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第五章 X射线物相分析及点阵参数精确测定_PPT课件

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05 物相分析及点阵参数精确测定 材料分析测试技术 教学课件

05 物相分析及点阵参数精确测定 材料分析测试技术 教学课件

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0.8047
7
三. 定量分析
(一) 基本原理
定量相分析的理论基础是，物质的衍射强度 与该物质参加衍射的体积成正比，其衍射强度公 式如下式：
I 3 2 1 R I0m e 2 4 c 4V 0 3 2V F H 2 K L P s 1 i n 2 c o s c 2 o 2 se 2 m 2 1
J. D. Hanawalt等人于1938年首先发起，以d-I数据 组代替衍射花样，制备衍射数据卡片的工作。
1942年“美国材料试验协会（ASTM）”出版约 1300张衍射数据卡片（ASTM卡片）。
1969年成立了“粉末衍射标准联合委员会 （JCPDS）”，由它负责编辑和出版粉末衍射卡 片，称为PDF卡片。
In
BCn
vn
v1 v2 v3
vn 1
对于两相系统
I1
B
C
1
v1
I2
B
C
2
v2
v1 v2 1
v1
I1C 2 I1C 2 I 2C 1
四. 点阵常数的精确测定
点阵常数即晶胞参数是晶体物质的重要参数， 它随化学成份和外界条件（温度和压力）的 变化而发生微小的变化，通常在 10－4Å数量级以下，要揭示这类变化规律， 就必须对点阵常数进行精确测定。
实验条件选定后，它为常
数，并可计算出来。
用质量百分数代替体积百分数，得到定量分析
的基本公式：
j
Ij BC j n
j
( m ) j j
j1
j
Ij BC j
j m
vj
Vj V
1 V

chap5物相分析及点阵参数精确测定

chap5物相分析及点阵参数精确测定
一个字母顺序排列的； • 数字索引以衍射线的d值为检索依据，按
编排方式的不同有哈氏索引和芬克索引。
数值索引（或哈氏索引）
• 八强线按强度排d1，d2，…，d8，对应I1 ＞I2＞…＞I8
• 用最强三条线进行组合排列，每种物相 在索引中出现3次。
d1d2d3d4－d8
d2d3d1d4－d8 d3d1d2d4－d8
• 例如：石英（SiO2），由Si和O组成。 存在状态：非晶态石英玻璃，石英晶体。
石英晶体变体：α、β、γ、石英、方 石英、鳞石英。
化学分析：只能分辨Si和O
x-ray衍射物相分析：可一一分辨
• 三石：化学组成Al2O3·SiO2，其密度、莫来石 转化温度各不相同。 红柱石D = 3.1-3.3 g/cm3 T = 1350-1400℃ 蓝晶石D = 3.5-3.7 g/cm3 T = 1300-1350℃ 硅线石D = 3.1-3.2 g/cm3 T = 1500-1550℃
PDF卡片
（3）实验条件 辐射光源 波长 滤波片 相机直径 所用仪器可测 最大面间距 测量相对强度 的方法 数据来源
PDF卡片
（4）晶体学数据 晶系 空间群 晶胞边长 轴率 A=a0/b0 C=c0/b0 轴角 单位晶胞内“分
子”数 数据来源
PDF卡片
（5）光学性质 折射率 光学正负性 光轴角 密度 熔点 颜色 数据来源
第五章 X射线物相分析
• 材料研究经常需要知道材料中包含几种 结晶物质或某种物质以何种结晶状态存 在。
• 材料中的一种物质称为一个相，此类问 题称物相分析。
• 物相：试样中由各种元素形成的具有固 定结构的化合物。（包括单质元素和固 溶体）
• 任务：利用x-ray衍射方法，对材料中的 物相进行定性和定量分析，给出物相的 组成和含量。

