X射线衍射实验报告
中 南 大 学 X 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 18 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、
实验目得
1) 掌握 X 射线衍射仪得工作原理、操作方法; 2) 掌握 X 射线衍射实验得样品制备方法; 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 得基本操作方法; 5) 学会物相定性分析得原理与利用 Jade 进行物相鉴定得方法; 6) 学会物相定量分析得原理与利用 Jade 进行物相定量得方法。
本实验由衍射仪操作、物相定性分析、物相定量分析三个独立得实验组成,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,只有在特殊得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 射线与探测器放在环形导轨上得方法,把每个方向得结果都探测一遍,最终收集到能发生衍射得衍射峰。根据结果,推算晶面,判断晶体构型,判断元素种类。
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 6 3) 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,输入实验条件与样品名,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 1080 8°/min
40KV 250mA 7) 按相同得实验条件测量其它样品得衍射数据。
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,选中样品中得元素名称,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得物相。在所选定得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,对剩余未鉴定得衍射峰涂峰,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) 以同样得方法标定其它样品得物相,物相鉴定实验完成。
3 物相定量分析
1) 在 Jade 窗口中,打开一个多相样品得衍射谱; 2) 完成多相样品得物相鉴定,物相鉴定时,选择有 RIR 值得 PDF 卡片; 3) 选择每个物相得主要未重叠得衍射峰进行拟合,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得重量百分数; 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:
,
五
实验数据处理
1 物相鉴定结果
2 定量分析结果 (1)WC USER: user JADE: Quantitative Analysis from Pro Peaks DATE: Thursday, Jan 01, 2004 01:16a FILE: [005 WC、raw]
SCAN: 25、0/125、0/0、02/1(sec), Cu(40kV,250mA), I(max)=40668, 102810 13:19
PROC: [New Quantitative Analysis] Phase 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 carbide
$epsilon
W2C
10、80
17、162
166、70
2861、0
18、0 (0、9)
18、0 (0、9)
16、7 (1、1)
1
0、0
72427(1893)
6967(142) 2Theta
FWHM
Height
Height%
Area(a1)
Area%
I(r)
I(p)
I%I(r)
( h k l)
35、616 (0、004)
0、213 (0、012)
30158 (1046)
100、0
479781 (21469)
100、0
100、0
100、0
0、0
( 1 0 0) 2Theta
FWHM
Height
Height%
Area(a1)
Area%
I(r)
I(p)
I%I(r)
( h k l)
39、547 (0、002)
0、148 (0、005)
6967 (142)
100、0
72427 (1894)
100、0
100、0
100、0
0、0
(11 1) (2)LiCoOSi USER: user JADE: Quantitative Analysis from Pro Peaks DATE: Thursday, Jan 01, 2004 01:04a FILE: [LiCoOSi (39)、raw]
SCAN: 10、0/80、0/0、02/1(sec), Cu(40kV,250mA), I(max)=8718, 082713 13:27 PROC: [New Quantitative Analysis] Phase ID (2)
Chemical Formula
RIR
Dx
MAC
LAC
Wt%
Wt(n)%
Vol(n)%
#L
I%I(r)
{Area}
{Height}
Lithium cobalt(III) oxide
LiCoO2
4、38
5、049
192、28
970、8
48、3 (4、1)
48、3 (4、1)
30、1 (3、2)
1
0、0
44727(2619)
5010(263) Silicon
Si
4、55
2、329
60、60
141、1
51、7 (4、4)
51、7 (4、4)
69、9 (7、5)
1
0、0
49763(3069)
6558(343) 2Theta
FWHM
Height
Height%
Area(a1)
Area%
I(r)
I(p)
I%I(r)
( h k l)
18、897 (0、005)
0、144 (0、007)
5010 (263)
100、0
44727 (2620)
100、0
100、0
100、0
0、0
( 0 0 3) 2Theta
FWHM
Height
Height%
Area(a1)
Area%
I(r)
I(p)
I%I(r)
( h k l)
28、409 (0、005)
0、131 (0、006)
6558 (343)
100、0
49763 (3070)
100、0
100、0
100、0
0、0
( 1 1 1) 3 点阵常数精确测定结果
Tungsten Carbide=82.0%W2C=18.0%Wt%Tungsten Carbide - WC <Wt%=82.0 (4.2)>W2C <Wt%=18.0 (0.9)>Quantitative Analysis from Profile-Fitted Peaks LiCoO2=48.3%Silicon=51.7%Wt%LiCoO2 <Wt%=48.3 (4.1)>Silicon - Si <Wt%=51.7 (4.4)>Quantitative Analysis from Profile-Fitted Peaks 具体 F PDF 卡片结果: :
1 1 、 WC
PDF#790743: QM=Calculated(C); d=Calculated; I=Calculated Tungsten Carbide W2 C
Radiation=CuKa1 Lambda=1、54060 Filter= Calibration= 2T=18、76989、599 I/Ic(RIR)=10、80 Ref: Calculated from ICSD using POWD12++ (1997) Hexagonal
Powder Diffraction,
P31m (162) Z=3 mp= CELL: 5、19 x 5、19 x 4、724 <90、0 x 90、0 x 120、0> P、S=hP9 ($GE) (C5 W12) Density(c)=17、162 Density(m)=17、27A Mwt=379、71 Vol=110、20 F(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、18/1 FIZ=065700: ITF TEM Mentioned、 Neutron powder diffraction studies of transition metal hemicarbides M2 C1x
II、 In situ high temperature study on W2 C1x and Mo2 C1x k d c b a (P31M) NO2 2Theta
d(?)
