液氮冷淬法制备石墨烯硅复合材料及其储能性能的研究.docx
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液氮冷淬法制备石墨烯硅复合材料及其储能性能的研究
液氮冷淬法制备石墨烯/硅复合材料及其储能性能的研究
锂离子电池因其具有容量大、工作电压高、循环使用寿命长、安全性高、无环境污染、无记忆效应、体积小、重量轻、比能量高等优点而从众多的二次电池中脱颖而出。
硅材料具有目前已知的最高的锂离子嵌入理论容量（4200mAh/g），是一种极具发展前景的锂离子电池负极材料。
但传统的硅负极在循环过程中会产生巨大的体积改变，导致电极粉末化，电极材料脱落，导致电池循环性能急剧恶化。
而石墨烯作为一种新型的二维碳纳米材料具有超低的电阻率、很好的机械性质，故可以将硅与石墨烯进行复合，以达到优势互补的目的。
本论文通过使用物理方法制备石墨烯/硅复合材料、对材料的结构与形貌进行表征，并对所制锂离子电池的性能测试来研究材料是否达到研究目的。
实验证明，该复合材料以210mA/g的电流密度在第50次充放电循环时具有较高的可逆容量——2370mAh/g。
100次充放电循环后，电流密度增加为4200mA/g时，该材料的电极仍然能够保持1000mAh/g的可逆容量。
1.1研究背景
随着现代社会的不断发展，越来越多的便携式电子设备出现在人类的生活中，极大地方便了人类的生活，但同时也带来了一系列的问题。
其中最受关注的就是能源的存储问题。
作为能源存储的核心器件，电池一直是科研的一大热点。
锂离子电池因其具有容量大、工作电压高、循环使用寿命长、安全性高、无环境污染、无记忆效应、体积小、重量轻、比能量高等优点而从众多二次电池中脱颖而出，成为二次电池研究中的一大热点。
1.2锂离子电池概述
1.2.1锂离子电池发展简史
作为重要的储能设备，电池的发展史可以追溯到公元左右，那时人们对电池仅有原始的认识，直到1800年，意大利物理学家伏打发明了人类历史上的第一套电源装置——伏打电堆（Voltacell），人们才开始了对电池原理的了解，电池的历史也由此开始。
电池在这两百多年的发展中经历了一系列的重大变革，如1836年诞生了丹尼尔电池；1839年Grove提出空气电池；1859年铅酸电池被发明出来并于1882年实现商业化，成为最先得到应用的二次电池；1868年Leclance发明干电池（Zn/Zncl2-NH4Cl/MnO2）并于1888年实现商品化；1883年氧化银电池被发明；1899年发明了镍-镉电池，1901年发明了镍-铁电池[1]。
由于环境的恶化，人们渐渐认识到了环保的重要性，电池的研究重点渐渐转向二次电池。
锂离子电池是继铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池之后的又一种可充电电池[2]。
锂离子电池的研究正式开始于1990年日本Nagoura等人研制成以石油焦为负极，以钴酸锂为正极的锂离子电池；同年日本Sony和加拿大Moli两大电池公司宣称将推出以碳为负极的锂离子电池；1991年，日本索尼能源技术公司与电池部联合开发了以聚糖醇热解碳（PFA）为负极的锂离子电池；1993年，美国Bellcore公司首先报道了聚合物锂离子电池[3]。
1.2.2锂元素的物理、化学性质
锂元素（Lithium），化学符号为Li，原子序数为3，原子量6.941，是最轻的碱金属元素。
元素名来源于希腊文，原意是“石头”。
于1817年由瑞典科学家阿尔费德逊发现[1]。
自然界中主要的锂矿物为锂辉石、锂云母、透锂长石和磷铝石等。
在人和动物机体、土壤、矿泉水、可可粉、烟叶、海藻中都能找到锂。
天然锂有两种同位素：
锂6和锂7。
锂金属在298K时为固态，其颜色为银白或灰色，锂暴露在空气中会很快被氧化而失去光泽。
锂元素位于化学元素周期表的第一周期、s区，其价电子数为1，电子排布式为
，在固态下其密度为0.534
