XRD应用分享 | 物相分析

材料的性能往往由其物相（物相是指试样中由各种元素形成的具有固定结构的化合物，也包括单质元素和固溶体）组成所决定，而不是简单的与元素组成相关。比如都是由C组成的无定性碳、石墨、金刚石三种材料性能差别非常大。因此，分析材料的物相组成非常重要，而XRD作为物相分析的主要手段之一被广泛应用。任何结晶物质均具有特定结晶结构（结晶类型，晶胞大小及质点种类，数目，分布）和组成元素。一种物质有自已独特衍射谱与之对应，多相物质的衍射谱为各个互不相干，单独存在物相衍射谱的简单叠加。本文以复杂的多相材料水泥为例，说明XRD在物相分析中的作用。文中XRD数据采集是在布鲁克D8 ADVANCE X射线衍射仪上完成的，所用软件为TOPAS全谱拟合软件。 

常见的水泥由水泥熟料、加石灰石、石膏和混合材组成。其中水泥和熟料的物理化学性能，比如凝结性能和强度变化等，不只是由化学组成所决定的，而主要是由其矿物组成所决定的。 

水泥熟料Rietveld无标样定量相分析 

目前有效的熟料矿相定量分析方法是 XRD与Rietveld分析[1] 方法的结合。不只可以一次性确定孰料中的C3S、C2S、C3A、C4AF等主要矿相的含量，还可以得到C3S、C2S、C3A等矿相多晶型含量以及游离钙等微量相的含量。

图 1 水 泥 熟 料 R i et v e l d 全 谱 拟 合 无 标 样 定 量 矿 相 分 析 。

C 3 S ：阿 利 特 - 晶 型 ：M 1和 M 3 ；

C 2 S ：贝 利 特 - 晶 型 ：b e t a 和 a l p h a‘ ；

C 3 A ：铝 酸 钙 - 晶 型 ：立 方 和 正 交 ；

C 4 A F ：铁 酸 钙 。

水泥的PONCKS2（Partial Or No Know Crystal Structure ）方法定量分析 

水泥中添加的混合材，比如高炉矿渣，往往含有大量的非晶态。由于非晶态没有晶体结构，常规的Rietveld方法已经不适用，无法用于此类样品的物相分析。传统的方法采用加入特定含量的标准物质以精确的计算非晶相物质的含量。由于每个样品都要混合标准物质，非常麻烦，在实验室中这个方法是可行的，但在实际生产和快速检测过程中，这个方法不现实。目前一种全新的PONCKS方法，解决了这一难题，实现了水泥样品的无标样定量分析。

图2 水泥PONCKS无标样定量矿相分析。C3S：阿利特-晶型：M1和M3；C2S：

贝利特-晶型：beta和alpha‘；C3A：铝酸钙-晶型：立方和正交；C4AF：铁酸钙。

参考文献：

1. The Rietveld Method (crystallography) - R. Young (Oxford, 2003)

2. Scarlett, N.V.Y. & Madsen, I.C. (2006): „Quantifification of phases with partial or no known crystal structure.“Powder Diffffraction, 21(4), 278-284.