同步辐射小角X射线散射及其在材料研究中的应用

小角X射线散射(small angle X-ray scattering,SAXS)是研究物质内部一纳米到数百纳米甚至到微米尺度级别微观结构的有力工具。近年来随着我国同步辐射技术的不断发展,同步辐射SAXS技术被越来越多地应用到各种材料的研究领域。然而,由于SAXS图谱是倒空间的信号,并不像显微镜那么直观,也不如X射线衍射(XRD)那么被大家所熟知。简要介绍了SAXS的基本原理(稀疏体系、稠密体系),简短回顾了我国同步辐射小角散射线站的发展和进步。主要介绍了最近十余年基于同步辐射SAXS原位实时检测技术在高分子材料成型加工(结晶、取向性、周期性),原位SAXS和反常SAXS技术在合金相析出(成分、团簇尺寸),以及掠入射X射线散射在介孔薄膜(区域尺寸、位错因子)和有机光伏薄膜等领域中的典型应用,并展望了同步辐射SAXS技术的发展趋势及其在材料领域的应用前景。     

同步辐射原位X射线散射技术在纳米与能源材料中的应用

同步辐射原位X射线散射技术可以实现对材料结构进行多尺度的、无损的、高时间空间分辨率的表征,动态地揭示材料微观结构在不同外界环境下的演变过程。X射线散射基础理论已经相对成熟。第三代同步辐射光源大幅提高了X射线散射技术的时空分辨率,进一步拓宽X射线散射技术的应用场景。当前同步辐射原位X射线散射技术的难点主要集中于实验装置设计和大数据处理。概述了X射线散射技术的主要分类和基本的实验方法,主要介绍了不同分类的同步辐射原位X射线散射技术在纳米材料(纳米颗粒生长和纳米颗粒自组装)与能源材料(以钙钛矿薄膜材料为代表)研究中的应用。最后结合当前国内外先进同步辐射光源的发展现状,展望了同步辐射原位X射线散射技术未来发展的方向和应用前景。     

高分辨三维成像原位试验机研制进展及应用

先进材料及结构的损伤表征和在役性能评价是重大装备研发与服役中的关键科学问题。目前,依托同步辐射大科学装置的X射线三维成像技术在金属材料细观损伤力学行为研究方面具有独特优势,而兼容于同步辐射光源相应光束线站的各类原位加载装置对材料内部微结构损伤演化的动态高分辨表征具有重要意义。简要介绍了国内外依托世界各大高性能光源的原位加载试验机研制进展与应用成果,重点阐述了可实现单向拉压、循环加载及具备极寒、高温、真空等样品环境的基于同步辐射X射线成像的原位加载装置的设计原理及结构特点。最后,结合第三代高能X射线三维成像技术特点、先进光源线站建设、高通量试验要求等,对材料原位加载条件下的高时空分辨率动态成像进行了展望,指出开发集拉伸、压缩、低周疲劳、高周疲劳和超高周疲劳加载机构于一体的多功能原位试验机是一项重要的工作。     

小角X射线散射技术在材料研究中的应用

小角X射线散射(SAXS)是一种有效的材料亚微观结构表征手段。简单介绍了小角X射线散射理论,并综述了小角X射线散射技术在材料研究中的应用,内容涉及纳米颗粒尺寸测量,合金中的空位浓度、合金中的析出相尺寸以及非晶合金中的晶化析出相的尺寸测量,高分子材料中胶粒的形状、粒度以及粒度分布测量,以及高分子长周期体系中片晶的取向、厚度、结晶百分数和非晶层厚度的测量等等。     

PAN基原丝预氧丝炭纤维微结构的几种新的X射线衍射散射定量表征技术

介绍几种新近开发的针对PAN基原丝、预氧丝和炭丝微结构和结构缺陷的X射线衍射与散射定量表征技术,它们是:纤维材料中柱状(椭球状)纳米取向微孔体积分数X射线小角散射定量表征方法;纤维材料中柱状(椭球状)纳米取向微孔取向角的小角散射定量表征方法;预氧丝中链状相与环化相体积分数的小角衍射定量表征方法以及炭纤维中乱层石墨相与单层石墨相的X射线广角衍射定量表征方法等。     

