基于原位X射线衍射技术的动态晶格响应测量方法研究

获取动态压缩条件下结构演化过程是冲击相变及其动力学机理研究最为关注的基础问题之一.对此,基于激光驱动瞬态X射线衍射技术,通过系列实验的物理状态关联和抽运-探测时序控制,实现了静态与动态晶格衍射信号的同时获取,消除了不同实验的装置结构和样品差异带来的测量误差,建立了一种基于原位X射线衍射技术的动态晶格响应测量方法.利用上述实验方法,成功实现了激光冲击加载下[111]单晶铁晶格压缩过程的原位测量,获取弹性及塑性响应的晶格压缩度与宏观雨贡纽测量结果完全符合,从晶格层面证实了超快激光加载下的高屈服强度(雨贡纽弹性极限值大于6 GPa),以及可能与晶向效应或加载率效应相关的相变迟滞现象(至终态压力23.9 GPa仍为体心立方结构),相关物理机制仍有待进一步研究.上述测量方法的建立为后续开展相变动力学机理研究提供了可行的技术途径和重要的参考价值.

原位X射线研究拉伸过程中间规聚丙烯晶体熔融与晶体取向关系

间规聚丙烯熔体(sPP)淬冷至液氮温度并保持5 min,于20,40,80,120℃下等温退火10 h,制备出具有不同片晶厚度的样品.在室温条件下,利用原位X射线在线研究sPP样品拉伸过程中应力诱导的晶体熔融和晶体取向关系.结果表明,在单轴拉伸过程中,应力导致的晶体熔融和晶体取向同时发生,即两者在同一应变、同一应力下同时发生,这一特性不受片晶厚度的影响.随着片晶厚度的增加,晶体熔融和取向需要的临界应力不断增大,在所研究范围内,该临界应力的增加和片晶厚度基本呈线性关系.另外,随着片晶厚度增大,样品的弹性模量、屈服强度和应变硬化模量均有一定程度的增大.

高压高应变率加载下多晶相变的原位X射线衍射

高功率激光可通过直接烧蚀产生高温、高压、高应变率的物质状态,同时也可驱动金属箔产生与之精密同步的超短超强X射线源,成为利用原位X射线衍射技术研究材料在极端高温、高压、高应变率下相变动力学的重要实验平台.本文基于原型高功率激光装置建立高压、高应变率加载下材料相变的原位X射线衍射诊断平台,并以典型金属钒和铁为例开展冲击相变的原位观测.实验表明,在高应变率(10^8-10^9s^-1)冲击加载下,金属钒在69 GPa时依然保持体心立方结构不变,而金属铁在159 GPa时已经由体心立方结构转变为六角密排结构,均与文献报道一致.同时原位X射线衍射实验测量的材料压缩特性与宏观Hugoniot曲线符合得很好.利用原位X射线衍射技术研究高应变率动态加载下材料的相变行为对理解材料相变的应变率效应和动力学过程具有重要的科学意义,同时对提高材料工程服役的可靠性以及突破材料极端环境服役的发展瓶颈具有重要的工程价值.

原位X射线衍射研究VO_x和MoO_x在Al_2O_3上的分散

采用原位X射线衍射技术考察了机械研磨法和浸渍法制备的负载型VOx（MoOx）/Al2O3催化剂在空气中升温时的晶相变化. 结果表明,采用草酸络合浸渍法制备的VOx/Al2O3催化剂上前驱体（NH4）2[VO（C2O4）2]分散均匀,在升温至200～300 ℃时前驱体开始分解, 300～400 ℃是主要分解区间,到400 ℃时分解完全;VOx物种是通过晶相HxV2O5进行分散的. 机械研磨法制备的VOx/Al2O3催化剂在升温过程中虽然VOx与Al2O3之间存在相互作用,但并没有观察到明显的自发分散现象, V2O5一直以晶体氧化物形式存在. 在空气中升温至400 ℃时,浸渍法制备的MoOx/Al2O3催化剂上（NH4）6Mo2O24·4H2O已完全分解成MoO3. 机械研磨法制备的MoOx/Al2O3在加热过程中分解生成的MoO3与浸渍法得到的MoO3不完全相同,主要体现在（040）和（060）晶面的含量不同;机械研磨法制得的催化剂在500 ℃下焙烧1 h的分散度小于浸渍法制备的催化剂.

