1、1中 南 大 学X 射线衍射实验报告材料科学与工程 学院 材料国际 专业 1401 班级姓 名 蔡云伟 学号 0605140118 同组者 实验日期 2016 年 05 月 18 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。本实验由衍射
2、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、 实验原理根据布拉格定律，我们可以知道，只有在特殊的入射角度时我们才能得到衍射图像。所以，根据这一原理，我们在使用了把 X 射线和探测器放在环形导轨上的方法，把每个方向的结果都探测一遍，最终收集到能发生衍射的衍射峰。根据结果，推算晶面，判断晶体构型，判断元素种类。2三、 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 MDI Jade 63) 实验材料： WC(碳化钨)、LiCoOSi四、 实验步骤1 测量数据1) 准备样品；2) 打开 X 射线衍射
3、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/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
4、，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。7) 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) 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
5、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: 3, babOAlaRIK32 )(abaKIW五 实验数据处理1 物相鉴定结果42 定量分析结果（1）WCUSER: userJADE: Quantitative Analysis from Profile-Fitted PeaksDATE: Thursday, Jan 01, 2004 01:16aFILE: 005 WC.raw SCAN: 25.0/125.0
6、/0.02/1(sec), Cu(40kV,250mA), I(max)=40668, 10-28-10 13:19PROC: New Quantitative AnalysisPhase ID (2) Chemical Formula RIR Dx MAC LAC Wt% Wt(n)% Vol(n)% #L I%-I(r) Area Height Tungsten Carbide WC 15.71 15.672 161.73 2534.7 82.0 (4.2) 82.0 (4.2) 83.3 (5.7) 1 0.0 479781(21469) 30158(1046)Tungsten carb
7、ide - $-epsilon W2C 10.80 17.162 166.70 2861.0 18.0 (0.9) 18.0 (0.9) 16.7 (1.1) 1 0.0 72427(1893) 6967(142)2-Theta FWHM Height Height% Area(a1) Area% I(r) I(p) I%-I(r) ( h k l) 35.616 (0.004) 0.213 (0.012) 30158 (1046) 100.0 479781 (21469) 100.0 100.0 100.0 0.0 ( 1 0 0)2-Theta FWHM Height Height% Ar
8、ea(a1) Area% I(r) I(p) I%-I(r) ( h k l) 39.547 (0.002) 0.148 (0.005) 6967 (142) 100.0 72427 (1894) 100.0 100.0 100.0 0.0 (-1-1 1)（2）LiCoOSiUSER: userJADE: Quantitative Analysis from Profile-Fitted PeaksDATE: Thursday, Jan 01, 2004 01:04aFILE: LiCoOSi (39).raw SCAN: 10.0/80.0/0.02/1(sec), Cu(40kV,250
9、mA), I(max)=8718, 08-27-13 13:27PROC: New Quantitative AnalysisPhase ID (2) Chemical Formula RIR Dx MAC LAC Wt% Wt(n)% Vol(n)% #L I%-I(r) Area Height Lithium cobalt(III) oxide LiCoO2 4.38 5.049 192.28 970.8 48.3 (4.1) 48.3 (4.1) 30.1 (3.2) 1 0.0 44727(2619) 55010(263)Silicon Si 4.55 2.329 60.60 141.
10、1 51.7 (4.4) 51.7 (4.4) 69.9 (7.5) 1 0.0 49763(3069) 6558(343)2-Theta FWHM Height Height% Area(a1) Area% I(r) I(p) I%-I(r) ( h k l) 18.897 (0.005) 0.144 (0.007) 5010 (263) 100.0 44727 (2620) 100.0 100.0 100.0 0.0 ( 0 0 3)2-Theta FWHM Height Height% Area(a1) Area% I(r) I(p) I%-I(r) ( h k l) 28.409 (0
