X射线衍射和小角X射线散射详解PPT学习教案课件

,#,单击此处编辑母版标题样式,会计学,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,会计学,1,X,射线衍射和小角,X,射线散射详解,会计学1X射线衍射和小角X射线散射详解,X,射线衍射和小角,X,射线散射,X,射线散射,WAXS,原理,X,射线衍射测定,粉末法,单晶旋转法,聚合物纤维旋转,X,射线衍射,WAXS,应用实例,区别结晶和非晶聚合物,不同晶型鉴别,结晶度测定,取向度测定,SAXS,及其应用,第1页/共45页,X射线衍射和小角X射线散射X射线散射WAXS应用实例第1页/,X,射线的散射现象,晶体中的原子在射入晶体的,X,射线的作用下被迫强制振动，形成一个新的,X,射线源发射次生,X,射线。,X-Ray Diffraction by Macromolecules, p. 15,第2页/共45页,X射线的散射现象晶体中的原子在射入晶体的X射线的作用下被迫强,广角,X,射线散射（,X,射线衍射）,如果被照射试样具有周期性结构（结晶），则次生,X,射线会发生干涉现象，该现象被称为,X,射线衍射（,X-ray Diffraction, XRD,）。,X,射线衍射需要在广角范围内测定，因此又被称为广角,X,射线衍射（,Wide-Angle X-ray Scattering, WAXS,）。,第3页/共45页,广角X射线散射（X射线衍射）如果被照射试样具有周期性结构（结,小角,X,射线散射,如果被照射试样具有不同电子密度的非周期性结构，则次生,X,射线不会发生干涉现象，该现象被称为漫射,X,射线衍射（简称散射）。,X,射线散射需要在小角度范围内测定，因此又被称为小角,X,射线散射（,Small-Angle X-ray Scattering, SAXS,）。,第4页/共45页,小角X射线散射如果被照射试样具有不同电子密度的非周期性结构，,WAXS,（,XRD,）原理,在不同的观测点，从不同的次生源发出的,X,线间的光程差通常是不同的。,X-Ray Diffraction by Macromolecules, p. 16,第5页/共45页,WAXS（XRD）原理在不同的观测点，从不同的次生源发出的X,WAXS,（,XRD,）原理,由于存在不同的光程差，因此，到达不同观测点的次生,X,射线可能相互加强、减弱，甚至完全抵消。,X-Ray Diffraction by Macromolecules, p. 19,第6页/共45页,WAXS（XRD）原理由于存在不同的光程差，因此，到达不同观,不同光程差的,X,射线叠加,当光程差等于,X,射线波长的整数倍时次生,X,射线互相叠加而加强；,当光程差等于半波长时，次生,X,射线相互完全抵消。,只有相互叠加的光波才能有足够的强度被观察到。,Crystal Structure Analysis, 3rd Edition, p. 28,第7页/共45页,不同光程差的X射线叠加当光程差等于X射线波长的整数倍时次生X,晶体的,X,射线衍射特征,Crystal Structure Analysis, 3rd Edition, p. 48,第8页/共45页,晶体的X射线衍射特征Crystal Structure A,晶体结构及其晶胞类型,Methods of Experimental Physics Volume 16: Polymers, Part B Crystal Structure and Morphology, p. 5,第9页/共45页,晶体结构及其晶胞类型Methods of Experime,晶胞的描述,晶面指数,Physical Chemistry of Macromolecules, 2nd Edition, pp. 500-501,第10页/共45页,晶胞的描述晶面指数Physical Chemistry,晶面指数,Two-Dimensional X-Ray Diffraction, p. 7,第11页/共45页,晶面指数Two-Dimensional X-Ray Dif,晶面指数及晶面距,Encyclopedia of Materials Characterization, p. 201,第12页/共45页,晶面指数及晶面距Encyclopedia of Mater,晶面指数与晶胞参数,Fundamentals of Powder Diffraction and Structural Characterization of Materials, 2nd Edition, p. 9,第13页/共45页,晶面指数与晶胞参数Fundamentals of Powd,Bragg,方程,设晶体的晶面距为,d,，,X,射线以与晶面间交角为,的方向照射，从晶面散射出来的,X,射线产生衍射的条件是相邻散射,X,射线间的光程差等于波长的整数倍，即满足,Bragg,方程,第14页/共45页,Bragg方程设晶体的晶面距为 d，X射线以与晶面间交角为,晶体参数解析,当用单色,X,射线（波长已知）测定时结晶体时，从实验测得掠射角，进而由,Bragg,方程求得晶面间距（即晶胞参数）。