是目前已知最轻的金属，同时它也具有高电极电位和高化学当量，其电化学比能量密度也相当高。
由表1.1[7]可以看出锂元素的标准电极电位是最低，为-3.01V。
故以锂作为负极所制得的电池一定会具有较高的工作电压以及质量能量密度。
表1.1室温下各种电极反应的标准电位[7]
由于锂元素的价电子数仅为1，故它的结合能在紧密堆积晶胞中很弱。
金属锂的熔点、硬度高于其他碱金属，其导电性较其他碱金属则较弱。
与其他第一主族的元素相比，锂的化合物性质很反常，与镁化合物的性质类似。
锂化合物的这些异常特性是因为其带有低电荷阴离子的锂盐具有高的晶格能而特别稳定，而对于高电荷、高价的阴离子的盐相对不稳定。
故锂化合物用作高能电池的正极材料性能显著，如锂-MnO2、锂-Mn2O4电池正极材料等，这类电池寿命长、功率大、能量高，并且可以在低温下使用[3]。
1.2.3锂离子电池的工作原理及特点
锂离子电池主要由四大部分构成，即正极材料、负极材料、电解液和隔膜。
锂离子电池的基本工作原理如图1.1[7]所示。
图1.1锂离子电池工作原理[7]。
其中，负极为石墨，正极为LiCoO2。
锂离子电池的基本工作原理为：
充电时，储存在正极材料中的一价锂离子在外加电场的作用下，从正极材料中脱出而进入电解液中，随后又穿过隔膜进入到负极材料中，并在捕获一个电子后以锂原子的形式嵌到石墨层之间；放电时，过程则正好相反，当电池外电路接通，电子在正负极电化学电位差的驱动下，自发地从负极由外电路回到正极，与此同时，一价锂离子从负极的石墨层之间脱出经电解液传输再次嵌入正极材料中。
以最常见的商用锂离子电池为例，其正极材料为LiCoO2、负极材料为石墨，该电池在充放电的过程中会发生如下图1.2[7]所示的可逆化学反应。
图1.2锂离子电池电极反应例图[7]
相对于传统的二次电池，锂离子电池具有很多的优势，其优势主要体现在如下方面：
（1）工作电压高。
锂离子电池放电时其电压一般可达3.6V，是铅酸电池的2倍，是镍氢和镍镉电池的3倍；
（2）能量密度高。
目前商用锂离子电池的质量比能量为140～160
，体积比能量值为400
，均高于镍基及铅酸电池；
（3）循环寿命长。
锂离子电池在反复充放电1000次后，其容量保持率大于80％；
（4）安全性能好。
在充放电过程中，锂是以一价锂离子的形式脱出和嵌入的，故避免了枝晶锂的形成；
（5）自放电率低。
锂离子电池的月自放电率为6～8％，远低于镍氢（30～40％）及镍镉（25～30％）电池的月自放电率；
（6）无记忆效应。
锂离子电池可以随时充电，且其性能并不会因此而迅速降低；
（7）低温性能好，允许工作温度范围宽。
锂离子电池的工作温度范围一般为-25～55℃；
（8）无环境污染。
锂离子电池中不含铅、镉等有毒的重金属元素，是“绿色电池”[3]。
表1.2[3]为锂离子电池与镍氢、镍镉二次电池的一些主要性能指标的比较。
表1.2锂离子电池、镍氢电池、镍镉电池主要性能比较[3]
随着锂离子电池的不断发展过程中，研究中也曾出现种种问题[3]：
（1）内部阻抗高。
锂离子电池若以有机溶剂为电解液，则锂离子电池的内部阻抗比镍氢、镍镉电池约大11倍，因为有机溶剂的导电率要比镍氢、镍镉电池的水溶液电解液低得多。
（2）工作电压变化较大。
当电池放电到额定容量的80％，镍镉电池的电压变化范围很小（约为20％），而锂离子电池的电压变化范围较大（约为40％）。
对于靠电池供电的设备而言，这是个严重的缺点。
不过，也由于锂离子电池的放电电压变化较大，很容易据此检测出电池的剩余电量。
（3）电极材料成本高。
如最常见的商用锂离子电池的正极材料LiCoO2，制备其所需的原材料价格较高。
（4）电池内部必须有特殊的保护电路，做防止过充之用。
（5）与普通电池的相容性差。
由于锂离子电池的工作电压高，在一般的普通电池要连用3节的情况下，才可以使用一节锂离子电池来代替。
当然，与锂离子电池的优点相比，这些问题都不算主要问题，可以通过进一步的研究来一步步改进[3]。
