红柱石检测中X射线衍射分析的步骤是怎样的

红柱石是含铝量高、热稳定性优的铝硅酸盐矿物（化学式Al₂SiO₅），广泛用于耐火材料、陶瓷等领域，其晶体结构的纯度与缺陷直接影响工业性能。X射线衍射（XRD）作为晶体结构分析的核心技术，能通过衍射峰的位置、强度与形状，实现红柱石的物相识别、纯度测定及结构表征。本文聚焦红柱石检测中XRD分析的具体步骤，拆解从样品制备到结果解析的全流程细节。

样品制备：从原料到符合XRD要求的粉末

红柱石样品制备的核心是“消除干扰因素”。首先预处理原始样品：若含水分或有机物，需在105℃烘箱中干燥2-4小时；若有黏土、石英等可见杂质，用镊子或筛网初步分离。

粉碎环节需避免引入杂质：红柱石硬度高（莫氏7-7.5），用玛瑙研钵手工研磨或行星式球磨机（玛瑙球）粉碎，球磨时控制转速200-300rpm、时间10-15分钟，防止晶体结构破坏。

粉碎后过200-300目筛，确保颗粒直径45-75μm——颗粒过大易导致衍射峰宽化，过小则可能团聚。

装填样品时，将粉末倒入样品架凹槽（深度1mm），用玻璃片水平压平，使表面与架面齐平。红柱石为针状晶体，需旋转样品架多次压平，避免“择优取向”（晶体沿单一方向排列）导致峰强偏差。

仪器准备：XRD设备的检查与校准

开机前先启动循环水系统（水温20-25℃，流量≥5L/min），待稳定后开启XRD主机，设置管压40kV、管流40mA，预热30分钟使X射线管热平衡——预热不充分会导致峰强波动。

用标准硅粉（纯度≥99.99%，颗粒10-20μm）校准：测试硅的（111）峰（2θ=28.44°）与（220）峰（47.30°），若峰位偏差超0.02°，需调整测角仪角度；若峰宽从0.1°增至0.2°，检查X射线管寿命（约2000小时）或探测器灵敏度。

清理样品室灰尘（压缩空气吹净），样品架用无水乙醇擦拭晾干，避免残留前次样品的杂质。

测试参数设置：匹配红柱石的XRD条件

靶材选Cu靶（Kα射线λ=1.5406Å），能激发红柱石主要衍射峰（如110面2θ=16.2°）。用石墨单色器过滤Kβ射线（波长1.392Å），降低背景噪声约40%，适合低杂质检测。

扫描范围设为10°-80°，覆盖红柱石及常见杂质（石英26.6°、刚玉35.2°、叶蜡石12.1°）的特征峰。

扫描速度与步长：定性分析用2°/min、0.02°步长（35分钟）；定量或结构分析用0.5°/min、0.02°步长，计数时间2s/步，提高峰分辨率。

开启旋转样品台（15rpm），减少红柱石的择优取向，使峰强更真实。

数据采集：从照射到图谱生成

将样品架放入样品台，对齐中心标记，关闭舱门——舱门未关严会导致X射线泄漏或空气散射增加。

启动扫描程序后，测角仪带动样品台与探测器同步旋转（θ-2θ模式），X射线照射样品，衍射光被探测器接收转化为“强度-2θ”图谱。

实时监控数据：若背景噪声突增，检查样品表面是否平整；若出现异常高峰，排查是否引入金属杂质（如铁屑的44.6°峰）；若峰宽化严重，可能是颗粒过大或晶体缺陷多。

数据保存为仪器专用格式（如.raw）与通用文本格式（.txt），便于后续分析。

物相定性分析：识别红柱石及杂质

用ICDD PDF-2数据库匹配衍射峰，红柱石标准卡片编号00-011-0462，主要峰：110面16.2°（强度100）、130面25.3°（80）、200面30.1°（60）。

对比样品峰与标准峰：若2θ偏差≤0.05°，且峰强顺序一致，判定存在红柱石。

识别杂质：石英峰26.6°（PDF 00-046-1045）、刚玉35.2°（00-010-0173）、叶蜡石12.1°（00-013-0592），若出现这些峰，记录位置与强度。

若某峰强度突增（如200面30.1°），说明存在择优取向，需重新制备样品（如过300目筛、双向研磨）。

定量分析：计算红柱石纯度

外标法适合高纯度（≥90%）：制备90%、95%、98%、100%的标准样品，测XRD后选110面峰算积分强度，绘“强度-纯度”曲线（R²≥0.99），未知样品代入曲线得纯度。

内标法适合多杂质（＜90%）：按9:1混合红柱石与α-Al₂O₃（内标物），测XRD后算红柱石110面与内标012面（25.5°）的强度比，用公式“红柱石质量分数=（I样/I内）×（K内/K样）×ω内”计算（K样≈1.2，K内≈1.0，ω内=10%）。

Rietveld全谱拟合法最准确（误差≤2%）：用Jade或GSAS软件拟合全谱，输出各物相质量分数，无需标准样品，适合多相体系。

结构表征：晶格参数与缺陷分析

晶格参数计算：选5-8个高信噪比峰（如110、130、200），读2θ值算d值，代入正交晶系公式（1/d²=h²/a² + k²/b² + l²/c²），最小二乘法拟合得a、b、c（标准值a=7.78Å、b=7.92Å、c=5.57Å）。若a=7.80Å，说明晶格膨胀（如Fe³+取代Al³+）。

晶粒尺寸用Scherrer公式：D=Kλ/(β cosθ)，K=0.89，β为校正后半高宽（弧度）。例如，110峰半高宽0.20°（β=0.00349），θ=8.1°，D≈380nm。

晶格畸变用Williamson-Hall法：β cosθ对sinθ作图，斜率为2ε（ε为畸变率）。若斜率0.002，ε=0.1%，说明轻微畸变。