[科普中国]-多晶体

整个物体是由许多杂乱无章的排列着的小晶体组成的，这样的物体叫多晶体。一般来说多晶体是各向同性的，但单个小晶体仍是各向异性。

概述自然界中物质的存在状态有三种：气态、液态、固态（此处指一般物质，未包括“第四态”等离子体）。固体又可分为两种存在形式：晶体和非晶体。晶体是经过结晶过程而形成的具有规则的几何外形的固体；晶体中原子或分子在空间按一定规律周期性重复的排列。

从液态转变为固态的过程首先要成核，然后生长，这个过程叫晶粒的成核长大。晶粒内分子、原子都是有规则地排列的，所以一个晶粒就是单晶。多个晶粒，每个晶粒的大小和形状不同，而且取向也是凌乱的，没有明显的外形，也不表现各向异性，是多晶。1

晶体与非晶体晶体是经过结晶过程而形成的具有规则的几何外形的固体；晶体中原子或分子在空间按一定规律周期性重复的排列。

非晶是无规则排列，无周期无对称特征，原子排列无序，没有一定的晶格常数，描叙结构特点的只有径向分布函数，这是个统计的量。我们不知道具体确定的晶格常数，但可以知道面间距的统计分布情况。非晶有很多诱人的特性，因为它的应力应变曲线很特别。前面说了，从液态到到固态有个成核长大的过程，若不让它成核，直接到固态，得到非晶，这需要很快的冷却速度。所以研究一方面致力提高冷却速度，一方面在不断寻找新的合金配方，因为不同的合金配方有不同的非晶形成能力，通常有Tg参数表征，叫玻璃化温度。非晶没有晶粒，也就没有晶界一说。也有人曾跟我说过非晶可以看成有晶界组成。那么另一方面，让若它成核，不让它长大，就成了纳米晶。

多晶衍射仪与单晶衍射仪一般大家讲的衍射仪就是多晶衍射仪，需要的样品是多晶体。主要用于鉴定多相样品中的物相，以及定量相分析应力以及晶粒大小，有些多晶衍射仪上还配一些附件如织构仪，用于测量织构，高/低温台，用于测量样品在不同温度下的物相变化，这是一种原位测量。也有小角散射台，应力附件，微区分析等。

单晶衍射仪的作用主要是测单晶样品的结构，对于已知结构可以进行精修，对于未知结构可以鉴定结构。

多晶衍射用于物相鉴定的原理与单晶衍射仪不同，它主要依据的是一个称为PDF文件的物相数据库，通过查找这个库中与样品衍射谱相同的物相来鉴定某个物相是否存在，因此，鉴定的必须是已知物相。这个库的来源主要通过单晶衍射来鉴定结构，如果没有这个数据库，多晶衍射一般就不能进行物相的鉴定。当然也可以进行指标化，但困难多了。2

多晶体织构多晶体材料在制备、合成及加工等工艺过程形成择优取向，即各晶粒的取向朝一个或几个特定方向偏聚的现像，这种组织状态称为织构。如材料经拉拔、轧制、挤压、旋压等压力加工后，由于塑性变形中晶粒方位转动、变形而形成形变织构；退火后又产生不同冷加工状态的退火织构（或再结晶织构）：铸造材料具有某些晶向垂直于模壁的组织特点，电镀、真空蒸镀、溅射等方法制备的薄膜材料也表现出特殊的择优取向。不仅金属、在陶瓷、天然岩石、天然和人造纤维材料中都存在织构，所以说择优取向在多晶材料中几乎是无所不在的。

织构使多晶体材料的物理、力学、化学性能发生各向异性，这种性质有时是有害的，如冷轧钢板的择优取向使用它制成的冲压件出现“制耳”和厚度不均匀以致折皱的疵病；而有时又是有益的，如冷轧硅钢片经适当退火得到的“高斯织构”有利于减小磁损，织构还可以作为一些材料的强化方法加以利用。因而测定织构并给它一定的指标是材料研究的一个重要方面，多处来X射线衍射是揭示材料织构特征的主要方法。近年来背散射电子衍射（EBSD）法在结构测定上亦得到广泛应用。3

多晶体分析方法粉末照相法常用的是德拜--谢乐法，通过德拜相机拍摄出衍射线，从而计算出θ角→d→晶面和晶体结构。

多晶体粉末的衍射花样可以用照相法记录，要解决的问题是如何得到圆锥的照片，如何测定2θ角，如何由θ角推算出圆锥所属的晶面。根据在底片上测定的衍射线条的位置可以确定衍射角θ，如果知道λ的数值就可以推算产生本衍射线条的反射面的晶面间距。

X射线衍射仪法采用测角仪和计数器，准确地测出2θ角以及衍射强度，这种方法比照相法准确。因为照相法通过底片上的圆弧对计算θ角时，有一定的测量误差，而衍射仪法减少了人为的误差。

X射线是利用衍射原理，精确测定物质的晶体结构，织构及应力。对物质进行物相分析、定性分析、定量分析。广泛应用于冶金、石油、化工、科研、航空航天、教学、材料生产等领域。

特征X射线是一种波长很短(约为0～0.06nm)的电磁波，能穿透一定厚度的物质，并能使荧光物质发光、照相乳胶感光、气体电离。在用电子束轰击金属“靶”产生的X射线中，包含与靶中各种元素对应的具有特定波长的X射线，称为特征（或标识）X射线。考虑到X射线的波长和晶体内部原子间的距离相近，1912年德国物理学家劳厄(M.vonLaue)提出一个重要的科学预见：晶体可以作为X射线的空间衍射光，即当一束X射线通过晶体时将发生衍射，衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向上加强，在其他方向上减弱。分析在照相底片上得到的衍射花样，便可确定晶体结构。这一预见随即为实验所验证。1913年英国物理学家布拉格父子(W.H Bragg，W.LBragg)在劳厄发现的基础上，不仅成功地测定了NaCl、KCl等的晶体结构，并提出了作为晶体衍射基础的著名公式──布拉格定律。4

本词条内容贡献者为:

胡启洲 - 副教授 - 南京理工大学