角

39、作为峰的位置。作为峰的位置。 2 75 2I (P)2弦中点法：弦中点法： 分别于最大吸收强度的分别于最大吸收强度的1/2、2/3、3/4处的弦中处的弦中点连线与峰交点点连线与峰交点 P所对所对应的衍射角应的衍射角 为峰的为峰的位置。位置。 21/2 2/3 3/4 76 101520253035404550 101520253035404550 4.130 3.7152.969 2.474 2.271 2.2092.105 HDPE 4.141 3.742 2.482 LDPE 2 /( )2/ ( )两图中均同时存在尖锐的结晶峰和非晶态漫射峰，表明两两图中均同时存在尖锐的结晶峰和非晶态漫射

40、峰，表明两体系内均为晶态与非晶态共存；但与体系内均为晶态与非晶态共存；但与LDPE比，比，HDPE图中图中锐峰强度明显更高，表明具有更强的结晶能力。锐峰强度明显更高，表明具有更强的结晶能力。 77 I 2无规1, 4聚丁二烯 顺式1,4聚丁二烯 I 2 反式1,4聚丁二烯 I 2 无规1,2聚丁二烯 2 I 等规1,2聚丁二烯 2I 间规1,2聚丁二烯 2I 聚丁二烯具有多种不同的链结构，导致具有完全不同的结聚丁二烯具有多种不同的链结构，导致具有完全不同的结晶能力，在晶能力，在 XRD 谱图上有完全不同的谱峰特征。谱图上有完全不同的谱峰特征。 78 假定聚合物样品由晶相假定聚合物样品由晶相与非

41、晶相两相构成，根与非晶相两相构成，根据衍射峰积分面积可近据衍射峰积分面积可近似推算样品的结晶度。似推算样品的结晶度。 010 200110 210 201111 A B 2 /( )200110I210I201111IaI010Ica200201010110210111200201010110210111a( )100%( )( )1.563.514.93100%1.563.514.931.02hklhklhklhklaCIXCICKIIIIIIIIII 79 00000L(20)coshklKbb其中，其中， 是垂直于反射面是垂直于反射面（hkl） 方向微晶的尺寸；方向微晶的尺寸； 是纯衍射

42、线增宽；是纯衍射线增宽； 为为微晶的形状因子；微晶的形状因子； 为半衍为半衍射角。射角。 Lhkl0K根据谢乐公式，根据衍射峰的半高宽及衍射角和形状因子，根据谢乐公式，根据衍射峰的半高宽及衍射角和形状因子，可粗略测算聚合物微晶尺寸。可粗略测算聚合物微晶尺寸。 80 改性前改性前 MMT 具有具有尖锐的衍射峰，表尖锐的衍射峰，表明具有一定有序结明具有一定有序结构，当与构，当与 PA6 复复合后，随聚合物的合后，随聚合物的插层，层间距逐步插层，层间距逐步增大，直至完全剥增大，直至完全剥离，图中衍射峰向离，图中衍射峰向小角偏移直至消失小角偏移直至消失，证实上述结论。，证实上述结论。 衍射角向小角偏移

43、，层间距逐步增大，直至完全剥离。 2sind 81 纯纯 LDHs 具有一系具有一系列尖锐衍射峰，表列尖锐衍射峰，表明其结构具有规则明其结构具有规则有序性；当与有序性；当与 PS复合后，衍射峰明复合后，衍射峰明显减少，同时峰形显减少，同时峰形变宽，表明变宽，表明 PS 分分子链已插入子链已插入 LDHs层间。层间。 峰形变宽 82 图中衍射峰位置表图中衍射峰位置表明所得纳米氧化钛明所得纳米氧化钛晶型由锐钛矿构成晶型由锐钛矿构成；根据谢乐公式计；根据谢乐公式计算得晶粒平均尺寸算得晶粒平均尺寸为为6.0 nm。 83 随钴、锰等元素的掺随钴、锰等元素的掺入，纳米氧化锌衍射入，纳米氧化锌衍射峰变宽、

44、强度减弱峰变宽、强度减弱 ；根据谢乐公式计算得根据谢乐公式计算得钴掺杂氧化锌粒子尺钴掺杂氧化锌粒子尺寸约为寸约为9 nm；而锰掺；而锰掺杂的约杂的约17 nm。 84 XRD曲线证实所合成的银和金纳米粒子具有纳米尺度和曲线证实所合成的银和金纳米粒子具有纳米尺度和特征晶型，其中，银纳米粒子约为特征晶型，其中，银纳米粒子约为25nm，金为金为9nm。 86 图中结果表明：所得图中结果表明：所得SBA15粉末具有有序介孔结构。各粉末具有有序介孔结构。各粉末样品谱图均含三个独立粉末样品谱图均含三个独立的衍射峰，分别对应于二维的衍射峰，分别对应于二维六边晶型的六边晶型的（100）（110）（200）三个晶面的反射三个晶面的反射 。 87 Thank you!