三维X射线衍射技术与工程材料研究

第三代同步辐射光源可以产生高能X射线,实现对使役条件下工程材料内部晶体结构的原位无损表征。三维X射线衍射(3DXRD)是一种基于同步辐射技术的新兴表征技术,其采用单色高能硬X射线对多晶材料沿不同方向采集衍射信号,得到材料内部晶粒的晶体取向、空间位置、晶内局部应力张量等信息。当结合原位实验对材料进行3DXRD分析时,可以得到各晶粒状态的动态演化。该技术已经在欧洲的ESRF光源、美国的APS光源、日本的SPring-8光源以及德国的DESY光源等的衍射线站应用并向用户开放。综述了3DXRD技术的基本原理及其在工程材料研究中的应用案例,包括测量材料内部晶粒取向的演化、晶粒尺度应力测量、六方晶系材料变形机制研究、材料失效过程研究、晶体塑性有限元模型的验证等。最后基于3DXRD技术的现状,对其发展方向进行了展望。     

同步辐射高能X射线衍射在材料研究中的应用进展

同步辐射是具有连续光谱宽波段、高通量、低发散度等优点的先进脉冲X射线光源,可用于开展其它光源无法实现的诸多前沿科学研究。第三代同步辐射光源产生的高能X射线,能大幅提高衍射的倒易空间分辨率、穿透深度及时间分辨能力,实现使役条件下工程材料与部件内部多尺度微结构单元的高效原位、精确无损表征。配备满足透射几何条件、能施加多种力物性环境的原位装置,有助于建立多场耦合下材料的跨尺度力学模型。简述了同步辐射高能X射线衍射的基本原理、第三代同步辐射光源的装置与特点,介绍了高能X射线衍射在材料形变行为、相变以及再结晶等领域的研究进展。最后基于国内外先进光源的发展现状,展望了同步辐射高能X射线衍射技术进步的主要方向。     

同步辐射的基本知识 第二讲同步辐射中的衍射术及其应用（三）

3 同步辐射中的掠入射X射线衍射和表面结构 3．1 同步辐射中的掠入射X射线衍射术 掠入射散射（GIS）和掠入射衍射（GID）已在表面科学和表面工程中广泛应用,近年来在试验技术、衍射理论和在多层膜分析中的应用都有很大发展。     

多功能X射线衍射仪的由来与发展(上)

简要叙述了自X射线衍射发现以来近百年中X射线衍射仪的发展情况,大致可以划分为四个阶段:①早期的照相机阶段,特点是以照相底片做探测记录器,底片可同时记录许多衍射线,测角器构造简单;②中期的衍射仪阶段,特点是用计数器做探测器,大大提高了衍射强度的测量准确性,但要逐个记录衍射线,测角器构造复杂,电子技术的应用提高了此阶段仪器的自动化程度;③近代的电子计算机衍射仪阶段,特点是现代计算机与X射线衍射仪的结合,提高了衍射仪的自动化程度和检验能力,并增加了数据分析能力,大大促进了X射线衍射术的发展;④现代的多功能衍射仪阶段,现代科学技术的高速发展对X射线检验提出了新的要求,发展出一些新的X射线技术,如小角散射、薄膜衍射、反射率测定和微区分析等,把多种不同功能集为一体的多功能X射线衍射仪就此诞生。     

同步辐射及其在无机材料中的应用进展

同步辐射是环形加速器中做循环运动的高速电子在经过弯转磁铁时, 沿电子轨道切线方向发射的电磁辐射。作为一类平台型科技基础设施, 同步辐射光源对无机材料的研究和发展起到了重要支撑作用。同步辐射实验技术已经成为现代科学技术不可或缺的研究手段, 无机材料研究是同步辐射技术的主要应用领域之一。相对于用于材料研究的常规光源来说, 同步辐射技术研究无机材料有以下优势: 1)获取的数据质量更高; 2)空间分辨和时间分辨的能力更强; 3)原位和材料服役环境更易模拟; 4)多尺度、多方面、多种类的结构信息同步获取; 5)探测新的结构特性更有可能。同步辐射实验技术有助于解决无机材料领域中的一些关键科学问题, 从而极大地推动了无机材料的研究进展。本文首先简要介绍了同步辐射光源的现状, 以及国内现有三个同步辐射装置: 北京同步辐射装置(Beijing Synchrotron Radiation Facility, BSRF)、上海同步辐射装置(Shanghai Synchrotron Radiation Facility, SSRF)和国家同步辐射实验室(National Synchrotron Radiation Laboratory, NSRL)。然后, 从X射线衍射、散射、谱学、成像等四个方面, 列举了同步辐射技术在无机材料研究中的应用实例。最后, 对同步辐射光源和结构表征技术及其在无机材料中的应用进行了总结与展望。     

