宁乡什么是XRD ？XRD的应用领域有哪些

一、什么是XRD ？

XRD（X-ray Diffraction），中文全称为X射线衍射，是指入射的X射线被晶体中的原子散射，由于晶体结构的周期性，这些散射光是相干的，相干散射光互相叠加干涉，在特定的方向出现加强的现象。布拉格使用晶面反射的模型形象的解释了三维晶体对X射线的衍射现象。XRD通过测量材料内原子平面对X射线的衍射来研究和量化材料结晶性质。这种技术对材料中的原子类型、原子相对位置以及晶体有序结构的长度范围非常敏感。

二、XRD能做什么？

要对一种材料进行准确的描述，通常需要两个方面的信息：材料中含有哪些元素 以及 这些元素是如何排列的。

第一个问题通常由化学分析技术来回答，并给出材料中元素的比例。这就是化学式，通常称为化学计量学。

第二个问题就交给了XRD，如，碳酸钙材料的化学式为 CaCO3，但在自然界中会有两种不同的原子排列方式。一种是正交晶系（orthorhombic），一种是三方晶系（trigonal），前者是文石，后者是方解石。而区分这两种晶体结构的的方法就是XRD。由此我们得出结论：

XRD（X射线衍射）可以用来区分不同的晶体结构。

X射线衍射技术对从亚埃级到几纳米级的长度范围非常敏感，特别适合研究具有数十纳米级到微米范围内有序排列的材料。XRD可以测量材料中存在哪些晶相，并给出各物相的含量，结合适当的分析方法，还可以给出非晶相的含量。

除了上述这些，XRD可以测定晶面之间的间距，给出晶胞参数以及晶粒尺寸，可以研究材料的结构和单晶材料的外延层。

三、XRD原理

X射线衍射基于布拉格定律（Bragg's Law），其基本原理是当X射线照射到晶体时，会在晶面上发生衍射。布拉格定律公式如下：nλ=2dsinθ，其中，n是衍射的级数，λ是X射线波长，d是晶面的间距，θ是入射角。通过测量衍射角度θ和衍射强度，可以反推出晶体内部的原子排列和晶格参数。

四、XRD的应用领域

（一）作为常规的材料表征手段，XRD是为数不多的可以给出材料中原子排列方式的技术之一，因此在各行各业都有广泛的应用。

1、材料科学与工程：分析材料的晶体结构、相组成、结晶度、晶粒尺寸和微观应力。研究金属、陶瓷、半导体、聚合物和复合材料的物理性质和相变过程。

2、化学和化学工程：研究催化剂的结构和活性相变化。分析化合物的纯度和结晶度，监控化学反应中的相变。

3、地质学和矿物学：鉴定和定量分析矿物成分。研究岩石和矿物的晶体结构、变质作用和地质历史

4、制药学：鉴定药物的多晶型，研究药物的结晶度和晶型稳定性。分析药物的纯度和杂质，研究药物与辅料的相互作用。

5、环境科学：分析土壤和沉积物中的矿物成分。研究污染物的形态和分布，如重金属污染物在土壤中的形态分析。

6、纳米科技：研究纳米材料的晶体结构、粒径和形态。分析纳米材料的物理和化学特性。

7、物理学：研究材料的电子结构、磁性和超导性。分析物质的结构相变和物理特性。

8、考古学和艺术品分析：鉴定古代陶器、金属器物和绘画颜料的材料组成和来源。研究历史文物的制作工艺和保存状况。

9、食品科学：分析食品中的晶体成分，如脂肪结晶和乳糖结晶。研究食品加工过程中晶体结构的变化。

10、电子和光电材料：研究半导体材料的晶体结构、缺陷和掺杂。分析光电材料的晶体相和结构性能关系。

这些领域的研究和应用依赖于XRD技术提供的详细结构信息，有助于理解材料和化学物质的基本性质及其在不同条件下的行为。

（二）X 射线衍射技术主要应用：样品的物相定性或定量分析，晶体结构分析，材料的织构分析，宏观应力或微观应力的测定，晶粒大小测定，结晶度测定等。

1、物相分析

根据晶体对X射线的衍射特征－衍射线的位置、强度及数量来鉴定结晶物质之物相的方法，就是X射线物相分析法。一张衍射图谱上衍射线的位置(方向)仅和原子排列周期性有关；衍射线的强度则取决于原子种类、含量、相对位置等性质；衍射线的位置和强度就完整地反映了晶体结构的二个特征，从而成为辨别物相的依据。

1.1、定性分析方法

(1)图谱直接对比法：直接比较待测样品和已知物相的谱图，该法可直观简单的对物相进行鉴定，但相互比较的谱图应在相同的实验条件下获取，该法比较适合于常见相及可推测相的分析。

(2)数据对比法：将实测数据(2θ、d、I/I1)与标准衍射数据比较，可对物相进行鉴定。

(3)计算机自动检索鉴定法：建立标准物相衍射数据的数据库(PDF卡片)，将样品的实测数据输入计算机，由计算机按相应的程序进行检索，但这种方法还在不断地完善。

1.2、定量分析方法

每种物相的衍射线强度随其相含量的增加而提高，由强度值的计算可确定物相的含量。定量分析可用来确定混合物中某一化合物的含量。

对于多相样品，当通过定性相分析确定了样品中所存在的物相后，就需要更深入的了解各相的相对百分含量。目前定量方法有：外标法、内标法、标准加入法、RIR值法，其中RIR值法最为简单方便。

