Af Af Erik Stieper Brok ogKristian Krogsgaard

XRD er et kraftfuldt værktøj til at identificere krystallinske faser i materialer og bestemme deres relative koncentrationer. Denne information er afgørende for at forstå et materiales egenskaber og ydeevne, og dermed for anvendelser som kvalitetskontrol og diagnosticering af problemer som korrosion. XRD kan også give mere detaljeret indsigt, herunder krystallografiske detaljer, spændingsanalyse og måling af nanopartikelstørrelser. På avancerede internationale forskningsfaciliteter kan meget små prøver analyseres på meget kort tid. Denne kapacitet gør teknikken ideel til at studere små prøver og udføre realtidsanalyse af industrielle processer.

Forståelse af strukturelle egenskaber er afgørende for at optimere ydeevnen

Selvom den kemiske sammensætning af et materiale er vigtig, fortæller den ikke hele historien. For eksempel kan metaller bestå af forskellige krystallografiske faser med dramatisk forskellige mekaniske egenskaber. På samme måde bestemmes betonens samlede styrke og holdbarhed af partiklernes arrangement og type. Forståelse af de strukturelle egenskaber er derfor afgørende for at optimere materialets ydeevne i den endelige anvendelse.

Ved XRD rammes prøven af en røntgenstråle, hvilket får materialet til at sprede den indkommende stråling. Den spredte stråling afslører detaljeret information om atomernes arrangement i materialet. Hvert krystallinsk materiale har sit eget unikke diffraktionsmønster, og det målte mønster kan sammenlignes med hundredtusindvis af mønstre i internationale databaser for at finde et match og dermed identificere materialets krystalstruktur.

Forståelse af sammensætning og krystallografi kan forlænge levetiden

Forskellige materialer kan have samme kemiske sammensætning, men meget forskellige krystalstrukturer. Et eksempel er jernoxiderne Fe₂O₃ (hematit) og Fe₃O₄ (magnetit). Begge indeholder jern og ilt, men deres krystalstrukturer er forskellige, hvilket påvirker deres egenskaber og opførsel. Denne forskel spiller en vigtig rolle i korrosionsprocesser, og identifikation af materialet kan hjælpe med at fastslå årsagen til korrosionen.
 

Figur 1: Diffraktogram af mørkt materiale opsamlet fra et stålrør i en industriel anvendelse.Alle diffraktionspeaks matcher den velkendte struktur af magnetit, og materialet identificeres derfor som næsten 100 % magnetit. Analysen bekræfter mistanken om, at materialet er et korrosionsprodukt og kaster yderligere lys over de forhold, der har forårsaget korrosionen.

XRD er et effektivt værktøj til at skelne mellem faser som hematit og magnetit baseret på deres unikke "fingeraftryk" fra krystalstrukturen. Et eksempel ses i Figur 1, hvor et korrosionsprodukt identificeres som 100 % magnetit. Magnetit dannes generelt ved højere temperaturer eller i miljøer med begrænset ilt sammenlignet med hematit. Faktorer som pH og elektriske potentialer kan også være afgørende for, hvilken jernoxid der dannes. I nogle tilfælde kan en lille mængde magnetit endda være gavnlig, da den kan have en passiverende effekt på videre korrosion til hematit, som typisk er mere skadelig. Identifikation af jernoxider i korrosionsprodukter er derfor af stor betydning, og det primære værktøj hertil er XRD.

Præcis fasebestemmelse på overflader – kvalitetskontrol af beton

Den simpleste XRD-analyse er måling af et homogent pulver. Det er dog også muligt at fokusere røntgenstrålen på et lille punkt på en overflade og udføre analyse på udvalgte steder for at kortlægge forskellige faser. For eksempel er en betonprøve med flere faser blevet analyseret med fokuserende optik, der giver en spotstørrelse på 0,4 mm × 0,4 mm. I billedet i Figur 2 er 5 forskellige analysepositioner angivet. XRD-analyse blev udført på hver af disse punkter for at bestemme de forskellige krystallinske faser. Prøven er cirka 3 cm × 3 cm.

Positionsfokuseret XRD-analyse er særligt nyttig til karakterisering af heterogene krystallinske materialer som beton. Et tværsnit af typisk konstruktionsbeton på størrelse med en håndflade kan indeholde masser af forskellige kemiske forbindelser fordelt mellem sand og sten, armeringsmaterialer og cementmatricen.

De bestanddele, der udgør hærdet beton, vil uundgåeligt reagere med hinanden og med omgivelserne. Nogle af disse reaktioner kan påvirke betonens styrke og holdbarhed. Med positionsfokuseret XRD er det muligt hurtigt at karakterisere de anvendte tilslag samt omfanget af skadelige reaktioner i en betonprøve med minimal prøveforberedelse.

Et eksempel er informationen fra undersøgelsen af betonprøven vist i Figur 2. Mineralsammensætningen af de forskellige tilslag blev verificeret, og typiske produkter fra cementkarbonatisering blev identificeret, fx to forskellige CaCO₃-polymorfer (kalcit og vaterit) samt amorf SiO₂, som udskilles fra de hydrerede cementmineraler under karbonatiseringsprocessen.

Med den minimale prøveforberedelse, der kræves til ovenstående analyse, er potentialet for storskalaundersøgelser af beton, tilslag og lignende materialer betydeligt – hvilket igen kan bidrage til mere effektiv genanvendelse af byggematerialer.

Figur 2 – Betonprøve med identificerede faser ved hjælp af XRD

Grænserne flyttes – alt er muligt på internationale synkrotronfaciliteter

Selvom mange prøver kan analyseres og mange spørgsmål besvares med konventionel laboratoriebaseret XRD (fx med kobberrør), er der nogle gange behov for endnu mere avanceret udstyr! På moderne synkrotronkilder accelereres elektroner næsten til lysets hastighed, hvilket får dem til at udsende ekstremt kraftige røntgenstråler.

Når XRD udføres på en synkrotron, er teknikken grundlæggende den samme som i et konventionelt laboratorium, men røntgenstrålen fra en synkrotron er op til 100.000 gange kraftigere end en typisk laboratoriekilde. Denne ekstraordinære intensitet muliggør analyser, der ellers ville være umulige – fx undersøgelse af ekstremt små prøver eller ultrahurtige målinger. Det gør det muligt at indsamle data i realtid, mens processer foregår, og giver indsigt, som ikke kan opnås med standardudstyr.

Vi samarbejder med nogle af verdens mest avancerede synkrotronfaciliteter for at give industrien adgang til dette udstyr i verdensklasse. Centrale samarbejdspartnere inkluderer:

MAX IV, som ligger tæt på København, har en dansk strålelinje kaldet DanMAX. DanMAX tilbyder unikke muligheder ved at kombinere XRD og røntgentomografi, hvilket giver information om krystallinske faser på specifikke punkter i et 3D-billede af prøven. Det gør den særligt velegnet til at studere industrielle materialer og processer og åbner nye muligheder for innovation og problemløsning.

Fremtiden for XRD er lys

Teknikken kan bruges til at besvare mange spørgsmål – både i daglig kvalitetskontrol og i dybdegående forsknings- og udviklingsprojekter.