1.2.4锂离子电池电极材料及研究现状
目前，市场上的锂离子电池主要有三种类型，即钮扣式、方形和圆柱形（如下图1.3所示）[3]。
图1.3常见锂离子电池类型[3]
本实验所用到的是钮扣式电池，钮扣式电池主要由6个部分组成，按照电池的组装顺序由下往上依次为：
正极壳、制作的材料、隔膜（选择性膜）、锂片、填充物（泡沫镍，使电极材料充分与外壳接触）、负极壳，在组装过程中需要往电池里滴加适量的电解液。
由于本实验的目的是测试制得的负极材料的电化学性能，需要用金属锂片来与材料作对比，故以金属锂片为对电极和参比电极，即组装电池时以制得的材料为电池正极。
1.2.4.1正极材料
锂离子电池正极材料一般为嵌入化合物，作为理想的正极材料，锂嵌入化合物应具有以下性能[1]：
（1）金属离子
在嵌入化合物
中应具有较高的氧化还原电位，以使电池输出高电压；
（2）在嵌入化合物
中大量的锂能够发生可逆嵌入和脱出，以得到高容量，即x值要尽可能大；
（3）在整个嵌入/脱出过程中，锂的嵌入和脱出应可逆，且主体结构没有或很少发生变化，以良好的循环性能；
（4）氧化还原电位随x的变化应尽可能小，这样电池的电压不会发生显著变化，可保持较平稳的充放电；
（5）嵌入化合物应有较好的电子电导率和离子电导率，这样可以减少极化，并能进行大电流充放电；
（6）嵌入化合物在整个电压范围内应有好的化学稳定性，不与电解质等发生反应；
（7）锂离子在电极材料中有较大的扩散系数，便于快速充放电；
（8）从实用角度而言，嵌入化合物应当价格便宜，对环境无污染，易于制备等[1]。
目前已经商品化的锂离子电池正极材料是基于过渡金属（M）的氧化物或磷酸盐，其在放电状态时的成分为
或
[2]。
该氧化物和磷酸盐晶体结构是锂原子的基体，因为在这些晶体结构中锂离子能够多次嵌入和脱出，而不会在晶格对称性方面产生重要或永久性的变化[2]。
1.2.4.2电解质
常见的电解质有液体电解质、全固态电解质和凝胶型聚合物电解质三种。
用于锂离子电池体系中的液体电解质一般为有机电解液（由有机溶剂和电解质锂盐两部分组成），该电解质应满足以下条件：
（1）高锂离子电导率。
电导率在3×
～2×
S/cm（在较宽的温度范围内）；
（2）热稳定性好。
在较宽的温度范围内不会发生分解反应；
（3）化学稳定性高。
电解液不与电池体系的电极材料（包括正极、负极、隔膜等）反应；
（4）维持液态。
一般希望该电解质至少-40～70℃范围内为液态；
（5）无毒性，使用安全；
（6）尽量能促进电极反应进行；
（7）对商用锂离子电池而言，制备容易、成本低廉也是重要的考虑因素[1]。
全固态电解质包括无机电解质和聚合物电解质，两类电解质的选择要求有所不同，故分开描述。
理想的锂无机固体电解质材料，应具备以下条件：
（1）离子电导率高。
为避免出现漏电现象，电解质应具有较高的离子电导率、很低的电子电导率，特别是在室温下；
（2）相结构稳定性好。
在使用过程中不能发生相变；
（3）化学稳定性好。
特别是在充电过程中，与金属接触时不能发生氧化还原反应；
（4）电化学稳定性好。
特别是电化学窗口宽，如高于4.2V等[1]。
理想的聚合物电解质必须尽可能满足下述条件：
（1）聚合物膜加工性优良；
（2）室温下电导率高，低温下锂离子电导率也较高；
（3）高温稳定性好；
（4）化学稳定性好；
（5）电化学稳定性好，窗口宽；
（6）机械强度大，弯曲性能好；
（7）造价低廉等[1]。
凝胶型聚合物电解质应满足以下条件：
（1）在较宽的温度范围内特别是在低温下具有高离子电导率，以降低电池内阻；
（2）为消除浓度极化，锂离子的传递系数应保持基本不变；
（3）具有可忽略的电子导电性，以保证电极间有效隔离；
（4）高的化学和电化学稳定性；
（5）有机溶剂在其中的蒸汽压应尽可能低；
（6）电解质与电极活性物质之间的粘结性好；
（7）所有溶剂均固定在聚合物基体中，保证不发生液漏；
