X射线衍射技术（XRD）主要技术应用

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。

一、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、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。

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。 

二、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。 

三、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； 

四、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） ：

衍射角 ：衍射峰的半高宽，在计算的过程中，需转化为弧度（rad） ：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 

五、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。 

六、结晶度的测定

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*结晶，没有结晶度问题。高分子晶体，由于长的链状结构不易*整规排列，往往 导致非*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； 

（c）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。 

七、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。