X射線粉末衍射技術(shù)——測(cè)量與分析基礎(chǔ)

本書(shū)內(nèi)容主要分為五部分：X射線粉末衍射技術(shù)的發(fā)展歷程和功能應(yīng)用；X射線衍射儀器、光路配置、樣品制備和測(cè)量過(guò)程；物相分析的基本原理、分析過(guò)程、注意事項(xiàng)、結(jié)果評(píng)價(jià)和部分實(shí)例；X射線衍射儀器的維護(hù)保養(yǎng)和輻射安全；X射線衍射技術(shù)的學(xué)習(xí)方法論。
本書(shū)著重介紹衍射圖譜的產(chǎn)生過(guò)程和各類(lèi)影響因素，以及與物相分析功能的相關(guān)性。在測(cè)量技術(shù)方面，詳細(xì)介紹了衍射儀中各類(lèi)光路元器件的工作原理和參數(shù)設(shè)置，并對(duì)測(cè)量過(guò)程的每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)論述。在物相分析方面，針對(duì)最常用的物相鑒定功能開(kāi)展了鑒定原理、鑒定方法、鑒定技巧、數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用等方面的詳細(xì)論述，并為鑒定結(jié)果的可信度提出評(píng)估方法和依據(jù)；針對(duì)物相定量分析、微結(jié)構(gòu)分析等深層次功能，由淺入深地介紹了數(shù)學(xué)原理的推導(dǎo)、功能發(fā)展的歷程，以及部分案例的應(yīng)用，并且論證了分析方法的簡(jiǎn)化過(guò)程等內(nèi)容。最后對(duì)衍射儀的維護(hù)保養(yǎng)、X射線輻射安全等方面進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并對(duì)X射線衍射技術(shù)的學(xué)習(xí)方法和技巧進(jìn)行了深入討論，總結(jié)性指出了技術(shù)能力晉升的途徑。
本書(shū)可作為相關(guān)專(zhuān)業(yè)本科生、研究生的教學(xué)用書(shū)，也可作為從事X射線衍射測(cè)量和物相分析工作的技術(shù)人員的參考書(shū)。

王春建，1982年出生，山東慶云人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事材料表征與分析-X射線多晶衍射技術(shù)方向的科學(xué)研究和教學(xué)工作，現(xiàn)就職于昆明理工大學(xué)分析測(cè)試研究中心（云南省分析測(cè)試中心）。
主持參與國(guó)家級(jí)、省部級(jí)等自然科學(xué)基金項(xiàng)目15項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文26篇，申報(bào)發(fā)明專(zhuān)利5項(xiàng)，參與修訂X射線衍射領(lǐng)域行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)，參與修訂地方標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)，開(kāi)展線上/線下X射線衍射技術(shù)講座/培訓(xùn)近50次。
現(xiàn)任英國(guó)Malvern Panalytical（馬爾文帕納科）公司X射線聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室XRD特邀應(yīng)用專(zhuān)家、Honarary Scientist，馬爾文帕納科X射線分析儀器用戶會(huì)常設(shè)組織委員會(huì)委員，日本RIGAKU（理學(xué)）公司中國(guó)X射線衍射儀用戶協(xié)會(huì)委員，中國(guó)丹東浩元儀器公司特邀培訓(xùn)講師，《冶金分析》青年編委，《分析儀器》編委，"中國(guó)材料與試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)-科學(xué)試驗(yàn)領(lǐng)域/科學(xué)試驗(yàn)創(chuàng)新方法技術(shù)/結(jié)構(gòu)形貌創(chuàng)新方法標(biāo)準(zhǔn)化分技術(shù)委員會(huì)"委員。

