Рентгеноструктурный анализ углеродистых материалов

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 11 Августа 2014 в 14:46, доклад

Краткое описание

Рассмотрены возможности метода рентгеноструктурного анализа. Описано использование приемов РСА на примере изучения тонкой структуры ряда материалов, таких как аморфный пиролитический углерод, сажа, стеклоуглерод, технический графит, квазимонокристаллы графита, детонационные наноалмазы, порошки синтетических алмазов.

Скачать полностью (966.10 Кб) Сколько стоит заказать работу?
Прикрепленные файлы: 1 файл

Рентгеноструктурный анализ углеродистых материалов.pdf

— 1.01 Мб (Скачать документ)
Page 1
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Санкт-петербургский государственный технологический институт
(технический университет)»
(СПбГТИ(ТУ))
Кафедра технологии электротермических и плазмохимических производств
С.П.Богданов
РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ УГЛЕРОДИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ
методические указания
Санкт-Петербург
2013
Page 2

УДК 539.27:549.211/549.212
Богданов С.П. Рентгеноструктурный анализ углеродистых материалов: методические
указания. / С.П. Богданов - СПб.: СПбГТИ.- 2013. - 26 с.
В методических указаниях представлена лабораторная работа по определению тонкой
кристаллической структуры углеродных материалов методами рентгеноструктурного анализа
(РСА). Рассмотрены возможности метода рентгеноструктурного анализа. Описано использование
приемов РСА на примере изучения тонкой структуры ряда материалов, таких как аморфный
пиролитический углерод, сажа, стеклоуглерод, технический графит, квазимонокристаллы
графита, детонационные наноалмазы, порошки синтетических алмазов.
Методические указания предназначены для студентов и аспирантов специальности 240100
– Химическая технология. Методические указания направлены на развитие профессиональных
качеств:
-использовать знания о строении вещества (ПК-2),
- владеть основами методов исследования, анализа, диагностики и моделирования свойств
веществ (материалов) (ПК-3),
- уметь использовать на практике современные представления наук о материалах, о
влиянии микро- и нано- масштаба на свойства материалов, взаимодействии материалов с
электромагнитным излучением (ПК-7),
-использовать знание свойств химических соединений и материалов на их основе для
решения задач профессиональной деятельности (ПК-23).
Ил. 10, табл. 4, библиогр. 7 назв.
Рецензент: Е.А. Павлова канд. техн. наук, доцент каф. физической химии СПбГТИ(ТУ)
Методические указания утверждены учебно-методической комиссией факультета химии
веществ и материалов 21.02.2013 г.
Рекомендовано к изданию РИСо СПбГТИ(ТУ).
2
Page 3

СОДЕРЖАНИЕ
Введение ………………………………………………………………………………….…….…4
1. Теоретические основы рентгеноструктурного анализа углеродистых материалов...……...4
2. Лабораторная работа Рентгеноструктурный анализ углеродистых материалов ………17
2.1. Цель работы …………………………………………………………………………………17
2.2. Приборы и материалы ……………………………………………………………………....17
2.3. Порядок проведения работы ……………………………………………………………….17
2.4. Оформление результатов работы ………………………………………………………….24
2.5. Техника безопасности при проведении работы …………………………………………..24
2.6. Контрольные вопросы ……………………………………………………………………...25
Литература ……………………………………………………………………………………….26
3
Page 4

