聚合物表征与测试4.XRD2015
材料表征分析技术-4-XRD-2014
物相定量分析
• 衍射强度
X-Ray Diffraction studies run in series. Pasp: polyaspartic acid (聚天冬氨酸)
衍射峰的强度？
• 在入射X光的作用下，原子中的电子构成 多个X辐射源，以球面波向空间发射形成 干涉光；
– 强度与原子类型、晶胞内原子位置有关；
X射线衍射定量分析
• 因此根据衍射强度，从理论上将无法精确确定混 合物中的精确含量；
• 不仅要求鉴别物相的种类，而且要求测定各物相 的相对含量，进行定量分析；
• 各相的衍射线的强度，随该相含量的增加而提高
– 各物相对X射线的吸收不同，使得“强度”并不正比 于“含量”，而须修正。
朗伯－比尔定律
• 当用一适当的波长的单色光照射吸收物 质的溶液时，其吸光度与溶液浓度和透 光液层厚度的乘积成正比
物质微区不均匀性，例如存在纳米级别的异 类颗粒或孔隙，则会在 2θ<5o 范围内出现相 应的漫散射谱线即小角散射现象。
I
2θ
衍射强度
衍射积分强度：X射线受晶体中众多电子散 射后的干涉与叠加结果。原子在晶胞中位置 及原子种类则决定了衍射强度。
面积不变பைடு நூலகம்
衍射强度
有两种类型的散射
相干散射：波长与入射线波长相同即能量未变化，也 称汤姆逊散射
– A相的质量分数
• WA=IA/(IA)0
– 如混：合某样样 品品 中由 的质αA量l2O分3和数γ，Al2O3组成，欲测定αAl2O3在
• 先用衍射仪测量纯αAl2O3某衍射峰的强度（一般用最强线， 但不应有其他衍射峰的重叠）， 为（IA）0。
• 再IA，在同样实验条件下测定混合样中αAl2O3同一根线的强度
高聚物的测试与表征
1.在涉及高聚物力学行为的场合下，必须同时考虑应变、应力、温度、时间四个参数。
2.测定链结构的方法：X射线衍射法（大角），电子衍射法，紫外吸收光谱，红外吸收光谱，拉曼光谱，核磁共振法，荧光光谱，旋光分光法，电子能谱。
3.测定聚集态结构的方法：X射线小角散射，电子衍射法，电子显微镜（TEM、SEM），原子力显微镜。
4.测定结晶度的方法：X射线衍射法，电子衍射法，核磁共振吸收（宽线），红外吸收光谱，密度法，热分析法。
5.高聚物本身从某种模式分子运动状态改变到另一种平衡模式分子运动的状态，这就是转变，或称松弛。
6.测定体积的变化：膨胀计法，折射系数测定法测定热学性质的方法：差热分析法（DTA），差示扫描量热法（DSC）测定力学性质的变化的方法：热机械法，应力松弛法测定电磁效应：介电松弛，核磁共振第一章波谱分析1.中红外区，波长：2um~25um；运动形式：分子基频振动；光谱法：红外光谱第二章红外光谱IR（分子振动-转动光谱）1.红外光区在电磁总谱中指波长在750nm~1000um的区域。
分成近红外区，中红外区，远红外区。
2.复杂分子的简正振动分为两类：伸缩振动和弯曲振动伸缩：指原子沿着键轴方向伸缩使键长发生变化的振动方式。
特点：键长变化，键角基本不变弯曲振动：变形振动。
特点：键长不变化，键角发生变化（周期性）3.红外光谱两种表示方法。
（横坐标相同，纵坐标不同）a．记录原始光强在通过样品后透过光的强度变化百分比（透过率T）b．记录样品吸收的红外光强度（吸光度A）T=I/I0³100% A=lg1/T=lgI0/I I0：入射光强度 I：透过光强度4.通常把能代表某种基团存在并有较高强度的吸收峰称为基团的特征吸收峰，此峰所在的频率称为基团的特征吸收频率。
P11表2-1！5.聚合物的红外光谱图能反应：①聚合物结构单元的化学组成，单体之间的连接方式；②特殊结构如支化，交联及序列分布6.制样方法：溶液流延薄膜法，热压薄膜法（用于聚烯烃），溴化钾压片法（粉末状），切片法，可拆卸液体池法（低聚物，有机物）7.影响吸收谱带位移的内部因素a．诱导效应（I效应）与电负性有关b．共轭效应（C效应）吸收频率低c．氢键效应伸缩振动：作用越强，吸收频率下降，谱带变宽；弯曲振动：氢键形成，吸收频率升高，谱带变窄d．偶合效应分子内两个基团位置很近，振动频率很近，发生振动偶合8.影响谱图质量因素：仪器参数的影响，环境因素。
化合物结构表征课件第二章XRD定量相分析
布拉格方程
衍射波的角度与晶面间距 、X射线波长和晶面取向有 关，可以用布拉格方程表
示。
晶体结构与XRD
晶体结构的周期性导致X射 线衍射现象的出现，不同 的晶体结构具有独特的衍
射图谱。
XRD定量相分析的方法
相对强度法
通过测量各衍射峰的强度，利用已知 纯物质的标准谱图进行对比，计算各 相的相对含量。
绝对强度法
晶体结构的解析
晶体结构类型
根据衍射数据确定晶体所属的晶系和 空间群。
晶胞参数
通过晶格常数计算晶胞参数，如晶格 类型、晶格常数等。
定量相分析的计算方法
峰面积法