,Methods of Experimental Physics Volume 16 Polymers, Part B Crystal Structure and Morphology, p. 53,第15页/共45页,晶体参数解析当用单色X射线（波长已知）测定时结晶体时，从实验,X,射线衍射测定,测定,X,射线衍射的方法主要有两种：一是粉末法，另一是单晶旋转法。,Methods of Experimental Physics Volume 16 Polymers, Part B Crystal Structure and Morphology, pp. 53 & 63,第16页/共45页,X射线衍射测定测定X射线衍射的方法主要有两种：一是粉末法，另,X,射线衍射测定之粉末法,当单色的,X,射线通过晶体粉末时，因为粉末中包含无数任意取向的晶体，所以必然会有一些晶面距和掠射角满足,Bragg,方程。,Crystal Structure Analysis, 3rd Edition, p. 42,第17页/共45页,X射线衍射测定之粉末法当单色的X射线通过晶体粉末时，因为粉末,X,射线衍射测定之粉末法,由不同的晶面衍射得到的,X,射线束为锥形，锥形光束的轴就是入射,X,射线，锥的顶角等于,4,。,Fundamentals of Powder Diffraction and Structural Characterization of Materials, 2nd Edition, p. 154,第18页/共45页,X射线衍射测定之粉末法由不同的晶面衍射得到的X射线束为锥形，,粉末衍射光锥及条纹摄制,X-Ray Analysis of Crystals, p.5,Introduction to X-Ray Powder Diffractometry, p. 60,第19页/共45页,粉末衍射光锥及条纹摄制X-Ray Analysis of,粉末衍射条纹摄制及处理,Fundamentals of Powder Diffraction and Structural Characterization of Materials, 2nd Edition, p. 265,第20页/共45页,粉末衍射条纹摄制及处理Fundamentals of Po,粉末衍射平板图案摄制,Fundamentals of Powder Diffraction and Structural Characterization of Materials, 2nd Edition, p. 153,第21页/共45页,粉末衍射平板图案摄制Fundamentals of Pow,粉末衍射图,Fundamentals of Powder Diffraction and Structural Characterization of Materials, 2nd Edition, p. 156,第22页/共45页,粉末衍射图Fundamentals of Powder D,粉末衍射图,粉末衍射图案,粉末衍射强度分布,Methods of X-ray and Neutron Scattering in Polymer Science, pp. 83 & 84,第23页/共45页,粉末衍射图粉末衍射图案粉末衍射强度分布Methods of,X,射线衍射测定之单晶旋转法,如果一束,X,射线垂直地投射到晶体的主晶轴方向的一系列原子上，而晶体是绕着主晶轴以恒速转动着，会产生锥形散射光束。,第24页/共45页,X射线衍射测定之单晶旋转法如果一束X射线垂直地投射到晶体的主,单晶旋转衍射图案摄制,一种是将相片卷成圆筒形，样品放在圆筒形相片的中心，,X,射线从一侧射入，这样得到的衍射图案是许多平行的层线。,另一种方法是将平整的照相底片放置在垂直于,X,射线入射的方向上，这样得到的是一系列的双曲线。,第25页/共45页,单晶旋转衍射图案摄制一种是将相片卷成圆筒形，样品放在圆筒形相,四圆衍射仪,Crystal Structure Analysis, 3rd Edition, p. 61,第26页/共45页,四圆衍射仪Crystal Structure Analys,聚合物纤维旋转衍射,聚合物纤维经单向拉伸后，可使晶粒有一定程度的取向，可以将晶粒中的原子面分成两类，一类垂直于拉伸方向，另一类平行于拉伸方向，因此就满足了单晶旋转的条件。,Methods of Experimental Physics Volume 16 Polymers, Part B Crystal Structure and Morphology, p. 49,第27页/共45页,聚合物纤维旋转衍射聚合物纤维经单向拉伸后，可使晶粒有一定程度,WAXS,应用,定性分析,WAXS,图案可得到如下信息：,（,i,）试样的形态（结晶或非晶）；,（,ii,）结晶的类型；,（,iii,）结晶的大致程度；,（,iv,）晶粒的取向及大致程度。