多晶體

基本信息

自然界中物質(zhì)的存在狀態(tài)有三種：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)（此處指一般物質(zhì)，未包括“第四態(tài)”等離子體）。固體又可分為兩種存在形式：晶體和非晶體。晶體是經(jīng)過結(jié)晶過程而形成的具有規(guī)則的幾何外形的固體；晶體中原子或分子在空間按一定規(guī)律周期性重復(fù)的排列。

從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程首先要成核，然后生長，這個過程叫晶粒的成核長大。晶粒內(nèi)分子、原子都是有規(guī)則地排列的，所以一個晶粒就是單晶。多個晶粒，每個晶粒的大小和形狀不同，而且取向也是凌亂的，沒有明顯的外形，也不表現(xiàn)各向異性，是多晶。1

晶體與非晶體

晶體是經(jīng)過結(jié)晶過程而形成的具有規(guī)則的幾何外形的固體；晶體中原子或分子在空間按一定規(guī)律周期性重復(fù)的排列。

非晶是無規(guī)則排列，無周期無對稱特征，原子排列無序，沒有一定的晶格常數(shù)，描敘結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的只有徑向分布函數(shù)，這是個統(tǒng)計(jì)的量。我們不知道具體確定的晶格常數(shù)，但可以知道面間距的統(tǒng)計(jì)分布情況。非晶有很多誘人的特性，因?yàn)樗膽?yīng)力應(yīng)變曲線很特別。前面說了，從液態(tài)到到固態(tài)有個成核長大的過程，若不讓它成核，直接到固態(tài)，得到非晶，這需要很快的冷卻速度。所以研究一方面致力提高冷卻速度，一方面在不斷尋找新的合金配方，因?yàn)椴煌暮辖鹋浞接胁煌姆蔷纬赡芰?，通常有Tg參數(shù)表征，叫玻璃化溫度。非晶沒有晶粒，也就沒有晶界一說。也有人曾跟我說過非晶可以看成有晶界組成。那么另一方面，讓若它成核，不讓它長大，就成了納米晶。

多晶衍射儀與單晶衍射儀

一般大家講的衍射儀就是多晶衍射儀，需要的樣品是多晶體。主要用于鑒定多相樣品中的物相，以及定量相分析應(yīng)力以及晶粒大小，有些多晶衍射儀上還配一些附件如織構(gòu)儀，用于測量織構(gòu)，高/低溫臺，用于測量樣品在不同溫度下的物相變化，這是一種原位測量。也有小角散射臺，應(yīng)力附件，微區(qū)分析等。

單晶衍射儀的作用主要是測單晶樣品的結(jié)構(gòu)，對于已知結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行精修，對于未知結(jié)構(gòu)可以鑒定結(jié)構(gòu)。

多晶衍射用于物相鑒定的原理與單晶衍射儀不同，它主要依據(jù)的是一個稱為PDF文件的物相數(shù)據(jù)庫，通過查找這個庫中與樣品衍射譜相同的物相來鑒定某個物相是否存在，因此，鑒定的必須是已知物相。這個庫的來源主要通過單晶衍射來鑒定結(jié)構(gòu)，如果沒有這個數(shù)據(jù)庫，多晶衍射一般就不能進(jìn)行物相的鑒定。當(dāng)然也可以進(jìn)行指標(biāo)化，但困難多了。2

多晶體織構(gòu)

多晶體材料在制備、合成及加工等工藝過程形成擇優(yōu)取向，即各晶粒的取向朝一個或幾個特定方向偏聚的現(xiàn)像，這種組織狀態(tài)稱為織構(gòu)。如材料經(jīng)拉拔、軋制、擠壓、旋壓等壓力加工后，由于塑性變形中晶粒方位轉(zhuǎn)動、變形而形成形變織構(gòu)；退火后又產(chǎn)生不同冷加工狀態(tài)的退火織構(gòu)（或再結(jié)晶織構(gòu)）：鑄造材料具有某些晶向垂直于模壁的組織特點(diǎn)，電鍍、真空蒸鍍、濺射等方法制備的薄膜材料也表現(xiàn)出特殊的擇優(yōu)取向。不僅金屬、在陶瓷、天然巖石、天然和人造纖維材料中都存在織構(gòu)，所以說擇優(yōu)取向在多晶材料中幾乎是無所不在的。

織構(gòu)使多晶體材料的物理、力學(xué)、化學(xué)性能發(fā)生各向異性，這種性質(zhì)有時是有害的，如冷軋鋼板的擇優(yōu)取向使用它制成的沖壓件出現(xiàn)“制耳”和厚度不均勻以致折皺的疵??；而有時又是有益的，如冷軋硅鋼片經(jīng)適當(dāng)退火得到的“高斯織構(gòu)”有利于減小磁損，織構(gòu)還可以作為一些材料的強(qiáng)化方法加以利用。因而測定織構(gòu)并給它一定的指標(biāo)是材料研究的一個重要方面，多處來X射線衍射是揭示材料織構(gòu)特征的主要方法。近年來背散射電子衍射（EBSD）法在結(jié)構(gòu)測定上亦得到廣泛應(yīng)用。3

多晶體分析方法

粉末照相法

常用的是德拜--謝樂法，通過德拜相機(jī)拍攝出衍射線，從而計(jì)算出θ角→d→晶面和晶體結(jié)構(gòu)。

多晶體粉末的衍射花樣可以用照相法記錄，要解決的問題是如何得到圓錐的照片，如何測定2θ角，如何由θ角推算出圓錐所屬的晶面。根據(jù)在底片上測定的衍射線條的位置可以確定衍射角θ，如果知道λ的數(shù)值就可以推算產(chǎn)生本衍射線條的反射面的晶面間距。

X射線衍射儀法

采用測角儀和計(jì)數(shù)器，準(zhǔn)確地測出2θ角以及衍射強(qiáng)度，這種方法比照相法準(zhǔn)確。因?yàn)檎障喾ㄍㄟ^底片上的圓弧對計(jì)算θ角時，有一定的測量誤差，而衍射儀法減少了人為的誤差。

X射線是利用衍射原理，精確測定物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)，織構(gòu)及應(yīng)力。對物質(zhì)進(jìn)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(xué)、材料生產(chǎn)等領(lǐng)域。

特征X射線是一種波長很短(約為0～0.06nm)的電磁波，能穿透一定厚度的物質(zhì)，并能使熒光物質(zhì)發(fā)光、照相乳膠感光、氣體電離。在用電子束轟擊金屬“靶”產(chǎn)生的X射線中，包含與靶中各種元素對應(yīng)的具有特定波長的X射線，稱為特征（或標(biāo)識）X射線?？紤]到X射線的波長和晶體內(nèi)部原子間的距離相近，1912年德國物理學(xué)家勞厄(M.vonLaue)提出一個重要的科學(xué)預(yù)見：晶體可以作為X射線的空間衍射光，即當(dāng)一束X射線通過晶體時將發(fā)生衍射，衍射波疊加的結(jié)果使射線的強(qiáng)度在某些方向上加強(qiáng)，在其他方向上減弱。分析在照相底片上得到的衍射花樣，便可確定晶體結(jié)構(gòu)。這一預(yù)見隨即為實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。1913年英國物理學(xué)家布拉格父子(W.H Bragg，W.LBragg)在勞厄發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，不僅成功地測定了NaCl、KCl等的晶體結(jié)構(gòu)，并提出了作為晶體衍射基礎(chǔ)的著名公式──布拉格定律。4