ВВЕДЕНИЕ
Любое твёрдое вещество имеет свою структуру – взаимное расположение атомов, молекул
или других структурных единиц. Структурные единицы могут быть уложены хаотично, либо
иметь какую-либо закономерность взаимного расположения. Особенности строения структуры и
её нарушения играют существенную роль в формировании функциональных свойств материалов.
1 Теоретические основы рентгеноструктурного анализа углеродистых
материалов
 Полимоморфизм (от греческого πολὺ - много, и μορφή - форма) – способность одного и
того же химического соединения существовать в нескольких кристаллических формах,
называющихся полиморфными. Несколько кристаллических форм может быть и у элементов.
Такое явление называется аллотропия (от греч. αλλος — другой, τροπος — поворот, свойство
 ) -
 существование одного и того же химического элемента в виде двух или нескольких простых
веществ, различных по строению и свойствам, т. н. аллотропических модификаций.
В настоящее время известны четыре макроскопические модификации углерода (таблица.1,
рисунки 1 и 2). Графит-1 и графит-II, - соответственно, гексагональный и ромбоэдрический
политипы, алмаз-1 и алмаз-II - кубический и гексагональный политипы. В таблице 1
представлены некоторые кристаллохимические характеристики различных модификаций
углерода: z - координационное число; l - кратчайшее межатомное расстояние; n - число атомов в
элементарной ячейке; а, c, V - ее параметры и объем; ρ - расчетная плотность.
Таблица 1 - Кристаллохимические характеристики различных модификаций углерода
 Модификация
Пространственная
группа
z
n
a, нм
с, нм
l, нм
V, 10
 -3
 нм
 3
 ρ, г/см
 3
 Графит-1
Графит-II
Алмаз-1
Алмаз-II
p63/mmc
 R
 3m
Fd3m
p63/mmc
3
3
4
4
4
6
8
4
0,24611
0,246
0,35670
0,252
0,67076
1,006
-
0,412
0,14210
0,142
0,15445
0,1545
35,2
52,7
45,4
22,7
2,265
2,26
3,515
3,51
Дефекты трёхмерных структур углеродистых материалов приводят к различной степени их
разупорядочения вплоть до аморфизованного состояния (рисунок 3). Кроме того, существует
множество структур построенных из атомов углерода (с различной гибридной конфигурацией
4
Page 5

электронов), имеющих хотя бы в одном измерении размер всего несколько атомных расстояний
– это наноаллотропы (таблица 2). Например: нульмерные - фуллерены, наноалмазы; одномерные
- нанотрубы и углеродные волокна; двумерные - графеновые сетки, алмазоподобные плёнки.
а
б
Рисунок 1- Кристаллическая решётка гексагонального (а) и ромбоэдрического (б) графита.
а
б
Рисунок 2 - Кристаллическая решётка кубического (а) и гексагонального (б) алмаза.
5
Page 6

Рисунок 3 - Структура стеклоуглерода.
Рентгеновские методы анализа широко используют для изучения твердых веществ. В
соответствии с целью анализа различают рентгенофазовый (РФА) и рентгеноструктурный
(PCА) анализы. Основной задачей РФА является идентификация составляющих образец фаз,
на основе
анализа
дифракционной картины, даваемой исследуемым образцом. Для
идентификации существует ряд картотек спектров, в которых можно найти характеристики
кристаллической решетки и рентгеновские спектры практически всех известных веществ
(таблицы 3 и 4, рисунки 4 и 5).
Каждый рефлекс на рентгенограмме образован в результате отражения от набора
плоскостей (hkl) кристаллической решётки образца. Набор таких отражающих плоскостей
зависит от типа кристаллической решётки, а местоположение рефлексов связано с расстоянием
между отражающими плоскостями. Межслоевое расстояние d
 hkl
 можно найти из уравнения
Вульфа-Брегга:
Θ
=
sin
*
2
*
 λ
 n
d
, (1)
где λ - длина вольны излучения (0,154178 нм для трубки с медным анодом);
Θ – угол отражения (угол центра тяжести рефлекса);
n – порядок отражения;
d – расстояние между отражающими плоскостями в кристалле.
6
Page 7

Таблица 2 - Основные наноаллотропы углерода и их характерные размеры.
Тип
наноаллотропов
Атомная модель
Характеристический размер
Фуллерены
Онионы
Нанотрубки
Многостенные
нанотрубки
Связки нанотрубок
Графеновая сетка
Наноалмазы
Минимальный фуллерен С
 20
 .
Наиболее стабильный С
 60
 .
Внешний диаметр 10 - 100 нм,
Внутренний диаметр 0,7 - 1 нм.
Диаметр 0,4 - 100 нм, типичный 1 - 10 нм,
Длина от 1 нм до нескольких мкм,
типичная 50 – 100 нм.
Внешний диаметр 2,5-30 нм,
Длина 10 - 100 нм.
От 10 до 1000 нанотрубок в связке.
Длина до нескольких десятков мкм.
10 – 15 нм.
От 1,8 до 4 – 5 нм.
7
Page 8

