X射线分析在材料研究中的最新应用
摘要：阐述了x射线的产生原理，x射线衍射分析内容及其在材料分析中的应用。 关键词：X射线衍射；材料分析；应用。
对于物质结构的分析尽管可采用中子衍射、电子衍射、红外光谱等分析方法，但是X射线衍射是最有效和应用最广泛的手段。
工作原理
X射线是原子内层电子在高速运动电子的轰击下跃迁而产生的光辐射，主要有连续X射线和特征X射线两种。晶体可被用作X光的光栅，这些很大数目的原子或离子/分子所产生的相干散射将会发生光的干涉作用，从而影响散射的X射线的强度增强或减弱。由于大量原子散射波的叠加，互相干涉而产生最大强度的光束称为X射线的衍射线。
满足衍射条件，可应用布拉格公式：2dsinθ=λ应用已知波长的X射线来测量θ角，从而计算出晶面间距d，这是用于X射线结构分析；另一个是应用已知d的晶体来测量θ角，从而计算出特征X射线的波长，进而可在已有资料查出试样中所含的元素。
当X射线以掠角θ(入射角的余角)入射到某一点阵平面间距为d的原子面上时,在符合上式的条件下，将在反射方向上得到因叠加而加强的衍射线。布喇格定律简洁直观地表达了衍射所必须满足的条件。当 X射线波长λ已知时(选用固定波长的特征X射线)，采用细粉末或细粒多晶体的线状样品,可从一堆任意取向的晶体中，从每一θ角符合布喇格条件的反射面得到反射,测出θ后，利用布喇格公式即可确定点阵平面间距、晶胞大小和类型;根据衍射线的强度,还可进一步确定晶胞内原子的排布。这便是X射线结构分析中的粉末法或德拜-谢乐(Debye—Scherrer)法的理论基础。而在测定单晶取向的劳厄法中，所用单晶样品保持固定不变动（即θ不变）,以辐射束的波长作为变量来保证晶体中一切晶面都满足布喇格条件,故选用连续X射线束。如果利用结构已知的晶体，则在测定出衍射线的方向θ后,便可计算X射线的波长，从而判定产生特征X射线的元素。这便是X射线谱术,可用于分析金属和合金的成分。
X射线照射晶体，晶体中电子受迫振动产生了晶体的衍射波，衍射方向(衍射线在空间分布的方位)和衍射强度是据以实现材料结构分析等工作的2个基本特征．X射线衍射具有无损和结构分析的优点，由它的衍射图谱可进行如下基本分析：①固体有哪些物质组成(物相定性分析)；②固体中各物相含量组成(物相定量分析)；③有多大量的物质是结晶态(结晶度)；④ 固体中多大应力(残余应力分析)；⑤构成固体的晶粒大小及分布(晶粒分析)；⑥构成固体的晶粒取向(组织结构分析)。
X射线分析的发展
金属X射线分析由于设备和技术的普及已逐步变成金属研究和材料测试的常规方法。早期多用照相法，这种方法费时较长，强度测量的精确度低。50年代初问世的计数器衍射仪法具有快速、强度测量准确，并可配备计算机控制等优点，已经得到广泛的应用。但使用单色器的照相法在微量样品和探索未知新相的分析中仍有自己的特色。从70年代以来，随着高强度X射线源（包括超高强度的旋转阳极X射线发生器、电子同步加速辐射,高压脉冲X射线源）和高灵敏度探测器的出现以及电子计算机分析的应用，使金属 X射线学获得新的推动力。这些新技术的结合，不仅大大加快分析速度，提高精度，而且可以进行瞬时的动态观察以及对更为微弱或精细效应的研究。
X射线分析的新应用
杨晓东、张景文等人利用激光分子束外延(L-MBE)技术在α-Al2O3(0001)衬底上生长出了沿C轴高度择优取向的ZnO外延薄膜,并采用Philips四晶高分辨X射线衍射仪(Philip′s X′Pert HR-MRD)对ZnO薄膜的表面及结构特性进行了研究.应用小角度X射线分析方法(GIXA)对ZnO薄膜的表面以及ZnO/Al2O3界面状况进行了定量表征.X射线反射率(XRR)曲线出现了清晰的源于良好表面及界面特性的Kiessig干涉振荡峰,通过对其精确拟合求得ZnO薄膜的表面及界面粗糙度分别为0.34nm和1.12nm.ZnO薄膜与α-Al2O3(0001)衬底的XRD在面(in-plane)Φ扫描结果表明形成了单一的平行畴(Alignedin-plane Oriented Domains),其在面外延关系为ZnO[1010]||Al2O3[1120].XRDω-2θ扫描以及ω摇摆曲线半峰宽分别为0.12度和1.27度,这一结果表明通过形成平行畴及晶格驰豫过程,ZnO薄膜中的应力得到了有效的释放,但同时也引入了螺位错。