通过测量各物相衍射峰的 面积或高度，计算各物相 的相对含量。
线性组合法
通过测量各物相衍射峰的 角度位置，利用线性组合 计算各物相的相对含量。
案例三：矿物材料的XRD定量相分析
总结词
通过XRD技术对矿物材料的晶体结构和相组成进行定量分析，有助于了解矿物的形成过程和演化历史 。
详细描述
矿物材料是由地质作用形成的天然矿石和矿物集合体，其晶体结构和相组成反映了地球的形成和演化 历史。XRD技术可以对矿物材料的晶体结构和相组成进行定性和定量分析，从而了解矿物的形成过程 和演化历史，为地质学和地球科学的研究提供重要依据。
案例二：陶瓷材料的XRD定量相分析
总结词
利用XRD技术对陶瓷材料的晶体结构和相组成进行定量分析，有助于优化陶瓷 材料的制备工艺和提高其性能。
详细描述
陶瓷材料广泛应用于电子、能源、环保等领域，其性能与晶体结构和相组成密 切相关。XRD技术可以对陶瓷材料的晶体结构和相组成进行定性和定量分析， 从而优化制备工艺，提高陶瓷材料的性能和稳定性。
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聚合物表征与测试4.XRD2015
XRD
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多晶结构
多晶： 大量微单晶的聚集体
常见的多晶结构： 球晶
片晶
串晶
树枝晶
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XRD
40
多晶体
单晶体
多个晶粒堆积而成 一个晶格贯穿整个晶体
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41
晶面
➢为便于确定X射线衍射的方向，Bragg借 用了晶体学中的晶面概念。晶面是指过 晶体基元的几何平面。
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单斜晶系 monoclinic
c
a
c
a
b 简单单斜
b 底心单斜
a b c, = g = 90
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三斜晶系 triclinic
c
g
b
a
a b c, g 90
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七个晶系的晶格参数
阴极发射电子方向差异，能
量损失随机；
Ee
eU
1 2
m0
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XRD
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（2）X射线特征光谱
特征光谱产生： 碰撞→跃迁↑(高) →空穴→跃迁↓(低)
特征谱线的频率：
n1 n2
E n1
En2 h
cR( Z
)2
n22
1
n12
R=1.097×107 m-1,Rydberg常数；
立方 六方 四方 三方 斜方 单斜 三斜
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a = b = c, = = g = 90 a = b c, = = 90, g 120 a = b c, = = g = 90 a = b = c, = = g 90 a b c, = = g = 90 a b c, = g = 90 a b c, g 90
聚合物光电磁性能的表征
聚合物光、电、磁性能的表征| [<<][>>]用途对电磁波（光、电、磁）而言，传统上认为聚合物仅是惰性的绝缘材料，不导电，不导磁，对光也仅是吸收透过和反射，不会对电磁波产生影响。
随着科学技术的发展，逐渐出现了导电高分子化合物，导磁高分子化合物和对光波有调制作用的非线性高分子化合物。
这些新高分子化合物的出现，引起人们对高分子聚合物用作光、电、磁材料产生了兴趣。
为了探讨高分子聚合物在光、电、磁等信息领域的应用，产生了对高分子化合物光、电、磁性能表征的需要。
目前，对高分子光、电、磁性能的表征，主要是表征下述一些参数：光学性能：透光率，折光指数（n），非线性光学性质（二阶、三阶极化系数，倍频系数（d），线性电光系数（r），折光指数变化系数（n2）等）；电性能：电导率（σ），电阻率（ρ），电阻的温度系数，电致发光性能，介电常数（ε＇），介电损耗ε＂（或复数介电常数ε，ε＝ε＇＋jε＂）等；磁性能：磁导率（μ＇），磁损耗μ＂（或复数磁导率μ，μ＝μ＇＋jμ＂）磁滞曲线等。
由于水平所限，这里只收集了部分的表征方法，希望能起到抛砖引玉的作用，盼有关学者能协助补充其他性能的表征方法。
