Рентгенофазовый и рентгеноструктурный анализ

Чаще всего к нам обращаются предприятия, работающие в сфере порошковой металлургии и нанотехнологий. Связано это с необходимостью повысить качество и эффективность производственных процессов. По запросам заказчиков в процессе анализа мы обычно исследуем:

• модификаторы, влияющие на износостойкость изделий из металла;
• порошки, которые добавляют в смазки и масла;
• препараты для очистки воды;
• композитные нанопокрытия.

Производство всей перечисленной продукции связано с применением наноразмерных материалов, имеющих определенный состав.

Рентгенофазовый анализ сущность метода — поскольку дифрактометр для исследования химических соединений применяет относительно недавно. Этот современный метод анализа основан том, что рентгеновские лучи аппарата рассеиваются и меняют направление, сталкиваясь с образцом.  Это позволяет определить качественный и количественный состав исследуемого вещества (некоторые это называют —  количественный рентгенофазовый анализ) .

Принцип действия рентгенофазового анализа заключается в следующем: у каждого типа нанопорошка есть уникальная дифрактограмма, также как и дифракционный спектр у всех кристаллических фаз свой собственный. Поэтому получить тождественные дифрактограммы в результате анализа разных веществ практически невозможно.

Визуально дифрактограмма представляет собой непрерывную функцию.

Для определения вещества мы проводим качественный фазовый анализ, сравнивая полученную нами дифрактограмму с эталоном. При этом сведения об эталонах мы берем из базы Международного центра дифракционных данных (JCPDS), которая регулярно пополняется и поддерживается в актуальном состоянии.

В результате расчета массовой доли фаз мы получаем информацию о количественном составе исследуемого образца.

Необходимо измельчить образец на частицы примерно одинакового размера — до 4-5 мкм. Отсутствие однородности пробы, как и слишком мелкая фракция затрудняют выполнение анализа и получение точных результатов.

Если предстоит проводить исследование порошков, состоящих из частиц различной формы, следует использовать разбавитель для сглаживания текстуры.

Дифрактограмма — это графическое представление результатов рентгеновской дифракции, показывающее зависимость интенсивности рассеянного излучения от угла дифракции. По этому графику судят о структуре и фазовом составе материала. Положение пиков позволяет определить межплоскостные расстояния и идентифицировать фазы, а ширина и форма пиков дают информацию о размерах кристаллитов и наличии внутренних напряжений в решётке. Дифрактограммы являются основным инструментом рентгеноструктурного анализа и широко применяются в материаловедении, металлургии, физике твёрдого тела и химии.

• Неразрушающий метод. Рентгенофазовый анализ проводится без разрушения образца и без химического воздействия на него.

• Высокая информативность. Метод позволяет определить фазовый состав, а также ключевые характеристики кристаллической структуры (параметры решётки, дефекты, размер зерна).

• Точность и надёжность. Современные дифрактометры и актуальные базы данных обеспечивают высокую точность идентификации фаз.

• Количественный анализ. По данным дифракции можно вычислить количественное содержание фаз в образце.

• Оперативность. Анализ одной пробы занимает от нескольких минут до нескольких часов, что значительно быстрее многих традиционных методов контроля.

• Малый объём пробы. Для исследования достаточно около 0,1–0,2 г материала, образец обычно требуется лишь измельчить до порошкообразного состояния.

Сущность метода рентгенофазового анализа заключается в анализе дифракции рентгеновских лучей на кристаллической решётке. Каждый кристаллический материал обладает уникальной дифракционной картиной — практически невозможно, чтобы два разных вещества имели идентичные дифрактограммы. Когда пучок рентгеновского излучения взаимодействует с образцом, часть лучей рассеивается под определёнными углами, зависящими от межплоскостных расстояний в кристалле. Прибор регистрирует дифрактограмму — зависимость интенсивности рассеянного излучения от угла дифракции. Положение появляющихся на ней пиков (максимумов интенсивности) уникально для каждой фазы, поэтому по углам этих пиков можно идентифицировать присутствующие фазы, сравнивая результат с эталонными дифрактограммами из базы данных Международного центра дифракционных данных (ICDD).

Интенсивность дифракционных пиков связана с концентрацией соответствующих фаз: чем больше в образце доля определённой фазы, тем выше интенсивность её характеристических отражений. Поэтому по интенсивностям (площадям) пиков проводится оценка количественного состава смеси.

Количественный рентгенофазовый анализ направлен на определение процентного соотношения фаз в образце. Для этого применяются специальные методы обработки данных дифракции. Например, метод Ритвельда (полнопрофильный анализ дифрактограммы) позволяет рассчитать содержание каждой фазы с высокой точностью. Таким образом, помимо качественного анализа (идентификации фаз), рентгенодифракционный метод обеспечивает и количественный анализ материала.

Методы рентгенофазового и рентгеноструктурного анализа востребованы во многих областях. Ниже перечислены некоторые направления, где применяется данный подход:

• Металлургия и машиностроение. Контроль качества металлов и сплавов: проверка фазового состава продукции, выявление нежелательных фаз и примесей, исследование структуры закалённых и термообработанных сталей.

• Порошковая металлургия и наноматериалы. Анализ порошковых сплавов, композиционных нанопокрытий, присадок к смазочным материалам и модификаторов, влияющих на свойства материалов.

• Химическая промышленность. Исследование каталитических систем, сорбентов, реагентов для очистки воды и других кристаллических продуктов.

• Материаловедение и наука. Изучение новых материалов и наноструктур, анализ фазовых переходов при различных условиях.