材料分析方法读书报告.doc

2016年春季学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考核科目：材料分析方法学生所在院（系）：材料科学与工程学院学生所在学科:材料加工工程学生姓名:毕天志学号:15S009088别：学硕阅卷人第 1 页（共15页）材料分析方法及在非晶领域的应用1. 材料X射线衍射分析 31.1 X射线基本性质 31.2 X射线的产生与 X射线谱 42. 多晶体分析方法 72.1德拜-谢乐法 72.2德拜相的摄照 82.3 X射线衍射仪 93•物相分析及点阵参数测定 103.1定性分析 104.非晶领域的应用 124.1非晶的发展背景 124.2 非晶晶化过程分析 13参考文献： 15材料分析方法及在非晶领域的应用1. 材料X射线衍射分析X射线是由于原子中的电子在能量相差悬殊的两个能级之间的跃迁而产生的 粒子流，是波长介于紫外线和丫射线 之间的电磁波其波长很短约介于0.01~100 埃之间由德国物理学家 W.K.伦琴于1895年发现，故又称伦琴射线伦琴射线具有很高的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质，如墨纸、 木料等这种肉眼看不见的射线可以使很多固体材料发生可见的荧光， 使照相底 片感光以及空气电离等效应。

波长小于 0.1埃的称超硬X射线，在0.1〜1埃范 围内的称硬X射线，1〜100埃范围内的称软X射线X射线最初用于医学成像诊断和 X射线结晶学X射线也是游离辐射等这 一类对人体有危害的射线1895年德国物理学家伦琴发现了 X射线，随后医学界将其用于诊断和医疗， 后来又用于金属材料和机械零件的探伤 1895年12月28日伦琴向维尔茨堡物理 医学学会递交了第一篇X射线的论文“一种新射线一一初步报告”，报告中叙 述了实验的装置，做法，初步发现的 X射线的性质等等X射线的发现，又很 快地导致了一项新发现一一放射性的发现1912年德国物理学家劳埃发现了 X射线在晶体中的衍射现象，为物质结构 研究提供了一种崭新的方法，后来发展成为 X射线衍射学1912年英国物理学家布拉格提出了晶面“反射” X射线的概念，推导出至今被广泛应用的布拉格方程1914年莫塞来发现特征X射线波长和原子序数有定量的对应关系（莫塞来 定律），这一原理应用于材料成分检测X射线衍射分析研究内容很广，主要包括相分析、精细结构研究和晶体取向 测定等1.1 X射线基本性质科学家们逐渐揭示了 X射线的本质，作为一种波长极短，能量很大的电磁波， X射线的波长比可见光的波长更短（约在0.001〜100纳米，医学上应用的X射线 波长约在0.001〜0.1纳米之间），它的光子能量比可见光的光子能量大几万至几 十万倍。

因此，X射线除具有可见光的一般性质外，还具有自身的特性正由于 X射线的特性，使其在发现后不久，很快在物理学、工业、农业和医学上得到广 泛的应用，特别是在医学上，X射线技术已成为对疾病进行诊断和治疗的专门学 科，在医疗卫生事业中占有重要地位[1]1. X射线的物理效应[1]（1） 穿透作用X射线因其波长短，能量大，照在物质上时，仅一部分被物质所吸收，大部分经由原子间隙而透过，表现出很强的穿透能力 X射线穿透物质的能力与X射线光子的能量有关，X射线的波长越短，光子的能量越大， 穿透力越强X射线的穿透力也与物质密度有关，利用差别吸收这种性质可以把 密度不同的物质区分开来2） 电离作用物质受X射线照射时，可使核外电子脱离原子轨道产生电 离利用电离电荷的多少可测定 X射线的照射量，根据这个原理制成了 X射线 测量仪器在电离作用下，气体能够导电；某些物质可以发生化学反应；在有机体内可以诱发各种生物效应3） 荧光作用X射线波长很短不可见，但它照射到某些化合物如磷、铂 氰化钡、硫化锌镉、钨酸钙等时，可使物质发生荧光（可见光或紫外线），荧光 的强弱与X射线量成正比这种作用是 X射线应用于透视的基础，利用这种荧 光作用可制成荧光屏，用作透视时观察 X射线通过人体组织的影像，也可制成 增感屏，用作摄影时增强胶片的感光量。

