x射线粉末衍射分析无机材料的方法有哪几种？

2025-02-23 21:36:21

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回答1：

一、X射线粉末衍射分析无机材料的方法在使用的测试仪器、测试样品的制作形状以及在解析谱图计算衍射强度等方面存在着不同：

劳厄法（平板照相法）、等倾魏森堡法、粉末衍射法、四园衍射法等。它们的实验方法不尽相同，获得的谱图也有所差别。
现在，X射线分析的新发展使得金属、无机材料的X射线分析由于设备和技术的普及已逐步变成金属研究和无机材料测试的常规方法。早期多用照相法，这种方法费时较长，强度测量的精确度低。50年代初问世的计数器衍射仪法具有快速、强度测量准确，并可配备计算机控制等优点，已经得到广泛的应用。但使用单色器的照相法在微量样品和探索未知新相的分析中仍有自己的特色。从70年代以来，随着高强度X射线源（包括超高强度的旋转阳极X射线发生器、电子同步加速辐射,高压脉冲X射线源）和高灵敏度探测器的出现以及电子计算机分析的应用，使金属无机材料X射线学获得新的推动力。这些新技术的结合，不仅大大加快分析速度，提高精度，而且可以进行瞬时的动态观察以及对更为微弱或精细效应的研究

在解析谱图计算衍射强度获取角因子、吸收因子等时，不同测试实验的计算方法也不尽相同。
在X射线衍射谱解析中，计算X射线衍射强度（表达式的输入太难打字操作了）时，
1、角因子 φ(θ)=[1+cos^2(2θ)]/(sin^2θcosθ),
粉末法中与角度有关的角因子又称为罗伦兹-偏振因子φ(θ)，因为它是由Lorentz（洛伦兹）因子L和偏振因子P结合而成的。偏振因子又叫极化因子。X射线管发出的X射线是非偏振光，经原子中电子散射后极化为偏振光，其偏振程度与布拉格角θ有关（注意区别P与Phkl）。
P=(1+cos^2θ)/2
洛伦兹因子L又叫积分因子，它是对实际X射线和实际晶体偏离理想X射线偏离理想晶体的衍射强度的校正。因为只有当晶体是完美的、理想化的点阵时，采用完全平行的严格单色化的X射线束才能产生严格遵循布拉格方程的衍射和强度。在不同的衍射强度收集法中，相应的洛伦兹L值各异：
劳厄法（平板照相法） L=1/sin^2θ
等倾魏森堡法 L=1/(cos^2μsinτ)
粉末法 L=1/(sin^2θcosθ)
四园衍射法 L=1/sin^2θ

2、吸收因子 A=I/I0 =A(θ)
晶体能够吸收透射其中的X射线。吸收因子A的数值与试样形状（如平板状和圆柱状）和大小有关。X射线粉末衍射仪多数采用平板状试样，平板状试样的吸收因子A=S0/(2μV),与θ无关，S0和V是被入射光束照射的平板样品的截面积和体积，μ是试样的线吸收系数。实验中入射线束和反射线束在晶面上始终形成相等的角度，故这种对称布拉格情况下的X射线束和衍射线束在不同衍射角（2θ）上的吸收程度相等。因此在计算同一个物相样品的同一次衍射数据时，可以略去不计，即令公式中的A=1，尤其是在实际应用中，多数是用其相对强度而非绝对衍射强度。
园柱状样品也是粉末衍射仪常用的。园柱状样品的吸收因子A计算较复杂。A可被描述为θ和μr的函数（μ是样品的线吸收系数，r是园柱的半径）。样品制成后，μr也已确定，这时的A值随θ值的增加而增大。当θ=90度时A最大。当θ值固定时，μr越大A值越小。实际应用中，由于吸收因子和温度因子关于θ的变化规律是相反的，所以在计算相对衍射峰强时，常同时不考虑吸收因子和温度因子的影响。

二、对无机材料测试研究的目的性不同，应用不同：
X射线衍射对无机材料、金属的分析，常作的就是对材料的物相的定性分析，把对材料测得的点阵平面间距及衍射强度与标准物质物相的衍射数据相比较，确定材料中存在的物相是什么物相？晶体结构是属于立方晶体、四方晶体、六方晶体、三方晶体、正交晶体、三斜晶系、单斜晶系的那一种？空间点阵是14种空间点阵中的哪一种？

再进一步的就是进行X射线衍射物相定量分析，根据衍射花样的强度，确定材料中各物相的含量，作出含量比例的计算判断。

X射线衍射在金属学、无机材料学、合金、纳米材料等中的应用：

X射线衍射现象发现后，很快被用于研究金属和合金的晶体结构，出现了许多具有重大意义的结果。如韦斯特格伦（A.Westgren）(1922年)证明α、β和δ铁都是体心立方结构，β-Fe并不是一种新相；而铁中的α—→γ转变实质上是由体心立方晶体转变为面心立方晶体，从而最终否定了β-Fe硬化理论。随后,在用X射线测定众多金属和合金的晶体结构的同时，在相图测定以及在固态相变和范性形变研究等领域中均取得了丰硕的成果。如对超点阵结构的发现，推动了对合金中有序无序转变的研究，对马氏体相变晶体学的测定，确定了马氏体和奥氏体的取向关系；对铝铜合金脱熔的研究等等。目前 X射线衍射(包括散射)已经成为研究晶体物质和某些非晶态物质微观结构的有效方法。

精密测定点阵参数常用于相图的固态溶解度曲线的测定。溶解度的变化往往引起点阵常数的变化；当达到溶解限后，溶质的继续增加引起新相的析出，不再引起点阵常数的变化。这个转折点即为溶解限。另外点阵常数的精密测定可得到单位晶胞原子数，从而确定固溶体类型；还可以计算出密度、膨胀系数等有用的物理常数。

取向分析包括测定单晶取向和多晶的结构（如择优取向）。测定硅钢片的取向就是一例。另外，为研究金属的范性形变过程，如孪生、滑移、滑移面的转动等，也与取向的测定有关。

晶粒（嵌镶块）大小和微观应力的测定由衍射花样的形状和强度可计算晶粒和微应力的大小。在形变和热处理过程中这两者有明显变化，它直接影响材料的性能。

宏观应力的测定宏观残留应力的方向和大小，直接影响机器零件的使用寿命。利用测量点阵平面在不同方向上的间距的变化，可计算出残留应力的大小和方向。

对晶体结构不完整性的研究包括对层错、位错、原子静态或动态地偏离平衡位置，短程有序，原子偏聚等方面的研究（如晶体缺陷）。晶体结构分析，材料的织构分析，晶粒大小、结晶度、应力等的测定。

合金相变包括脱溶、有序无序转变、母相新相的晶体学关系，等等。

结构分析对新发现的合金相进行测定，确定点阵类型、点阵参数、对称性、原子位置等晶体学数据。主要用于固态物质的物相分析。

液态金属和非晶态金属研究非晶态金属和液态金属结构，如测定近程序参量、配位数等。

特殊状态下的分析在高温、低温和瞬时情况下的动态分析。

此外，小角度散射用于研究电子浓度不均匀区的形状和大小,X射线形貌术用于研究近完整晶体中的缺陷如位错线等，也得到了重视。

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