XRD在材料分析中的應(yīng)用

關(guān)于X射線衍射分析（XRD）

定義：

X射線衍射分析（X-ray diffraction，簡稱XRD），是利用晶體形成的X射線衍射，對物質(zhì)進(jìn)行內(nèi)部原子在空間分布狀況的結(jié)構(gòu)分析方法。

分析原理

當(dāng)一束X射線入射到晶體時，首先被原子（電子）所散射，每個原子都是一個新的輻射源，向空間輻射出與入射波同頻率的電磁波。由于晶體是由原子、分子或離子按一定規(guī)律排列成的晶面組成，這些按周期平行排列的晶面的間距與入射X射線波長有相同的數(shù)量級，故由不同晶面散射的X射線相互干涉，并在符合布拉格方程的空間方向上產(chǎn)生強(qiáng)X射線衍射。

布拉格方程

2dsinθ=nλ，n=1,2…

其中：d為晶面間距，θ為入射X射線與相應(yīng)晶面的夾角，λ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。

物相分析

每一種晶體都有它自己的晶面間距d，而且其中原子按照一定的方式排布著，這反映到衍射圖上各種晶體的譜線有它自己特定的位置。數(shù)目和強(qiáng)度I。因此，只需將未知物中的衍射圖中各譜線測定的角度和強(qiáng)度和已知樣品的譜線進(jìn)行比較就可以達(dá)到分析目的。

通過對材料進(jìn)行X射線衍射，分析其衍射圖譜，獲得獲得材料的成分、材料內(nèi)部原子或分子的結(jié)構(gòu)或形態(tài)等信息。

測定晶粒度

XRD測定晶粒度是基于衍射線的寬度與材料晶粒大小有關(guān)這一現(xiàn)象。對于TiO2納米粉體，其主要衍射峰2θ為21.5°。當(dāng)采用銅靶作為衍射源，波長為0.154nm,衍射角的2θ為25.30°，測量獲得的半高寬為0.375°，一般Scherrer常數(shù)取0.89.根據(jù)Scherrer公式，可以計算獲得晶粒的尺寸。

此外，根據(jù)晶粒大小，還可以計算納米粉體的比表面積。

小角X射線衍射

在納米多層膜材料中，兩薄膜層材料反復(fù)重疊，形成調(diào)制界面。當(dāng)X射線入射時，周期良好的調(diào)制界面會與平行薄膜表面的晶面一樣,在滿足Bragg條件時，產(chǎn)生相干銜射，形成明銳的衍射峰。

由于多層膜的調(diào)制周期比金屬和化合物的最大晶面間距大得多，所以只有小周期多層膜調(diào)制界面產(chǎn)生的XRD衍射峰可以再小角度衍射時觀察到，而大周期多層膜調(diào)制界面XRD衍射峰則因其衍射角度更小而無法進(jìn)行觀測。

因此，對制備良好的小周期納米多層膜可以用小角度XRD方法測定其調(diào)幅周期。

薄膜厚度和界面結(jié)構(gòu)的測定

隨著納米材料的高速發(fā)展，納米薄膜的研究也變得越來越重要。利用XRD研究薄膜的厚度以及界面結(jié)構(gòu)也是XRD發(fā)展的一個重要方向。通過二維XRD衍射還可以獲得物相的縱向深度剖析結(jié)果，也可以獲得界面物相分布結(jié)果。

物質(zhì)狀態(tài)的鑒別

不同的物質(zhì)狀態(tài)對X射線的衍射作用是不同的，因此可以利用X射線譜來區(qū)別晶態(tài)和非晶態(tài)。一般非晶態(tài)物質(zhì)的XRD譜為一條直線，平時所遇到的在低2θ角出現(xiàn)的漫散型峰的XRD一般是由液體型固體和氣體型固體所構(gòu)成。

晶體物質(zhì)又可以分為微晶和晶態(tài)，微晶具有晶體的特征，但由于晶粒小會產(chǎn)生衍射峰的寬化彌散，而結(jié)晶好的晶態(tài)物質(zhì)會產(chǎn)生尖銳的衍射峰。

例1

單一物質(zhì)的定性

硫酸鈉純品的XRD測試

結(jié)論

通過XRD可以對單一物質(zhì)進(jìn)行定性，所匹配結(jié)果為七水硫酸鎂。

例2

混合樣的定性

結(jié)論

通過XRD可以對混合物質(zhì)進(jìn)行定性，所匹配結(jié)果為二氧化鈦、硫酸鋇。

結(jié)論

某膠粘劑灰分的XRD測試，膠粘劑中的填料為碳酸鈣、碳酸鎂、硅酸鹽。

例3

礦渣粉玻璃體含的測定方法

通過測量粒化高爐礦渣微粉X射線衍射圖中玻璃體部分的面積與底線上面積之比得到玻璃體含量。

參考標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 18046-2017