RIR法定量是利用各种纯物质与α三氧化二铝按照重量比1:1混合，测试二者强度的比值K，制作成一个数据库，在日常多组分混合物定量分析时，将K值引入利用计算机拟合计算各物相组分含量。

需要说明的是此定量结果为半定量，当然在具体样品分析时，可以将ICP-OES、碳硫氧氮等元素分析方法结合起来，提高定量准确性。若样品又含有有机物，也可将FTIR、TGA、GC-MS结合起来进行定量分析。

测试样品：未知化合物成分分析、某化合物中不同物相定量分析（如二氧化钛中的锐钛矿物相和金红石物相含量）、辅助失效分析、辅助矿物分析、辅助高分子材料定量分析。

2、精密测定点阵参数

点阵常数是晶体物质的基本结构参数。点阵常数的测定是通过X射线衍射线的位置（θ）的测定而获得的。

确定点阵参数的主要方法是多晶X射线衍射法。

X射线衍射法测定点阵参数是利用精确测得的晶体衍射线峰位2θ角数据，然后根据布拉格定律和点阵参数与晶面间距d值之间的关系式计算点阵参数的值。

点阵参数精确测定的应用：可用于研究物质的热膨胀系数、固溶体类型及含量、固相溶解度曲线、宏观应力、化学热处理层的分析、过饱和固溶体分解过程等。

3、宏观应力的测定

宏观应力的存在使部件内部的晶面间距发生改变,所以可以借助X射线衍射方法来测定材料部件中的应力。

按照布拉格定律可知：在一定波长辐射发生衍射的条件下，晶面间距的变化导致衍射角的变化，测定衍射角的变化即可算出宏观应变，因而可进一步计算得到应力大小。

X射线衍射法来测定试样中宏观应力的优点:

(1)可以测量试样上小面积和极薄层内的宏观应力,如果与剥层方法相结合,还可测量宏观应力在不同深度上的梯度变化;

(2)不用破坏试样即可测量;

(3)测量结果可靠性高；

4、晶粒尺寸大小的测定

材料中晶粒尺寸小于10nm时，将导致多晶衍射实验的衍射峰显著增宽。故根据衍射峰的增宽可以测定其晶粒尺寸。

在不考虑晶体点阵畸变的影响条件下，无应力微晶尺寸可以由谢乐(Scherrer)公式计算 ：

D：晶粒尺寸（nm）

q ：衍射角

b ：衍射峰的半高宽，在计算的过程中，需转化为弧度（rad）

l ：单色入射X射线波长

K ：为Scherrer常数

当B为峰的半高宽时 k=0.89

当B为峰的积分宽度时 k=0.94

衍射峰宽

5、取向分析

测定单晶取向和多晶的结构（择优取向）。测定硅钢片的取向就是一例。另外，为研究金属的范性形变过程，如孪生、滑移、滑移面的转动等，也与取向的测定有关。

择优取向度F参数的计算：

以计算一般的晶面如(hk1)的F因子为例，需计算出与该晶面方向平行的所有晶面的强度之和。

式中，

I和I*分别表示无规则和有织构时样品任一晶面（hkl）衍射强度值。

6、结晶性高聚物中晶体部分所占的百分比叫做结晶度。是一种重要的工艺指标。低分子晶体，由于完全结晶，没有结晶度问题。高分子晶体，由于长的链状结构不易完全整规排列，往往导致非完全结晶。

两态分明体系的衍射图由两部分简单叠加而成。一部分是晶态产生的衍射峰，另一部分非晶态产生的弥散隆峰。理论上推导得出如下质量的结晶度公式：

式中: Xc——质量结晶度；

Ic——晶体部分的衍射强度；

Ia——非晶体部分的衍射强度；

k ——单位质量非结晶态与单位质量晶态的相对衍射线系数，称总校正因子，理论上 k ≈ 1。

通过软件计算的结晶度为相对结晶度，主要是针对晶态和非晶态差别明显的衍射图进行分析。常见四种结晶状态的XRD图谱：

（a）结晶完整的晶体，晶粒较大，内部原子的排列比较规则，衍射谱线强、尖锐且对称；（b）非晶样品没有衍射峰；

（b）结晶不完整的晶体，由于晶粒过于细小，晶体中有缺陷而使衍射峰形宽阔而弥散；

（d）结晶度越差，衍射能力越弱，峰形越宽。

7、XRD其他方面的应用

*对晶体结构不完整性的研究

包括对层错、位错、原子静态或动态地偏离平衡位置，短程有序，原子偏聚等方面的研究。

*结构分析

对新发现的合金相进行测定，确定点阵类型、点阵参数、对称性、原子位置等晶体学数据。

*液态金属和非晶态金属

研究非晶态、液态金属结构，如测定近程序参量、配位数等。

*合金相变

包括脱溶、有序无序转变、母相新相的晶体学关系等。

*特殊状态下的分析

在高温、低温和瞬时的动态分析。

*此外，小角度散射用于研究电子浓度不均匀区的形状和大小；X射线形貌术用于研究近完整晶体中的缺陷如位错线等.