Таблица 3. Таблица пиков гексагонального графита.
Кристаллографические индексы
h
k
I
Межплоскостное
расстояние, нм
Относительная
интенсивность
рефлекса
0
1
1
1
0
1
1
1
1
1
0
2
1
3
1
0
2
1
2
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
0
0
0
1
1
2
0
1
2
4
3
4
0
2
5
6
1
4
3
7
8
5
6
1
0,33480
0,21270
0,20270
0,17950
0,16740
0,15398
0,13154
0,12280
0,11529
0,11333
0,11160
0,10503
0,09902
0,09601
0,08724
0,08370
0,08328
0,08259
0,07982
100
3
15
3
6,5
4
1
4
6
1
1
1
4
1
1
1
1
4
2
Таблица 4 - Таблица пиков кубического алмаза.
Кристаллографические индексы
h
k
I
Межплоскостное
расстояние, нм
Относительная
интенсивность
рефлекса
1
2
3
4
3
4
5
6
1
2
1
0
3
4
3
2
1
0
1
0
1
0
1
0
2.0500
1.2600
1.0700
0.8900
0.8100
0.6300
0.6000
0.5600
100
50
40
10
25
10
20
15
8
Page 9

Рисунок 4 - Эталонный спектр гексагонального графита.
Рисунок 5 - Эталонный спектр кубического алмаза.
9
Page 10

Так как интенсивность линий на рентгенограмме вещества зависит от ряда факторов, в том
числе от количества данного вещества в образце, то это дает возможность не только определить
качественный состав образца, но и найти количество того или иного вещества в смеси. Целью
количественного РФА является определение содержания твердого вещества в смесях
по
интенсивности его рефлексов на рентгенограмме.
Так как рентгеновское излучение рассеивается каждым отдельным атомом, то по форме
кривой отражения можно судить о закономерности распределения плотности вещества возле
атомных узлов. Таким образом, рентгеновский анализ позволяет исследовать структуру не только
кристаллических твёрдых материалов, но и аморфных твёрдых, жидких и даже газообразных
веществ. По характеру кривой отражения можно сделать заключение о степени совершенства
укладки атомных слоёв вещества и наличии дефектов, искажающих совершенную трёхмерную
упаковку.
Форма спектральных линий и их положение зависят от параметров тонкой кристаллической
структуры вещества, что является предметом изучения рентгеноструктурного анализа (РСА).
Для кристаллов с кубической решёткой размер элементарной ячейки – параметр «а» связан
с межплоскостными расстояниями d
 hkl
уравнением (2):
)
(
 2
2
2
 l
k
h
d
a
 hkl
 +
+
=
 ,
 (2)
где h, k, l – кристаллографические индексы отражающей плоскости.
Однако положение рефлекса на рентгенограмме зависит не только от d
 hkl
 , но и от ошибок
связанных с условиями съёмки и работы аппарата. Для устранения большинства самых грубых
ошибок достаточно иметь отражение от образца при угле Θ = 90 град. Но это не возможно. В
рентгеноструктурном анализе, для увеличения точности при определении параметров
кристаллической решётки используют способ экстраполяции полученных значений в область
Θ = 90.
На практике предложено несколько функций экстраполяции. Удобнее всего, чтобы
экстраполяционная линия была прямой. Для кристаллов с кубической кристаллической решёткой,
таких как алмаз, экстраполяция будет описываться прямой линией зависимости «а» от функции
Джей - cos
 2
 Θ /sin Θ (рисунок 6).
Метод экстраполяции позволяет рассчитать параметр «а» с точностью до 10
 -5
 нм.
Частицы твёрдого кристаллического вещества могут представлять собой как отдельные
кристаллы, так и их агрегаты, в свою очередь, любой кристалл (даже самый совершенный)
имеет дефекты внутреннего строения. Область в кристалле, не имеющая объёмных или линейных
10
Page 11