1.5物相分析及点阵参数精确测定

1.5物相分析及点阵参数精确测定

应注意的问题
①d的数据比I/I1数据重要；
②低角度线的数据比高角度线的数据重要；
③强线比弱线重要； ④重叠线条的处理； ⑤多相试样内的所有物相并不一定都能测出来； ⑥综合样品的其它信息有助于正确鉴定。
5.2 定量分析
任务：在混合物相定性分析的基础上，根据 各相物质的衍射线强度测定各相的含量。 基本原理：各相衍射线条的强度随该相在混 合物中相对含量的增加而提高。
(5)光学性质 折射率 光学正负性 光轴角 密度 熔点 颜色 数据来源
(6) 样品来源、 制备方法、 升华温度、 分解温度等
(7)物相名称 (8)物相的化学 式与数据可靠 性 可靠性高- 良好-i 一般-空白 较差-O 计算得到-C
(9) 全 部 衍 射 数据 (10)卡片编号
索引
PDF卡片的索引： 字母索引（Alphabetical Index） 数字索引（Hanawalt Index） 芬克索引（Fink Index）
数字索引（Hanawalt Index）
该索引是按强衍射线的d值排列。选择物相八条强线， 用最强三条线d值进行组合排列，同时列出其余五强 线d值，相对强度、化学式和PDF卡号。 每一种物相在索引中至少重复三次。若某物相最强三 线d值分别为d1,d2,d3，余五条为d4,d5,d6,d7,d8，那 么该物相在索引中重复三次出现的排列为： 第一次：d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 第二次：d2 d3 d1 d4 d5 d6 d7 d8 第三次：d3 d1 d2 d4 d5 d6 d7 d8
对于同素异构物质： μl 、ρ相同，Ij 与其质量分数 成正比：Ij ＝Cwj (C与ρ有关） 设纯j相试样某根衍射线的强度为（Ij ）0 则有 Ij / （Ij ）0 = wj 对μl 不同的多相混合物：配置一系列不同含量的混 合样，制作定标曲线（强度与含量的关系曲线）， 用所测试样的强度与曲线中相应强度对比，确定含 量。

第五章 物相分析及点阵参数精确测定

第五章 物相分析及点阵参数精确测定

其中C为新比例系数。如果试样为纯 j 相，则wj = 100% =1， 用(Ij)0表示纯 j 相某衍射线强度，因此可得 Ij Cw j wj (5-4) (I ) C
j 0
13
第二节 定量分析
一、单线条法 式(5-4)表明，混合样品中j 相某衍射线与纯 j 相同一衍射 线强度之比，等于 j 相的质量分数 定量分析时：
9
第一节 定性分析
四、定性分析过程 (二) 可能遇到的问题 一般情况下，允许d 值偏离卡片数据，误差约0.2%， 不能超过1%，尽管如此，有些物相的鉴定仍会遇到很多 困难和问题 在混合样品中， 含量过少的物相不足以产生自身完整的 衍射图，甚至不出现衍射线 由于晶体的择优取向，其衍射花样可能只出现一两条极 强的衍射线，确定物相也相当困难 多相混合物的衍射线可能相互重叠 点阵相同且点阵参数相近的物相，衍射花样极其相似， 若要区分也有一定困难 10
当获得按面间距递减的d系列及对应的I/I1后，物相鉴定按以 下程序进行 8
第一节 定性分析
四、定性分析过程 (一)过程概述 1) 选取强度最大的三条衍射线，并将其d 值按强度递减的 次序排列，其余按强度递减顺序排在其后
2) 在索引中找到对应的d1(最强线的面间距)组
3) 按次强线的d2 找到接近的几行。在同组中各行按d2递减 顺序排列，这一点对寻索非常重要 4) 找到与d1和d2接近的数据，再依次查对第3、第4直至第8 强线，确定最可能的物相及其卡片号 5) 选取卡片，将d及I/I1实验值与卡片上数据仔细对照， 若 二者数据对应很好，即可确定物相
应用时，加入已知量的S相，由复合样测出IA和IS，用已知 K S 值，根据式(5-10)即可求得wA
Ij = Cj fj /l

物相分析及点阵参数精确测定(材料分析方法)

物相分析及点阵参数精确测定(材料分析方法)

第五章物相分析及点阵参数精确测定一、定性分析材料的成分和组织结构是决定其性能的基本因素。

化学分析、光光谱分析、X射线荧光光谱分析、X射线微区域分析（电子探针）等均可测定样品的元素组成，但X 射线物相分析却可鉴别样品中的物相。

物相包括纯元素、化合物和固溶体。

当待测样由单质元素或其混合物组成时，X射线物相分析所指示出是元素，此时元素就是物相；但当元素相互组成化合物或固溶体时，则所给出的是化合物或固溶体而非它们的组成元素。