（8）价格低廉，环境友好；
（9）简化的生产过程，以便批量生产[1]。
1.2.4.3负极材料
负极材料作为锂离子电池的储锂主体，是本实验的研究重点。
自锂离子电池诞生以来，研究的有关负极材料主要有以下几种：
石墨化炭材料、无定形炭材料、硅基材料、新型合金、纳米氧化物和其他材料[1]。
如图1.4[3]，为锂离子电池常见的负极材料分类。
图1.4锂离子电池负极材料分类一览图[3]
锂离子电池的负极材料，一般需要具备的条件如下：
（1）锂离子在负极基体中的插入氧化还原电位尽可能低，接近金属锂的电位，从而使电池的输出电压高；
（2）在基体中大量的锂能够发生可逆的嵌入和脱出，以得到高容量密度，即可逆的x值尽可能大；
（3）在整个嵌入/脱出过程中，锂的嵌入和脱出应可逆，且主体结构没有或很少发生变化，以确保良好的循环性能；
（4）氧化还原电位随x的变化应该尽可能小，这样电池的电压不会发生显著变化，可保持较平稳的充放电；
（5）插入化合物应有较好的电子电导率和离子电导率，这样可以减少极化，并能进行大电流充放电；
（6）主体材料具有良好的表面结构，能够与液体电解质形成良好的SEI膜；
（7）插入化合物在整个电压范围内具有良好的化学稳定性，在形成SEI膜后不与电解质等发生反应；
（8）锂离子在材料中有较大的扩散系数，以便快速充放电；
（9）价格便宜、资源储量大、对环境无污染等[1]。
近年来，商用锂离子电池的负极材料多为石墨型碳材料，仍在探索研究中的负极材料主要有过渡族金属氧化物、硅及硅化物、氮化物、新型合金材料等。
1.2.4.3.1过渡族金属氧化物
过渡金属氧化物的晶格结构中间隙自由，每个过渡族金属元素都至少可以嵌入一个一价锂离子。
相对于传统的石墨负极材料而言，过渡金属氧化物拥有较高的理论比容量和首次充放电容量。
但是，由于过渡金属氧化物存在首次库伦效率低、高倍率充放电容量低和循环稳定性较差等缺陷，限制了其广泛的应用[4]。
1.2.4.3.2碳基材料
为了解决金属锂、合金材料作为锂离子电池负极材料存在的安全隐患，以炭材料为负极的锂离子电池得到快速发展。
炭材料可以分为两大类：
石墨化炭和无定形炭。
锂插入石墨化炭中会形成层间化合物或插入化合物[1]。
锂插入石墨层间的可逆插入反应主要发生在0.2V以下。
常温常压下，锂在石墨层间的最大插入量为372mA﹒h/g。
但是，锂插入石墨中形成的插入化合物在电池的保存过程中会与电解液反应而生成一些无机物，这些无机物会增加SEI膜的厚度，最终导致膜与电极分离，电池失效。
石墨化中间相炭微珠（简称MCMB）的电化学性能较其他炭材料有相当大的优势。
石墨材料有一个共性，就是循环性能不太理想，故仍有待改进。
锂在无定形炭材料中的储存机理有多种说法，与石墨化炭相比其理论容量可达1116mA﹒h/g。
但是在循环过程中，由于材料中的微孔周围为不稳定的缺陷结构，锂在插入和脱出过程中会导致这些结构的破坏，从而使可逆容量衰减[1]。
石墨资源储量相当丰富，对于炭材料的改性研究也一直在进行中。
改性的方向主要有表面处理、纳米化和复合材料等。
1.2.4.3.3硅
作为锂离子电池的负极材料，硅基材料主要包括硅、硅的氧化物、硅/碳复合材料以及硅的合金等。
如图1.5[9-11]所示，从图中的数据中，我们可以看出锂离子电池不同种类的电极材料的质量比容量以及它们各自的电压范围。
图1.5锂离子电池不同种类电极材料的质量比容量和电压范围[9-11]
1.3硅
1.3.1硅作为锂离子电池负极材料主要特点
硅的存在形式一般有两种：
晶体和无定形，用作锂离子电池的负极时，无定形硅的性能更佳。
由于锂与硅可以反应形成
、
、
和
等，作为储锂负极材料，硅具有高达4200mA﹒h/g的理论比容量。
硅作为锂离子电池的负极材料有如下优点：
（1）理论容量高与其他高容量材料（除了金属锂以外）；
（2）具有相对的结构稳定性；
（3）在充放电、脱嵌锂过程中，材料不易团聚；