表征方法及原理（1）油浸法测聚合物纤维的折射率采用偏光显微镜观测浸于油中的纤维，“浸油”是用阿贝折光仪已测得折光指数的油剂，变换不同折光指数的油剂浸泡纤维，用偏光显微镜来观测，直至偏光显微镜目镜中不再出现纤维和浸油界面因折射率不同而出现的黑线带（称贝克线）为止，这时浸油的折光指数就是纤维在某一个方向的折光指数（例称为n││）。
再旋转载物台9 0度，如上方法测定纤维在垂直前一方向的折光指数（例称为n┴）。
如此，即可得到纤维状聚合物在二个不同方向上的折光指数。
（聚合物成纤时，纤维内部高分子有取向产生，因此出现双折射现象）。
（2）聚合物电阻率（ρ）、电导率（σ）的测量对高聚物的导电性能表征，常常需要分别表征表面导电性能和体积导电性能，即表面电阻率（ρs）（表面电导率σs），和体积电阻率ρv（体积电导率σv）。
XRD报告-2015
X射线衍射实验报告实验名称: X射线衍射仪操作与物相定性分析一、实验目的。
1、熟悉X射线衍射仪的基本结构和工作原理；2、基本学会样品测试过程；3、掌握利用衍射图进行物相定性分析的方法；4、熟悉用PDF(ASTM)卡片及索引对多相物质进行相分析。
二、实验步骤。
（一）认识DX-2700型X射线衍射仪的基本结构。
X射线衍射仪一般由X射线发生器，测角仪，计数器，数据处理系统等部分组成。
（二）实验参数的选择。
1、X光管靶材料的选择。
2、X光管的管压和管流的选择。
3、滤波片的选择。
4、狭逢参数的选择。
5、时间常数。
6、扫描速度选择。
（三）样品准备。
包括：粉末样品制备；固体样品制备；薄膜样品制备。
（四）操作规程步骤。
1、首先打开实验室仪器房电源开关，打开仪器稳压电源开关。
启动循环水电源开关。
2、打开计算机。
3、开X射线衍射仪。
4、放置样品。
5、开始测量。
6、关机。
（五）X射线的物相分析。
1、了解物相分析的依据。
2、利用Jade软件进行物相分析。
3、计算d值，标出衍射线对应的晶面指数。
三、实验报告要求。
（操作通常的实验报告格式）基本内容应包括如下几部分。
1、DX-2700型X射线衍射仪的主要组成及其工作原理。
2、DX-2700型X射线衍射仪主要实验参数及设置。
3、试样准备过程及步骤。
4、DX-2700型X射线衍射仪的操作步骤。
5、X射线物相分析的主要步骤（针对实验中的具体试样进行分析）。
6、物相分析结果解释（包括如何使用Jade软件及步骤）。
7、回答以下几个问题：解释晶体和非晶体；衍射现象；粉晶X射线衍射原理；连续谱概念及产生机理；特征谱概念及产生机理；解释布拉格方程及其物理意义；说明粉末X射线衍射仪工作原理（用文字叙述）；说明粉末X射线衍射仪主要性能指标；解释X射线的产生机理。
聚合物表征与测试2.FTIR
10/20/2020 13:457 PM
3 50 0 3 50 0
3 00 0 3 00 0
2926.02
2926.02 2853.53
2853.53
2 50 0
2 00 0
Wa ven umb ers (cm-1)
2 50 0
2 00 0
Wavenumbers (cm-1)
1 50 0 1 50 0
1608cm-1
红外吸收谱带
• 4000-2000cm-1
2000-400cm-1
分子骨架振动区 指纹区
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49
IR Absorbance Bands
官能团区
4000 - 1300 cm-1
Functional Group Peaks 较为稀疏，容易辨认
指纹区
1300 - 400 cm-1 Fingerprint Peaks
光源
样品
棱镜 或光栅
检测器 狭缝
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光谱图
3.2 FT-IR
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迈克耳逊干涉仪 干涉图
傅里叶变换
40
3.2.1 FT-IR仪器结构图
M1（动镜） 迈克耳逊干涉仪
光 源
M2（定镜）
分束器
检
样品池
测 器
合成干涉光 （各种频率）
10/20/2020 1:47 PM
10/20/2020 1:47 PM
36
3.FTIR仪器结构
色散型 光栅型 干涉仪+傅立叶变换
10/20/2020 1:47 PM
37
小角X射线散射及聚合物表征分析 ppt课件
ppt课件
16
（5）散射体的自相似性（是否有分形特征）
II.定量分析：
散射体尺寸分布、平均尺度、回转半径、相关距离、 平均壁厚、散射体体积分数、比表面、平均界面层厚度、 分形维数等。
Guinier公式必须满足qRg <1的条件才有效。
ppt课件
15
（3）两相界面是否明锐（对Porod定理的负偏离）； （4）每一相内电子密度的均匀性（对Porod定理的正偏离）； Porod公式：