NaCl-H_2O和NaCl-KCl-H_2O溶液低温相变过程的原位XRD研究

应用原位X射线衍射法对盐湖卤水体系的两个子体系———NaCl-H_2O和NaCl-KCl-H_2O溶液在低温条件下进行扫描,获得了实验条件下体系的衍射图谱,得到了溶液低温相变过程的信息。图谱解析结果表明:含NaCl 26.25%的溶液在-20^-25℃范围内析出了冰、NaCl、低水合氯化钠和二水氯化钠,含NaCl25.70%的溶液没有发生相变;对于NaCl-KCl-H_2O体系,含NaCl 20.03%和KCl 10.19%的溶液在0^-25℃范围内析出了氯化钾和氯化钠,含NaCl 22.40%和KCl 7.28%的溶液在-10^-25℃范围内只有氯化钾析出,含NaCl 21.90%和KCl 6.46%的溶液没有发生相变。实验结果显示:这两个水盐体系低温相变过程析出盐的种类与相图结果有差异,原因在于两者的状态不同;体系中二水氯化钠的析出需要经过氯化钠与水的化合过程,该过程是分步进行的;实验体系在低温条件下发生相变受结晶因素控制,温度只是其中一个因素,体系相变发生与否是结晶因素综合影响的结果。

钠盐修饰的Mn/SiO_2催化剂的原位XRD研究

采用原位X射线衍射法对高温下不同钠盐修饰的Mn/SiO2催化剂物相结构进行了研究.结果表明,反应温度下催化剂表面的钠盐处于熔融的无定形态,提高了Mn2O3活性中心在甲烷氧化偶联反应中的催化活性.

Na-W-Mn/SiO_2催化剂的原位XRD研究

制备了Na-W-Mn/SiO_2催化剂,研究了Mn(NO_3)_2/SiO_2,Na_2WO_4·2H_2O,Na_2WO_4/SiO_2,Na-W-Mn/SiO_2催化剂的晶形结构,并采用MAUD软件对不同反应温度下Na-W-Mn/SiO_2催化剂的XRD数据进行了模拟计算,分析了主要组分的物相组成,研究了催化剂上各物种在不同温度下的原位XRD动态变化及其相互作用,并用同步辐射原位XRD法研究了甲烷氧化偶联制乙烯反应过程中,Na-W-Mn/SiO_2催化剂结构的实时变化及反应产物的变化。实验结果表明,催化剂在不同温度下以不同的晶型结构形式存在,W,Mn物种是影响催化剂晶型结构变化的重要因素,Na-W-Mn/SiO_2催化剂在850℃的晶体结构具有甲烷氧化偶联制乙烯的催化活性。

用原位X射线衍射法对电化学插层过程的研究

采用原位 X射线衍射技术研究了石墨在 65% HNO3中的电化学插 (脱 )层过程 ,提出了一套处理 XRD图谱的数据处理方法。

YBCO超导薄膜进氧脱氧过程的原位X射线衍射研究

用原位X射线衍射法研究了磁控溅射c取向YBa2 Cu3 O6+x/SrTiO3 (YBCO/STO)优质超导外延膜在 3 2 5℃氧气中的进氧过程和氮气中的脱氧过程。研究表明 ,薄膜的进氧和脱氧过程快慢相当 ,进脱氧过程都由氧扩散控制。

氢致LaMg_(12)相分解的原位X射线衍射分析

分别在Ar气和H2气气氛下对LaMg12进行热分解实验,采用原位X射线衍射（in-situ XRD）分析LaMg12相分解过程.结果表明,该合金在Ar气中加热到330℃,合金处于稳定状态,而在H2气气氛中加热到大约290℃时,开始分解为LaH3和MgH2.Rietveld分析结果表明,分解前LaMg12的点阵常数没有变化,证明氢原子并未进入合金形成LaMg12Hx固溶体.可以推测出,在H2气气氛中,由于氢致作用产生大量的空位,致使La或Mg易于向表面移动,出现分解现象.