11、.005) 0.131 (0.006) 6558 (343) 100.0 49763 (3070) 100.0 100.0 100.0 0.0 ( 1 1 1)3 点阵常数精确测定结果Tungste Carbid=82.0%W2C=18.0%Wt%Tungste Carbid -W2Quantive Aalysi fromPfile-Ftd PaksLiCoO2=48.3%Silcon=51.7%WtLiCoO2 Slcn-i57.Quantive Aays frmPfile-Ftd Paks6具体 PDF 卡片结果：1.WCPDF#79-0743: QM=Calculated(C); d=C
12、alculated; I=CalculatedTungsten CarbideW2 CRadiation=CuKa1Lambda=1.54060 Filter=Calibration= 2T=18.769-89.599 I/Ic(RIR)=10.80Ref: Calculated from ICSD using POWD-12+ (1997)Hexagonal - Powder Diffraction, P-31m (162) Z=3 mp=CELL: 5.19 x 5.19 x 4.724 P.S=hP9 ($GE) (C5 W12)Density(c)=17.162 Density(m)=
13、17.27A Mwt=379.71 Vol=110.20F(23)=999.9(.0000,32/0)Ref: Epicier, T., Dubois, J., Esnouf, C., Fantozzi, G., Convert, P.Acta Metall., v36 p1903 (1988)Strong Lines: 2.27/X 2.36/2 2.60/2 1.50/2 1.35/2 1.27/2 1.75/2 1.25/1 1.14/1 1.18/1FIZ=065700: ITF TEM Mentioned.Neutron powder diffraction studies of t
14、ransition metal hemicarbides M2 C1-x - II.In situ high temperature study on W2 C1-x and Mo2 C1-x k d c b a (P3-1M) NO22-Theta d(?) I(f) ( h k l) Theta 1/(2d) 2pi/d n2 18.769 4.7240 0.1 ( 0 0 1) 9.384 0.1058 1.3301 19.736 4.4947 0.1 ( 1 0 0) 9.868 0.1112 1.3979 27.366 3.2563 0.1 ( 1 0 1) 13.683 0.153
15、5 1.9296 34.535 2.5950 21.9 ( 1 1 0) 17.267 0.1927 2.4213 38.066 2.3620 23.6 ( 0 0 2) 19.033 0.2117 2.6601 39.592 2.2744 100.0 (-1-1 1) 19.796 0.2198 2.7625 43.234 2.0909 0.1 ( 1 0 2) 21.617 0.2391 3.0051 44.613 2.0294 0.1 ( 2 0 1) 22.306 0.2464 3.0961 52.332 1.7468 15.0 (-1-1 2) 26.166 0.2862 3.597
16、1 56.472 1.6281 0.1 ( 2 0 2) 28.236 0.3071 3.8591 57.612 1.5986 0.1 (-2-1 1) 28.806 0.3128 3.9304 61.879 1.4982 16.2 ( 3 0 0) 30.939 0.3337 4.1938 65.281 1.4281 0.1 ( 3 0 1) 32.641 0.3501 4.3996 69.805 1.3462 15.2 (-1-1 3) 34.903 0.3714 4.6673 72.835 1.2975 2.0 ( 2 2 0) 36.417 0.3854 4.8425 75.011 1
17、.2652 15.2 ( 3 0 2) 37.505 0.3952 4.9663 75.999 1.2512 11.5 (-2-2 1) 37.999 0.3996 5.0219 79.443 1.2053 0.1 ( 3 1 1) 39.721 0.4148 5.2128 81.419 1.1810 2.1 ( 0 0 4) 40.710 0.4234 5.3202 783.670 1.1549 0.1 (-2-1 3) 41.835 0.4330 5.4406 85.272 1.1372 2.8 (-2-2 2) 42.636 0.4397 5.5250 88.643 1.1025 0.1
18、 (-3-1 2) 44.322 0.4535 5.6992 89.599 1.0932 0.1 ( 4 0 1) 44.800 0.4574 5.7477 PDF#89-2727: QM=Calculated(C); d=Calculated; I=CalculatedTungsten CarbideW CRadiation=CuKa1Lambda=1.54060 Filter=Calibration= 2T=31.509-84.081 I/Ic(RIR)=15.71Ref: Calculated from ICSD using POWD-12+Hexagonal - Powder Diff
19、raction, P-6m2 (187) Z=1 mp=CELL: 2.906 x 2.906 x 2.837 P.S=hP2 (?)Density(c)=15.672 Density(m)=15.13A Mwt=195.86 Vol=20.75F(9)=999.9(.0000,9/0)Ref: Parthe, E., Sadagopan, V.Monatsh. Chem., v93 p263 (1962)Strong Lines: 2.52/X 1.88/9 2.84/4 1.29/2 1.45/2 1.24/2 1.15/1 1.26/1 1.42/1 0.00/1FIZ=043380:
