SAXS及其应用
X射线的散射现象
晶体中的原子在射入晶体的X射线的作用下 被迫强制振动，形成一个新的X射线源发射 次生X射线。
[X-Ray Diffraction by Macromolecules, p. 15]
广角X射线散射（X射线衍射）
如果被照射试样具有周期性结构（结晶）， 则次生X射线会发生干涉现象，该现象被称 为X射线衍射（X-ray Diffraction, XRD ）。
X射线衍射需要在广角范围内测定，因此又 被称为广角X射线衍射（Wide-Angle X-ray Scattering, WAXS）。
小角X射线散射
如果被照射试样具有不同电子密度的非周 期性结构，则次生X射线不会发生干涉现象， 该现象被称为漫射X射线衍射（简称散射）。
X射线散射需要在小角度范围内测定，因此 又被称为小角X射线散射（Small-Angle Xray Scattering, SAXS）。
[Fundamentals of Powder Diffraction and Structural Characterization of Materials, 2nd Edition, p. 153]
粉末衍射图
[Fundamentals of Powder Diffraction and Structural Characterization of Materials, 2nd Edition, p. 156]
SAXS装置示意图
[Two-Dimensional X-Ray Diffraction, p. 332]
SAXS装置实物照片及剖面图
[Two-Dimensional X-Ray Diffraction, p. 337]
SAXS装置实物俯视图
[Two-Dimensional X-Ray Diffraction, p. 337]
[Methods of Experimental Physics Volume 16 Polymers, Part B Crystal Structure and Morphology, p. 54]
WAXS应用实例之区别结晶和非晶聚合物
衍射峰 弥散峰
WAXS应用实例之鉴别不同晶型
尼龙6的晶型和晶型同属单斜晶系，它们 的区别是型在2=11o有明显的002晶面的 峰；型是拟六方晶系，衍射图上只有一个 锐峰
晶胞的描述—晶面指数
[Physical Chemistry of Macromolecules, 2nd Edition, pp. 500-501]
晶面指数
[Two-Dimensional X-Ray Diffraction, p. 7]
晶面指数及晶面距
[Encyclopedia of Materials Characterization, p. 201]
未取向的结晶聚合物 衍射图案 取向的结晶聚合物衍 射图案
[Methods of Experimental Physics Volume 16 Polymers, Part B Crystal Structure and Morphology, pp. 54 & 55]
WAXS应用实例之取向度测定
冷拉不同倍数的全同聚丙烯薄膜的WAXS 平板照片
聚合物纤维旋转衍射
聚合物纤维经单向拉伸后，可使晶粒有一 定程度的取向，可以将晶粒中的原子面分 成两类，一类垂直于拉伸方向，另一类平 行于拉伸方向，因此就满足了单晶旋转的 条件。
[Methods of Experimental Physics Volume 16 Polymers, Part B Crystal Structure and Morphology, p. 49]
晶体的X射线衍射特征
[Crystal Structure Analysis, 3rd Edition, p. 48]
晶体结构及其晶胞类型
[Methods of Experimental Physics Volume 16: Polymers, Part B Crystal Structure and Morphology, p. 5]
WAXS应用
定性分析WAXS图案可得到如下信息：
（i）试样的形态（结晶或非晶）； （ii）结晶的类型； （iii）结晶的大致程度； （iv）晶粒的取向及大致程度。
定量分析WAXS数据可得到如下信息：
（i）晶胞参数； （ii）结晶度； （iii）取向度。
WAXS应用实例之区别结晶和非晶聚合物
衍射环 弥散环
0.3
2.5 5 40 100
结构表征的尺度要求
在广角衍射的角度范围内能测定的晶格间 距为零点几到几纳米。 然而在结晶聚合物中，常常要求测定几纳 米到几十纳米的长周期，这就要求测定角 度缩小到小角范围，也就是说，要在1-2o以 内测定衍射强度或记录衍射花样。
SAXS技术
一般X射线管发出的X射线束宽约1-2o，所 以，小角散射会被淹没在普通广角衍射图 中而观察不到。 系统有特别的要求：