Рисунок 6 - Экстраполяция по Джей параметра «а» для алмаза.
дефектов, называется блоком, кристаллитом или областью когерентного рассеивания (ОКР).
Таким образом, все кристаллы построены из блоков различной величины. Внутри блока в
кристалле
возможны точечные дефекты, микронапряжения и другие виды искажений
кристаллической решётки. Вид дефектов и их концентрация определяют особенности тонкой
кристаллической структуры твёрдого материала, они могут оказывать существенное влияние на
химическую активность вещества, на его физические свойства.
Реальная блочная структура кристалла приводит к тому, что пики вещества на
рентгенограмме размываются по закону Селякова-Шеррера:
Θ
Θ
=
cos
)
2(
 β
λ
 k
L
, (3)
где L –размер блоков (нм.);
β – уширение рефлекса на половине его высоты (рад2Θ);
Θ – положение центра тяжести рефлекса (градΘ);
к – коэффициент, зависящий от формы блоков.
Так как коэффициент к зависит от формы блоков, которая, как правило, точно не известна,
то для симметричных рефлексов удобно принять к = 1. В этом случае L принято называть
средним эффективным размером блоков.
Рефлексы (hk) для двумерных структур имеют сильную ассиметрию; интенсивность резко
падает в сторону малых углов и медленно спадает в сторону больших (рисунки 7, 8). В
соответствии с теорией Уоррена, для двумерных и турбостратных структур при расчете размера
слоёв по отражениям (hk) и (hk0) следует принять к = 1,84.
11
Page 12

1 – плёнка пиролитического аморфного углерода, 2- сажа ПМ-75, 3 – стеклоуглерод СУ-2000
Рисунок 7 - Спектры углеродистых материалов с различной степенью упорядоченности.
1 – УДА, 2- ПДА, 3 – АСМ.
Рисунок 8 - Спектры различных марок алмазов.
12
Page 13

Кроме размеров блоков к размытию пика приводит и ряд других дефектов структуры, а так
же неидеальный характер самого рентгеновского излучения (его не монохромотичность,
расхождение пучка и т.п.) и ошибки в работе прибора. Поэтому для того, чтобы воспользоваться
уравнением (3) необходимо сначала выделить уширение рефлекса, обусловленное именно
блочным строением кристалла (β). В случае если размытие пика на рентгенограмме
происходит только от блочной структуры и от инструментальных эффектов, тогда, можно
использовать в качестве эталона вещество с размером блоков более 100 нм и не имеющего
других дефектов, приводящих к размытию линий. Для него можно пренебречь эффектом
размытия, обусловленного размером блоков, и тогда для этого эталона всё размытие пика будет
зависеть только от инструментальных эффектов.
Если профиль рефлекса на рентгенограмме аппроксимировать кривой Гаусса, тогда при
наложении двух эффектов:
B
 2
 = b
 2
+ β
 2
, (4)
где B – ширина рефлекса образца;
b - ширина рефлекса эталона, обусловленная только инструментальными эффектами;
В качестве эталона для изучения блочной структуры удобно использовать корунд
α-Al
 2
 O
 3
. Для этого его снимают в том же режиме, что и изучаемый образец.
Так как в рентгеновском излучении присутствует две серии волн с λ
 1
 = 0,154051 нм
и λ
 2
 = 0,154433 нм (
 154178
.0
3
2
 2
1
 =
+
=
 λ
λ
λ
 ср
 нм), то одна и та же система плоскостей
эталона даёт два пика, и рефлекс на рентгенограмме представлен в виде дуплета, что
говорит о весьма большом размере блоков корунда. В качестве величины «b» удобно
использовать ширину левой ветви рефлекса эталона от Кα1 – серии (λ
 1
 = 0,154051 нм).
Но кроме размеров блоков на уширение рефлексов влияет и ряд других дефектов
кристаллической структуры вещества. Например, микронапряжения –
Δ
 а/а.
Так как размер блоков обратно пропорционален cos Θ, а величина микронапряжения
обратно пропорциональна tg Θ, то эти эффекты можно разделить.
L = λ/β
 1
 cos Θ
(5)
2
 Δ
 a/a = β
 2
 /tg Θ,
(6)
где β
 1
- ширина линии, обусловленная только малыми размерами блоков,
β
 2
 – ширина линии, обусловленная только микронапряжениями.
13
Page 14