k是Porod常数,它表明具有明锐界面的散射体在大角区 域的散射强度遵守q−4规则。正偏离反映基体微结构的不
晶百分数 研究分子运动和相变
ppt课件
20
1 .云纹法、红外热像法（只能检测材料表面情况）
云纹法(moire method)又称莫尔纹法，是变形分析的一种模拟方法，由光的 干涉而产生。此法即利用光的机械干涉形成的云纹图进行分析。分为面内和影像 (面外)云纹法两类:根据前者的平行云纹图和转动云纹图可求得应变场;后者已成功 地用于褶皱形式和断裂变形场的分析。
ppt课件
2
1.2.理论基础：
20世纪初，伦琴发现了比可见光波长小的辐射。由于对该 射线性质一无所知，伦琴将其命名为X射线 (X-ray)。
到20世纪30年代，人们以固态纤维和胶态粉末为研究物 质发现了小角度X射线散射现象。
当X射线照射到试样上时，如果试样内部存在纳米尺度的 电子密度不均匀区，则会在入射光束周围的小角度范围内 （一般2 6º）出现散射X射线，这种现象称为X射线小角散 射或小角X射线散射（Small Angle X-ray Scattering,简写为 SAXS ）。
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——在聚合物中的应用
10/20/2020 12:42 PM
XRD
1
课堂内容
•1. X射线的产生及其性质 •2.晶体结构的基本概念 •3. 测量原理 •4. X光衍射在聚合物中的应用
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2
1. X射线及其性质
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XRD
3
1.1 X射线的发现
• 1895年，德国物理学家伦琴(W.C.Rontgen) 发现 • 并很快以“论一种新射线”为题发表论文公之于世。 • 因此成为第一个获诺贝尔物理奖的人。
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XRD
4
世界上第一张X光照片
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XRD
5
阴极发射电子方向差异，能
量损失随机；
Ee
eU
1 2
m0
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XRD
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（2）X射线特征光谱
特征光谱产生： 碰撞→跃迁↑(高) →空穴→跃迁↓(低)
特征谱线的频率：
n1 n2
E n1
En2 h
cR( Z
)2
n22
1
n12
R=1.097×107 m-1,Rydberg常数；
• X射线的突出特点是穿透能力很强 能穿透不透明物质。
• X射线能使照相底片被感光。
8
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XRD
1.3 次级X射线
1908年，巴拉克(C.G.Barkla)发现物质被X射线照射时，会
产生次级X射线。
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XRD
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次生X射线由两部分组成
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XRD
11
1.4 X射线的产生及分类
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XRD
12
1.4.1 入射X射线的产生
K系谱线) ～ (锂K系谱线)
高速电子撞击阳极(Cu、Cr等重金属)：热能(99%)+X射线(1%) 高速电子撞击使阳极元素的内层电子激发；产生X射线辐射
X光是一种电磁波
X-radiation
可见光
g-radiation
10-6
10-3
10/20/2020 12:42 PM XRD
Microwaves 微波
UV
IR
无线电波
Radio waves
1
103
106
Wavelength(nm)
109
1012
6
X射线的波长
• X 射线是波长很短的电磁波。 • 波长0.001～50nm
• 特征X射线的产生：电子的跃迁 I Kα： I Kβ=5：1 X射线衍射多使用Kα 线
K
K
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XRD