晶体材料内部残余应力衍射法无损检测的研究进展

目前能够准确、无损地测试材料内部残余应力的手段主要是中子衍射和同步辐射,但这两种测试手段需要核反应堆或高能同步辐射源,投资巨大,只为少数发达国家的少数实验室所拥有,难以应用到实际生产中。短波长X射线衍射仪通过钨靶-K_α特征射线(波长约0.02 nm)以及独特的谱接收方式,达到或接近同步辐射及中子衍射对晶体材料内部晶格应变的无损定点测试,为内部残余应力无损检测的广泛应用开辟了一条新的渠道。介绍了中子衍射和同步辐射对残余应力测试的国内外研究现状,重点展示了短波长X射线衍射仪用于内部应力测试的结果,并就三种测试方法特点进行了对比分析。     

同步辐射与分析测试

本文介绍一种大科学装置——同步辐射装置。这是一种数百人可同时在其上进行不同的科学技术实验的设备，其可达到的水平比实验室的极限水平高许多，从某些角度代表了国家的科学和技术水平。本文扼要介绍了同步辐射的特性，同步辐射装置的构造及一些主要的分析测试技术，如：X射线吸收精细结构光谱，X射线散射，高分辨X射线衍射，能量色散与时间分辨技术，聚集与微分析，成像与显微放大，综合测试原位测试及作铯对标定等。     

高强度钢丝残余应力的研究进展

回顾了近年来以珠光体钢丝为代表的高强度钢丝残余应力的数值模拟及其相关试验研究进展,主要介绍常规X射线衍射、中子衍射及同步辐射X射线衍射技术在钢丝残余应力分析中的应用,对残余应力的来源、测量原理及其结果进行了讨论;简述了残余应力对钢丝性能,如拉伸、应力松驰和环境促进断裂性能等指标的影响,同时对通过改变残余应力分布实现钢丝性能优化的主要工艺进行了介绍.     

Advanced techniques for characterization of ion beam modified materials

Understanding the mechanisms of damage formation in materials irradiated with energetic ions is essential for the field of ion-beam materials modification and engineering. Utilizing incident ions, electrons, photons, and positrons, various analysis techniques, including Rutherford backscattering spectrometry (RBS), electron RBS, Raman spectroscopy, high-resolution X-ray diffraction, small-angle X-ray scattering, and positron annihilation spectroscopy, are routinely used or gaining increasing attention in characterizing ion beam modified materials. The distinctive information, recent developments, and some perspectives in these techniques are reviewed. Applications of these techniques are discussed to demonstrate their unique ability for studying ion-solid interactions and the corresponding radiation effects in modified depths ranging from a few nm to a few tens of μm, and to provide information on electronic and atomic structure of the materials, defect configuration and concentration, as well as phase stability, amorphization and recrystallization processes. Such knowledge contributes to our fundamental understanding over a wide range of extreme conditions essential for enhancing material performance and also for design and synthesis of new materials to address a broad variety of future energy applications.     

简述2015年至2019年残余应力学术进展

概括介绍了近几年残余应力技术应用研究的进展,还介绍了激光冲击强化技术的相关问题,以及中子衍射和同步辐射残余应力技术发展概况。并将残余应力分类及其X射线表征、形变强化的机制等方面不同的学术观点进行了归纳,供业界参考。     

Optical tweezers for synchrotron radiation probing of trapped biological and soft matter objects in aqueous environments

Investigations of single fragile objects manipulated by optical forces with high brilliance X-ray beams may initiate the development of new research fields such as protein crystallography in an aqueous environment. We have developed a dedicated optical tweezers setup with a compact, portable, and versatile geometry for the customary manipulation of objects for synchrotron radiation applications. Objects of a few micrometers up to a few tens of micrometers size can be trapped for extended periods of time. The selection and positioning of single objects out of a batch of many can be performed semi-automatically by software routines. The performance of the setup has been tested by wide-angle and small-angle X-ray scattering experiments on single optically trapped starch granules, using a synchrotron radiation microbeam. We demonstrate here for the first time the feasibility of microdiffraction on optically trapped protein crystals. Starch granules and insulin crystals were repeatedly raster-scanned at about 50 ms exposure/raster-point up to the complete loss of the structural order. Radiation damage in starch granules results in the appearance of low-angle scattering due to the breakdown of the polysaccharide matrix. For insulin crystals, order along the densely packed [110] direction is preferentially maintained until complete loss of long-range order.