I(f)
( h k l)
Theta
1/(2d)
2pi/d
n^2
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、1535
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
(11 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
(11 2)
26、166
0、2862
3、5971
56、472
1、6281
0、1
( 2 0 2)
28、236
0、3071
3、8591
57、612
1、5986
0、1
(21 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
(11 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、2652
15、2
( 3 0 2)
37、505
0、3952
4、9663
75、999
1、2512
11、5
(22 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
83、670
1、1549
0、1
(21 3)
41、835
0、4330
5、4406
85、272
1、1372
2、8
(22 2)
42、636
0、4397
5、5250
88、643
1、1025
0、1
(31 2)
44、322
0、4535
5、6992
89、599
1、0932
0、1
( 4 0 1)
44、800
0、4574
5、7477
PDF#892727: QM=Calculated(C); d=Calculated; I=Calculated Tungsten Carbide W C
Radiation=CuKa1 Lambda=1、54060 Filter= Calibration= 2T=31、50984、081 I/Ic(RIR)=15、71 Ref: Calculated from ICSD using POWD12++ Hexagonal
Powder Diffraction,
P6m2 (187) Z=1 mp= CELL: 2、906 x 2、906 x 2、837 <90、0 x 90、0 x 120、0> P、S=hP2 (?) Density(c)=15、672 Density(m)=15、13A Mwt=195、86 Vol=20、75 F(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、00/1 FIZ=043380: PDF 000251047、
M Described also as mineral from Mengyin, Shadong and Da Sichuan, China、 At least one TF implausible、 ITF See PDF 010720097、 Neutronen und Roentgenbeugungsuntersuchungen ueber die Struktur des Wolframcarbides W C und Vergleich mit aelteren Elektronenbeugungsdaten d a (P6M2) NO 2Theta
d(?)
I(f)
( h k l)
Theta
1/(2d)
2pi/d
n^2
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、2932
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 2 、
LiCoOSi
PDF#750532: QM=Calculated(C); d=Calculated; I=Calculated Lithium Cobalt Oxide Li Co O2
Radiation=CuKa1 Lambda=1、54060 Filter= Calibration= 2T=18、93087、020 I/Ic(RIR)=4、38 Ref: Calculated from ICSD using POWD12++ (1997) Rhombohedral
(Unknown),
R3m (166) Z=3 mp= CELL: 2、8166 x 2、8166 x 14、052 <90、0 x 90、0 x 120、0> P、S=hR4 (?) Density(c)=5、049 Density(m)=4、71A Mwt=97、87 Vol=96、54 F(19)=999、9(、0000,19/0) Ref: Johnston, W、D、, Heikes, 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、15/1 FIZ=029225: At least one TF missing、 The Preparation, Crystallography, and Magnetic Properties of the Lix Co1x O System h b a (R3MH) ABX2 2Theta
d(?)