侯克斌、葛良、全程锋等人探讨了Th、Sr元素与U伴生的地质学依据以及伴生元素的存在对U含量的FPXRF分析的干扰机理:铀样品中Th、Sr元素的影响主要表现为FPXRF仪器谱上ThLα和SrKα特征X射线对ULα特征X射线的干扰，其中也用到X射线分析技术。结果表明,采用U、Th、Sr多元回归模型能有效地校正谱线重叠干扰,应用FPXRF分析铀矿样品中铀含量与推荐值相对误差控制在一定范围内,基本满足野外生产要求。
文献3论述了玻璃及其原料的化学分析结果准确度在玻璃质量控制中的重要性,介绍了玻璃及其原料的标准化学分析方法,并将国内现行的国家标准或行业标准与国外先进国家同类标准进行了比较。并认为 SX射线荧光分析在玻璃生产中的应用X射线分析技术是一种常规分析手段。
文献4综述了乙烯齐聚制α-烯烃镍系催化剂的研究新进展。讨论了均相镍催化剂配体的种类、空间结构和性质,多相镍催化剂载体的结构、性质及镍阳离
子价态等对乙烯齐聚反应的影响,并对镍系催化剂活性中心及反应中间物形成的催化反应机理进行了阐述。提出了设计合成具有适宜电子效应、空间结构和介电稳定性的配体是均相镍催化剂的研究重点;而开发新型载体及能够保持活性中心稳定性的添加组分则是多相镍催化剂的研究重点。
论文五以亚磷酸，有机膦酸作为磷源，在常温体系和水热体系中，成功合成了两个亚磷酸盐化合物和七个有机膦酸盐化合物，用XRD，IR，TG-DTA等测试手段对所合成的化合物进行了表征，并应用单晶X-射线分析仪对所合成的晶体作了结构解析。
文献六介绍了常用X射线分析技术的基本原理,从晶体结构表征、粒径大小计算、表面元素分析等几方面概述了x射线分析技术在量子点材料分析中的应用进展。
质子激发X射线分析方法是瑞典人约翰逊在19xx年首先提出来的。由于它具有灵敏度高、取样少、无损伤、快速、适用范围广等特点,使它在十余年中在生物医学、环境科学、地质、冶金、考古学和法学等领域得到了广泛的应用。文献七应用质子激发X射线分析方法分析了人发中的微量元素，这相当于x射线在分析人发中的应用。
文献六也是对x射线的一种应用。锂系铁氧体是一种廉价的矩磁和旋磁材料。具有高矩形比和高居里温度等优点,它的磁化强度可通过非磁性离子的替代在很宽的范围内调节,其烧结温度在加铋情况下,可降至1000℃以下,大大低于其它铁氧体的烧结温度,因而引起人们的兴趣,在很多方面得到广泛的应用。为获得性能良好的材料,除了考虑合适的成分配比外,烧结也是极为重要的环节,它直接关系到能否形成所希望的组织结构。因此,研究锂系铁氧体的固相反应具有重要的意义。本文对锂铁氧体的固相反应进行了研究,观察了它的生成过程和烧结过程的变化,同时研究了锂系铁氧体的晶格常数随温度和成分的变化关系,讨论了锌离子Zn~(2+)的取代对自旋倾斜的影响[6]。
除了上述常用的一些X射线衍射分析方法外,还有点阵常数测定、结构测定、单晶定向等分析方法，在研究热处理、相变、加工形变等对金属材料组织和性能的影响方面具有重要的作用。
综上所述，x射线衍射在材料分析中具有广泛的应用．它不仅可以用来进行材料的物相分析和残余应力的分析，还可以对材料的结晶度、微晶大小以及晶体取向进行测定．随着技术手段的不断创新和完善，x射线衍射在材料分析领域必将有更广阔的发展前景
参考文献：
1. 杨晓东; 张景文; 毕臻; 贺永宁; 侯洵 ZnO的激光分子束外延法制备及X
射线研究 光子学报 第37卷第3期 Vol.37No.3.
2. 侯克斌,葛良,全程锋.铀矿样FPXRF分析中Th、Sr的影响与校正.广东微量
元素科学20xx年第17卷第3期.
3. 张国利，冯霄，张君涛。乙烯齐聚制α-烯烃镍系催化剂 .化学进展，第20
卷第78期，Vol.20No.78。
4. 张卫海，张吉，夏明星等。山东化工20xx年第40卷
5. 刘平生，张润华，冯应混，张振馨，因沙。用质子激发射线分析方法进行人
发微量元素的分析研究.
6. 尹光俊; 廖绍彬; 周丽年; 刘进。锂铁氧体固相反应的差热分析和高温X射
线分析 。 Journal of Maghetic Materials and Deveices，19xx年 01期 。