推荐收藏 | XRD在成分分析中的应用，附高分子材料测试分析方法大全
在高分子材料科学的研究与表征领域，我们常常会遇到一系列令人眼花缭乱的缩写，比如XPS、XRD、XRF等。这些缩写代表着不同的测试技术，它们各自有着独特的功能和应用场景。然而，对于初学者或是非专业人士来说，这些缩写确实容易让人感到困惑，甚至"傻傻分不清楚"。因此，让我们一起来重新梳理一下这些高分子材料表征的常用手段，以便更好地理解它们的作用和区别。
1.高分子材料概述
最近几年，功能性高分子材料广泛应用于能源、生物医学、建筑、军工等领域。高分子材料是一类以高分子聚合物为基础的材料，是由单个单元通过化学键连接在一起形成的长链状结构，又被称为聚合物材料，具有高分子量、高分子密度、多样性、可塑性、化学稳定性和绝缘性等特点。按材料应用功能分为通用高分子材料、功能高分子材料。
2.高分子材料表征手段
功能性材料要求高分子材料有更高的分子量、更好的耐腐蚀性、耐更高的温度和更好的硬度等。高分子材料的表征手段，是实现功能性高分子材料研究的基础。
2.1 显微成像
高分子材料的显微成像分析包括：场发射扫描电镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、光学显微镜、热红外成像仪等分析手段。
2.2 成分分析
高分子材料的成分分析包括：X射线光电子能谱（XPS)、质谱仪（MS）、元素分析仪（EA）、X射线荧光光谱（XRF）、气相色谱/液相色谱等分析手段。
2.3 结构分析
高分子材料的结构分析包括：X射线衍射仪（XRD）、激光共聚焦拉曼光谱仪（Raman）、傅里叶红外光谱仪（FTIR）、液体核磁共振（NMR）、紫外可见近红外光谱（UV/VIS/NIR）等分析手段。
2.4 物性分析
高分子材料的物性分析包括：凝胶渗透色谱（GPC）、全自动物理吸附仪（BET）、全自动压汞仪（MIP）、接触角测试（CA）、气体透过率测试仪等分析手段。
2.5 热学性能
高分子材料的热学性能分析包括：动态热机械分析仪（DMA）、静态热机械分析（TMA）、热重分析（TG-DTG）、同步热分析仪（TG-DSC）、热变形维卡软化点试验机、临界氧指数分析仪等分析手段。
2.6 力学性能
高分子材料的力学性能分析包括：摩擦磨损试验机、硬度测试仪、附着力测试、应力仪、单丝强力仪、橡胶弹性试验机等分析手段。
3.XRD典型应用-成分分析
XRD的典型应用可以分为定性和定量两部分，常用的XRD分析有以下五大类：（1）物相定性；（2）确定晶胞参数；（3）晶体取向度分析；（4）晶粒尺寸计算；（5）物相定量计算。下面我们结合实际案例对这些应用逐一进行详解。
XRD的设备是X射线衍射仪。其组成包括发射X射线的发生系统、测量2θ及获得衍射信息的测角及探测系统和记录和数据处理系统。三者协同工作，测量衍射以及输出图谱。在三者中，测角仪是核心，它的制作直接影响了实验的精度。
某型号X射线衍射仪及组成
该仪器能产生X射线的原因在于高速运动的电子流或其它辐射流与其他物质发生碰撞时突然减速，且与该物质中内层原子相互作用产生的。选用不同的金属材料发射X射线使得发射的X射线波长不同，所得到的衍射图也不同，但谱图中获得样品间距d与材料选择无关。
X射线发生器结构
国高材分析测试中心X射线衍射仪
1. 定性分析方法
(1) 图谱直接对比法：直接比较待测样品和已知物相的谱图，该法可直观简单的对物相进行鉴定，但相互比较的谱图应在相同的实验条件下获取，该法比较适合于常见相及可推测相的分析；
(2)数据对比法：将实测数据(2θ、d、I/I1)与标准衍射数据比较，可对物相进行鉴定；
(3)计算机自动检索鉴定法：建立标准物相衍射数据的数据库(PDF卡片)，将样品的实测数据输入计算机，由计算机按相应的程序进行检索，但这种方法还在不断地完善，主要的分析软件：Jade/X'Pert HighScore/ Search Match。
