小角X射线散射技术在材料研究中的应用

小角X射线散射(SAXS)是一种有效的材料亚微观结构表征手段。简单介绍了小角X射线散射理论,并综述了小角X射线散射技术在材料研究中的应用,内容涉及纳米颗粒尺寸测量,合金中的空位浓度、合金中的析出相尺寸以及非晶合金中的晶化析出相的尺寸测量,高分子材料中胶粒的形状、粒度以及粒度分布测量,以及高分子长周期体系中片晶的取向、厚度、结晶百分数和非晶层厚度的测量等等。     

聚丙烯腈原丝预氧化过程中长周期结构的生成

通过在线实时采集预氧化过程中聚丙烯腈纤维二维小角X射线散射(SAXS)花样,利用环化反应导致的电子云密度改变产生的SAXS谱图变化,研究亚微米结构在环化结构形成过程中的温度依赖性。根据所建立的环化及未环化的两相模型,在对散射信息中的微孔结构和长周期结构的叠加信号进行合理分离的基础上,研究了预氧纤维中长周期结构的生成和演变过程。结果表明,预氧化初期产生的环化相与非环化相呈现周期性结构堆砌,并随着温度的进一步升高逐渐趋于均一体系。同时结合相关函数分析方法,计算了长周期结构中环化相和非环化相厚度等结构参数,提出了预氧化程度的小角X射线散射定量表征的方法。     

X射线小角散射法对纳米氧化锆粒度分布的研究

采用小角X射线散射法，在普通的X射线衍射仪上实现纳米级氧化锆粒度分布的表征；并按照国标（GB／T13221-2004）的标准，使用SAXS程序计算出纳米氧化锆的粒度分布范围在1-36nm之间。与纳米氧化锆的TEM图像相比较，对比结果表明该方法测得的纳米氧化锆粒度可靠。     

聚丙烯腈原丝聚集态结构的长周期特征

采用小角X射线散射方法,通过模型计算将散射信号中聚丙烯腈(PAN)原丝长周期结构与微孔结构信息有效分离,建立了用小角X射线散射(SAXS)研究PAN纤维聚集态结构长周期特征结构的方法。通过对原丝湿法成型过程中的长周期特征结构演变的研究发现,PAN制备过程中凝固阶段纤维形成两相准晶体系,晶区和非晶区交替排列形成长周期结构,通过相关函数分析获得了PAN中准晶区、非晶区以及两相过渡层的统计尺寸信息,并结合广角X射线衍射数据讨论了凝固相分离过程和牵伸外场因素对长周期结构的影响。     

同步辐射原位X射线散射技术在纳米与能源材料中的应用

同步辐射原位X射线散射技术可以实现对材料结构进行多尺度的、无损的、高时间空间分辨率的表征,动态地揭示材料微观结构在不同外界环境下的演变过程。X射线散射基础理论已经相对成熟。第三代同步辐射光源大幅提高了X射线散射技术的时空分辨率,进一步拓宽X射线散射技术的应用场景。当前同步辐射原位X射线散射技术的难点主要集中于实验装置设计和大数据处理。概述了X射线散射技术的主要分类和基本的实验方法,主要介绍了不同分类的同步辐射原位X射线散射技术在纳米材料(纳米颗粒生长和纳米颗粒自组装)与能源材料(以钙钛矿薄膜材料为代表)研究中的应用。最后结合当前国内外先进同步辐射光源的发展现状,展望了同步辐射原位X射线散射技术未来发展的方向和应用前景。     

同步辐射技术在核材料研究中的应用

先进同步辐射光源具有高通量、高相干性、高脉冲重复率等优点,将基于其的X射线衍射、小角散射、成像、谱学等表征方法与原位环境(如温度场、应力场、气氛、溶液介质等)实验装置配合,可为系统表征与评价核能系统用材料与部件的服役行为和损伤机制提供重要技术手段.核材料在高温/应力/介质/中子辐照等复杂多场环境下的服役损伤行为长期以来...     

PAN纤维炭化过程中缺陷结构的温度效应

采用小角X射线散射(SAXS)方法研究了PAN纤维在炭化及石墨化过程中微孔缺陷结构随热处理温度的变化.由微孔结构散射形成的PAN基碳纤维SAXS散射花样经圆积分处理后为光滑曲线.使用一维散射曲线计算得到微孔结构均方回转半径、相对孔体积、孔隙率、比表面积结构参数随温度的变化规律.结果表明:随热处理温度提高PAN基碳纤维微孔结构变化分为三个阶段:400～700℃微孔体积变化(孔的融合)为主,形态变化为辅;700～1800℃微孔体积变化(孔的分裂与缩小)与形态变化(边缘复杂化)基本同步;而1800～2400℃微孔形态变化为主,体积变化为辅.     