（4）放电平台略高于碳材料，故在充放电过程中，不易引起锂枝晶在电极表面的形成[3]。
硅材料的电化学性能与其形态、颗粒大小、工作电压窗口等因素有关。
形态上，用作负极材料的硅可分为主体材料和薄膜材料。
主体材料可以通过球磨和高温固相法制得；薄膜材料则可以通过物理或化学气相沉积法、溅射法等制得[3]。
由于在高度脱嵌锂的情况下，硅基材料存在严重的体积效应，易使材料结构崩塌，从而导致电极的循环稳定性不佳，故薄膜材料可以在一定程度上缓解其效应，使电极的循环寿命有所提升。
纳米材料的应用，使硅颗粒可以有更大的比表面积，也可以在一定程度上提高材料的循环稳定性，延长其寿命。
但是，纳米材料容易团聚，对于二次电池这样需要多次循环的设备，并不能从根本上提高材料的循环稳定性。
锂离子电池的电位窗口也极大地影响着硅基材料的循环性能。
1.3.2硅基材料的改性
在硅中引入氧可以缓解硅的体积效应，在一定程度上提高电极材料的循环性能，提高电池的寿命。
但是，氧会与锂离子发生不可逆的化学反应，使材料的首次不可逆容量增加，故含氧材料的引入应当适当。
针对硅材料严重的体积效应，除了采用合金化或其他形式的硅化物（O、B等），还可以制备含硅元素的复合材料。
利用复合材料各组分间的协同效应，以达到优势互补的目的，提高电极材料的性能。
众所周知，碳基材料在充放电过程中的体积变化非常小，具有良好的循环性能，而且其自身就是电子与离子的混合导体，故常被选作高容量负极材料的基体材料[3]。
硅的嵌锂电位与碳材料，如MCMB等相近，故常常会将硅、碳复合，以此来改善硅的体积效应。
硅/碳复合材料可按照硅在碳中的分布形式分为三大类：
包覆型、嵌入型和分子接触型。
包覆型即核壳结构，较常见的是在纳米硅颗粒的外面包裹一层碳，该碳层的存在可在最大程度上降低硅与电解液的直接接触，通过对充放电的适当调节可以在一定程度上控制硅的嵌锂深度，从而改善电极循环性能，延长电池寿命。
嵌入型是硅/碳复合材料中最常见的类型，硅粉体均匀分散于碳、石墨等分散载体中，形成稳定均匀的两相或多相复合体系[3]。
分子接触型是一种相对较理想的分散体系，纳米级的活性粒子高度分散于碳层中，能在最大程度上改进硅的体积效应，它和包覆型一样均是以纯硅粉直接作为反应前驱物进入复合体系[3]。
1.4石墨烯
1.4.1石墨烯的结构及性质
石墨烯是由一层碳原子构成的二维碳纳米材料，其原子排列与石墨的单原子层相同，是碳原子以
杂化轨道按蜂巢晶格排列构成的单层二维晶体[5]。
石墨烯中的每个碳原子周围有3个碳原子与之成键，C-C键长0.142nm，键角为120°；每个碳原子以3个
杂化轨道和邻近的3个碳原子形成3个σ键，剩下的1个p轨道和邻近的其他碳原子一起形成共轭体系，每个碳原子贡献一个p电子。
石墨烯是构成碳纳米管、碳纳米球（富勒烯）这两种碳的重要同素异形体的基本组件。
从化学结构的角度，它们均是由
杂化碳原子组成，是具有很大
电子共轭体系的芳香化合物[5]。
石墨烯自被发现以来，一直是材料科学领域的研究热点，它同时具有惊人的迁移率、显著的室温霍尔效应、稳定的狄拉克电子结构、可与ITO相媲美的透光性、超高的机械强度和热导率等诱人性质[5]。
它极低的密度和突出的力学性能，使其能够成为复合材料增强剂的理想选择[5]。
1.4.2石墨烯的制备
石墨烯的制备方法主要可分为物理方法和化学方法两大类。
化学氧化还原法是目前应用最广泛的制备石墨烯的方法之一，其基本原理是以石墨为原料，先在溶液中用强酸处理形成石墨插层化合物，然后加入强氧化剂对其进行氧化，破坏石墨完整的晶体结构，从而在石墨表面引入含氧官能团，形成能在溶液中分散的氧化石墨或氧化石墨烯，最后通过各种还原方法将氧化石墨或氧化石墨烯还原，得到不同大小和厚度的石墨烯。
本实验制备氧化石墨烯溶液所使用的Hummers法就是一种常用的化学氧化还原法。
1.5本论文的选题依据及主要内容
随着社会的不断发展，目前的商用锂离子二次电池已经渐渐无法满足人们的需要。