4） 热作用物质所吸收的X射线能大部分被转变成热能，使物体温度升 高5） 干涉、衍射、反射、折射作用这些作用在 X射线显微镜、波长测定 和物质结构分析中都得到应用X射线的化学效应 [1]（1） 感光作用X射线同可见光一样能使胶片感光胶片感光的强弱与 X 射线量成正比，当X射线通过人体时，因人体各组织的密度不同，对 X射线量 的吸收不同，胶片上所获得的感光度不同，从而获得 X射线的影像2） 着色作用X射线长期照射某些物质如铂氰化钡、铅玻璃、水晶等， 可使其结晶体脱水而改变颜色1.2 X射线的产生与X射线谱1.2.1 X射线产生X射线管结构示意图图所示的X射线管是产生X射线的装置主要由阴极（W灯丝）和用（Cu, Cr,Fe,Mo）等纯金属制成的阳极（靶）组成 阴极通电加热，在阴、阳极之间加以直流高压 （约数万伏）阴极发射的大量电子高速飞向阳极，与阳极碰撞产生 X射线1.2.2 X射线谱及基本原理PC M 端 机PC M 端 机辅入接口比按收端机输出捲□X射线谱，波长大致介于700〜0.1埃范围内的电磁辐射，X射线谱由连续 谱和标识谱两部分组成，标识谱重叠在连续谱背景上，连续谱是由于高速电子受 靶极阻挡而产生的轫致辐射，其短波极限入0由加速电压V决定：入0 = he /（ ev ） 为普朗克常数，e为电子电量，c为真空中的光速。

标识谱是由一系列线状谱组 成，它们是因靶元素内层电子的跃迁而产生，每种元素各有一套特定的标识谱， 反映了原子壳层结构的特征同步辐射源可产生高强度的连续谱 X射线，现已 成为重要的X射线源X射线谱可分为发射区射线谱和吸收区射线谱，波长范围为 700〜0.1 丁发射谱有两组：连续谱和叠加其中的标识（特征） 谱连续X射线谱 高速带电质点（如电子、质子、介子等）与物质相碰，受物质原子核库仑场的作用而速度骤减， 质点的动能转化为光辐射能的形式放出带电质点的速度从 U 1降到U 2，相应地发生波长为 入0的辐射，这是h是普朗克常数，c为光速，m是带电质点的质量因此连续谱存在一短波限，其最短波长 入0相应于u 2=0时的波长例如，在普通X射线管中，管电压为V（伏）时，，其中e为电子电荷1a是钨阳极X射 线管在不同管压下的连续 X射线谱，1b是相同管电压（10kV）下不同阳极材料的 连续X射线谱连续谱的入0与阳极的原子序数Z无关，它仅与质点的动能有关,Z 只影响连续谱的积分强度，X射线的输出功率为kiZV2（i为管电流），其效率为 kZV，k=1.1〜1.4X10-9强度最大值的波长X射线管所发射的连续谱强度在 空间各个方向的分布是不相等的。

1.2.3 X射线与物质的相互作用A、衰减规律与吸收系数吸收系数在某些波长位置突然升高，所对应的波 长称为吸收限每种物质都有其特定的一系列吸收限，吸收限是吸收元素的特征 量，将这种带有特征吸收限的吸收系数曲线称该物质的吸收谱B、X射线的吸收相应光电效应X当入射X射线光量子能量等于或略大于吸 收体原子某壳层电子的结合能时，电子易获得 能量从内层逸出，成为自由电子，称为光电子， 这种光子击出电子的现象称为光电效应将消 耗大量入射能量，导致吸收系数突增，对应的 入射波长称为吸收限光电效应引起的入射能 量消耗为真吸收，真吸收还包括热效应俄歇效应原子K层电子被击出后，L层一个电子跃 入K层填补空位，而另一个L层电子获得能量 逸出原子成为俄歇电子，称这种一个 K层空位 被两个L层空位代替的过程为俄歇效应荧光 射线和俄歇电子均为物质的化学成分信号荧 光X射线用于重元素的成分分析，俄歇电子用 于表面轻元素分析1.3 X射线衍射强度1.3.1单位晶胞对X射线的散射简单点阵只有一种原子组成，每个单胞中只有一个原子，其位于单胞的顶角 上，所以简单点阵单胞的散射强度相当于一个原子的散射强度复杂点阵单胞中含有n个相同或不同种类的原子，它们除占据单胞的顶角外, 还可能位于体心、面心或底心位置，所以复杂点阵单胞的散射波振幅为单胞中所 有原子散射波的合成振幅。