聚丙烯腈基炭纤维中微孔的演变规律

利用二维小角X射线散射技术(SAXS),结合纤维孔结构解析理论及分形原理得到了炭纤维形成过程中纺丝、预氧化、低温和高温炭化等四个阶段样品的微孔结构信息。结果表明:原丝中孔隙沿纤维轴向择优取向,呈长梭状,其长轴与短轴的平均尺寸分别为24.3nm和19.2nm,长径比为1.27。遗留到预氧化阶段的原丝孔洞使得预氧化纤维出现高达1.85的长径比极大值,这可能与原丝线性结构向预氧丝耐热梯形结构转化有关。炭化阶段微孔尺寸迅速减小,长轴、短轴分别达到3.56nm和2.85nm左右,长径比也减小至1.24。分形状态研究表明:表面分形维数DS值介于2.42～2.88之间,且随工艺的进行逐渐增大,低温炭化阶段变化幅度较大,说明各级产品在微观结构上越来越复杂,亦证明低温炭化是促进炭纤维微观结构转变的重要的工艺段。     

碳纤维微观结构表征:小角X射线散射

小角X射线散射技术(SAXS)是研究碳材料内部微孔结构的重要方法之一.当X射线照射到样品上时,如试样内部存在任何纳米尺度的密度不均匀区,在入射X射线束周围小角度范围内均会出现不同程度的X射线散射现象.基于此,利用SAXS不仅可以获得碳材料的孔结构信息,更微观的微电子密度起伏和较大尺度的微原纤结构信息都可以通过适当的方法解析出来.近年来,针对碳纤维等碳结构的SAXS解析理论逐渐深入,包括Debye相关距离理论等经典理论纷纷出现新的应用尝试,而Unified fit模型、"Ruland streak"法等的出现也使研究者对碳结构有了更新和更全面的理解.首先,准两相体系下碳纤维微观结构的SAXS分析取得突破.以De-bye相关距离理论为突破口对碳纤维散射体系类型进行分析时发现,碳纤维与其石墨化纤维在微观和介观尺度上存在显著差异性,其差异性的根源在于碳的无定型结构状态,且此类结构的散射信息可以被SAXS所捕捉,进而成为总散射强度的分量.此时,利用Unified fit模型或"双Debye"模型可以很好地分析准两相体系中无定形结构和微孔的结构特征.其次,基于"Ruland streak"法的散射体取向分析方法被成功应用于碳纤维孔结构分析.该方法假设了择优取向的散射体具有较大的长径比,而散射强度主要集中于散射体主轴的法向,单个散射体将产生一个沿法向的散射条纹,因此散射体的取向可以通过分析接收器平面内散射体法向散射信号的分布而得到.此外,将Porod理论应用于碳结构内部微电子密度起伏分析和将麦克斯韦函数应用于碳纤维孔结构分布分析也是近年来涌现的新理论、新技术.据此本文综述了近年来应用SAXS对碳纤维进行微观结构表征的进展,对SAXS应用于碳材料微电子密度起伏、分形结构、孔隙结构、择优取向、无定形结构的测试及数据解析进行了详细阐述.     

聚丙烯腈(PAN)基纤维中微孔的2维小角X射线散射

应用二维小角X射线散射技术对PAN原丝、预氧丝、碳化丝纤维样品进行表征并采用Fankuchen切线法处理实验数据,得到微孔的平均结构信息。X射线散射集中在探测器平面赤道方向,原丝、预氧丝样品的散射强度相近并小于碳化丝散射强度,表明PAN基纤维在热处理过程中,纤维内部微孔一直沿纤维轴方向择优取向,在预氧化阶段微孔含量和大小基本保持不变,而在碳化阶段将产生大量微孔,并使微孔取向角增大。散射数据均呈现Porod正偏离,说明纤维内部还存在1nm以下的微结构起伏。     

同步辐射小角X射线散射研究PAN原丝制备过程中孔结构的演变

采用同步辐射小角X射线散射研究了PAN原丝制备过程中纤维孔结构的演变。结果表明,在水洗工艺中,纤维孔隙较多、较大,孔径分布较宽,近似圆形;在热水牵伸工艺中,纤维孔隙仍较多、较大,孔径分布较宽,近似椭圆形,长轴约17 nm~21 nm,短轴约4 nm~11 nm;在干燥致密化工艺中,孔隙急剧减少、减小,孔径分布较窄,沿纤维轴向约7 nm~9nm,垂直纤维轴向约2 nm;经过蒸汽牵伸,孔隙又增多、增大,孔径分布变宽,孔隙沿纤维轴向被牵伸得很长,近似梭形;但是随后的松弛热定型又使孔隙减小,孔径分布变窄。     

Real time X-ray scattering study of the formation of ZnS nanoparticles using synchrotron radiation