昆仑白玉的高温原位X射线衍射实验研究

本文在28℃-1150℃温区对昆仑白玉进行高温原位X射线衍射实验,研究了升温和降温过程的物相变化,结果表明昆仑碧玉在常温下主相为Ca2Mg5Si8O22(OH)2,晶格参数a=9.818,b=18.047,c=5.275,α=90°,β=104.6°,γ=90°,空间群为C2/m,属于单斜晶系;升温过程中在800℃时少量杂质白云石(CaMg(CO3)2)分解,少量杂质滑石(Mg3[Si4O10](OH)2)在900℃-1050℃分解,1000℃左右透闪石结构被破坏,存在形成CaMgSi2O6的两种机制,直到1150℃阳起石结构完全被破坏,最终产物中主要是透辉石CaMgSi2O6,还有少量CaSiO3,MgSiO3;降温过程的图谱表明这种高温相变是不可逆的.

赤铁矿高温原位X射线衍射研究

在空气和真空条件下对α-Fe_2O_3粉末进行了从室温到1 000℃的高温原位X射线衍射研究,分别修正了空气和真空条件下赤铁矿在27~1 000℃范围内的晶胞参数,从而得到了晶胞参数随温度变化的关系和赤铁矿在空气和真空条件下的热膨胀系数,并得出了热膨胀系数与温度的关系,即赤铁矿的热膨胀系数不随温度变化。赤铁矿在空气气氛下的热膨胀系数为αa=9.603 16×10^(-6)/℃,αc=6.647 67×10^(-6)/℃,β=2.606 33/℃;真空气氛下的热膨胀系数为αa=9.006 79×10^(-6)/℃,αc=6.891 23×10^(-6)/℃,β=2.511 51/℃。

钒的冲击熔化原位X射线衍射测量研究

高压结构与相变研究对理解物质在极端压缩条件下的性质变化和动力学响应行为具有重要的科学价值,然而部分过渡金属的动/静高压熔化线差异一直是多年来悬而未解的科学难题.其中动、静高压固-液相界幅值差异最大的是第五副族金属,以钒最为反常,至今仍缺乏自洽的物理认识和理解.本文采用高能脉冲激光驱动的瞬态X射线衍射诊断技术,对冲击压缩下钒的熔化特性进行了研究,首次获取了冲击压缩下钒在200 GPa范围内的晶体结构响应随压力变化的衍射图谱.研究发现,冲击压力为155 GPa时,钒仍保持固态bcc相;至约190 GPa时转变为液态.这一结果否定了早期确定的静压熔化线,与最新的冲击熔化线及高温高压相图符合,为钒高压熔化线的统一认识提供了新的微观实验证据.本工作亦可推广至其他材料熔化特性的研究工作中.

Ti_3Al基合金高温氧化行为的原位X射线衍射研究

用高温原位Ｘ射线衍射技术分析研究了Ｔｉ３Ａｌ基合金在７００℃和８００℃的氧化行为，测定了其１００ｈ的氧化增重曲线，并用电子探针分析了氧化层截面的元素分布。实验结果表明，Ｔｉ３Ａｌ氧化过程中先形成ＴｉＯ２，氧化层组成为ＴｉＯ２与Ａｌ２Ｏ３的混合物。Ｎｂ、Ｓｉ元素可提高Ｔｉ３Ａｌ合金的抗氧化性能，促使合金表面形成ＴｉＮ与ＴｉＡｌ层，但对Ａｌ２Ｏ３的生成没有促进作用。形成ＴｉＮ层是Ｔｉ３Ａｌ合金抗氧化性能提高的主要原因。

催化材料服役行为的同步辐射原位X射线研究

介绍了基于同步辐射的原位X射线吸收谱、原位X射线衍射谱和原位X射线光电子能谱的基本原理及功能,重点综述了原位X射线技术在电解水催化材料服役行为动态研究中的应用进展,列举了多种典型电解水催化剂在反应条件下结构动态变化的研究实例,为实现催化材料全生命周期动态构效关系的精准构建提供了技术基础.最后,分析总结了原位X射线技术在面临复杂电化学服役环境时所遇到的问题及挑战,并提出了对先进同步辐射技术及原位X射线谱学的未来展望.

