高分子材料特论

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1、高分子材料特論作業題目：測量高分子結晶度的方法指導老師：陳澄河教授學生：劉聿豐X光繞射原理1913年W.L.Bragg父子在從事晶體結構分析實驗中，從散射X光的分佈情形，他們認為可以將繞射現象視為入射光被晶面反射。此種反射如同鏡面反射，入射角等於反射角。在某些散射角下，從相鄰晶面散射之波彼此相位相同，光程差為波長的整數倍，因而產生建設性干涉。滿足此條件便可產生繞射，稱為布拉格定律（圖二）。2dhklsinq=nl不同的晶體結構晶面間距dhkl會有所差異，因此會有不同組合之繞射角{2qhkl}。繞射的發生除了必須滿足布拉格條件外，也會受晶體對稱性影響。當晶胞內所含原子數目不只一個時，由於

2、這些原子彼此的對稱關係，而限制了某些繞射的發生，稱為消光條件(ExtinctionConditions)表一為常見之例子。故當近乎單色光之X光照射晶體時，只有在某些特定的入射角才會出現繞射波，這主要是決定於晶胞的形狀、大小及對稱性。此外，晶胞內組成原子不同時，由於各原子對X光散能力相異，故雖結構相同也會造成不同的繞射強度。基本上晶體之X光繞射實驗提供兩項重要訊息。一是繞射峰的位置2q，二是繞射峰的強度I。第一項訊息提供了晶體之晶胞形狀大小（即晶格參數）的資料，第二項訊息則提供了晶體內部組成原子種類及位置的資料。隨材料之晶體結構與組成變化，每個晶體此兩項資料各不相同，正如同人類的指紋一樣

3、。因此可以利用X光的繞射分析來決定材料是屬於那一種礦物晶體或是結晶材料。材料在X光繞射之下，不同結晶化合物會產生相異的{2qhkl,Ihkl}組合，稱為繞射圖譜(DiffractionPatterns)。X光繞射圖譜可分為單晶繞射(SingleCrystal)與粉末繞射(Polycrystalline)兩類，其用途亦各異。▲圖二晶體繞射X光時，布拉格方程式之幾何關係▼表一　常見之晶格消光條件單晶繞射分析1.晶體方向、對稱性單晶繞射分析可用來測定晶體的方向、對稱性及晶格常數。單晶之繞射設備有照相機與繞射儀兩種，單晶繞射攝影根據應用目的之不同，有數種不同之裝置，例如勞厄法(LaueMeth

4、od)、旋轉擺動法(RotationoscillationMethod)、懷森堡法(WeissenbergMethod)及進動法(PrecessionMethod)。(1)勞厄法勞厄法最為簡單，照相時，晶體固定不動，底片也固定不動，而且是使用X光之連續光譜來繞射。由於底片，晶體與X光源位置的相對關係不同，勞厄法又可分穿透式與反射式兩種。對厚的材料晶體X光無法穿透時，則可以使用勞厄反射式方法來測定晶體生長方向。在勞厄法中屬於同一晶帶軸(ZoneAxis)的晶面繞射點會形成一弧狀排列（圖三），以立體投影法將各個晶帶軸投影在沃夫座標圖(WulffNet)上，由晶帶軸間夾角的關係，找出各個晶帶

5、軸之米勒指標便可推算出該晶體之方向。並從勞厄法繞射圖案，也可以獲知晶體的對稱關係。(2)旋轉擺動法旋轉擺動法是以垂直於入射X光之方向為旋轉軸，將晶體來回擺動，同一晶帶軸之繞射點便投射在同一圓周上。利用此照相方法可測定晶性、晶格常數及晶向調整。(3)懷森堡法懷森堡法拍攝時，晶體保持旋轉運動，底片沿晶體旋轉軸來回移動，若使用隔層片(LayerScreen)可一層一層分別照出倒置晶格並算出晶格參數a，b，c及晶軸夾角a，b，g。但是所拍攝之倒置晶格的扭曲的，必須經過修正步驟才能得到未變形的倒置晶格層。因而另有相同功能的進動照相機出現。(4)進動法進動式相機設計上較其它之照相機複雜，但所得之繞

6、射樣式較容易解釋。照片上繞射光點相當於倒置晶格的放大。2.晶體缺陷晶體之缺陷(Defect)包括差排(Dislocation)、錯斷(StackingFaults)、晶界(GrainBoundary)、域界(DomainBoundary)及雙晶(Twins)等，可以利用穿透式或掃描式電子顯微鏡來觀測，但亦可利用X光繞射方法來分析。一般常見的幾種偵測材料缺陷的方法有柏—巴氏法(Berg-Barrett)、郎氏法(Lang)、雙晶法等（圖五）。利用這些方法如果是一完美晶體則底片上之明暗對比，各處相同且十分均勻，若有各類之晶體缺陷存在，則繞射強度會呈現不均勻的分佈而產生明暗之對比。利用這些繞

7、射方法所得到之成像稱為位像(Topographic)，例如圖六，這種是屬於非破壞之晶體缺陷分析方法，為電子、金屬等材料特性分析不可或缺之技術。粉末繞射分析粉晶繞射也稱為粉末繞射，其繞射原理與單晶繞射相同，只是晶體粒徑小，在樣品中各晶體之方向不定，故所形成的繞射圖譜成環狀而非單晶時之點狀，在環上的繞射光點仍然遵守布拉格定律。粉末繞射設備亦有照相機與繞射儀兩種，粉末繞射圖譜有迪白—史瑞法(Debye-Scheerer)、格尼爾法(Guinier)及