【科研知识】一文了解 X 射线衍射（XRD）知识重点

来源：材料基

材料分析方法对于建立材料组织结构和性能之间的联系具有重要作用。作为材料专业的应届毕业生，在平时的课程中已学过各种分析方法的基本原理，在实验和毕业设计中使用过主要的材料测试设备，掌握相关的材料分析测试方法是材料专业毕业生的必备能力。因此，材料分析测试方法成为研究生复试的重要内容，面试导师会根据你的相关课程、毕设内容等方面进行提问。

本系列提供材料分析方法的简要内容，各位考生可以根据自己的课程和毕业设计掌握对应的分析方法基本原理和主要功用。

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X 射线衍射(XRD)是什么？

X射线衍射（X-Ray Diffraction， XRD）是研究物质的物相和晶体结构的主要方法。当某物质（晶体或非晶体）进行衍射分析时，该物质被X射线照射产生不同程度的衍射现象，物质组成、晶型、分子内成键方式、分子的构型、构象等物质特性决定该物质产生特有的衍射图谱。

XRD技术具有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高、能得到有关晶体完整性的大量信息等优点。因此，XRD作为材料结构和成分分析的一种现代科学方法，已在各学科的研究和生产中广泛应用。

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X 射线衍射(XRD)基本原理

当一束单色 X 射线入射到晶体时，由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组成，这些规则排列的原子间距离与入射 X 射线波长有相同数量级，故由不同原子散射的X射线相互干涉，在某些特殊方向上产生强X射线衍射，衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结构密切相关。

根据其原理，某晶体的衍射花样主要有两个特征：衍射线在空间的分布规律和衍射线束的强度。其中，衍射线的分布规律由晶胞大小，形状和位向决定，衍射线强度则取决于原子的品种和它们在晶胞的位置。因此，不同晶体具备不同的衍射图谱。

布拉格定律：两个波的波程差为2dsinθ，当波程差为波长的整数倍时，即 2dsinθ=nλ（n=0，1，2，3…），（θ为入射角、d为晶面间距、n为衍射级数、λ为入射线波长，2θ为衍射角）时，散射波位相相同，相互加强。凡是满足布拉格定律的散射波位相都完全相同，其振幅互相加强，从而在与入射线成 2θ 角的方向上就会出现衍射线。而在其它方向上的散射线的振幅互相抵消，X射线的强度减弱或者等于零。

布拉格方程简明扼要地给出了X射线的衍射方向。即当入射X射线与晶体中的某个晶面（hkl）之间的夹角满足布拉格方程时，在其反射线的方向上就会产生衍射线，反之不可。

系统消光规律：

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X 射线衍射(XRD)设备

X 射线衍射仪包括 X 射线发生系统（产生X射线）、测角及探测系统（测量2θ和获得衍射信息）、记录和数据处理系统，三者协同工作输出衍射图谱。其中测角仪是核心部件，其制作较为复杂，直接影响实验数据的精度。

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X 射线衍射(XRD)应用场景

物相分析

物相分析是X射线衍射在金属中用得最多的方面，分为定性分析和定量分析。前者把对材料测得的点阵平面间距及衍射强度与标准物相的衍射数据相比较，确定材料中存在的物相；后者则根据衍射花样的强度，确定材料中各相的含量。在研究性能和各相含量的关系和检查材料的成分配比及随后的处理规程是否合理等方面都得到广泛应用。

结晶度的测定

结晶度定义为结晶部分重量与总的试样重量之比的百分数。非晶态合金应用非常广泛，如软磁材料等，而结晶度直接影响材料的性能，因此结晶度的测定就显得尤为重要。根据结晶相的衍射图谱面积与非晶相图谱面积测定结晶度。

精密测定点阵参数

精密测定点阵参数 常用于相图的固态溶解度曲线的测定。溶解度的变化往往引起点阵常数的变化；当达到溶解限后，溶质的继续增加引起新相的析出，不再引起点阵常数的变化。这个转折点即为溶解限。另外点阵常数的精密测定可得到单位晶胞原子数，从而确定固溶体类型；还可以计算出密度、膨胀系数等有用的物理常数。

纳米材料粒径的表征

纳米材料的颗粒度与其性能密切相关。纳米材料由于颗粒细小，极易形成团粒，采用通常的粒度分析仪往往会给出错误的数据。采用X射线衍射线线宽法（谢乐法）可以测定纳米粒子的平均粒径。

晶体取向及织构的测定

晶体取向的测定又称为单晶定向，就是找出晶体样品中晶体学取向与样品外坐标系的位向关系。虽然可以用光学方法等物理方法确定单晶取向，但X衍射法不仅可以精确地单晶定向，同时还能得到晶体内部微观结构的信息。一般用劳埃法单晶定向，其根据是底片上劳埃斑点转换的极射赤面投影与样品外坐标轴的极射赤面投影之间的位置关系。透射劳埃法只适用于厚度小且吸收系数小的样品，背射劳埃法就无需特别制备样品，样品厚度大小等也不受限制，因而多用此方法。

应力测试

宏观应力是指构件中存在相当大的范围内均匀分布着的内应力。宏观应力对材料的使用有很大关系：负面影响（如海水应力腐蚀等）；正面影响（如压应力可提高疲劳寿命等）

只要应力存在就会有应变，就会导致晶面间距的变化；X 光可很好地测量面间距地变化，因此可以利用其测应力。

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X 射线衍射(XRD)分析实例

（1）图谱对比法：比较待测样品和已知物相的谱图，该方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，主要的分析软件有JADE、Search Match等。

分析实例：

下图为ZnO纳米片负载不同含量的金纳米粒子的XRD图谱。相比于纯ZnO，随着负载量的依次增加，杂化材料出现了明显的Au(JCPDS No. 04-0784)的特征衍射峰，因此认为Au成功负载于ZnO表面。

文献链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0925400515006310

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X 射线衍射(XRD)样品要求及制备方法

XRD可以测量块状和粉末状样品，对于不同的样品尺寸和样品性质有不同的要求。

（1）块状样品的要求及制备方法

对于非断口的金属块状试样，尽可能平整、光滑、清洁，以去除其表面的氧化膜、消除表面应变层。XRD扫过一个区域得到衍射峰，对试样需要一定的尺寸，一般试样面积应大于10mm×10mm。

对于薄膜试样，其厚度应大于20nm，并在做测试前检验确定基片的取向，如果表面十分不平整，根据实际情况可以用导电胶或者橡皮泥对样本进行固定，并使样品表面尽可能的平整。

对于片状、圆柱状的试样会存在严重的择优取向，造成衍射强度异常，此时在测试时应合理地选择响应方向平面。

对于断口、裂纹的表面衍射分子，要求端口尽可能的平整并提供断口所含元素。

（2）粉末样品的要求及制备方法

对粉末样品进行X射线粉末衍射仪分析时，适宜的晶粒大小应在320目粒度（约40um）的数量级内，这样可以避免衍射线的宽化，得到良好的衍射线。

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