原位X射线衍射探究结构相变的研究性实验--以钴酸锂的脱嵌锂相变行为为例

X射线衍射是近代物理学最经典实验之一,开发原位X射线衍射探究材料结构相变过程是一个研究性实验。LiCoO2作为一种应用广泛的锂离子电池正极材料,其脱嵌锂过程伴随着晶体结构变化,因此钴酸锂是一个很好的应用范例。本文以LiCoO2在脱锂过程中材料相变行为作为研究对象,利用原位的X射线衍射仪测量分析LiCoO2作为锂离子电池正极材料在充电过程中两相区的晶粒尺寸变化规律、单胞晶格常数变化趋势以及两相转变过程中相成分比例变化。实验结果不仅证实了脱锂过程中的两相转变,而且表明了原位X射线衍射法可以实时表征锂离子正极材料充放电过程中晶体结构的演化。该研究性实验有助于学生了解X射线衍射应用的研究前沿,不仅可以激发学生的科研兴趣,同时提升了学生的实践能力和创新能力。

原位变温X射线衍射测试技术及其影响因素

在X射线衍射仪中引入加热台,可以实现原位变温X射线衍射分析.原位试验是研究材料在加热或冷却过程中材料动力学的有效手段.对变温X射线衍射测试样品的要求、测量方法的原理、布鲁克D8 advance衍射仪原位变温的测试步骤以及测试过程中样品的收缩问题、背底衍射峰干扰等常见影响因素进行了详细的说明,为变温X射线衍射测试提供了具体的试验指导.

CoNi基合金力学行为与变形机制的原位探究

采用真空电弧熔炼、高温锻造及室温拔丝技术制备了Co_(62)Ni_(38)与Cr_(8)Co_(62)Ni_(30)(原子百分比)两种合金丝材。利用拉伸实验表征了两种合金的力学行为,利用穿透式广角X射线衍射技术原位追踪了合金变形过程中晶格参数与相结构演变。随后根据原位X射线衍射数据计算了两种合金的层错能与相变自由能,并与力学行为及变形机制建立联系。结果表明,Cr元素添加使合金屈服强度、抗拉强度、均匀伸长率及加工硬化率同时提升。原位X射线衍射结果表明Co_(62)Ni_(38)合金变形过程中未发生相变,Cr_(8)Co_(62)Ni_(3)0合金变形过程中发生应力诱发马氏体相变,且Cr_(8)Co_(62)Ni_(3)0合金层错能相比Co_(62)Ni_(38)合金下降约18%,相变自由能下降约42%。综上,Cr元素添加产生了固溶强化效应,有效降低了合金的层错能与相变自由能,促进应力诱发相变,使加工硬化率显著提高,从而明显改善合金的力学性能。

用原位x射线小角散射研究块体非晶合金Zr_(55)Cu_(30)Al_(10)Ni_5的结构弛豫

应用同步辐射x射线小角散射法在原位对块体非晶合金Zr55Cu30 Al1 0 Ni5在等温退火过程中的微结构变化进行研究 .实验表明 :在等温退火过程中电子密度涨落反映了晶化之前的结构弛豫过程 ;在一定的退火温度下、随退火时间的增加 ,拓扑短程序弛豫与化学短程序弛豫之间存在一个电子密度均匀化的过程 ;导致这两种弛豫过程转变的退火时间与退火温度有关 ,温度越高 。

人工合成NaX沸石的原位高温X射线衍射研究

对以含铁钾长石粉为原料、人工合成的NaX沸石分子筛，进行原位高温X射线衍射实验，实验结果表明：合成物中含有大量的非品质，受热发生相变，在沸石表面结晶；沸石在800℃以下物相保持稳定，800～1000℃发生相变，生成霞石、赤铁矿。铁对样品的结晶以及结晶后的性能存在影响，铁的存在导致沸石结晶差、非品质增多，含铁多的沸石熔点低。