Röntgenbeugungsanalyse (RBA)
Röntgenphasenanalyse

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Dokumenteninhalt:

1. Gerätebeschreibung
2. Allgemeines
3. Dienstleistungen
4. Methodenbeispiele
5. Anwendungsbeispiele

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Gerätebeschreibung:

RBA = engl. XRD (X-ray diffraction), zerstörungsfreie Methode zur Strukturanalyse von Kristallen
Gerätebezeichnung: Röntgendiffraktometer D 5000 matic
Hersteller: Siemens AG

Software Phasenanalyse: EVA 2
Hersteller: Bruker-AXS

Software Rietveldanalyse: Siroquant 3.0
Hersteller: Sietronics Pty Ltd

Die WZR ceramic solutions GmbH arbeitet mit einem Diffractometer D5000 matic der Firma Siemens mit einer Kupferröhre der Wellenlänge 1,54056 nm. Als Detektor wird ein Szintillationszähler verwendet. Die Proben werden in Reflexion gemessen. Hauptsächlich analysieren wir pulverförmige Proben, aber auch an Stückgut sind Analysen möglich.

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Allgemeines:

Röntgenbeugungsanalye (RBA) (engl. X-ray diffraction), Röntgenphasenanalyse

Bei der Röntgenbeugungsanalyse handelt es sich um eine zerstörungsfreie Methode zur Strukturanalyse von Kristallen. Dabei ist das wichtigste Anwendungsgebiet die Identifizierung der kristallinen Anteile, d.h. es erfolgt eine Identifizierung der im Gemenge enthaltenen verschiedenen kristallinen Phasen und wird als Röntgenphasenanalyse bezeichnet.

Für die Untersuchungen wird eine charakteristische monochromatische Röntgenstrahlung erzeugt und diese auf die zu analysierende Probe gelenkt und nach Wechselwirkung mit der Probe die gebeugte Strahlung detektiert (Bild 2).

Das Untersuchungsverfahren beruht auf der Beugung der Röntgenstrahlung an den Netzebenenscharen der Kristalle. Das Wirkprinzip wird durch die BRAGG´sche Gleichung beschrieben (Bild 3).

Es können sowohl Proben als Stückgut mit planer Oberfläche als auch Pulver analysiert werden. Bei der Untersuchung von kristallinen Pulvern spricht man auch von Pulverdiffraktometrie. Im Zue dieser Untersuchung werden Pulverdiffraktogramme (engl. powder pattern) erzeugt. In Abbildung 6 ist ein Pulverdiffraktogramm dargestellt. Das Pulverdiffraktogramm enthält die registrierten Intensitäten der an den Kristallnetzebenen gebeugten Röntgenstrahlung in Abhängigkeit vom Beugungswinkel in einem bestimmten Bereich von 2Theta. Die aufgezeichneten Peaks werden mit Datenbanken verglichen und somit identifiziert, d.h. qualifiziert. In Abhängigkeit von der Intensität der registrierten Beugungsdaten kann bei vollständiger qualitativer Analyse auch eine Quantifizierung erfolgen. Dabei wird das Verhältnis Intensität der Beugungslinie eines Minerals (I_ax) und seiner Konzentration (X_a) von der Funktion I_ax = f(X_a) gebildet. Die Intensität ist von zahlreichen komplexen Faktoren, wie Flächenhäufigkeits-, Polarisations-, Lorentz- und Strukturfaktor sowie von der Konzentration der Elementarzellen, der Wellenlänge der verwendeten Röntgenstrahlung, der Absorption der Röntgenstrahlung u.a. abhängig. Es gibt je nach Aufgabenstellung verschiedene Methoden zur Quantifizierung der Gemengeanalyse.

