X射線散射技術(shù)

X射線散射

X射線散射是指：X射線打到墻壁或者別的其他物體,會與其原子發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)或者電子對效應(yīng),會使光子向不同方向傳播，從而形成散射線的過程。

X射線散射可用以研究材料內(nèi)部原子或電子的動力學性質(zhì)。例如，原子的熱振動、電子的運動方式、電子和原子核之間的相互作用、電子和電子間的相互作用過程等一系列的問題。這些動力學過程就是材料宏觀上的熱、電、磁等性質(zhì)在微觀下的表現(xiàn)形式，通過對它們的研究，可幫助和促進我們理解材料的性質(zhì)，指導(dǎo)我們尋找更加適于應(yīng)用的材料。

X射線散射是現(xiàn)代凝聚態(tài)物理研究的重要手段，它們的實現(xiàn)是依賴于大型科學裝置（如同步輻射和核反應(yīng)堆等）提供X射線光源。已經(jīng)建成的中國上海光源就是為此服務(wù)的。

光的散射原理圖

X射線散射是X射線衍射的基礎(chǔ)，X射線散射現(xiàn)象分為兩種，包括X射線相干散射和小角X射線散射

X射線相干散射

X射線相干散射是入射X射線光子同晶體原子中與核結(jié)合較緊的電子進行彈性碰撞產(chǎn)生。這種散射的X射線僅改變方向，無能量損失，波長和位相與入射X射線相同。它是X射線衍射的基礎(chǔ)。

小角X射線散射

小角X射線散射（SAXS）是指當X射線透過試樣時，在靠近原光束2°～5°的小角度范圍內(nèi)發(fā)生的散射現(xiàn)象。早在1930年，Krishnamurti就觀察到炭粉、炭黑和各種亞微觀大小的微粒在X射線透射光附近出現(xiàn)連續(xù)散射現(xiàn)象。

小角X射線散射是一種區(qū)別于X射線大角（2θ從5 ～165 ）衍射的結(jié)構(gòu)分析方法。一種區(qū)別于X射線大角（2θ從5 ～165 ）衍射的結(jié)構(gòu)分析方法。利用X射線照射樣品，相應(yīng)的散射角2θ?。? ～7 ），即為X射線小角散射。用于分析特大晶胞物質(zhì)的結(jié)構(gòu)分析以及測定粒度在幾十個納米以下超細粉末粒子（或固體物質(zhì)中的超細空穴）的大小、形狀及分布。對于高分子材料，可測量高分子粒子或空隙大小和形狀、共混的高聚物相結(jié)構(gòu)分析、長周期、支鏈度、分子鏈長度的分析及玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的測量。

小角X射線散射被越來越多地應(yīng)用于材料微觀結(jié)構(gòu)研究，其研究趨勢逐年增長。小角X 射線散射技術(shù)被用來表征物質(zhì)的長周期、準周期結(jié)構(gòu)、界面層以及呈無規(guī)則分布的納米體系；還可用于金屬和非金屬納米粉末、膠體溶液、生物大分子以及各種材料中所形成的納米級微孔、合金中的非均勻區(qū)（GP區(qū)）和沉淀析出相尺寸分布的測定；對非晶合金加熱過程的晶化和相分離的小角X射線散射研究已引起學者的關(guān)注。了解小角X射線散射技術(shù)對促進材料研究具有重要意義。

X射線散射在高分子材料中的應(yīng)用

在天然的和人工合成的高聚物中，普遍存在小角X射線散射現(xiàn)象，并有許多不同的特征。小角X射線散射在高分子中的應(yīng)用主要包括以下幾個方面：①通過Guinier散射測定高分子膠中膠粒的形狀、粒度以及粒度分布等；②通過Guinier散射研究結(jié)晶高分子中的晶粒、共混高分子中的微區(qū)（包括分散相和連續(xù)相）、高分子中的空洞和裂紋形狀、尺寸及分布等；③通過長周期的測定研究高分子體系中片晶的取向、厚度、結(jié)晶百分數(shù)以及非晶層的厚度等；④高分子體系中的分子運動和相變；⑤通過Porod－Debye相關(guān)函數(shù)法研究高分子多相體系的相關(guān)長度、界面層厚度和總表面積等；⑥通過強度的測量，測定高分子的分子量。

1.離聚體

離聚體是指共聚物中含有少量離子的聚合物。由于高分子鏈存在著離子化的側(cè)基，可形成離子聚合體，從而使此類聚合物具有獨特的結(jié)構(gòu)和性能。小角X射線散射技術(shù)還可用于嵌段共聚物、膠體高分子溶液以及生物大分子等研究領(lǐng)域，用來測量分子量、粒子旋轉(zhuǎn)半徑以及形變和取向等。

2.結(jié)晶聚合物

所謂結(jié)晶聚合物，實際都是部分結(jié)晶，其結(jié)晶度一般在50%以下。小角X射線散射研究發(fā)現(xiàn)，高結(jié)晶度的線性聚乙烯、聚甲醛和聚氧化乙烯等聚合物的散射曲線尾部服從Porod定理，表明近似于理想兩相結(jié)構(gòu)。但是，大多結(jié)晶度較低聚合物的散射曲線顯示出尾部迅速降低，偏離Porod定理，表明晶相與非晶相之間存在過渡層。