X射线衍射得到的结果是宏观体积内（约1cm2×10μm）大量原子行为统计的结果，它与材料宏观的物理、化学及力学性能有直接、密切的关系。

（一）原理X射线定性相分析是根据晶体对X射线的衍射特——衍射线的方向及强度来达到鉴定结晶物质的。

X射线衍射分析是以晶体结构为基础的。

每种结晶物质都有其特定的结构参数，包括点阵类型、单胞大小、单胞中原子（离子或分子）的数目及其位置等等，而这些参数在X射线衍射花样中均有所反应。

尽管物质的种类有千千万万，但却没有两种衍射花样完全相同的物质。

因此，当X射线通过晶体时，每一种结晶物质都有自己独特的衍射花样，它们的特征可以用各个反射面的晶面间距d值和反射线的相对强度I/I1来表征，这里的I是同一结晶物质中某一晶面的反射线（衍射线）强度，I1是该结晶物质最强线的强度，一般把I1定为100。

其中面间距d与晶胞的形状和大小有关，相对强度I/I1则与质点的种类及其在晶胞中的位置有关，任何一种结晶物质的衍射数据d和I/I1是其晶体结构的必然反映，即使该物质存在于混合物中，它的衍射数据d和I/I1也不会改变，因而可以根据它们来鉴定结晶物质的物相。

即某种物质的多晶体衍射线条的数目、位置及其强度是该种物质的特征，因而可以成为鉴别物相的标志。

如果将几种物质混合后摄照，则所得结果将是各单独物相衍射线条的简单叠加。

根据这一原理，就有可能从混合物的衍射花样中，将各物相一个一个的寻找出来。

第五章 X射线衍射仪及物相定性分析PPT课件

第五章 X射线衍射仪及物相定性分析PPT课件
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1938年哈那瓦特创立了一套基本的迅 衍射图线条位置由衍射角2θ决定，而2θ角决定于波长及 面间距d值，d值是由物质确定的参数，不随衍射条件的 改变而改变，改由d值来代替2θ值就可避免衍射条件的不 确定性，即
(2)
2θ －－→ d
(2) 每一个d值对应一个强度，而强度随实验条件的变化而变 化，应此用各衍射线的相对强度代替绝对强度
(1) 连续扫描
探测器以一定的速度在选定的角度内进行连续扫描，探测 器以测量的平均强度，绘出谱线，特点是快，缺点是不准确， 一般工作时，作为参考，以确定衍射仪工作的角度。
(2) 步进扫描
探测器以一定的角度间隔逐步移动，强度为积分强度，峰 位较准确。
F. 峰值的确定
现代衍射仪的测量与计算均由计算机来控制,在出现峰值时， 计算机根据一定的规则确定峰位，即2θ角的位置。
第五章
X射线衍射仪及物相定性分 析
1
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2
回顾－－粉末法成像原理
粉末试样是由数目极多的微小晶粒组成。这些晶粒的取向完 全是任意无规则的。各晶粒中指数相同的晶面取向分布于空间 的任意方向。如果采用倒易空间的概念，则这些晶面的倒易矢 量分布于整个倒易空间的各个方向，而它们的倒易结点布满在 以倒易矢量的长度|g*|为半径的倒易球面上。
粉末法成像原理
圆柱试样的衍射几何 3
5.1 引言
1、发展历史：劳埃照相、德拜照相、衍射仪 2、德拜照相的优缺点：
优点：设备简单、要求试样量少 缺点：摄照时间长、准确度不高 3、衍射仪的优缺点： 优点：测量精确、信息量大、速度快、操作简便 缺点：设备昂贵、要求试样量大 特别是近年来，X射线衍射仪向大功率和全自动化的方向迅 速发展，采用计算机控制，结果数字化，衍射分析有特定的程 序，这就更充分显示了X射线衍射仪方法的优越性。目前，绝 大部分衍射工作都可以在X射线衍射仪上进行。