X射線粉末衍射技術(shù)是利用X射線的衍射現(xiàn)象開(kāi)展物相鑒定、物相定量、微結(jié)構(gòu)分析等工作的材料表征技術(shù)，由于樣品制備簡(jiǎn)單、測(cè)量過(guò)程準(zhǔn)確、分析內(nèi)容豐富，已被廣泛應(yīng)用于材料、冶金、地質(zhì)、化工等學(xué)科專(zhuān)業(yè)的科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中，并已逐漸成為相關(guān)學(xué)科的通用表征手段之一。
X射線粉末衍射技術(shù)不僅僅是一種測(cè)量表征技術(shù)，更是一種從原子層面認(rèn)識(shí)材料本質(zhì)的手段。以一塊金屬為例，在正空間可以觀察到金屬塊的尺寸、形態(tài)、質(zhì)地等特征，甚至可以使用電子顯微鏡等手段將這些特征放大，進(jìn)行極其細(xì)微的觀察和分析，但這種觀察分析在處理原子層面的信息時(shí)顯得吃力；X射線粉末衍射技術(shù)將金屬塊(表面層)原子層面的特征信息投影到倒易空間中，只需觀察和測(cè)量倒易空間中的衍射信息，即可對(duì)金屬塊原子層面的特征進(jìn)行觀察和分析。X射線粉末衍射技術(shù)所構(gòu)建的倒易空間分析與正空間分析是開(kāi)展材料表征的兩個(gè)方面，這兩個(gè)方面互為補(bǔ)充，并且缺一不可。
在材料學(xué)科蓬勃發(fā)展的新時(shí)代，有必要重申X射線粉末衍射技術(shù)的重要作用和意義，為此，本書(shū)設(shè)置了第1章、第2章內(nèi)容，詳細(xì)介紹X射線粉末衍射技術(shù)的來(lái)源、歷程、發(fā)展，以及各類(lèi)常用功能。同時(shí)，為了使初學(xué)者盡快入手，本書(shū)設(shè)置了第3章、第4章、第5章、第11章內(nèi)容，對(duì)衍射儀的光路原理、性能參數(shù)、樣品制備、測(cè)量過(guò)程以及儀器維護(hù)和輻射安全等方面都進(jìn)行了詳細(xì)介紹。在物相分析方面，為了強(qiáng)化物相鑒定的重要性并提高鑒定的準(zhǔn)確性，本書(shū)在第6章詳細(xì)介紹物相鑒定的基礎(chǔ)上，特意增加了第7章對(duì)鑒定結(jié)果開(kāi)展可信度評(píng)估的內(nèi)容。為了擴(kuò)展應(yīng)用，本書(shū)設(shè)置了第8章、第9章、第10章對(duì)物相定量分析、衍射線形分析和晶胞參數(shù)分析進(jìn)行了詳細(xì)介紹。為了增強(qiáng)初學(xué)者的學(xué)習(xí)效率，本書(shū)設(shè)置了第12章，對(duì)學(xué)習(xí)方法進(jìn)行了詳細(xì)討論。
本書(shū)是在作者多年從事測(cè)量分析工作和教學(xué)工作的基礎(chǔ)上編寫(xiě)的，有感于自身的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，本書(shū)著重從實(shí)踐角度力求由淺入深、通俗易懂地進(jìn)行介紹和論證，將初學(xué)者可能遇到的問(wèn)題和困難都盡力去詮釋、去解決。期望通過(guò)本書(shū)的學(xué)習(xí)，廣大師生和技術(shù)工程人員能夠提高學(xué)習(xí)效率和信心。
本書(shū)由王春建獨(dú)立編著。編著過(guò)程中，受到了查錫金、董正榮、高峰、趙剛等工程師的鼓勵(lì)，以及許艷松、龔媛媛等實(shí)驗(yàn)師和單位領(lǐng)導(dǎo)的支持，在此一并表示感謝。此外，本書(shū)引用的部分資料來(lái)自已經(jīng)發(fā)表的專(zhuān)著和文獻(xiàn)，列于參考文獻(xiàn)中，在此向原作者表示感謝。
限于作者水平，書(shū)中難免存在不足之處，敬請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。

王春建
2023年11月

第1章晶體與X射線衍射現(xiàn)象 001
1.1晶體與非晶體 002
1.2晶體的X射線衍射現(xiàn)象 004
1.3X射線衍射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn) 006
1.4X射線衍射現(xiàn)象的意義 008
1.5X射線物相分析依據(jù) 011
1.6X射線粉末衍射儀 012
小結(jié) 013

第2章X射線粉末衍射功能與應(yīng)用 015
2.1物相鑒定 016
2.2物相定量 017
2.3結(jié)晶度分析 020
2.4晶胞參數(shù)分析 021
2.5固溶度分析 022
2.6納米晶粒尺寸與微觀應(yīng)變分析 023
2.7殘余應(yīng)力分析 024
2.8擇優(yōu)取向與織構(gòu)分析 024
小結(jié) 026

第3章X射線衍射儀與測(cè)量光路 029
3.1衍射儀基本組成 030
3.2衍射光路組成 032
3.3X射線管 033
3.4幾何測(cè)角儀 037
3.5探測(cè)器 039
3.6光學(xué)元器件 040
3.6.1索拉狹縫 040
3.6.2發(fā)散狹縫、防散射狹縫、接收狹縫 041
3.6.3濾光裝置 042
3.6.4其他光學(xué)元器件 044
3.7常用樣品臺(tái) 045
3.7.1平板樣品臺(tái) 045
3.7.2自動(dòng)進(jìn)樣器 046
3.7.3微區(qū)樣品臺(tái) 046
3.7.4多軸樣品臺(tái) 047
3.7.5高溫樣品臺(tái) 047