实例分析：
Sensors and Actuators B, 2016, 230, 581-591.上图所示是ZnO纳米片负载不同含量的金纳米粒子的XRD图谱，相比于纯ZnO，随着负载量的依次增加，杂化材料出现了明显的Au(JCPDS No. 04-0784)的特征衍射峰，因此认为Au成功负载于ZnO表面。
表1 不同尺寸的n-Cu@T-ZnO样品的晶格常数
样品 | a（Å） | c（Å） |
T-ZnO | 3.2498 | 5.2065 |
n-Cu@T-ZnO-15 nm | 3.2695 | 5.1247 |
n-Cu@T-ZnO-25 nm | 3.2808 | 5.1514 |
n-Cu@T-ZnO-35 nm | 3.2833 | 5.1611 |
n-Cu@T-ZnO-45 nm | 3.2860 | 5.1799 |
实例分析：
Compos. Part B: Eng., 2017, 110, 32-38. 采用XRD局部慢速高精度检测，如上图所示，氧化锌晶须负载纳米铜杂化材料出现了微弱的Cu的特征衍射峰，因此认为Cu元素以Cu单质的形式存在于ZnO晶须表面。Cu元素除了以Cu的形式存在于ZnO表面之外，Cu原子也有可能进入ZnO的晶格中，因此，根据XRD数据对ZnO以及氧化锌晶须负载纳米铜杂化材料的晶格常数进行计算，如上表1所示，杂化材料的c轴相较于ZnO有所减小，由于Cu2+的离子半径小于Zn2+的离子半径，由此推断是部分Cu2+掺杂进入了ZnO的晶格中，取代Zn2+成为置换离子，形成替位式的杂质。
实例分析：
Crystal Growth & Design, 2014, 14, 2179-2186.衍射峰的相对强度不同程度的变化，这通常与晶体结晶程度，大微晶的形成或良好有序的取向有关。通过ZnO(JCPDS,36-1451)的特征衍射峰强度分析，如上图所示，没有添加Bi2WO6的纳米棒(样品a)沿着c轴取向生长；当添加量为10%的Bi2WO6时获得纳米片(样品c)，其中，(100)峰与(002)峰的相对强度随着Bi2WO6添加量的增加而增大，说明ZnO晶体的生长方向(001)随着Bi2WO6添加而被抑制，相对的促进了(100)晶面的生长。
2. 定量分析方法
每种物相的衍射线强度随其相含量的增加而提高，由强度值的计算可确定物相的含量。定量分析可用来确定混合物中某一化合物的含量。如：XRD图谱的其他常见用途——晶面择优取向。
实例说明：
J. Solid State Chem., 2013, 197, 69-74. 上图所示是不同PEI浓度下生长得到ZnO纳米草的XRD图谱，除了来自FTO基板的衍射峰外，均与纤锌矿结构ZnO的标准图谱吻合，所有样品在34.4°的(002)晶面衍射峰均是最强的衍射峰，其它晶面的衍射峰相比显得很微弱，表明ZnO纳米草沿着[001]晶面择优取向生长。
4.样品要求
国高材分析测试中心的X-射线衍射仪可完成常规XRD对晶态材料物相定性与定量分析、确定材料的晶系、结晶化与畸变程度，以及晶态材料、二次电池元器件进行原位高低温、充放电、特殊气氛等条件下的晶体结构测试及分析。欢迎有需要的客户朋友，联系我们送样检测。
材料高温测试：室温～+1600℃。
电池原位测试：低温测试（-40℃～室温）、中温测试（室温～+100℃）、锂空电池测试等。
1、粉末样品：原则上须小于300目（小于45μm）；
2、块体样品：不高于30mm
3、固体表面需平整，粉末样品颗粒度越小越好，能压片测试即可
直径：< 1cm；高度：≤2cm；体积：2cm³
4、高温测试样品：样品必须具有很好的稳定性，不会在加热或真空状态下发生剧烈分解或释放出有毒气体等
5、一定要注明扫描区间、扫描速度、是否需要比对卡片
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