I(f)
( h k l)
Theta
1/(2d)
2pi/d
n^2
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
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、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、020
1、1188
0、8
( 2 0 5)
43、510
0、4469
5、6160
PDF#892955: QM=Calculated(C); d=Calculated; I=Calculated Silicon Si
Radiation=CuKa1 Lambda=1、54060 Filter= Calibration= 2T=28、44588、041 I/Ic(RIR)=4、55 Ref: Calculated from ICSD using POWD12++ Cubic
(Unknown),
Fd3m (227) Z=8 mp= CELL: 5、43029 x 5、43029 x 5、43029 <90、0 x 90、0 x 90、0> P、S=cF8 (?) Density(c)=2、330 Density(m)=2、329 Mwt=28、09 Vol=160、13 F(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、00/1 FIZ=043610: M Measured at unetched crystal fragments、 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 000271402、 No R value given、 At least one TF missing、 See PDF 010750589、 Perfection of the lattice of dislocationfree silicon, studies by the latticeconstant and density method a (FD3MS) N 2Theta
d(?)
I(f)
( h k l)
Theta
1/(2d)
2pi/d
n^2
28、445
3、1352
100、0
( 1 1 1)
14、223
0、1595
2、0041
3
47、307
1、9199
55、4
( 2 2 0)
23、654
0、2604
3、2727
8
56、128
1、6373
30、0
( 3 1 1)
28、064
0、3054
3、8376
11
58、862
1、5676
0、1
( 2 2 2)
29、431
0、3190
4、0082
12
69、138
1、3576
6、9
( 4 0 0)
34、569
0、3683
4、6283
16
76、385
1、2458
9、5
( 3 3 1)
38、193
0、4014
5、0435
19
88、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
本次实验采用得仪器为 X 射线衍射仪,它就是按照晶体对 X 射线衍射得几何原理设计制造得。
布拉格方程就是 X 射线衍射仪最基本得理论基础,也就是进行 X 射线检测最根本与重要得理论依据之一。由知,确定了一组相互对应得θ与λ便可求出一组干涉面得面间距 d,当干涉指数互质时,干涉面就代表一族真实得晶面。因为存在系统消光,并非所有满足布拉格方程得干涉面都有对应得衍射条纹。
为保证能得到足够得衍射谱线以分析,X 射线衍射仪使用得就是粉末样品,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(θ2θ连动),设计 2:1 得角速度比,目得就是确保探测得衍射线与入射线始终保持 2θ得关系,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;辐射探测器接收到得衍射就是那些与试样表面平行得晶面产生得衍射;同样得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与试样产生得衍射线到探测器得光路上还安装有多个光阑以限制X 射线得发散;当探测器由低θ角到高θ角转动得过程中将逐一探测与记录各条衍射线得位置(2θ角度)与强度。探测器得扫描范围可以从 20º到+165º,这样角度可保证接收到所有衍射线。
在粉末样品得制备过程中,也可能因为球磨时间、压力大小等等使得所制备得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,将得不到原始样品得检测结果,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,球磨达不到这样得效果。
导致样品谱线与标准谱线间得偏差得主要原因就是织构得存在。洛伦兹因子得 cosθ部分决定了试样内部得晶粒必须就是随机取向得,这时衍射线积分强度公式 才有效。
(德拜谢乐法)
(衍射仪法)
实际上,线材板材甚至天然矿物都有一定程度得晶体定向排布。材料在加工过程中受到外界得力、热、电、磁等各种不同条件得影响,或在形成后受到不同得加工工艺得影响,会形成择优取向,即织构。
精确测定点阵常数得实验中,实验室采用得就是用标准物质进行校正得方法处理系统误差。选用得标准物质为 Si。进行校正时,运行 Jade5、0 软件,以 Si得标准样品来制作一条随衍射角变化得角度补正曲线。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得系统误差。补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得结果。在不高于标准样品精确级数得情况下,为获得精确度相对更高更平滑漂亮得曲线,在 continue连续扫描选项中减少单位时间扫过得度数即可。
二、实验结果讨论
从实验结果来瞧,本次试验就是成功得。测试得样品中主要成分确实就是实验预期成分,WC 样品中含有 WC 约 82%,同时含有 18%得 W2C;在 LiCoOSi 样品中,含有 LiCoO2 约 48%,含有 Si 约 52%。样品并不就是纯净得,其中掺杂有同种元素但就是不同价态得化合物,但就是其比值相对正常。此外在衍射峰图像中还可以
瞧到其她小型得衍射峰,代表得就是其她种类得化合物,不过因为含量太低没有进行标定检测,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 射线得作用原理,并且真实使用了 X 射线仪器,还使用计算机技术分析样品。理论后得实践操作让我加深了对 X 射线衍射得作用机理,对于我以后得研究学习与工作有很大帮助。