1、2.2 X射線物相分析物相和物相分析物相和物相分析n物相：物相：材料中成分和性質一致、結構相同材料中成分和性質一致、結構相同并與其他部分以界面分開的部分。并與其他部分以界面分開的部分。n材料的物相包括：純元素、固溶體和化合材料的物相包括：純元素、固溶體和化合物。物。n物相分析：物相分析：確定所研究的材料由哪些物相確定所研究的材料由哪些物相組成（定性分析）和確定各種組成物相的組成（定性分析）和確定各種組成物相的相對含量（定量分析）。相對含量（定量分析）。 n化學分析、光譜分析、化學分析、光譜分析、X射線的熒光光譜分析、射線的熒光光譜分析、電子探針分析等所分析的是材料的組成元素及電子探針分析等所分

2、析的是材料的組成元素及其相對含量，屬于其相對含量，屬于元素分析元素分析，無法直接鑒別物，無法直接鑒別物相。相。n對材料的物相分析對材料的物相分析X射線衍射射線衍射 每種結晶物質都有自己特定的每種結晶物質都有自己特定的X射線衍射花射線衍射花樣特征（衍射位置樣特征（衍射位置、衍射強度、衍射強度 I ）。）。 對于多相物質，其衍射花樣由其各組成相的對于多相物質，其衍射花樣由其各組成相的衍射花樣簡單疊加而成。衍射花樣簡單疊加而成。 定性分析：定性分析：根據根據衍射線條的位置確定物相是衍射線條的位置確定物相是什么；什么；定量分析：定量分析：根據衍射線條的強度確定根據衍射線條的強度確定物相有多少。物相有多

3、少。X射線物相分析理論基礎射線物相分析理論基礎n19381938年由年由哈那瓦特哈那瓦特(J(JD DHanawah)Hanawah)開創(chuàng)，開創(chuàng)，19411941年由年由“美國材料試驗學會美國材料試驗學會(ASTM)(ASTM)”出版，稱出版，稱ASTMASTM卡片卡片n19691969年改由年改由“粉末衍射標準聯合會粉末衍射標準聯合會（the Joint committee on Powder Diffraction Standards）(JCPDS)(JCPDS)”，出版，出版，故粉末衍射卡也簡稱故粉末衍射卡也簡稱PDF卡。卡。工具工具-PDF卡片卡片將已發(fā)現物質的衍射數據制成標準卡片，物

4、相定將已發(fā)現物質的衍射數據制成標準卡片，物相定性分析就成為簡單的卡片檢索與對照工作。性分析就成為簡單的卡片檢索與對照工作。1978年起，年起，JCPDS與國際衍射資料中心與國際衍射資料中心（ICDD）聯合出版）聯合出版1992年，統(tǒng)一由年，統(tǒng)一由ICDD出版出版 至至1997年，已有卡片年，已有卡片47組，約組，約67000張張 每年大約有每年大約有2000 個新的衍射圖分組發(fā)表在數個新的衍射圖分組發(fā)表在數據庫中。據庫中。氯化鈉晶體氯化鈉晶體PDF卡片的內容構成示意圖卡片的內容構成示意圖（2）粉末衍射卡片的組成123456798（2）粉末衍射卡片的組成）粉末衍射卡片的組成卡片序號。卡片序號。P

5、DF卡片序號形式為卡片序號形式為XX X X X。符號。符號“”之前之前的數字表示卡片的組號，符號的數字表示卡片的組號，符號“”之后的數字表示卡片在組之后的數字表示卡片在組內的序號。內的序號。5-6281三強線。三強線。HanawaltHanawalt將將d d值序列中強度最高的三根線條值序列中強度最高的三根線條( (稱為稱為三強線三強線) )的面間距和相對強度提到卡片的首位。三強線能準確的面間距和相對強度提到卡片的首位。三強線能準確反映物質特征，受試驗條件影響較小是最常用的參數。反映物質特征，受試驗條件影響較小是最常用的參數。（2）粉末衍射卡片的組成）粉末衍射卡片的組成d 2.82 1.99