Для разделения влияния размера блоков и микронапряжений на физическое уширение
линии в кристаллах с кубической кристаллической решёткой используют графический метод.
Строят зависимости
 2
2
 cos
/1
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
Θ
=
 λ
β
 L
 от
(sinΘ/λ)
 2
. По уравнению полученной прямой
можно найти «очищенное» значение L в точке (sinΘ/λ)
 2
= 0. А тангенс угла наклона прямой
даст
 Δ
 a/a (рисунок 9).
Рисунок 9 - Метод экстраполяции для разделения влияния размера блоков и
микронапряжений на физическое уширение линии.
Дефекты в частично трёхмерно упорядоченных графитовых структурах
Важнейшей характеристикой совершенства трёхмерных слоистых структур, является
степень трёхмерной упорядоченности, которую определяют как
 N
N
 P
 3
 3
 =
 , (7)
где N
 3
– число слоёв в кристаллите, ориентированных закономерно,
N – общее число слоёв в кристаллите.
Для графита Касаточкиным В.И. и Каверовым
А.Т. экспериментально установлена
14
Page 15

зависимость Р
 3
от соотношения интенсивностей рефлексов (112) и (110) - I
 112
 / I
 110
(рисунок 10).
Рисунок 10 - Зависимость Р
 3
от соотношения интенсивностей рефлексов (112) и (110).
Нарушения трёхмерного порядка в слоистых структурах, связанные с параллельным
смещением слоёв в произвольные положения, можно рассматривать как своеобразные дефекты
упаковки. Дефекты упаковки приводят к нарушениям в закономерной укладке (ABAB…)
графитовых сеток. Различают три вида таких дефектов.
Деформационные дефекты упаковки приводят к нарушению укладки слоёв по типу
(ABABCACAC…). Т.е. плоскость дефекта смещается из положения В в эквивалентное положение
С, характерное для ромбоэдрической кристаллической решётки. Концентрацию деформационных
дефектов обозначают - α,
Дефекты упаковки роста приводят к нарушению укладки слоёв по типу (ABABCBCBC…).
Т.е. плоскость дефекта смещается из положения А в эквивалентное положение С. Концентрация
дефектов упаковки роста - δ.
15
Page 16

Турбостратные дефекты приводят к смещению и повороту слоёв, при этом положение
слоя не имеет точной позиции, соответствующей структуре графита. Область дефекта можно
рассматривать как два параллельных, повёрнутых относительно друг друга слоя. Концентрацию
турбостратных дефектов обозначают – γ.
Все описанные типы дефектов упаковки приводят к размытию рефлексов на
рентгенограмме. Но каждый вид дефекта по-своему влияет на уширение линии
 β
 (α,δ,γ)
с
различными индексами (hkl).
Θ
−
=
tg
t
t
l
d
 hkl
 1
8,
2
 2
)
,
.
(
 γ
δ
α
 β
 , (8)
где t = 1 - (3α + 3δ + 2γ)/2 для h - k ≠ 3n, l = 2n, l ≠ 0, например рефлекс (102),
t = 1 - (3α + δ + 2γ)/2 для h - k ≠ 3n, l = 2n + 1, l ≠ 0, например рефлекс (101),
t = 1 - γ
для h - k = 3n, l = 2n, l ≠ 0, например рефлекс (112).
Таким образом, если измерить уширение, обусловленное только дефектами упаковки
 β
 (α,δ,γ)
 ,
для трёх линий (102), (101) и (112) и решить систему трёх уравнений, можно рассчитать
концентрации всех дефектов упаковки, в образце графита. В качестве эталонных рефлексов,
размытых только из-за малого размера блоков, можно использовать отражения с индексами (100),
(110).
Этот метод анализа целесообразно применять для относительно совершенных структур
(Р
 3
 > 0,5), так как при меньшей упорядоченности структуры линии (h0l) слишком размыты. Если
достаточно определить только концентрацию турбостратных дефектов упаковки γ, то, измеряя
уширение линии (112) можно изучать весьма разупорядоченные материалы с Р
 3
 = 0,2 – 0,3.
16
Page 17

