透过衍射花样看物体本质——X射线衍射仪(XRD)应用介绍

一、X射线衍射仪简介

X射线衍射技术是利用X射线在晶体、非晶体中衍射与散射效应，进行物相的定性和定量分析、结构类型和不完整性分析的技术；是对物质和材料的组成和原子级结构进行研究和鉴定的基本手段。X射线衍射技术以其无损、无污染、快捷、测量精度高、能得到有关晶体完整性的大量信息等优点，广泛应用于冶金，石油，化工，科研，航空航天，教学，材料生产等领域。                   

二、原理

X射线的波长和晶体内部原子面之间的间距相近，大约在10-8～10-10cm之间，因此晶体可以作为X射线的空间衍射光栅，即一束X射线照射到物体上时，受到物体中原子的散射，每个原子都产生散射波，这些波互相干涉，结果就产生衍射。

衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向上加强，在其他方向上减弱。分析衍射结果，便可获得晶体结构。W.H.Bragg，W.L.Bragg在此基础上提出了作为晶体衍射基础的布拉格方程：2dsinθ=nλ。

对于晶体材料，当待测晶体与入射束呈不同角度时，那些满足布拉格衍射的晶面就会被检测出来，体现在XRD图谱上就是具有不同的衍射强度的衍射峰。对于非晶体材料，由于其结构不存在晶体结构中原子排列的长程有序，只是在几个原子范围内存在着短程有序，故非晶体材料的XRD图谱为一些漫散射馒头峰。

三、应用

<1.物相鉴定>

物相鉴定是指确定材料由哪些相组成和确定各组成相的含量,主要包括定性相分析和定量相分析。每种晶体由于其独特的结构都具有与之相对应的X射线衍射特征谱,这是X射线衍射物相分析的依据。

将待测样品的衍射图谱和各种已知单相标准物质的衍射图谱对比,从而确定物质的相组成。确定相组成后,根据各相衍射峰的强度正比于该组分含量(需要做吸收校正者除外),就可对各种组分进行定量分析。

<2.点阵参数的测定>

点阵参数是物质的基本结构参数，任何一种晶体物质在一定状态下都有一定的点阵参数。测定点阵参数在研究固态相变、确定固溶体类型、测定固溶体溶解度曲线、测定热膨胀系数等方面都得到了应用。点阵参数的测定是通过X射线衍射线位置的测定而获得的，通过测定衍射花样中每一条衍射线的位置均可得出一个点阵常数值。

<3. 纳米材料粒径的表征>

纳米材料的颗粒度与其性能密切相关。

纳米材料由于颗粒细小，极易形成团粒，采用通常的粒度分析仪往往会给出错误的数据。采用X射线衍射线线宽法(谢乐法)可以测定纳米粒子的平均粒径。

谢乐微晶尺度计算公式为：

其中K为Scherrer常数、D为晶粒垂直于晶面方向的平均厚度、B为实测样品衍射峰半高宽度或者积分宽度、θ为布拉格角、为X射线波长，一般为1.54056 Å，测定过程中选取多条低角度(2θ≤50°)X射线衍射线计算纳米粒子的平均粒径。

四、测试案例

<案例一>

送检样品为电极类粉末样品，送检方要求进行物相鉴定。

本试验使用设备为荷兰马尔文帕纳科X'Pert Pro。

试验参数：

管电压40kV

管电流20mA

Cu靶

衍射宽度DS=SS=1°

RS=0.3mm

扫描速度2.000 (d•min-1)

扫描范围10°～80°

测试谱图：

*测试结果：样品的主要成分为氢氧化镍。

<案例二>

通过与石棉类标准衍射卡片（PDF卡片）进行比对，鉴定是否含石棉类禁用物质。例如客户测试样品为PE泡棉，测试结果鉴定为石棉及其衍生矿物阴性。