6、 1.63 3.26I/I0 100 55 15 13該物相可能測到該物相可能測到的最大面間距及相的最大面間距及相對強度對強度 。2323（2）粉末衍射卡片的組成）粉末衍射卡片的組成物相的化學式及英文名稱。物相的化學式及英文名稱。NaCl Sodium chloride (Halite) 在化學式之后有數字及大寫字母，數字表示單胞中的原子數，字母表在化學式之后有數字及大寫字母，數字表示單胞中的原子數，字母表示布拉菲點陣類型。示布拉菲點陣類型。“”數據高度可靠；數據高度可靠；“”可靠程度低可靠程度低;無符號者為一般；無符號者為一般；“C”表示衍射花樣數據表示衍射花樣數據來自計算。來自計算。礦物學

7、通用名稱或礦物學通用名稱或有機結構式也列入有機結構式也列入欄。欄。4各個字母所代表的點陣類型是：各個字母所代表的點陣類型是：C簡單立方；簡單立方； B體心立方；體心立方；F面心立方；面心立方； T簡單四方簡單四方;U體心四方；體心四方； R簡單菱形；簡單菱形；H簡單六方；簡單六方； O簡單斜方；簡單斜方；P體心斜方；體心斜方； Q底心斜方；底心斜方；S面心斜方；面心斜方； M簡單單斜；簡單單斜；N底心單斜；底心單斜； Z簡單三斜。簡單三斜。（2）粉末衍射卡片的組成試驗條件。試驗條件。5a. Rad為輻射種類；為輻射種類；b. 為輻射波長，為輻射波長，Filter為濾波片名稱；為濾波片名稱；c.

8、 Dia為圓柱相機直徑；為圓柱相機直徑；d. Cutoff為該設備所能測為該設備所能測得的最大面間距；得的最大面間距；e. Ref，為參考文獻。，為參考文獻。晶體學數據。晶體學數據。6a. Sys為晶系；為晶系；b. SG為空間群符號；為空間群符號；c. a0、b0、c0、為晶格常數；為晶格常數；d. A=a0b0，C=c0b0為為軸比；軸比；e. Z為單位晶胞中相當于為單位晶胞中相當于化學式的分子數目化學式的分子數目(對于元對于元素是指單胞中的原子數；素是指單胞中的原子數；對于化合物是指單胞中的對于化合物是指單胞中的分子數目分子數目)；f. Ref，為參考文獻。，為參考文獻。 物相的物理性質

9、。物相的物理性質。n，n,為折射率；為折射率；nSign為光學性質的正負；為光學性質的正負；n2V為光軸間的夾角；為光軸間的夾角；nD為密度為密度(若由若由X射線法測射線法測定則表以定則表以Dx)；nmp為熔點；為熔點；nColor為顏色；為顏色；nRef.為參考文獻。為參考文獻。n試樣來源、制備方式及化學分析數據。試樣來源、制備方式及化學分析數據。nd值序列。值序列。列出的是按衍射位置的先后順序排列的晶面列出的是按衍射位置的先后順序排列的晶面間距間距d值序列，相對強度值序列，相對強度IIl數據卡片分為有機和無機兩類，常用的形式有四種：數據卡片分為有機和無機兩類，常用的形式有四種： 8cm8c

10、ml3cml3cm的卡片；的卡片； 微縮膠片，它可以將微縮膠片，它可以將116116張卡片印到一張膠片上，張卡片印到一張膠片上，以節(jié)省保存空間，不過讀取時要用微縮膠片讀取器；以節(jié)省保存空間，不過讀取時要用微縮膠片讀取器； 書，將所有的卡片印到書中，每頁可以印書，將所有的卡片印到書中，每頁可以印3 3張卡張卡片，目前包括有機物和無機物在內已出版了片，目前包括有機物和無機物在內已出版了8 8卷。卷。 電子卡片電子卡片。可利用計算機直接檢索。可利用計算機直接檢索。（2）PDF衍射數據卡片種類衍射數據卡片種類 3）粉末衍射卡片的索引nJCPDS JCPDS 粉末粉末X X 射線衍射數據匯編（射線衍射數

11、據匯編（PDFPDF）是）是一種索引類工具書。索引分為：一種索引類工具書。索引分為：n按名稱首字母順序索引：按名稱首字母順序索引：戴維無機字母索引戴維無機字母索引nd d 值索引：值索引：哈那瓦特索引、芬克索引哈那瓦特索引、芬克索引試樣的準備。試樣的準備。粉末衍射圖的獲得。粉末衍射圖的獲得。衍射線衍射線d值的測量。值的測量。衍射線相對強度的測量。衍射線相對強度的測量。查閱索引。查閱索引。核對卡片。核對卡片。歸一化處理。歸一化處理。重新核對卡片，查找未檢出相，直到檢出所重新核對卡片，查找未檢出相，直到檢出所有物相。有物相。4）定性分析步驟5）Jade軟件簡介軟件簡介XRD圖譜分析軟件，具有物相檢