20、PDF 00-025-1047.M Described also as mineral from Mengyin, Shadong and Da Sichuan, China.At least one TF implausible.ITF See PDF 01-072-0097.Neutronen- und Roentgenbeugungsuntersuchungen ueber die Struktur des Wolframcarbides W C und Vergleich mit aelteren Elektronenbeugungsdaten d a (P6-M2) NO2-Thet
21、a d(?) I(f) ( h k l) Theta 1/(2d) 2pi/d n2 31.509 2.8370 44.0 ( 0 0 1) 15.754 0.1762 2.2147 35.645 2.5167 100.0 ( 1 0 0) 17.823 0.1987 2.4966 48.302 1.8827 88.2 ( 1 0 1) 24.151 0.2656 3.3374 64.029 1.4530 17.9 ( 1 1 0) 32.014 0.3441 4.3243 65.780 1.4185 5.4 ( 0 0 2) 32.890 0.3525 4.4295 73.113 1.293
22、2 18.8 ( 1 1 1) 36.557 0.3866 4.8584 75.489 1.2583 9.0 ( 2 0 0) 37.745 0.3974 4.9933 77.121 1.2357 16.6 ( 1 0 2) 38.560 0.4046 5.0846 84.081 1.1503 13.9 ( 2 0 1) 42.041 0.4347 5.4624 2. LiCoOSi PDF#75-0532: QM=Calculated(C); d=Calculated; I=CalculatedLithium Cobalt OxideLi Co O28Radiation=CuKa1 Lamb
23、da=1.54060 Filter=Calibration= 2T=18.930-87.020 I/Ic(RIR)=4.38Ref: Calculated from ICSD using POWD-12+ (1997)Rhombohedral - (Unknown), R-3m (166) Z=3 mp=CELL: 2.8166 x 2.8166 x 14.052 P.S=hR4 (?)Density(c)=5.049 Density(m)=4.71A Mwt=97.87 Vol=96.54F(19)=999.9(.0000,19/0)Ref: Johnston, W.D., Heikes,
24、R.R., Sestrich, D.J. Phys. Chem. Solids, v7 p1 (1958)Strong Lines: 4.68/X 2.00/5 2.40/3 1.41/1 1.43/1 2.30/1 1.55/1 1.84/1 1.35/1 1.15/1FIZ=029225: At least one TF missing.The Preparation, Crystallography, and Magnetic Properties of the Lix Co1-x O System h b a (R3-MH) ABX22-Theta d(?) I(f) ( h k l)
25、 Theta 1/(2d) 2pi/d n2 18.930 4.6840 100.0 ( 0 0 3) 9.465 0.1067 1.3414 37.387 2.4033 28.8 ( 1 0 1) 18.694 0.2080 2.6144 38.404 2.3420 3.7 ( 0 0 6) 19.202 0.2135 2.6828 39.057 2.3043 9.2 ( 0 1 2) 19.528 0.2170 2.7267 45.219 2.0036 51.9 ( 1 0 4) 22.609 0.2495 3.1359 49.435 1.8421 7.7 ( 0 1 5) 24.717
26、0.2714 3.4108 59.122 1.5613 1.0 ( 0 0 9) 29.561 0.3202 4.0243 59.597 1.5500 8.4 ( 1 0 7) 29.798 0.3226 4.0536 65.422 1.4254 10.4 ( 0 1 8) 32.711 0.3508 4.4080 66.317 1.4083 10.7 ( 1 1 0) 33.159 0.3550 4.4615 69.660 1.3487 6.7 ( 1 1 3) 34.830 0.3707 4.6588 78.487 1.2176 1.2 ( 1 0 10) 39.243 0.4106 5.
27、1603 78.683 1.2151 2.0 ( 0 2 1) 39.342 0.4115 5.1711 79.320 1.2069 1.8 ( 1 1 6) 39.660 0.4143 5.2061 79.736 1.2017 0.9 ( 2 0 2) 39.868 0.4161 5.2288 82.264 1.1710 1.2 ( 0 0 12) 41.132 0.4270 5.3657 83.911 1.1522 3.8 ( 0 2 4) 41.955 0.4340 5.4534 85.791 1.1317 2.1 ( 0 1 11) 42.896 0.4418 5.5522 87.02
28、0 1.1188 0.8 ( 2 0 5) 43.510 0.4469 5.6160 PDF#89-2955: QM=Calculated(C); d=Calculated; I=CalculatedSiliconSiRadiation=CuKa1 Lambda=1.54060 Filter=Calibration= 2T=28.445-88.041 I/Ic(RIR)=4.55Ref: Calculated from ICSD using POWD-12+9Cubic - (Unknown), Fd-3m (227) Z=8 mp=CELL: 5.43029 x 5.43029 x 5.43