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K LM
（1） 连续X射线光谱
电子→靶原子，产生连续的电磁 辐射，连续的X射线光谱；
Im K Z i U 2
成因：
大量电子的能量转换是一个
随机过程，多次碰撞；
；
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XRD
13
X射线的产生
X射线管
阴极
阳极 （对阴极）
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4
5
10 ~10 V
+
XRD
14
X射线的分类
连续X射线： 具有连续波长，又称白色X射线
特征X射线： 在连续谱上叠加具有特定波长的 谱线，该谱线与靶极的材料有关 ，又称单色X射线。
n1 n2
En1 En2 h
cR(Z
)2
n22
1
n12
L→K层；K 线系；
n1 =2，n2 =1；
K
( 3 )cR(Z 4
)2
K
c
K
4
3R(Z )2
不同元素具有自己的特征谱 线 ——定性基础；
谱线强度——定量；
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XRD
19
1.5 X射线衍射
• 用于衍射分析的X射线波长介于0.05~0.25nm。
无线电波 红外线 可见光 紫外光 X射线 g射线 宇宙射线
103
10-1
10-4
10-5
10-7
10-9
10-11 10-13
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XRD
7
1.2 X射线的性质
• X射线穿过物质时会被吸收。
• 原子量及密度不同的物质，对X射线的吸收不同。
XRD
20
X 射线衍射---劳厄实验
铅
X
屏
射
底
线
片
管
晶体
劳 厄 斑 点
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晶体可看作三维立体光栅。
根据劳厄斑点的分布可算 出晶面间距，掌握晶体点 阵结构。
XRD
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1.6 布拉格公式
• 英国物理学家布拉格(Bragg)父子提出了著名的布拉格公式-1915年诺 贝尔物理奖。
• 一部分与初级X射线相同 • 另一部分与被照物质组成的元素有关 • 即每种元素都能发出各自的X射线，成为次生X射线源。
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XRD
10
次级X射线与物质的作用
进入晶体的X射线与晶体中运动着的电子云相互作用，产生强度较弱、波长 相同的二次X射线。
晶体中每一处有电子云的地方，都能产生这种朝四面八方散射的二次X射线。 在散射的某些方向上，这些二次X射线互相干涉而得到加强。
• 确定了X射线衍射的方向 • 人类开始晶体结构分析的历史。
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1.7 X射线光谱
X-ray and X-ray Spectrum
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X光衍射分析 •X光衍射分析是表征包括液晶在内的结晶性聚 合物的重要手段。 • 借助X射线衍射仪，利用微晶对X射线的衍射效 应，获得试样的衍射图----衍射强度与衍射角 的关系图。
• 1912年，劳厄(uue)提出X射线是电磁波的假说。由弗里德利希 （W.Friedrich)证实。
• 推测波长与晶面间距（晶体中相邻两原子间的距离）相近的X射线通 过晶体时，会发生衍射现象。---开创了X射线晶体学。
• 1914年，劳厄获得诺贝尔物理奖。
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10/20/2020 12:42 PM
XRD
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X射线衍射图
• 衍射强度：
晶胞中的原子种类 原子位置
衍射方向：
晶胞形状42 PM
σ核外电子对核电荷的屏蔽常数；
n电子壳层数；c光速；Z原子序数；
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• 不同元素具有自己的特征谱线——定性基础。 • 当X光管的阳极为金属Cu时，X射线管发出的特 征X射线为0.15418nm.。
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特征光谱——定性依据