中南大學X射線衍射實驗報告材料科學與工程學院材料科學與工程專業(yè)1304班級姓名王浩吉學號0603130404同組者郭金洋實驗日期2015年12月5日指導教師黃繼武評分分評閱人評閱日期實驗目的掌握X射線衍射儀的工作原理、操作方法；掌握X射線衍射實驗的樣品制備方法；學會X射線衍射實驗方法、實驗參數(shù)設置，獨立完成一個衍射實驗測試；學會MDIJade6的根本操作方法；學會物相定性分析的原理和利用Jade進行物相鑒定的方法；學會物相定量分析的原理和利用Jade進行物相定量的方法。本實驗由衍射儀操作、物相定性分析、物相定量分析三個獨立的實驗組成，實驗報告包含以上三個實驗內(nèi)容。實驗原理1、X射線衍射儀〔1〕X射線管X射線管工作時陰極接負高壓，陽極接地。燈絲附近裝有控制柵，使燈絲發(fā)出的熱電子在電場的作用下聚焦轟擊到靶面上。陽極靶面上受電子束轟擊的焦點便成為X射線源，向四周發(fā)射X射線。在陽極一端的金屬管壁上一般開有四個射線出射窗口。轉(zhuǎn)靶X射線管采用機械泵+分子泵二級真空泵系統(tǒng)保持管內(nèi)真空度，陽極以極快的速度轉(zhuǎn)動，使電子轟擊面不斷改變，即不斷改變發(fā)熱點，從而到達提高功率的目的?！?〕測角儀系統(tǒng)測角儀圓中心是樣品臺，樣品臺可以繞中心軸轉(zhuǎn)動，平板狀粉末多晶樣品安放在樣品臺上，樣品臺可圍繞垂直于圖面的中心軸旋轉(zhuǎn)；測角儀圓周上安裝有X射線輻射探測器，探測器亦可以繞中心軸線轉(zhuǎn)動；工作時，一般情況下試樣臺與探測器保持固定的轉(zhuǎn)動關(guān)系〔即θ-2θ連動〕，在特殊情況下也可分別轉(zhuǎn)動；有的儀器中樣品臺不動，而X射線發(fā)生器與探測器連動?！?〕衍射光路2、物相定性分析1〕每一物相具有其特有的特征衍射譜，沒有任何兩種物相的衍射譜是完全相同的。2)記錄物相的衍射譜，并保存為PDF文件。3)從PDF文件中檢索出與樣品衍射譜完全相同的物相。4)多相樣品的衍射譜是其中各相的衍射譜的簡單疊加，互不干擾，檢索程序能從PDF文件中檢索出全部物相。3、物相定量分析物相定量分析——絕熱法在一個含有N個物相的多相體系中，每一個相的RIR值〔參比強度〕均為的情況下，測量出每一個相的衍射強度，可計算出其中所有相的質(zhì)量分數(shù)：其中某相X的質(zhì)量分數(shù)可表示為：式中A表示N個相中被選定為內(nèi)標相的物相名稱式中右邊是兩個物相X和A的RIR值，可以通過實測、計算或查找PDF卡片獲得。樣品中只含有兩相A和B，并選定A為內(nèi)標物相，那么有：儀器與材料儀器：18KW轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀數(shù)據(jù)處理軟件：數(shù)據(jù)采集與處理終端與數(shù)據(jù)分析軟件MDIJade6實驗材料：LiMnOSi樣品、CuO樣品、Co樣品實驗步驟1測量數(shù)據(jù)準備樣品；翻開X射線衍射儀；按下“Door”按鈕，聽到報警；向右拉開“常規(guī)衍射儀門”，裝好樣品；向左輕拉“常規(guī)衍射儀門”，使之合上；翻開“控制測量”程序，輸入實驗條件和樣品名，開始測量；表1實驗參數(shù)設定：儀器掃描范圍掃描度電壓電流D/max2500型X射線衍射儀10-808°/min40KV250mA按相同的實驗條件測量其它樣品的衍射數(shù)據(jù)。2物相鑒定翻開Jade，讀入衍射數(shù)據(jù)文件；鼠標右鍵點擊S/M工具按鈕，進入“Search/Match”對話界面;選擇“Chemistryfilter”，進入元素限定對話框，選中樣品中的元素名稱，然后點擊OK返回對話框，再點擊OK；從物相匹配表中選中樣品中存在的物相。在所選定的物相名稱上雙擊鼠標，顯示PDF卡片，按下Save按鈕，保存PDF卡片數(shù)據(jù)；在主要相鑒定完成后，對剩余未鑒定的衍射峰涂峰，做“Search/Match”，直至全部物相鑒定出來。鼠標右鍵點擊“打印機”圖標，顯示打印結(jié)果，按下“Save”按鈕，輸出物相鑒定結(jié)果。以同樣的方法標定其它樣品的物相,物相鑒定實驗完成。