第4章測(cè)量與參數(shù) 049
4.1測(cè)量程序與參數(shù) 050
4.2儀器參數(shù) 051
4.3狹縫參數(shù) 052
4.4樣品制備參數(shù) 054
4.5測(cè)量范圍 055
4.6測(cè)量速率 056
4.7測(cè)量步長(zhǎng) 057
4.8測(cè)量模式 058
4.9測(cè)量時(shí)間 059
4.10薄膜掠入射參數(shù) 060
4.11高溫衍射參數(shù) 062

第5章樣品制備技術(shù) 065
5.1樣品制備影響因素 066
5.2樣品制備方法 067
5.3粉末樣品的粒度控制 068
5.4自制標(biāo)樣 070
5.5實(shí)例分析 072

第6章物相定性分析 083
6.1物相定義 084
6.2PDF卡片與數(shù)據(jù)庫(kù) 085
6.3檢索軟件 088
6.3.1軟件定性檢索原理 090
6.3.2軟件定性檢索步驟 090
6.3.3軟件定性檢索方法 090
6.4物相定性分析判斷依據(jù) 092
6.5注意事項(xiàng)與常用技巧 094

第7章物相定性結(jié)果評(píng)估 097
7.1測(cè)量質(zhì)量評(píng)估 098
7.2數(shù)據(jù)平滑處理 099
7.3本底與Kα2扣除 101
7.4偽峰識(shí)別 104
7.5定性分析影響因素 105
7.6定性分析學(xué)習(xí)方法 109
7.7常見(jiàn)問(wèn)題實(shí)例 113
小結(jié) 114

第8章物相定量分析 117
8.1物相定量方法概述 118
8.2參比強(qiáng)度法 118
8.3公式類(lèi)比與準(zhǔn)確度 121
8.3.1公式類(lèi)比 121
8.3.2定量準(zhǔn)確度 122
8.4參比強(qiáng)度法的限制與擴(kuò)展 123
8.5全譜擬合結(jié)構(gòu)精修法 124
8.5.1歷史發(fā)展 124
8.5.2Rietveld精修原理 125
8.5.3Rietveld物相定量原理 126
8.6Rietveld精修法定量實(shí)例 127
8.6.1測(cè)量圖譜和晶體文件輸入 128
8.6.2晶體基本參數(shù)編輯 129
8.6.3擬合參數(shù)編輯 132
8.6.4計(jì)算圖譜與深度編輯 132
8.6.5全譜擬合與定量 135
8.6.6結(jié)果輸出 136

第9章衍射線形分析 139
9.1衍射線形 140
9.2納米晶粒引起的半高寬 141
9.3微觀應(yīng)變引起的半高寬 144
9.4兩種效應(yīng)引起的綜合半高寬 144
9.5衍射線形與結(jié)晶度 146
9.6擬合分峰處理 147
9.6.1背景標(biāo)定 147
9.6.2擬合分峰 148
9.7結(jié)晶度的計(jì)算方法 149

第10章晶胞參數(shù)精密分析 151
10.1晶胞參數(shù)簡(jiǎn)介 152
10.2晶胞參數(shù)的計(jì)算方法 152
10.3計(jì)算偏差的來(lái)源 154
10.4計(jì)算偏差的控制 155
10.4.1機(jī)械校正 155
10.4.2測(cè)量方法校正 155
10.4.3外推函數(shù)法校正 156
10.5尋峰偏差 158
10.6“線對(duì)法”計(jì)算晶胞參數(shù) 159

第11章儀器維護(hù)與輻射安全 161
11.1硬件維護(hù) 162
11.1.1X射線管的日常維護(hù) 162
11.1.2水冷系統(tǒng)的日常維護(hù) 163
11.1.3測(cè)角儀的日常維護(hù) 164
11.1.4樣品臺(tái)的日常維護(hù) 164
11.2光路校準(zhǔn) 165
11.2.1單色器 165
11.2.2測(cè)角儀零點(diǎn) 166
11.2.3“切光法”光路校準(zhǔn) 167
11.3其他維護(hù) 169
11.4X射線的電離輻射 169
11.5電離輻射安全防護(hù) 170

第12章學(xué)習(xí)方法論 173
12.1常見(jiàn)概念與分類(lèi) 174
12.1.1散射與衍射 174
12.1.2布拉格角與衍射角 174
12.1.3物相分析與結(jié)構(gòu)解析 175
12.1.4理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐分析 175
12.2衍射測(cè)量經(jīng)驗(yàn)談 176
12.2.1關(guān)于X射線衍射儀 176
12.2.2關(guān)于應(yīng)用光路 177
12.2.3關(guān)于數(shù)據(jù)分析軟件 177
12.3學(xué)習(xí)歷程分享 178
12.4六級(jí)階梯 181

參考文獻(xiàn) 183