第5章物相分析及点阵参数精确测定-课件(1)

第5章物相分析及点阵参数精确测定-课件(1)

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粉末衍射卡片－PDF卡片组成（3）
② 三强线：两种或两种以上物质的衍射线条中有一些位置相近 或相同，但最强线和次强线通常是不相同的。
卡片序号
将 d 值数列中强度最高的 三根线条（三强线）的面 间距d和相对强度 I 提到卡 片首位。
三强线
最大面间距
三强线：能准确反映物质 特征，受试验条件影响较 小。
三强线栏
③最大面间距：为可能测到的最大面间距。
27
粉末衍射卡片－PDF卡片组成（4）
④ 物相化学式及英文名称： 化学式后数字及大写字母，以表示不同相。 其中：数字－单胞原子数，英文字母－点阵类型。 C—简单立方； B—体心立方； F—面心立方；……。
如（Er6F23）116F：表示该化合物属面心立方点阵，单胞 中有116个原子。
• 物质同素异构体：其他方法不能区分； • 如：Al203各种结构已测定出就有14种以上。
• 可见：材料成分相同，在不同条件下，可由不同 “相” 组成， 呈现出不同性能。
• “相”：由材料中各元素作用形成的，具有同一聚集状态、 同一结构和性质的均匀组成部分。
6
一、物相分析基本原理（2）
• 聚合物材料：还应考虑整个X射线衍射曲线。
• 右上角标号：“★”－数据可靠性高； “i”－经指标化及强 度估计，但不如有“★”号者可靠；“○”号－－可靠程度低； 无符号者为一般；“C”－－衍射数据来自理论计算。
28
粉末衍射卡片－PDF卡片组成（5）
⑤ 试验条件: 其中 Rad.：－辐射种类（CuKα)；λ：为辐射波长（Å ）； Filter：－滤波片名称，如：Ni。Dia.：为相机直径； Cut off：－仪器所能测得的最大面间距；
• PDF-4/金属和合金2002：共有36109个金属或合金物相。其 中20985个有参考强度比 I/I1 。

X射线物相定性定量分析精选文档PPT课件

X射线物相定性定量分析精选文档PPT课件

3.5 X射线物相定性分析
物相分析原理： 将实验测定的衍射花样与已知标准物质的衍射花样比较，
从而判定未知物相。 混合试样物相的 X 射线衍射花样是各个单独物相衍射花样
的简单迭加，根据这一原理，就有可能把混合物物相的各个物 相分析出来。
3.5 X射线物相定性分析
1. 物相标准衍射图谱（花样）的获取： 1) 1938年，J.D.Hanawalt等就开始收集并摄取各种已知物质的衍 射花样，将这些衍射数据进行科学分析整理、分类。 2) 1942年，美国材料试验协会ASTM整理出版了最早的一套晶体物 质衍射数据标准卡，共计1300张，称之为ASTM卡。
Dia 为照相机镜头直径，当相机为非圆筒形时，注明相机名称
Cut off. 为相机所测得的最大面间距；
Coll. 为狭缝或光阑尺寸；
I/I
为测量衍射线相对强度的方法
1 （衍射仪法—Diffractometer，测微光度计法—
Microphotometer，目
测法—Visual）；
dcorr abs？ 所测d值的吸收矫正（No未矫正，Yes矫正）；
3) 1969年，组建了“粉末衍射标准联合委员会”（The Joint Committee on Powder Diffraction Standards，JCPDS），专门负责 收集、校订各种物质的衍射数据，并将这些数据统一分类和编号，编制 成卡片出版。这些卡片，即被称为PDF卡（The Powder Diffraction File），有时也称其为JCPDS卡片。
3.5 X射线物相定性分析
2）结晶物质有自己独特的衍射花样。（d、θ和 I）;
3）多种结晶状物质混合或共生，它们的衍射花样也只是 简单叠加，互不干扰，相互独立。（混合物物相分析）