Die WZR ceramic solutions GmbH arbeitet mit einem Diffractometer D5000 matic der Firma Siemens mit einer Kupferröhre der Wellenlänge 1,54056 nm. Als Detektor wird ein Szintillationszähler verwendet. Die Proben werden in Reflexion gemessen. Hauptsächlich analysieren wir pulverförmige Proben, aber auch an Stückgut sind Analysen möglich. Als Software für die qualitative Phasenanalyse wird die Bruker-AXS Standardsoftware EVA 2 genutzt. Dieses Programm nutzt als Grundlage für die Identifizierung die Daten der internationalen ICDD PC-PDF-Datenbank. Für die quantitative Auswertung wird das auf der Rietveldanalyse basierende Programm Siroquant 3.0 genutzt. Die Rietveldanalyse beruht im Gegensatz zu vielen anderen Auswertemethoden auf der Nutzung der gesamten Daten des Pulverdiffraktogramms und liefert daher eine höhere statistische Sicherheit. Grundlage ist die Berechnung eines theoretischen Diffraktogramms auf Basis der qualitativ ermittelten Phasen mit Hilfe einer komplexen analytischen Funktion bis das theoretische dem tatsächlichen Pulverdiffraktogramm bestmöglich entspricht. In die Funktion gehen kristallographische und beugungstheoretische Kenntnisse ein.

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Dienstleistungen:

Die WZR ceramic solutions GmbH bietet folgende Dienstleistungen an:

• Probenvor- und Probenaufbereitung
• Qualifizierung des kristallinen Phasenbestandes von Ein- und Mehrphasengemischen,
• Quantifizierung des kristallinen Phasenbestandes von Mehrphasengemischen,
• Quantifizierung des amorphen Phasengehalts mittels internem Standard,

Grundsätzlich ist zu beachten, dass Phasengehalte von < 5 Ms.-% mittels Röntgenbeugungsanalyse nicht gesichert nachgewiesen werden können. Der relative Fehler bei der quantitativen Auswertung ist abhängig vom Phasengehalt und nimmt mit steigendem Phasengehalt ab.
Für Analysen von Stückgut wird eine plane Oberfläche benötigt. Der Probendurchmesser sollte 39 mm nicht überschreiten. Die entsprechenden Präparationen können auch im Haus durchgeführt werden. Für routinemäßige Bestimmungen von bereits analysenfertigen Proben benötigen wir homogene Pulver in folgenden Korngrößen und minimalen Probemengen:

• für eine qualitative Analyse d_max < 80 µm und ca. 1 g
• für eine quantitative Analyse d_max < 63 µm ca. 2 g (Doppelbestimmung).

Bei speziellen Fragestellungen können eine weitere Aufbereitung des Analysenmateriales und eine größere Probenmenge notwendig sein. Gerne beraten wir Sie hierzu persönlich.

Eine Einengung des Chemismus der Probe kann die Analyse erleichtern und beschleunigen. Des Weiteren sind Angaben zur Fragestellung und zur bisherigen Probenaufbereitung stets wünschenswert um eine möglichst effektive Analyse zu gewährleisten.

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Methodenbeispiele:

Mit der Röntgenbeugungsanalyse können untersucht werden:

• natürliche sowie technische Rohstoffe und Produkte
• Rohstoffe für Keramiken und keramische Produkte, wie medizintechnische Produkte, Feuerfestmaterialien
• Zementrohstoffe
• Metalle, z.B. Austenit, Martensit, Erfassung von kristallinen Korrosionsprodukten

Mit der Röntgenbeugungsanalyse kann bestimmt und erfasst werden:

• stöchiometrische Zusammensetzung von Phasen
• kristalline Verunreinigungen
• Mineralumwandlungen wie. z.B. Quarz -> Cristobalit mit der damit verbundenen Volumenzunahme
• Mineralneubildungen, z.B. durch Temperatureinwirkung bei technischen Prozesse, z.B. Bildung von Feldspäten
• Abhängigkeit des Kristallisationsgrades vom Prozessverlauf

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Anwendungsbeispiele:

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© WZR ceramic solutions GmbH, Juni 2008