3物相定量分析在Jade窗口中，翻開一個多相樣品的衍射譜；完成多相樣品的物相鑒定，物相鑒定時，選擇有RIR值的PDF卡片；選擇每個物相的主要未重疊的衍射峰進行擬合，求出衍射峰面積；選擇菜單“Options|EasyQuantitative”，按絕熱法計算樣品中兩相的重量百分數(shù)；按下“Save”按鈕，保存定量分析結(jié)果，定量分析數(shù)據(jù)處理完成。計算公式:,五實驗數(shù)據(jù)處理1物相鑒定結(jié)果說明：樣品為含Li-Mn-O-Si元素的物質(zhì)，選擇Li、Mn、O和Si元素檢索得到Li(Li0.12Mn1.88)O4和Si相；說明：樣品為含Cu-O元素的物質(zhì)，選擇Cu和O檢索，得到CuO、Cu和Cu2O相；說明：樣品為含Co元素的物質(zhì)，選擇Co元素檢索，得到兩種不同結(jié)構(gòu)的Co相；2定量分析結(jié)果從圖中可看出Li(Li0.12Mn1.88)O4和Si的含量：Li(Li0.12Mn1.88)O4：Wt%=82.8%;Si:Wt%=17.2%。從圖中可看出CuO、Cu和Cu2O的含量：CuO：Wt%=79.9%;Cu:Wt%=6.3%;Cu2O:Wt%=13.8%。從圖中可看出Li(Li0.12Mn1.88)O4和Si的含量：第一種Co：Wt%=45.1%;第二種Co:Wt%=54.9%。3點陣常數(shù)精確測定結(jié)果六結(jié)果與討論本實驗采用的X射線衍射儀是按著晶體對X射線衍射的幾何原理設計制造的衍射實驗儀器。它的根本原理是布拉格方程2dsinθ=nλ,確定了一組相互對應的θ和λ，就可以求出相應的d值。X射線衍射儀根本組成包括：X射線發(fā)生器、衍射測角儀、輻射探測器、測量電路以及控制操作和運行軟件的電子計算機系統(tǒng)。測角儀是X射線衍射儀的核心組成局部。但是當干預指數(shù)互質(zhì)時，干預面就代表一族真實的晶面。但是存在系統(tǒng)消光和結(jié)構(gòu)消光，并非所有滿足布拉格方程的干預面都有對應的衍射條紋，比方金剛石型結(jié)構(gòu)屬于面心立方布拉菲點陣，但凡H、K、L為同性數(shù)的反射面均不能產(chǎn)生衍射線，其晶胞中有八個原子，分別屬于兩類等同點，比一般的面心立方結(jié)構(gòu)多出四個原子，因此存在附加的結(jié)構(gòu)消光條件。在衍射測量時，試樣繞測角儀中心軸轉(zhuǎn)動，不斷地改變?nèi)肷渚€與試樣外表的夾角θ，計數(shù)器沿測角儀圓運動，接收各衍射角2θ所對應的衍射強度。根據(jù)需要，θ角和2θ角可以單獨驅(qū)動，也可以自動匹配，使θ和2θ角以1:2的角速度聯(lián)合驅(qū)動。測角儀的掃描儀的掃描范圍：正向〔逆時針零度以上〕2θ角可達165°；負向〔順時針零度以下〕2θ角可達-100°。2θ角測量的絕對精度0.02°，重復精度0.001°。衍射線積分強度公式：在考慮了原子熱振動和試樣吸收對衍射線強度的影響之后，；衍射線的相對積分強度即用五個強度因子的乘積表示，；當精確度要求不高時，可以認為溫度因子和角度因子的作用大致可以相互抵消，在這種情況下，衍射線的相對積分強度可簡化為，可以根據(jù)查閱手冊和資料對相應的物質(zhì)運用上述的公式進行精細的計算。對單相或者復相物質(zhì)進行定性分析：1、根據(jù)待測的衍射數(shù)據(jù)，得出三條強線的晶面間距值d1、d2、d3；2、根據(jù)dz值〔或者d2、d3〕，在數(shù)值索引中檢索適當d組，找出與d1、d2、d3值復合較好的一些卡片；3、把待測相的三條強度的d值和I/I1值與這些卡片上各物質(zhì)的三強線d值和I/I1值相比擬，淘汰一些不符合的卡片，最后獲得與實驗數(shù)據(jù)一一吻合的卡片，卡片上所示物質(zhì)即為待測相，鑒定工作便告完成。對X射線定量相分析：在分析的根底上測定多相混合物中各相的含量，其理論根底是物相的衍射強度與該物相參加衍射的體積成正比。測定方法有內(nèi)標法、K值法、絕熱法、直接比照法、無標樣法等。不過在比照中會發(fā)現(xiàn)樣品的衍射圖譜中波峰較標準物質(zhì)的波峰有偏移或者強度的些許偏差