2 Лабораторная работа «Рентгеноструктурный анализ углеродистых
материалов»
2.1 Цель работы
С помощью метода
РСА изучить структуру ряда углеродистых материалов, таких как
аморфный
пиролитический
углерод,
сажа,
стеклоуглерод,
технический
графит,
квазимонокристаллы графита, детонационные наноалмазы, порошки синтетических алмазов.
2.2 Приборы и материалы
Дифрактометр рентгеновский ДРОН-3.
Персональный компьютер с программой DIFWIN1.
Набор углеродистых материалов:
- аморфный пиролитический углерод,
- сажа печная масляная ПМ-75,
- стеклоуглерод СУ-2000,
- графит ЭГ-0,
- коллоидный графит,
- квазимонокристалл графита,
- детонационные наноалмазы ДНА, ПДА
- микропорошок синтетических алмазов АСМ.
2.3 Порядок проведения работы
Для рентгеноструктурного анализа на дифрактометре ДРОН-3 необходимо взять пробу
исследуемого образца в количестве одного грамма и набить им кювету.
Съёмка рентгенограммы
Работу на дифрактометре ДРОН-3 проводит преподаватель. Включите прибор и
установите режимы его работы в соответствие с инструкцией по эксплуатации. Установите
начальный угол гониометра 10 град2Θ. Установите кювету с образцом в держатель гониометра.
Учащиеся работают с программным управлением дифрактометра - «DIFWIN1».
1. Запустите программу DIFWIN1 при помощи кнопки «DIFWIN1» на рабочем столе.
2. Включите «Окно запуска автоматического режима съёмки».
17
Page 18

Установите следующие параметры режима съёмки:
Начальный угол 10 град2Θ;
Конечный угол 120 град2Θ для графитовых структур или 150 град2Θ для алмазных структур;
Режим съёмки – непрерывный;
Шаг по углу 0,02 град2Θ;
Экспозиция 0,3 с;
Угловая скорость движения счётчика 4 град/мин
и запустите процесс съёмки рентгенограммы, нажав кнопку «запустить».
3. Контролируйте запись рентгенограммы в реальном времени.
18
Page 19

4. После окончания съёмки выведите полученную рентгенограмму из памяти блока
регистрации в окно программы «DIFWIN1».
5. Выберите команду «Файл» и сохраните полученную рентгенограмму на компьютере в
формате «.txt».
Обработка спектра с помощью программы DIFWIN1
1. Запустите программу DIFWIN1 при помощи кнопки «DIFWIN1» на рабочем столе.
2. Проигнорируйте сообщение (оно появляется в автономном режиме при выключенном
дифрактометре),
нажав «ОК».
19
Page 20

3. В открывшемся окне программы выберите функцию «файл» и «загрузите», выбранную
для обработки рентгенограмму, указав путь к ней и нажав кнопку «открыть».
4. Нажмите кнопку «Рисование линии фона вручную»,
и с помощью «мыши» (при нажатой левой кнопке) проведите линию фона. Дважды щёлкните
левой кнопкой «мыши» по кнопке «Рисование линии фона вручную», для сохранения результата.
5. Нажмите кнопку «Создать таблицу пиков».
Над каждым пиком появится значение межплоскостного расстояния, соответствующего этому
пику. Если программа определила лишние пики (приняв за пики флуктуации фона), тогда в окне
рядом с кнопкой «Создать таблицу пиков» надо увеличить числовое значение. Если программа
20
Page 21

