1、1中 南 大 学X 射线衍射实验报告材料科学与工程 学院 材料科学与工程 专业 1304 班级姓 名 王浩吉 学号 0603130404 同组者 郭金洋实验日期 2015 年 12 月 5 日 指导教师黄继武评分 分 评阅人 评阅日期一、 实验目的1) 掌握 X 射线衍射仪的工作原理、操作方法；2) 掌握 X 射线衍射实验的样品制备方法；3) 学会 X 射线衍射实验方法、实验参数设置，独立完成一个衍射实验测试；4) 学会 MDI Jade 6 的基本操作方法；5) 学会物相定性分析的原理和利用 Jade 进行物相鉴定的方法；6) 学会物相定量分析的原理和利用 Jade 进行物相定量的方法。本实
2、验由衍射仪操作、物相定性分析、物相定量分析三个独立的实验组成，实验报告包含以上三个实验内容。二、 实验原理21、X 射线衍射仪 （1）X 射线管 X 射线管工作时阴极接负高压，阳极接地。灯丝附近装有控制栅，使灯丝发出的热电子在电场的作用下聚焦轰击到靶面上。阳极靶面上受电子束轰击的焦点便成为 X 射线源，向四周发射 X 射线。在阳极一端的金属管壁上一般开有四个射线出射窗口。转靶 X 射线管采用机械泵+分子泵二级真空泵系统保持管内真空度，阳极以极快的速度转动，使电子轰击面不断改变，即不断改变发热点，从而达到提高功率的目的。（2）测角仪系统 测角仪圆中心是样品台，样品台可以绕中心轴转动，平板状粉末多
3、晶样品安放在样品台上，样品台可围绕垂直于图面的中心轴旋转；测角仪圆周上安装有 X 射线辐射探测器，探测器亦可以绕中心轴线转动；工作时，一般情况下试样台与探测器保持固定的转动关系（即 -2 连动） ，在特殊情况下也可分别转动；有的仪器中样品台不动，而 X 射线发生器与探测器连动。（3）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谱，没有任何两种物相的衍射谱是完全相同的。 2) 记录已知物相的衍射谱，并保存为 PDF 文件。 3) 从 PDF 文件中检索出与样品衍射谱完全相同的物相。 4) 多相样品的衍射谱是其中各相的衍射谱的简单叠加，互不干扰，检索程序能从 PDF 文件中检索出全
4、部物相。3、物相定量分析 物相定量分析绝热法 在一个含有 N 个物相的多相体系中，每一个相的 RIR 值（参比强度）均为已知的情况下，测量出每一个相的衍射强度，可计算出其中所有相的质量分数： 其中某相 X 的质量分数可表示为：NAiixKIW3式中 A 表示 N 个相中被选定为内标相的物相名称 式中 OlxK32右边是两个物相 X 和 A 的 RIR 值，可以通过实测、计算或查找 PDF 卡片获得。 样品中只含有两相 A 和 B，并选定 A 为内标物相，则有：BAA WIKIW1,三、 仪器与材料1) 仪器：18KW 转靶 X 射线衍射仪2) 数据处理软件：数据采集与处理终端与数据分析软件 M
5、DI Jade 63) 实验材料：LiMnOSi 样品、CuO 样品、Co 样品四、 实验步骤1 测量数据1) 准备样品；2) 打开 X 射线衍射仪；3) 按下“Door”按钮，听到报警；4) 向右拉开“常规衍射仪门” ，装好样品；5) 向左轻拉“常规衍射仪门” ，使之合上；6) 打开“控制测量”程序，输入实验条件和样品名，开始测量；表 1 实验参数设定：仪器 扫描范围 扫描度 电压 电流D/max 2500 型 X 射线衍射仪 10-80 8/min 40KV 250mA7) 按相同的实验条件测量其它样品的衍射数据。2 物相鉴定1) 打开 Jade，读入衍射数据文件；2) 鼠标右键点击 S/
6、M 工具按钮，进入“Search/Match”对话界面;3) 选择“Chemistry filter” ，进入元素限定对话框，选中样品中的元素名称，然后点击 OK 返回对话框，再点击 OK；4) 从物相匹配表中选中样品中存在的物相。在所选定的物相名称上双击鼠标，显示 PDF 卡片，按下 Save 按钮，保存 PDF 卡片数据；5) 在主要相鉴定完成后，对剩余未鉴定的衍射峰涂峰，做“Search/Match”，直至全部物相鉴定出来。6) 鼠标右键点击“打印机”图标，显示打印结果，按下“Save”按钮，输出物相鉴定结果。47) 以同样的方法标定其它样品的物相,物相鉴定实验完成。3 物相定量分析1)
7、 在 Jade 窗口中，打开一个多相样品的衍射谱；2) 完成多相样品的物相鉴定，物相鉴定时，选择有 RIR 值的 PDF 卡片；3) 选择每个物相的主要未重叠的衍射峰进行拟合，求出衍射峰面积；4) 选择菜单“Options|Easy Quantitative”，按绝热法计算样品中两相的重量百分数；5) 按下“Save”按钮，保存定量分析结果，定量分析数据处理完成。计算公式: , babOAlaRIK32 )(abaKIW五 实验数据处理1 物相鉴定结果说明：已知样品为含 Li-Mn-O-Si 元素的物质，选择 Li、Mn、O 和 Si 元素检索得到 Li(Li0.12Mn1.88)O4和 Si