材料分析方法课件-6 X射线物相鉴定

材料分析方法课件-6 X射线物相鉴定
67, 000张
7
①卡片序号 ②三强③线最大面④间矿距物学通用名称或有机结构式
⑤试验条件 ⑥晶体学数据 ⑦物相的物理性质 ⑧试样来源、制备方式及化学分析数据
⑨晶面间距、相对强度及晶面指数
8
9
10
索引（Index）
A．哈氏（Hanawalt）索引：是一种按d值编排的数字索 引， 是鉴定未知中相时主要使用的索引。 B．芬克（Fink）索引：也是一种按d值编排的数字索引。它 主要是为强度失真的衍射花样和具有择优取向的衍射花样设 计的，在鉴定未知的混合物相时，它比使用哈那瓦尔特索引 来得方便。 C．戴维（Davey－KWIC）索引：是以物质的单质或化合物 的英文名称，按英文字母顺序排列而成的索引。 D．矿物名称索引：按矿物英文名称的字母顺序排列。
（4）应重视特征线。有些结构相似的物相，例如某些粘土矿物，以及许多多型晶 体，它们的粉晶衍射数据相互间往往大同小异，只有当某几根线同时存在时， 才能肯定它是某个物相。这些线就是所谓的特征线。对于这些物相的鉴定，必 须充分重视特征线。
（5）应尽可能地先利用其他分析、鉴定手段，初步确定出样品可能是什么物相， 将它局限于一定的范围内。从而即可直接查名称索引，找出有关的可能物相的 卡片进行对比鉴定，而不一定要查数据索引。这样可以减少了盲目性。同时， 在最后作出鉴定时，还必须考虑到样品的其他特征，如形态、物理性质以及有 关化学成分的分析数据等等，以便作出正确的判断。
衍射强度理论指出：各相衍射线条的强度随着该相在混合 物中相对含量的增加而增强。
衍射强度的基本关系式（衍射仪法）：
IIIIΒιβλιοθήκη 0332233RRmmeec2c222
2
2
V1
2Vc2l
V PV| cF2
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索引条目说明
2.5º - 2.44( .01)
组的面间距范围及误差
QM Stronger Reflections
PSC chemical Formula Mineral Name; Common Name PDF# I/Ic
……
★ 247X25582776204415746.1133.1521.892 oI12 Ca2CuO3
独列，以供查找方便，三强线对不同物质通常 不同。 3 最大面间距，及其所对应的相对强度。
图 PDF卡片的结构
4 物相的化学式及英文名称。
化学式之后数字——单胞中的原子数； 化学式之后字母（大写）——表示布拉菲点阵 类型； 比如常见的F——面心立方，B——体心立方， C——简单立方； 右上角标号——★表示数据可靠性高；
“i”表示经指标化及强度估计， 质量较好，但不如★可靠； “O”表示质量较差； 无符号为空缺； “C”表示衍射花样数据来自于 计 算；
5 表示试验条件，如Rad为辐射种类（如Cu靶 Kα辐射）。
λ：波长；Filter：滤波片；Dia:相机直径等。 6 晶体学数据：sys—晶系；S.G.—空间群符号
————————————————
质
8
布化
量
强
喇学
标 记
线 的 面
菲式 点 阵
间
距
34-282 1.8
卡参 片比 号强
度
芬克（Fink）索引 当被测物质含有多种物相时（往往都为多种物相），由于各
物相的衍射线会产生重叠，强度数据不可靠，而且，由于试样对 X射线的吸收及晶粒的择优取向，导致衍射线强度改变，从而采 用字母索引和哈那瓦尔特索引检索卡片会比较困难，为克服这些 困难，芬克索引以八根最强线的d值为分析依据，将强度作为次 要依据进行排列。每种物相在芬克索引中至少出现四次。
注意:各档中的“Ref”为该栏的数据来源。
四. PDF卡片的索引
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
要完成定性分析,必须进行索引.
索引
字母索引:戴维无机字母索引 数字索引:哈氏无机、芬克无机数值索引
一）. 字母索引(戴维无机字母索引)
1. 用于已知样品中含有一种或几种元素（比如已知
含有Cu元素）。
2. 每种物质占一行，依次为物质的英文名称、化学
PDF卡片中给出d值和其所对应的