We investigate the growth of ZnS nanoparticles by a real-time simultaneous small and wide angle X-ray scattering (SAXS, WAXS) study using synchrotron radiation. Zinc chloride and elemental sulfur were dissolved in oleylamine. The formation of nanoparticles was induced by heating to 170 °C and 215 °C. The influence of temperature, reaction time, and sulfur concentration was investigated. After a short phase of rapid growth, saturation in size and a slower growth is observed depending on the temperature. The final size of the nanoparticles ranges between 2 and 6 nm for the investigated growth conditions and increases with the reaction temperature and sulfur concentration. SAXS analysis allows for determination of the size of the nanoparticles and proves also the existence of an organized layer of oleylamine molecules covering the nanoparticles' surfaces, which, however, appears only for diameters of the nanoparticles larger than approximately 2.8 nm. The investigation of the measured structure factor of the nanoparticle assemblies showed that the distance of an attractive interaction is 2.5 nm, which was interpreted as a consequence of the ordered oleylamine surface layer.     

Monodisperse hollow silica spheres: An in-depth scattering analysis

Herein, we fabricate hollow silica nanoparticles with exceptionally narrow size distributions that inherently possess two distinct length scales—tens of nanometers with regards to the shell thickness, and hundreds of nanometers in regards to the total diameter. We characterize these structures using dynamic and static light scattering (DLS and SLS), small angle X-ray scattering (SAXS), and transmission electron microscopy (TEM), and we demonstrate quantitative agreement among all methods. The ratio between the radius of gyration (SLS) and hydrodynamic radius (DLS) in these particles equals almost unity, corresponding to ideal capsule behavior. We are able to resolve up to 20 diffraction orders of the hollow sphere form factor in SAXS, indicating a narrow size distribution. Data from light and X-ray scattering can be combined to a master curve covering a q-range of four orders of magnitude assessing all hierarchical length scales of the form factor. The measured SLS intensity profiles noticeably change when the scattering contrast between the interior and exterior is altered, whereas the SAXS intensity profiles do not show any significant change. Tight control of the aforementioned length scales in one simple and robust colloidal building block renders these particles suitable as future calibration standards.

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WAXD/SAXS study and 2D fitting (SAXS) of the microstructural evolution of PAN-based carbon fibers during the pre-oxidation and carbonization process北大核心CSCD

Microstructutal evolution in polyacrylonitrile (PAN) fibers at different temperatures during pre-oxidation and carbonization under stretching was studied by. synchrotron wide-angle X-ray diffraction (WAXD) and small-angle X-ray scattering (SAXS). Microvoids were characterized by the classical SAXS method, and were compared with simulation results obtained by fitting 2D SAXS patterns to a model based on a dilute system of cylindrical microvoids randomly distributed and preferentially orientated along the fiber axis and having a log-normal size distribution. The WAXD results showed that the crystal size, d-spacing and preferred orientation decreased during pre-oxidation, and increased during carbonization. A diffraction peak for PAN fibers at 2 theta = 13. 6 degrees disappeared during the final stage of pre-oxidation, meanwhile a new peak at 2 theta = 23.6 degrees appeared, whose intensity increased during carbonization, indicating the formation of the graphite structure. The average length of the microvoids increased, and new microvoids were formed, which became oriented along the fiber axis as the fiber manufacturing process proceeded. The length of microvoids from simulation results is consistent with that from the classical method, indicating that the model is valid to describe the microvoid structure of fibers.     

Application of X-ray scattering technique to the study of supersmooth surfaces

Applications of the X-ray scattering technique for studying supersmooth surfaces with rms roughness of 0.1–0.2 nm are discussed. The experimental schemes are analyzed and systematic errors on the determination of 2D and 1D PSD-functions are evaluated. Results of laboratory and synchrotron experiments are presented on the study of roughness of superpolished substrates made of different materials as well as for B₄C films of different thickness.     

三维X射线衍射技术与工程材料研究

第三代同步辐射光源可以产生高能X射线,实现对使役条件下工程材料内部晶体结构的原位无损表征.三维X射线衍射(3DXRD)是一种基于同步辐射技术的新兴表征技术,其采用单色高能硬X射线对多晶材料沿不同方向采集衍射信号,得到材料内部晶粒的晶体取向、空间位置、晶内局部应力张量等信息.当结合原位实验对材料进行3DXRD分析时,可以...     

纳米多孔薄膜孔结构的非破坏性表征

对纳米多孔低介电常数薄膜孔洞率、孔径、孔径分布和孔洞连通性等孔结构的表征有助于理解薄膜的结构和提高其性能。近年来开展了利用与特殊X射线反射联用的小角中子散射、小角X 射线散射、椭偏测孔仪、正电子湮没谱和表面声波谱等非破坏性方法表征多孔低介电常数薄膜孔结构的研究。介绍了这些方法的基本原理,综述了利用这些方法研究低介电常数介质薄膜及其集成工艺的进展,总结了这些方法表征多孔薄膜孔结构的特征。