увидела не все, необходимые вам пики, тогда в окне рядом с кнопкой «Создать таблицу пиков»
надо уменьшить числовое значение. После этого повторите команду «Создать таблицу пиков».
Подбирая чувствительность, добейтесь нужного определения пиков.
6. Запустите «Окно редактирования параметров пика».
7. При нажатой левой кнопке «мыши», выделите выбранный для обработки пик.
21
Page 22

Для изучения материалов, содержащих графитовые сетки, выберите рефлекс (002)
расположенный в районе 26 град2Θ. Для алмазных структур используйте все имеющиеся
рефлексы.
Внутри выбранного пика программа прорисует профили отражений Kα1 (зелёного цвета) и
Kα2 (синего цвета).
8. Нажмите кнопку «Показать суммарную линию».
Внутри выбранного пика появится суммарный профиль Kα1 и Kα2 отражений (белого цвета).
9. Изменяя высоту (значения в окне кнопки «АМ»), ширину левой ветви (значения в окне
кнопки «ПЛ») и ширину правой ветви (значения в окне кнопки «ПП», добейтесь совпадения
построенного профиля, с профилем рефлекса на рентгенограмме.
При необходимости профиль можно двигать влево и вправо, изменяя значения угла (в окне
кнопки «УГ»).
22
Page 23

10. Запишите параметры полученного профиля.
«ПЛ» - ширина левой ветви профиля на половине его высоты в градусах 2θ.
«ПП» - ширина правой ветви профиля на половине его высоты в градусах 2θ.
«УГ» - положение центра тяжести профиля в градусах 2θ.
11. Если принято, что профиль должен быть симметричным, тогда нажмите кнопку «СМ».
Левая и правая ветви профиля будут иметь одинаковую ширину.
12. Закройте
«Окно редактирования параметров пика» и выйдите из программы
«DIFWIN1».
Расчет параметров структуры образцов слоистых графитовых материалов
1. Используя полученные при обработке рентгенограммы значения B для отражений (002)
(ширина рефлекса образца, обусловленная как блочной структурой, так и инструментальными
эффектами) и известные значениями b (ширина рефлекса эталона, обусловленная только
инструментальными эффектами) рассчитайте β (уширение рефлекса на половине его высоты
(рад2Θ)) по уравнению (4).
Для рентгенограммы снятой при выбранных выше параметрах для диапазона углов
от 20 до 28 град2Θ принимаем b = 0,003 рад2Θ.
2. Используя уравнение Селякова-Шеррера (3) рассчитайте кажущийся размер блоков.
3. Используя уравнение Вульфа-Брегга
(1) рассчитайте расстояние между слоями
углеродных сеток (002).
4. Сравните спектры изученных образцов и определите, какую структуру имеют эти
материалы.
Расчет параметров структуры образцов алмазных материалов
1. Используя полученные при обработке рентгенограммы значения B для отражений (111),
(220), (311), (400) и (331) (ширина рефлекса образца, обусловленная как блочной структурой, так
и инструментальными эффектами) и известные значениями b (ширина рефлекса эталона,
обусловленная только инструментальными эффектами), рассчитайте β (уширение рефлекса за
счёт физических эффектов) по уравнению (4).
Для рентгенограммы снятой при выбранных выше параметрах для диапазона углов
от 20 до 160 град2Θ принимаем b(рад2Θ) = 3,35*10
 -3
 – 2Θ(град) *1,76*10
 -5
 .
23
Page 24