29、029 P.S=cF8 (?)Density(c)=2.330 Density(m)=2.329 Mwt=28.09 Vol=160.13F(7)=999.9(.0000,7/0)Ref: Straumanis, M.E., Borgeaud, P., James, W.J.J. Appl. Phys., v32 p1382 (1961)Strong Lines: 3.14/X 1.92/6 1.64/3 1.11/1 1.25/1 1.36/1 1.57/1 0.00/1 0.00/1 0.00/1FIZ=043610: M Measured at unetched crystal frag
30、ments.M Cell for etched crystal bar: 5.43048 (Dm=2.3289).M Cell for powder, unheated: 5.43081.M Cell for powder, heated: 5.43070.M PDF 00-027-1402.No R value given.At least one TF missing.See PDF 01-075-0589.Perfection of the lattice of dislocation-free silicon, studies by the lattice-constant and d
31、ensity method a (FD3-MS) N2-Theta d(?) I(f) ( h k l) Theta 1/(2d) 2pi/d n2 28.445 3.1352 100.0 ( 1 1 1) 14.223 0.1595 2.0041 347.307 1.9199 55.4 ( 2 2 0) 23.654 0.2604 3.2727 856.128 1.6373 30.0 ( 3 1 1) 28.064 0.3054 3.8376 1158.862 1.5676 0.1 ( 2 2 2) 29.431 0.3190 4.0082 1269.138 1.3576 6.9 ( 4 0
32、 0) 34.569 0.3683 4.6283 1676.385 1.2458 9.5 ( 3 3 1) 38.193 0.4014 5.0435 1988.041 1.1085 11.5 ( 4 2 2) 44.021 0.4511 5.6684 24六 结果与讨论一、实验原理本次实验采用的仪器为 X 射线衍射仪，它是按照晶体对 X 射线衍射的几何原理设计制造的。布拉格方程是 X 射线衍射仪最基本的理论基础，也是进行 X 射线检测最根本和重要的理论依据之一。由 知，确定了一组相互对应的 与 2sind便可求出一组干涉面的面间距 d，当干涉指数互质时，干涉面就代表一族真实的晶面。因为存在系统
33、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纹。为保证能得到足够的衍射谱线以分析，X 射线衍射仪使用的是粉末样品，10用单色（标识）X 射线照射多晶体试样，即多晶体衍射方法，并且同时使样品转动（-2 连动） ，设计 2:1 的角速度比，目的是确保探测的衍射线与入射线始终保持 2 的关系，即入射线与衍射线以试样表面法线为对称轴，在两侧对称分布；辐射探测器接收到的衍射是那些与试样表面平行的晶面产生的衍射；同样的晶面若不平行于试样表面，即使产生衍射，其衍射线进不了探测器，不能被接受；X 射线源由 X 射线发生器产生，其线状焦点位于测角仪周围位置上固定不动。在线状焦点 S 到试样 O 和试样产
34、生的衍射线到探测器的光路上还安装有多个光阑以限制 X 射线的发散；当探测器由低 角到高 角转动的过程中将逐一探测和记录各条衍射线的位置（2 角度）和强度。探测器的扫描范围可以从-20 到+165，这样角度可保证接收到所有衍射线。在粉末样品的制备过程中，也可能因为球磨时间、压力大小等等使得所制备的样品颗粒尺寸达到纳米级数甚而小到发生晶格畸变。此时若交付 X 射线检测，将得不到原始样品的检测结果，因为材料结构已经改变。但这种情况比较少见，因为一般条件下，球磨达不到这样的效果。导致样品谱线与标准谱线间的偏差的主要原因是织构的存在。洛伦兹因子的 cos 部分决定了试样内部的晶粒必须是随机取向的，这时衍
35、射线积分强度公式才有效。 23220 ()MceVIPFAeRm（德拜谢乐法）221os()inIPFe相 对（衍射仪法）22csiMI 相 对实际上，线材板材甚至天然矿物都有一定程度的晶体定向排布。材料在加工过程中受到外界的力、热、电、磁等各种不同条件的影响，或在形成后受到不同的加工工艺的影响，会形成择优取向，即织构。精确测定点阵常数的实验中，实验室采用的是用标准物质进行校正的方法处理系统误差。选用的标准物质为 Si。进行校正时，运行 Jade5.0 软件，以 Si的标准样品来制作一条随衍射角变化的角度补正曲线。该曲线制作完成后作为参数保存，此后每次分析样品都将依此曲线消除仪器的系统误差。补
36、正曲线只需制作一次，因而操作简单方便，但无法获得精度高于标准样品的结果。在不高于标准样品精确级数的情况下，为获得精确度相对更高更平滑漂亮的曲线，在 continue 连续扫描选项中减少单位时间扫过的度数即可。二、实验结果讨论从实验结果来看，本次试验是成功的。测试的样品中主要成分确实是实验预期成分，WC 样品中含有 WC 约 82%，同时含有 18%的 W2C；在 LiCoOSi 样品中，含有 LiCoO2 约 48%，含有 Si 约 52%。样品并不是纯净的，其中掺杂有同种元素但是不同价态的化合物，但是其比值相对正常。此外在衍射峰图像中还可以看到其他小型的衍射峰，代表的是其他种类的化合物，不过因为含量太低没有进11行标定检测，在饼状成分图中可忽略不计。三、实验感受通过这个实验，我了解到了 X 射线的作用原理，并且真实使用了 X 射线仪器，还使用计算机技术分析样品。理论后的实践操作让我加深了对 X 射线衍射的作用机理，对于我以后的研究学习与工作有很大帮助。