硅拥有目前已知最大的理论储锂量，但是由于硅材料有严重的体积效应，会导致电池的循环性能不佳。
而石墨烯有着极高的杨氏模量、极低的电阻率、极低的密度等突出优点，是极佳的复合材料增强剂。
故考虑利用复合材料各组间的协同效应，考虑制备硅与石墨烯的复合材料。
本论文的主要内容就是利用物理方法制备一种无粘合剂、独立的石墨烯/硅复合薄膜材料，通过形貌结构表征和电化学性能测试，来研究材料的可行性，以达到为锂离子电池寻找性能更好的负极材料的实验目的。
第二章材料的制备及表征方法
2.1材料的制备
2.1.1实验前期准备
本实验的两个基本材料是硅纳米颗粒（SiNPs）和氧化石墨烯（GO）溶液。
其中，硅纳米颗粒（SiNPs）是土黄色呈粉末状的商用硅纳米颗粒；氧化石墨烯由以天然石墨粉为原料使用改进的hummers法制备得来。
2.1.2材料的制备及实验简单流程
第一步，清洗并干燥两个小烧杯。
第二步，用微量天平称取6～7mg的商用硅纳米颗粒，将称得的硅纳米颗粒倒入其中一个小烧杯中，并加入约7ml的蒸馏水。
即保证硅纳米颗粒的规格为1ml/mg。
第三步，用滴管抽取约3ml的氧化石墨烯溶液，滴入另一个烧杯中，并加入约7ml蒸馏水。
即保证氧化石墨烯溶液的规格为3mg/ml。
第四步，将两个烧杯封口，然后同时放入数控超声波清洗仪中，超声1小时，超声波的频率为53kHz；再将氧化石墨烯溶液倒入盛有硅纳米颗粒的烧杯中，最后将它们的混合液超声1小时。
第五步，将超声好的混合液体倒入一个器皿中，将该器皿置于一个较大的容器中，取适量的液氮倒入容器中，并盖上盖子，很快器皿中的混合液就会凝结成有些泛黄的黑色薄膜。
第六步，将薄膜从器皿中取出放入真空干燥箱中直接干燥约4～8小时，干燥完成后在将薄膜碳化（200℃左右，淬火，主要目的是使还原氧化石墨烯）成黑色薄膜。
第七步，对制备出薄膜的结构和形貌进行表征。
第八步，使用该薄膜组装半电池，在组装完成后先搁置一段时间，再对该电池的电化学性能进行测试。
第九步，再次对完成测试的材料进行适当的结构和形貌表征，对使用前后的表征结构做对比分析。
第十步，分析实验数据，总结实验教训，得出实验结论。
2.2材料的结构和形貌表征
2.2.1X射线衍射（XRD）
X射线入射晶体后会发生多种现象，故科研工作中常利用X射线衍射（XRD）来分析晶体结构。
其主要原理是：
射入晶体中的X射线会使晶体内原子中的电子发生频率相同的强制振动，因此每个原子即可作为一个新的X射线源向四周发射次生X射线，其波长与原始的X射线相同，强度却要弱许多。
在晶体中有着按一定周期重复的大量的原子，由这些原子所衍射出的次生X射线就会发生干涉现象，这些次生X射线在不同的方向上具有不同的行程差，只有当在某些方向上的行程差恰好为波长的整数倍时，次生X射线才会叠加，强度增强，使胶片感光[1]。
图2.1[1]为布拉格反射的原理图，只有当d满足如下布拉格公式时，射线才会加强。
布拉格公式：
2dsin（θ）=nλ
式中，λ为X射线的波长，θ为入射X射线和格子面间的夹角。
图2.1布拉格反射原理图[1]
利用XRD可以测得衍射强度随衍射角度的变化图谱，根据图谱上的信息可以对材料中的点阵常数、晶格类型、结晶取向等进行分析。
本次实验所使用的XRD测试仪为RigakuD/Max-2400型X射线衍射仪，辐射源为Cu-Ka射线，波长为0.15418nm，2θ的范围为5°～90°。
2.2.2拉曼光谱（Raman）
拉曼光谱（Raman）是利用激光束照射试样时发生散射现象而产生与入射光频率不同的散射光谱所进行的分析方法[3]。
当一定频率的光照射物质时，只有极少数的光子会与物质分子发生非弹性碰撞并产生能量交换导致散射光的频率低于或高于入射光，这就是拉曼散射，相应的频率变化为拉曼位移。
拉曼位移与物质的分子结构有关，等于物质分子的振动或转动频率，与入射光的频率无关。
由于每种不
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