I/I1（I1为最强峰），而通过衍射仪衍 射出的花样，计算机已处理，将2θ对
应的d值和I/I1算出和PDF卡片对照， 即可标定物相。
粉末衍射卡片的组成
由于物相鉴定要查找核对PDF卡片，因此将 PDF卡片加以介绍。 1 卡片序号：其形式为×（组号）-××××
（组内序号），根据序号来查。 2 三强线：将最强的三条线的d值和相对强度单
注意：对多相物质，光在多相物质中衍射时，
各相衍射线互不干扰只是机械地叠加，因此多相物 质的分析是将衍射线加以区分标定。
§5.1 定性分析
一.定性分析的原理 1. 结晶物质之所以表现出种类的差别，是由于不
同物质具有自己特点的原子种类、原子排列方式和 点阵参数，因此呈现出各自不同的特点的衍射花样。 故某种物质的多晶体衍射线条的数目、位置以及强 度，是该物质的特征，因而可以成为鉴别物相的标 志。 2. 多相物质的衍射花样互不干扰，因而相互独立， 只是机械地叠加。因此可从混合物的衍射花样，鉴 别出不同的物相。
设某物相八个衍射线d值依次为： d1，d2，d3，d4，d5，d6，d7，d8 ，而且d2， d4，d6，d8为八根强线中强度大于其它四根，那么芬克索引中d值的排列为：
第一次： d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 d1； 第二次： d4 d5 d6 d7 d8 d1 d2 d3 ； 第三次： d6 d7 d8 d1 d2 d3 d4 d5 ； 第四次： d8 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7；
二). 数字索引（Hanawalt 索引）
1. 当不知所测物质为何物时，用数字索引比较方便。 2. 构成：8条最强线的晶面间距及对应强度、化学式、 卡片序号、显微检索序号。 3. 说明：每条线的相对强度均以下标的方式标在相应的 晶面间距下面，这样在检索的时候，只需根据衍射图上的 最强衍射峰顺序来查。 比如：标x—表示100%，即最强峰；
7—表示70%等，前面标的是可靠性符号。
哈氏索引中索引卡片的排列是按第一个d值 递减的顺序排列的： 1. 将最强线的面间距d1处于某一范围内的归为 一组（例如0.269～0.265nm); 2.组的顺序按面间距范围从大到小排列，范围 及其误差在每页顶部标出；
3.组内按次强线的面间距d2减小的顺序排列。 例如：
式、三强线的晶面间距及相对强度（下标）、卡片
序号、显微检索序号。
3. 比如：Copper Molybdenum CuMoO4 3.72x
4.
3.368 2.717 22-242 1-147-B12
比如已知样品中含有Cu，就可查以Cu打头的索引。
因为戴维无机字母索引的特点是以元素分类，
比如含有Cu元素的索引在一起。
引言
物相分析有两种——物相的定性分析和定量分析。
➢ 什么是物相？
物相不是元素，比如有两种物质，都含有两种 相同的元素O、Fe（Fe2O3、Fe3O4），但它们的 物相不同；再比如铁素体、奥氏体都由Fe元素构成， 但它们也是不同的物相。 因此物相是元素的结合态和相的状态。 物相分析就是要得到元素的结合态和相的状态。
a。、b。、c。——为晶胞的点阵常数； A=a。/b。、C=c。/b。为轴比； α、β、γ为晶胞轴间夹角； Z为单位晶胞中相当于化学式的分子数目（对 于元素是指单胞中的原子数，对于化合物是指 单胞中的分子数目）。
7 物相的物理性质，其中εα、nωβ、εγ
为折射率； Sign为光学性质的正负；2V光轴间夹角；D 为密度；mp熔点；Color颜色。 8 试样来源、制备方法及化学分析数据，德拜 相机的摄照温度。 9 d值序列，按衍射的先后顺序排列的晶面间 距d值序列及对应的相对强度I/I1及干涉指 数。
➢ X射线衍射为什么能进行物相分析？
每种晶体都有自己特定的晶体结构参数，如点 阵类型、晶胞大小、原子数目及与原子在晶胞中的 位置等，晶体的这些信息会在X-ray衍射时反映在 衍射花样中（会使衍射位置θ角，衍射强度I不 同），根据衍射线条的位置（经过一定的处理）就 可知道物相是什么——定性分析；根据衍射线条的 位置、强度就可知道物相有多少——定量分析。