4. Используя уравнения (1) и (2) рассчитайте параметр «а» по различным отражениям
кристаллической решётки алмазных образцов.
5. Методом графической экстраполяции найдите исправленное значение параметра «а»
кристаллической решётка алмаза.
6. Рассчитайте 1/L
 2
=
2
 cos
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
Θ
 λ
β
 и постройте зависимость её от (sinΘ/λ)
 2
 .
7. Найдите величину среднего эффективного размера блоков и величину микронапряжений
в кристаллической решётке образцов.
8. Сравните структуру изученных образцов.
Расчет концентрации турбостратных дефектов упаковки в графитовых структурах
1. Используя полученные при обработке рентгенограммы значения B для отражений (100),
(110) и (112) рассчитайте β
 112
 (уширение рефлекса, обусловленное наличием турбостратных
дефектов упаковки) по уравнению (4). В качестве эталонов используйте B
 B
 100
 и B
 110
B
 .
2. Используя уравнения (8) сосчитайте γ и Р
 3
 = 1 – γ.
3. Определите Р
 3
 , используя соотношение интенсивностей рефлексов (112) и (110) и
график на рисунке 9.
4. Сравните значения степени трёхмерной упорядоченности, полученные по двум разным
методикам.
2.4 Оформление результатов работы
Результаты лабораторной работы представляют в виде набора исходных данных,
полученных после первичной обработки спектра и результатов расчета параметров структуры
изученных образцов.
Выводы по работе должны содержать заключение о степени совершенства структуры
изученных материалов.
2.5 Техника безопасности при проведении работы
Безопасность работы на установке ДРОН-3 обеспечивается соблюдением правил
«Инструкции по охране труда и радиационной безопасности при работе с источниками
низкоэнергетического рентгеновского излучения» № 270 от 19.01.2000 г.
24
Page 25

2.6 Контрольные вопросы
1. Что такое полиморфизм?
2. Какие известны полиморфные модификации углерода?
3. Какие вы знаете углеродистые наноматериалы?
4. Чем отличается рентгеноструктурный анализ от рентгенофазового анализа?
5. Почему на рентгенограммах линии всегда размыты?
6. Как размер блоков влияет на форму рефлекса?
7. Какие дефекты структуры приводят к размытию рефлексов на рентгенограмме?
8. Зачем нужны эталоны при изучении образцов методом РСА?
9. Можно ли методами РСА изучать структуру не кристаллических тел?
10. Как дефектность структуры вещества влияет на его химические и физические свойства?
25
Page 26

ЛИТЕРАТУРА
1. Беленков, Е.А. Наноалмазы и родственные углеродные материалы. Компьютерное
материаловедение. / Е.А. Беленков, В.В. Ивановская, А.Л. Ивановский. – Екатеринбург.: УрО
РАН, 2008. – 169 с.
2. Дьячков, П.Н. Углеродные нанотрубки: строение, свойства, применение / П.Н. Дьячков. –
М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. – 294 с.
3. Долматов, В.Ю. Ультрадисперсные алмазы детонационного синтеза: получение, свойства,
применение / В.Ю. Долматов. - СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2003. – 344 с.
4. Ковба, Л.М. Рентгенофазовый анализ. / Л.М. Ковба, В.К. Трунов, М.: Московский
университет, 1969. – 160 с.
5. Китайгородский, А.М. Рентгеноструктурный анализ мелкокристаллических и аморфных
тел./ А.М. Китайгородский - М. – Л.: ГОСТЕХиздат, 1952. – 588 с.
6. Липсон, Г. Интерпретация порошковых рентгенограмм./ Г. Липсон, Г. Стипл. - М.: Мир,
1972. – 384 с.
7. Курдюмов, А.В. Фазовые превращения в углероде и нитриде бора./ А.В. Курдюмов, А.Н.
Пилянкеви. - Киев: Наукова думка, 1979. – 188 с.
26
Page 27

Кафедра технологии электротермических и плазмохимических
производств
Методические указания
Рентгеноструктурный анализ углеродистых материалов
Сергей Павлович Богданов
 Отпечатано с оригинал-макета. Формат 60х90
 . 1/16
 Печ. л. 1,7 Тираж 25 экз.
Санкт-Петербургский государственный технологический институт
(Технический университет)
198013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26
Типография издательства СПбГТИ(ТУ) т. 49-49-365
 27

Информация о работе Рентгеноструктурный анализ углеродистых материалов