,定量分析,WAXS,数据可得到如下信息：,（,i,）晶胞参数；,（,ii,）结晶度；,（,iii,）取向度。,第28页/共45页,WAXS应用定性分析WAXS图案可得到如下信息：第28页/共,WAXS,应用实例之区别结晶和非晶聚合物,衍射环,弥散环,Methods of Experimental Physics Volume 16 Polymers, Part B Crystal Structure and Morphology, p. 54,第29页/共45页,WAXS应用实例之区别结晶和非晶聚合物衍射环弥散环Meth,WAXS,应用实例之区别结晶和非晶聚合物,衍射峰,弥散峰,第30页/共45页,WAXS应用实例之区别结晶和非晶聚合物衍射峰弥散峰第30页/,WAXS,应用实例之鉴别不同晶型,尼龙,6,的,晶型和,晶型同属单斜晶系，它们的区别是,型在,2,=11,o,有明显的,002,晶面的峰；,型是拟六方晶系，衍射图上只有一个锐峰,第31页/共45页,WAXS应用实例之鉴别不同晶型尼龙6的晶型和晶型同属单斜,WAXS,应用实例之测定结晶度,结晶聚合物的,WAXS,图实际上是结晶和非晶部分两相贡献的总和，先用分峰技术分别测算出结晶峰和非晶峰的强度，然后再计算结晶度。,第32页/共45页,WAXS应用实例之测定结晶度结晶聚合物的WAXS图实际上是结,WAXS,应用实例之取向鉴定,未取向的非晶聚合物衍射图案,取向的非晶聚合物衍射图案,第33页/共45页,WAXS应用实例之取向鉴定未取向的非晶聚合物衍射图案取向的非,WAXS,应用实例之取向鉴定,未取向的结晶聚合物衍射图案,取向的结晶聚合物衍射图案,Methods of Experimental Physics Volume 16 Polymers, Part B Crystal Structure and Morphology, pp. 54 & 55,第34页/共45页,WAXS应用实例之取向鉴定未取向的结晶聚合物衍射图案取向的结,WAXS,应用实例之取向度测定,冷拉不同倍数的全同聚丙烯薄膜的,WAXS,平板照片,第35页/共45页,WAXS应用实例之取向度测定冷拉不同倍数的全同聚丙烯薄膜的W,WAXS,应用实例之取向度测定,X,射线法常用取向指数来表征结晶的取向程度。例如尼龙,6,拉伸后，衍射环退化为赤道弧，在方位角上扫描得峰，求得半峰宽，定义取向指数（,R,）,第36页/共45页,WAXS应用实例之取向度测定X射线法常用取向指数来表征结晶的,SAXS,及其应用,根据,Bragg,方程，衍射角与晶格间距的关系,2,d/nm,30,o,0.3,3,o,32,2.5,1,o,40,5,13,15,”,40,5,20,”,100,第37页/共45页,SAXS及其应用根据Bragg方程，衍射角与晶格间距的关系2,结构表征的尺度要求,在广角衍射的角度范围内能测定的晶格间距为零点几到几纳米。,然而在结晶聚合物中，常常要求测定几纳米到几十纳米的长周期，这就要求测定角度缩小到小角范围，也就是说，要在,1-2,o,以内测定衍射强度或记录衍射花样。,第38页/共45页,结构表征的尺度要求在广角衍射的角度范围内能测定的晶格间距为零,SAXS,技术,一般,X,射线管发出的,X,射线束宽约,1-2,o,，所以，小角散射会被淹没在普通广角衍射图中而观察不到。,系统有特别的要求：,首先准直系统要长且光栅或狭缝要小，才能使焦点变细。但焦点太细，光强太弱，将导致记录时间过长，因而又要求,X,射线源要强。,其次在准直系统和很长的工作距离内，空气对,X,射线有强烈的散射作用，因而整个系统要置于真空中。,第39页/共45页,SAXS技术一般X射线管发出的X射线束宽约1-2o，所以，小,WAXS,与,SAXS,工作距离的比较,Polymer Synthesis and Characterization, p. 179,第40页/共45页,WAXS与SAXS工作距离的比较Polymer Synth,SAXS,装置示意图,Two-Dimensional X-Ray Diffraction, p. 332,第41页/共45页,SAXS装置示意图Two-Dimensional X-Ra,SAXS,装置实物照片及剖面图,Two-Dimensional X-Ray Diffraction, p. 337,第42页/共45页,SAXS装置实物照片及剖面图Two-Dimensional,SAXS,装置实物俯视图,Two-Dimensional X-Ray Diffraction, p. 337,第43页/共45页,SAXS装置实物俯视图Two-Dimensional X-,SAXS,应用及其实例,SAXS,能用于研究数纳米到几十纳米的聚合物结构，如晶片尺寸、溶液中聚合物的回转半径、共混物和嵌段共聚物的层片结构等。,Methods of Experimental Physics,Volume 16 Polymers, Part B Crystal Structure and Morphology, p. 165,第44页/共45页,SAXS应用及其实例SAXS能用于研究数纳米到几十纳米的聚合,