12、索、圖譜擬合圖譜分析軟件，具有物相檢索、圖譜擬合與分析等功能。與分析等功能。1.PDF卡片導入卡片導入選擇菜單選擇菜單PDF-Setup命令，見到索引窗口命令，見到索引窗口2.文件導入文件導入選擇菜單選擇菜單“File|Patterns打開讀入文件對話框。打開讀入文件對話框。2.物相分析物相分析大海撈針法大海撈針法右擊右擊“S/M”按鈕，打開檢索條件設置對話框，去掉按鈕，打開檢索條件設置對話框，去掉“Use chemistry filter”選項的對號，同時選擇多種選項的對號，同時選擇多種PDF子庫，檢子庫，檢索對象選擇為主相索對象選擇為主相(S/M Focus on Major Phases

13、)再點擊再點擊“OK”按鈕，進入按鈕，進入“Search/Match Display窗口。窗口。限定條件檢索限定條件檢索在在“Use chemistry filter”選項前加上對號，進入到一個選項前加上對號，進入到一個元素周期表對話框，元素周期表對話框，樣品中可能存在的元素全部輸入樣品中可能存在的元素全部輸入常用工具欄中的按鈕及其作用常用工具欄中的按鈕及其作用:手動工具欄中的按鈕及其作用手動工具欄中的按鈕及其作用:其他功能其他功能回顧回顧1 1：衍射花樣的指數標定衍射花樣的指數標定 （1 1）已知材料：）已知材料：將已知點陣參數代入面間距公將已知點陣參數代入面間距公式，算出各個（式，算出各個

14、（HKLHKL）面對）面對應的晶面間距應的晶面間距d d，再與實測，再與實測的各衍射線的各衍射線d d值進行比較，值進行比較，確定確定HKLHKL；或者利用衍射卡；或者利用衍射卡片與實測片與實測d d值比較，標定出值比較，標定出衍射指數。衍射指數。 （2 2）未知材料）未知材料需要從衍射幾何和晶體學的基本理論出發(fā)，分析各晶系點陣需要從衍射幾何和晶體學的基本理論出發(fā)，分析各晶系點陣的的d d值數列的特征及其與衍射角度之間的對應關系，從而值數列的特征及其與衍射角度之間的對應關系，從而確定確定HKLHKL。n令令N=hN=h2 2+k+k2 2+l+l2 2 ，則有：，則有：n即掠射角正弦的平方之比

15、等于晶面指數平方和之比。即掠射角正弦的平方之比等于晶面指數平方和之比。n根據立方晶系的消光規(guī)律，相應的根據立方晶系的消光規(guī)律，相應的N N值序列規(guī)律如下：值序列規(guī)律如下：nnNNNN:sin:sin:sin:sin3212322212點陣類型點陣類型N值序列比值序列比簡單立方簡單立方1:2:3:4:5:6:8:9:10:體心立方體心立方2:4:6:8:10:12:14:16:18:面心立方面心立方3:4:8:11:12:16:19:20:24:2222224sinlkha對于立方晶系：對于立方晶系：回顧回顧2 2：X X射線的物相的定性分析：射線的物相的定性分析：根據根據衍射線條的位置確定物相

16、是什么衍射線條的位置確定物相是什么1234567984.2.2 物相的定量分析物相的定量分析在粉末法中影響在粉末法中影響X X射線強度的因射線強度的因子有那些？子有那些？在粉末法中影響在粉末法中影響X X射線強度的因子有如下五項：射線強度的因子有如下五項：結構因子結構因子晶粒數目晶粒數目角因子（包括偏振因子和洛侖茲因子）角因子（包括偏振因子和洛侖茲因子）多重性因子多重性因子吸收因子吸收因子溫度因子溫度因子 從衍射線強度理論可知，多相混合物中從衍射線強度理論可知，多相混合物中 某一相的某一相的衍射強度，隨該相的相對含量的增衍射強度，隨該相的相對含量的增加而增加加而增加，成一定曲線關系。，成一定曲