X射线衍射测定
测定X射线衍射的方法主要有两种：一是粉 末法，另一是单晶旋转法。
[Methods of Experimental Physics Volume 16 Polymers, Part B Crystal Structure and Morphology, pp. 53 & 63]
X射线衍射测定之粉末法
[Fundamentals of Powder Diffraction and Structural Characterization of Materials, 2nd Edition, p. 154]
粉末衍射光锥及条纹摄制
[Introduction to X-Ray Powder Diffractometry, p. 60]
WAXS（XRD）原理
在不同的观测点，从不同的次生源发出的X 线间的光程差通常是不同的。
[X-Ray Diffraction by Macromolecules, p. 16]
WAXS（XRD）原理
由于存在不同的 光程差，因此， 到达不同观测点 的次生X射线可 能相互加强、减 弱，甚至完全抵 消。
晶面指数与晶胞参数
[Fundamentals of Powder Diffraction and Structural Characterization of Materials, 2nd Edition, p. 9]
Bragg方程
设晶体的晶面距为 d，X射线以与晶面间交 角为 的方向照射，从晶面散射出来的X射 线产生衍射的条件是相邻散射X射线间的光 程差等于波长的整数倍，即满足Bragg方程
x cos n
单晶旋转衍射图案摄制
一种是将相片卷成圆 筒形，样品放在圆筒 形相片的中心，X射线 从一侧射入，这样得 到的衍射图案是许多 平行的层线。 另一种方法是将平整 的照相底片放置在垂 直于X射线入射的方向 上，这样得到的是一 系列的双曲线。
四圆衍射仪
[Crystal Structure Analysis, 3rd Edition, p. 61]
WAXS应用实例之取向度测定
X射线法常用取向指数来表征结晶的取向程 度。例如尼龙6拉伸后，衍射环退化为赤道 弧，在方位角上扫描得峰，求得半峰宽， 定义取向指数（R）
180 W R 100 % 180
SAXS及其应用
根据Bragg方程，衍射角与晶格间距的关系
2 d/nm
30o
3o32’ 1o40’ 13’15” 5’20”
2d sin n
晶体参数解析
当用单色X射线（波长已知）测定时结晶体 时，从实验测得掠射角，进而由Bragg方程 求得晶面间距（即晶胞参数）。
[Methods of Experimental Physics Volume 16 Polymers, Part B Crystal Structure and Morphology, p. 53]
[X-Ray Analysis of Crntals of Powder Diffraction and Structural Characterization of Materials, 2nd Edition, p. 265]
粉末衍射平板图案摄制
当单色的X射线通 过晶体粉末时，因 为粉末中包含无数 任意取向的晶体， 所以必然会有一些 晶面距和掠射角满 足Bragg方程。
[Crystal Structure Analysis, 3rd Edition, p. 42]
X射线衍射测定之粉末法
由不同的晶面 衍射得到的X 射线束为锥形， 锥形光束的轴 就是入射X射 线，锥的顶角 等于 4。
WAXS应用实例之测定结晶度
结晶聚合物的WAXS图实际上是结晶和非 晶部分两相贡献的总和，先用分峰技术分 别测算出结晶峰和非晶峰的强度，然后再 计算结晶度。
Ic Xc I c kI a
WAXS应用实例之取向鉴定
未取向的非晶聚合物 衍射图案 取向的非晶聚合物衍 射图案
WAXS应用实例之取向鉴定
[X-Ray Diffraction by Macromolecules, p. 19]
不同光程差的X射线叠加
当光程差等于X射线波 长的整数倍时次生X射 线互相叠加而加强；
当光程差等于半波长 时，次生X射线相互完 全抵消。 只有相互叠加的光波 才能有足够的强度被 观察到。
[Crystal Structure Analysis, 3rd Edition, p. 28]
SAXS应用及其实例
SAXS能用于研 究数纳米到几 十纳米的聚合 物结构，如晶 片尺寸、溶液 中聚合物的回 转半径、共混 物和嵌段共聚 物的层片结构 等。
[Methods of Experimental Physics, Volume 16 Polymers, Part B Crystal Structure and Morphology, p. 165]