由于衍射线的相互干涉，某些方向的强度将会有所加强，某些方向的强度将会减弱甚至消失，习惯上将这种现象称为系统消光1.3.2影响衍射强度的其他因素A、 多重性因素晶体中同一晶面族｛hkl｝的各晶面（等同晶面），其原子排列相同且晶面间距 相等，因此其衍射角2 相同，故在多晶体衍射花样中，其衍射将重叠在同一 衍射环（衍射峰）上某种晶面的等同晶面数增加，参与衍射的几率随之增大，相应衍射强度也将 随之增强晶面的等同晶面数对衍射强度的影响，称多重性因数 P,多重性因数与晶体的对称性及晶面指数有关如立方晶系｛100｝面族P =6， ｛110｝面族P =12；四方晶系的｛100｝面族P =4, ｛001｝面族P =2各晶系、各晶面族的多重性因数见附录 EB、 吸收因素C、 温度因素原子热振动使点阵中原子排列的周期性变差，使原来严 格满足布拉格条件的相干散射产生附加的相位差，从而使衍射强度减弱2. 多晶体分析方法2.1德拜-谢乐法设计原理2e = l^2&=09基本结构德拜相机基本组成：圆筒形外壳、试样架、光缆、承光管等2.2德拜相的摄照 （一）相机、底片安装及试样1相机为圆筒形暗盒，直径一般为 57.3mm或114.6mm2试样长约10mm直径为0.2~1.0mm,3在曝光过程中，试样以相机轴为轴转 动，以增加参与衍射晶粒数；4底片围装在相机壳内腔，安装方法有 3种，见图1）正装法；2）反装法；3）偏装法1）正装法X射线从底片接口射入，从中心孔射出，几何关系及计算简单，用 于一般物相分析2）反装法X射线从底片中心孔射入，从接口射出，谱线记录较全，底片收缩误差小，适用于点阵参数测定3）偏装法X射线从底片的两个孔射入、射出，可直接计算相机周长，能消除底片收缩等误差，是较常用的方法入射线））（。

T1低角高角正装法厂3 （高角低角反装法高角低角偏装法(二)摄照规程的选择1) X射线管阳极靶材 一般原则为Z靶w Z样；若不能满足时，选择极限为Z靶=Z样+1; Z极小的样品，选用Cu或Mo靶2) 滤片Z靶＜ 40 时，Z滤=Z靶-1 ; Z靶＞40时，Z滤=Z靶-23) 管电压 管电压为阳极靶K系谱临界激发电压的3~5倍4) 管电流 管电流不能超过许用的最大管电流5) 曝光时间 通常通过试验确定，因为曝光时间与试样、相机及上述摄照规程的选择等诸多因素有关如用 Cu靶、小直径相机拍摄Cu试样，曝光时间为30min，若用Co靶拍摄Fe 样品，则需2h2.3 X射线衍射仪 2.3.1 X射线定义以及X射线衍射仪1、 X射线定义：特征X射线及其衍射X射线是一种波长(0.06-20nm)很短 的电磁波，能穿透一定厚度的物质，并能使荧光物质发光、照相机乳胶感光、气体电离用高能电子束轰击金属靶产生 X射线，它具有靶中元素相对应的特定波 长，称为特征X射线如铜靶对应的X射线波长为0.154056 nm[2]2、 X射线衍射仪：X射线衍射仪的形式多种多样，用途各异，但其基本构成 很相似，图为X射线衍射仪的基本构造原理图，主要部件包括4部分。

[3](1) 高稳定度。