РЕНТГЕНОФАЗАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ
СОСТАВА ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Учебно-методические указания
к лабораторным работам для студентов
специальности 070800 «Физико-химия процессов и материалов»
КРАСНОЯРСК
2008
Федеральное агентство по образованию
Сибирский федеральный университет
РЕНТГЕНОФАЗАЯ
ИДЕНТИФИКАЦИЯ
СОСТАВА ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Методические указания
к лабораторным работам для студентов
специальности 070800 «Физико-химия процессов и материалов»
Красноярск
СФУ 2008
УДК: 539.26; 543.442; 546.06; 548.73
Печатается по решению
Редакционно-издательского совета
Рентгенофазовая идентификация состава поликристаллических материалов: методические указания к лабораторным работам для студентов специальности 070800 «Физико-химия процессов и материалов» / сост. И.С. Якимов. - Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2008. – 30 с.
В работе даются теоретические основы и методические указания к трем лабораторным работам по современным компьютерным методам идентификации состава поликристаллических материалов с помощью рентгенограмм и баз данных рентгенофазовых стандартов.
Для студентов специальности 070800 «Физико-химия процессов и материалов»
Учебно-методическое издание
РЕНТГЕНОФАЗАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ
СОСТАВА ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Методические указания к лабораторным работам
для студентов специальности 070800
«Физико-химия процессов и материалов»
Составитель Якимов Игорь Степанович
Редактор
Компьютерная верстка
Подписано в печать
Печать ризографическая
Сибирский федеральный университет
660025 Красноярск, ул. Вавилова 66а
ВВЕДЕНИЕ
Рентгеновский дифракционный спектр (синонимы: дифрактограмма, рентгенограмма) интегрирует в себе информацию о строении многофазного поликристаллического материала на трех уровнях: о качественном и количественном вещественном фазовом составе, о микрокристаллической структуре материала (размеры микроблоков и микронапряжений, текстура и т.п.), о кристаллических решетках и кристаллических атомных структурах фаз. Для регистрации дифракционных спектров применяются сложные и дорогостоящие приборы – рентгеновские дифрактометры, а соответствующие методы анализа материалов называются, также, дифрактометрическими. В настоящее время развит ряд компьютерных методов обработки дифракционных спектров поликристаллических веществ, позволяющих извлекать по отдельности или в совокупности указанные выше сведения. При этом применяются подходы, основанные на использовании крупных информационных баз дифрактометрических и кристаллоструктурных данных, анализе положения, интенсивности и формы дифракционных линий, комплексном определении и уточнении фазового состава и кристаллических структур, и т.д.
Информация о фазовом составе, микрокристаллической и кристаллической структуре фаз-компонентов широко используется в различных областях науки и техники, во многих случаях может характеризовать качества и свойства материала, например, керамик, продуктов горнодобывающей и перерабатывающей промышленности, композиционных материалов и т.п. Существует серия производств, где анализ фазового состава используется для контроля характеристик технологического процесса, например, в алюминиевой и цементной промышленности. В целом, рентгенофазовый анализ является одним из наиболее распространенных методов анализа. Это объясняется, с одной стороны, большой востребованностью информации о вещественном фазовом составе материалов, с другой, относительной простотой и высокой экспрессностью получения этой информации по сравнению с другими методами физического и химического вещественного анализа.
Данная учебно-методическая разработка предназначена для обучения студентов различных специальностей современным методам анализа качественного фазового состава или, более точно, рентгенофазовой идентификации материалов, и содержит краткое изложение теоретических основ и методические указания к двум лабораторным работам. Первая работа посвящена описанию баз данных рентгенофазовых стандартов поликристаллических веществ. Вторая работа посвящена компьютерной рентгенофазовой идентификации материалов на основе баз данных. В качестве инструмента для рентгенофазовой идентификации используется разработанная автором информационно-поисковая система рентгенофазового анализа (ИПС РФА), включающая базу данных рентгенофазовых стандартов специальной архитектуры, проблемно-ориентированный язык запросов на фазовую идентификацию и интерактивный графический интерфейс пользователя.
Задача рентгенофазовой иденификации
Строение кристаллов характеризуется наличием так называемого дальнего порядка в пространственном расположении атомов вещества, так, что кристалл состоит из периодически повторяющихся в пространстве идентичных групп атомов или молекул. С каждой такой группой можно связать некоторый элементарный объем пространства - элементарный параллелепипед, называемый, также, элементарной ячейкой, таким образом, чтобы все пространство кристалла можно было представить построенным из одного элементарного параллелепипеда путем его параллельных переносов (трансляций). При этом ребра элементарного параллелепипеда выбираются так, чтобы симметрия образованной из его трансляций решетки (кристаллической решетки) была максимальной, а объем ячейки, при этом, был минимальным. Ребра элементарного параллелепипеда, выходящие из общей вершины, называют осями элементарной ячейки или параметрами кристаллической решетки. Параметры решетки включают шесть различных значений: a,b,c,a,b,g - длины 3-х ребер и 3-х углов между ними, при этом, часть параметров, в зависимости от симметрии решетки, могут быть равными, например, для кубических решеток a=b=c, a=b=g=90О. Множество входящих в элементарную ячейку атомов вещества (вместе с их координатами относительно осей ячейки) называют атомной кристаллической структурой. Вещество, кристаллизованное в конкретной кристаллической структуре, называют кристаллической фазой. Часто одно и тоже вещество при разных условиях может кристаллизоваться в разные фазы (явление полиморфизма), имеющих разные свойства (например, углерод в фазах графита и алмаза).
Образование дифракционного спектра можно описать в рамках приведенной на рисунке 1 схемы дифракции рентгеновских лучей на атомах образца Р, лежащих в параллельных плоскостях кристаллической решетки. Каждая из таких плоскостей в системе координат XYZ, построенной на осях фиксированной элементарной ячейки, описывается уравнением: hx+ky+lz=m, где h,k,l и m – целые числа. Фиксируя h,k,l и перебирая всевозможные значения m, получим пакет равноудаленных друг от друга параллельных плоскостей. Фактические значения троек коэффициентов (h,k,l) определяются симметрией решетки и называются кристаллографическими индексами. В результате когерентного взаимодействия параллельных рентгеновских лучей (A и B на рисунке 1), имеющих длину волны l, с электронными оболочками атомов последние испускают сферически расходящиеся рентгеновские лучи с такой же длиной волны, складывающиеся в тех направлениях (D и E), где разность хода волн (GYH) от разных атомов (X и Y) кратна длине волны l, и взаимно гасящиеся в других направлениях. Математически, как легко увидеть из рисунка 1, это выражается уравнением Вульфа-Брэггов:
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.