17、線關系。用實驗測量或用實驗測量或理論分析等辦法確定了該關系曲線理論分析等辦法確定了該關系曲線，就可從，就可從實驗測得的強度算出該相的含量，這是定量實驗測得的強度算出該相的含量，這是定量分析的理論依據。分析的理論依據。用衍射儀進行，若試樣為平板狀的單相多用衍射儀進行，若試樣為平板狀的單相多晶體，則衍射線的相對強度：晶體，則衍射線的相對強度：1）定量分析基本原理）定量分析基本原理202222cossin2cos1VVeAPFIMHKLxd? 該式原只適用于單相試樣，但通過稍加修該式原只適用于單相試樣，但通過稍加修正后同樣適用于多相試樣。正后同樣適用于多相試樣。1）定量分析基本原理）定量分析基本原理

18、假設試樣由n相均勻混合而成,將單相強度公式變換后得到多相物質試樣中某一相的強度公式Cj 與與j相的結構和實驗條件有關相的結構和實驗條件有關，當，當j的結構與的結構與實驗條件已知實驗條件已知后后Cj為可計算的常數為可計算的常數 fj為為j相的體積分數相的體積分數 2222201cos 21sincos2jMjHKLlVIFPeVjljjfCI1? Vj=fjV0 A=1/2l 1）定量分析基本原理）定量分析基本原理n體積分數：體積分數：n質量分數：質量分數： 1m jmjjljjfCfCI11jmjjjCI1 j、j 為為 j相的質量分數，密度相的質量分數，密度2）定量分析的方法）定量分析的方法

19、外標法（各相的外標法（各相的和和均相等）均相等）n將所需物相的純物質另外單獨標定，然后與多將所需物相的純物質另外單獨標定，然后與多相混合物中待測相的相應衍射線強度相比較而相混合物中待測相的相應衍射線強度相比較而進行的。進行的。jjjmjjjCCI*1jjjjjjCCII*0 內標法是在待測試樣中摻入一定含量的標準物質，把試內標法是在待測試樣中摻入一定含量的標準物質，把試樣中待測相的某根衍射線條強度樣中待測相的某根衍射線條強度IA與摻入試樣中含量已知的與摻入試樣中含量已知的標準物質的某根衍射線條強度標準物質的某根衍射線條強度Is相比較，從而獲得待測相含相比較，從而獲得待測相含量。量。內標法內標法

20、(僅限于粉末試樣僅限于粉末試樣)ASSAKIIA為原試樣中待測為原試樣中待測相相A的質量分數的質量分數sASSSACKC n內標法定量的實驗步驟：內標法定量的實驗步驟：A、配制一系列樣品，其中預測相、配制一系列樣品，其中預測相(j相相)的的j不同，標準相不同，標準相(S相相)的的s相同相同B、測定復合試樣中測定復合試樣中j j與與S S相的強度相的強度I Ij j 與與I Is sC C、繪制、繪制 I Ij j /I/Is sj的標準曲線，一般為直線的標準曲線，一般為直線D、將與作標準曲線等量的內標相、將與作標準曲線等量的內標相S加入試樣中，用相同的加入試樣中，用相同的實驗條件測量實驗條件測

21、量I Ij j /I/Is s，利用標準曲線求，利用標準曲線求j繪制標準曲線工作量大，適用于物相種類固定且經繪制標準曲線工作量大，適用于物相種類固定且經常性（大批量）的樣品分析常性（大批量）的樣品分析ASSAKIIsASSSACKC 由于由于ks難于計算，一般用實驗方法測得。難于計算，一般用實驗方法測得。圖為在石英加碳酸鈉的試樣中，以熒石圖為在石英加碳酸鈉的試樣中，以熒石(CaF2)作為內標物質作為內標物質(S=020)測得的定標曲線測得的定標曲線 K值法值法nK值法也是內標法的一種，但不用繪制標準曲線，使值法也是內標法的一種，但不用繪制標準曲線，使分析大大簡化，是一種重要的分析方法。分析大大簡化，是一種重要的分析方法。KSA與與A和和S的含量無關，當確定實驗條件不變后，的含量無關，當確定實驗條件不變后，KSA是一個只與是一個只與A和和S兩相固有特性有關的常數。兩相固有特性有關的常數。ASSAASC