X射線散射在無機材料中的應(yīng)用

1.合金中的析出相

早在1938年，Guinier就已經(jīng)用小角X射線散射技術(shù)研究合金中的非均勻區(qū)（現(xiàn)稱作GP區(qū)），揭示了一些亞穩(wěn)分解產(chǎn)物。如今小角X射線散射技術(shù)被越來越多地用于合金時效過程的研究，從而進行相變動力學研究等。

在形核階段，析出相半徑變化很??；在長大過程中，析出相基本滿足拋物線長大規(guī)律；在粗化階段，析出相半徑變化滿足LSW 定律。于此同時，還發(fā)現(xiàn)在形核階段含鋰和不含鋰兩種鋁合金析出相半徑隨時效時間變化的差距較小，隨時效時間的延長，兩者之間的差距逐漸變大。由此說明鋰抑制了析出相的長大和粗化進程。

利用原位小角X射線散射觀察Fe－25%Co－9%Mo（原子分數(shù)）合金在不同時效溫度和時間下析出相的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，淬火態(tài)試樣的小角X射線散射強度隨散射矢量的增大而遞減并逐漸趨于一個常數(shù)，這說明材料是非常均勻的；隨著時效時間的延長，散射強度出現(xiàn)了明顯的增強，在h=2．4nm－1處出現(xiàn)了峰值，說明有小的析出物出現(xiàn)。隨著時效時間的延長，其Z大散射強度的位置逐漸由2．4nm－1移動到1．3nm－1，表明析出物不斷長大，且數(shù)量也在不斷增加。

2.納米顆粒

小角X射線散射技術(shù)被廣泛用來測定納米粉末的粒度分布，其粒度分析結(jié)果所反映的既非晶粒亦非團粒，而是一次顆粒的尺寸。在測定中參與散射的顆粒數(shù)一般高達數(shù)億個，因此，在統(tǒng)計上有充分的代表性。

通過對Guinier曲線低角區(qū)域線性部分的擬合，得到試樣中氧化鋁顆粒的旋轉(zhuǎn)半徑約為6nm，表明在無機納米雜化薄膜體系中，納米顆粒未發(fā)生團聚現(xiàn)象。通過觀察Porod曲線發(fā)現(xiàn)，隨散射矢量h值的增大，曲線趨于水平直線。根據(jù)小角X射線散射理論中的Porod定律可知，該復(fù)合薄膜中納米顆粒與基體間的界面明確，說明薄膜中的PI分子鏈與無機納米顆粒間并未發(fā)生相互擴散、滲透以及纏結(jié)等現(xiàn)象。無機納米顆粒與有機分子鏈主要是通過化學鍵錨定在一起，此界面結(jié)構(gòu)與經(jīng)典的有機與無機相結(jié)合的化學鍵理論相一致。

3.非晶合金

非晶合金也稱金屬玻璃，它是急冷得到的亞穩(wěn)定合金，在加熱過程中會產(chǎn)生一系列的轉(zhuǎn)變，逐漸由亞穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變到穩(wěn)定態(tài)。在這個過程中會發(fā)生相分離以及晶化過程。已有許多學者利用小角X射線散射技術(shù)來研究非晶合金中的這些轉(zhuǎn)變。

4.金屬的缺陷

金屬經(jīng)輻照或從較高溫度淬火產(chǎn)生空位聚集，會引起相當強的小角散射。由于粒子體系和孔洞體系是互補體系，二者產(chǎn)生的散射是相同的。在306～319℃退火空洞會被部分地退火消除，旋轉(zhuǎn)半徑迅速增大；而在306℃之前，空洞則非常穩(wěn)定。

X射線衍射儀

X射線衍射儀是利用衍射原理，精確測定物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)，織構(gòu)及應(yīng)力，精確的進行物相分析，定性分析，定量分析。廣泛應(yīng)用于冶金，石油，化工，科研，航空航天，教學，材料生產(chǎn)等領(lǐng)域。

X射線衍射儀的形式多種多樣，用途各異，但其基本構(gòu)成很相似，為X射線衍射儀的基本構(gòu)造原理圖，主要部件包括4部分。

（1） 高穩(wěn)定度X射線源　提供測量所需的X射線, 改變X射線管陽極靶材質(zhì)可改變X射線的波長, 調(diào)節(jié)陽極電壓可控制X射線源的強度。

（2） 樣品及樣品位置取向的調(diào)整機構(gòu)系統(tǒng)　樣品須是單晶、粉末、多晶或微晶的固體塊。

（3） 射線檢測器　檢測衍射強度或同時檢測衍射方向, 通過儀器測量記錄系統(tǒng)或計算機處理系統(tǒng)可以得到多晶衍射圖譜數(shù)據(jù)。

（4） 衍射圖的處理分析系統(tǒng)　現(xiàn)代X射線衍射儀都附帶安裝有專用衍射圖處理分析軟件的計算機系統(tǒng), 它們的特點是自動化和智能化。