8、 相；5说明：已知样品为含 Cu-O 元素的物质，选择 Cu 和 O 检索，得到 CuO、Cu和 Cu2O 相；说明：已知样品为含 Co 元素的物质，选择 Co 元素检索，得到两种不同结构的 Co 相；62 定量分析结果 babOAlaRIK32)(abaIWb1Lithum Manges Oxid=82.% Silcon=17.2%Wt%Lithum Manges Oxid -Li(0.12Mn.8)O4 Slco-iQuantive Analysi from Pfile-Ftd Peaks从图中可看出 Li(Li0.12Mn1.88)O4和 Si 的含量：Li(Li0.12Mn1.88)O
9、4：Wt%=82.8%; Si:Wt%=17.2%。7Tenorit, sy=79.%Coper=6.3%Cuprite=13.8%Wt%Tenorit, sy- CuO Cpt6.3(18)uit -2 .Quantive Analysi frm Pfil-Ftd Paks从图中可看出 CuO、Cu 和 Cu2O 的含量：CuO：Wt%=79.9%; Cu:Wt%=6.3%; Cu 2O:Wt%=13.8%。Cobalt=45.1%Cobalt=54.9%WtCobalt - 9Quantive Anlysi frm Pofile-Ftd Peaks从图中可看出 Li(Li0.12Mn1.8
10、8)O4和 Si 的含量：第一种 Co：Wt%=45.1%; 第二种 Co:Wt%=54.9%。83 点阵常数精确测定结果六 结果与讨论本实验采用的 X 射线衍射仪是按着晶体对 X 射线衍射的几何原理设计制造的衍射实验仪器。它的基本原理是布拉格方程 2dsin=n,确定了一组相互对应的 和 ，就可以求出相应的 d 值。X 射线衍射仪基本组成包括：X 射线发生器、衍射测角仪、辐射探测器、测量电路以及控制操作和运行软件的电子计算机系统。测角仪是 X 射线衍射仪的核心组成部分。但是当干涉指数互质时，干涉面就代表一族真实的晶面。但是存在系统消光和结构消光，并非所有满足布拉格方程的干涉面都有对应的衍射条
11、纹，比如金刚石型结构属于面心立方布拉菲点阵，凡是 H、K、L 为同性数的反射面均不能产生衍射线，其晶胞中有八个原子，分别属于两类等同点，比一般的面心立方结构多出四个原子，因此存在附加的结构消光条件。在衍射测量时，试样绕测角仪中心轴转动，不断地改变入射线与试样表面的夹角 ，计数器沿测角仪圆运动，接收各衍射角 2 所对应的衍射强度。根据需要， 角和 2 角可以单独驱动，也可以自动匹配，使 和 2 角以 1:2的角速度联合驱动。测角仪的扫描仪的扫描范围：正向（逆时针零度以上）2角可达 165；负向（顺时针零度以下）2 角可达-100。2 角测量的绝对精度 0.02，重复精度 0.001。衍射线积分强
12、度公式：在考虑了原子热振动和试样吸收对衍射线强度的影响之后， ；衍射线的相对积分强)(cosin21R321203420 AePVFcmeII MHKL度即用五个强度因子的乘积表示， ；当精确度要)(i22IL相求不高时，可以认为温度因子和角度因子的作用大致可以相互抵消，在这种情况下，衍射线的相对积分强度可简化为 ，可以根据查阅手cosin12PFIHKL相册和资料对相应的物质运用上述的公式进行精细的计算。对单相或者复相物质进行定性分析：1、根据待测的衍射数据，得出三条强线的晶面间距值 d1、d 2、d 3；2、根据 dz值（或者 d2、d 3） ，在数值索引中检索适当 d 组，找出与 d1、
13、d 2、d 3值复合较好的一些卡片；3、把待测相的三条强度的 d 值和 I/I1值与这些卡片上各物质的三强线 d 值和 I/I1值相比较，淘汰一些不符合的卡片，最后获得与实验数据一一吻合的卡片，卡片上所示物质即为待测相，鉴定工作便告完成。对 X 射线定量相分析：在分析的基础上测定多相混合物中各相的含量，其理论基础是物相的衍射强度与该物相参加衍射的体积成正比。测定方法有内标法、K 值法、绝热法、直接对比法、无标样法等。9不过在对比中会发现样品的衍射图谱中波峰较标准物质的波峰有偏移或者强度的些许偏差，实验误差可分为：人为误差：样品平面的平面度不够，有表面缺陷；安装时样品的基准面与轴有偏离；系统误差：样品的晶格畸变会影响点阵常数，从而影响实验结果；X 射线衍射仪中测角仪测量的角度有一定的误差；同时，X 射线具有波动性，即使是恒稳强度的射线，其连续记录的强度数据总是伴随着无规则的、不等小幅度的、频繁的起伏，造成一定的误差。
