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微波消解-電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定鉭合金中的硅

發(fā)布時(shí)間:

2025-07-01

在難熔金屬材料中，金屬鉭（Ta）及鉭合金具有較高的熔點(diǎn)、極低的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度、良好的塑性加工成形能力，優(yōu)良的耐腐蝕性能、耐磨損性能、抗蠕變性能以及高溫力學(xué)性能［1~3］，被廣泛應(yīng)用于航空航天、核工業(yè)、冶金化工及國防等諸多高新技術(shù)領(lǐng)域中［4，5］。這些新興技術(shù)領(lǐng)域?qū)饘巽g及鉭合金的各項(xiàng)物理化學(xué)性質(zhì)要求非常嚴(yán)苛，而合金中各種雜質(zhì)的含量又很大程度上影響著金屬鉭及鉭合金的物理化學(xué)性質(zhì)。因此，尋找一種準(zhǔn)確可靠的分析測試手段對金屬鉭及鉭合金中雜質(zhì)元素進(jìn)行分析是非常重要的。硅是鉭合金中的一種重要雜質(zhì)，其含量的高低直接影響到鉭合金的性能。因此，對鉭合金中硅的精確分析至關(guān)重要。傳統(tǒng)的硅分析方法主要包括化學(xué)分析法和儀器分析法。化學(xué)分析法主要包括氟硅酸滴定法和鉬藍(lán)分光光度法以及重量法，儀器分析法主要包括電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（ICP-AES）和電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）。由于鉭合金中硅含量較低，相比之下，ICP-AES具有高靈敏度、高精度、寬線性范圍和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為鉭合金中硅分析的主流方法。
由于鉭合金材料本身的特質(zhì)，需要使用氫氟酸溶解樣品，但是氫氟酸溶解樣品對于硅元素有著嚴(yán)格的溫度要求，溫度需要保持在60℃以下，否則會(huì)導(dǎo)致硅的損失，而溫度過低，鉭合金溶解時(shí)間過長，不能滿足實(shí)際分析需求。微波消解法作為一種簡單高效的溶樣方法，恰好滿足了這個(gè)分析要求。微波消解法通過在密閉消解罐中利用微波產(chǎn)生的熱能進(jìn)行強(qiáng)熱對流使樣品加速溶解，實(shí)驗(yàn)中僅需加入酸作為溶劑，不引入其他雜質(zhì)元素，溶樣完全、空白值低［12，13］。與傳統(tǒng)前處理手段相比，微波消解法具有省時(shí)省力、用酸量低、污染小且無揮發(fā)損失的優(yōu)點(diǎn)［14］。本工作通過微波消解法將鉭合金在硝酸和氫氟酸介質(zhì)中進(jìn)行密閉溶解，極大地提升了鉭合金的溶解效率，并通過電感耦合等離子原子發(fā)射光譜法進(jìn)行對硅進(jìn)行測定，實(shí)現(xiàn)了對鉭合金中硅元素的快速準(zhǔn)確分析。本文對鉭合金中硅的精確分析方法進(jìn)行了探討，為鉭合金的生產(chǎn)和應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。在今后的研究中，將繼續(xù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方法，提高分析效率和準(zhǔn)確性，以滿足高新技術(shù)領(lǐng)域?qū)︺g合金性能的更高要求。同時(shí)，也將關(guān)注其他雜質(zhì)元素的分析方法研究，為金屬鉭及鉭合金的廣泛應(yīng)用提供更多技術(shù)支持。
1實(shí)驗(yàn)部分
1.1主要儀器及工作條件
ICAP6300電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（美國賽默飛世爾有限公司），配備耐氫氟酸進(jìn)樣系統(tǒng)，分辨率<0.006mm（200nm處）。工作條件：樣品清洗時(shí)間為30s，分析泵速為50r/min，功率為1150W，載氣流量為0.75L/min，輔助氣流量為0.5L/min。
艾柯超純水機(jī)：超純水，10~16MΩ,25℃（成都市康寧科技發(fā)展有限公司）。
采用屹堯M6型微波消解儀在密閉條件下逐級(jí)升溫消解金屬鉭，微波消解程序見表1。
 


1.2 主要試劑
硝酸(ρ=1.42g/mL）；氫氟酸(ρ=1.14g/mL）。氬氣（體積分?jǐn)?shù)不小于99.99%）。
硅標(biāo)準(zhǔn)溶液：GSBG62007-90（1401）1000μg/mL，10%HCl介質(zhì)，由國家鋼鐵材料測試中心鋼鐵研究總院提供。實(shí)驗(yàn)用水均為超純水（10~16MΩ)。
1.3 實(shí)驗(yàn)方法
稱取0.5000g經(jīng)105℃烘干的樣品于微波消解內(nèi)罐中，分別加入3mL硝酸、4mL氫氟酸和4mL水；蓋上內(nèi)罐蓋子，扣上防爆膜，置入外罐中，擰緊后放入微波消解儀，根據(jù)表1加熱程序進(jìn)行微波消解。完成后取出，冷水浸泡2h以上，在通風(fēng)櫥中打開；將溶液移入100mL塑料容量瓶中，并用水清洗消解罐，定容，搖勻，以備使用。平行做兩份實(shí)驗(yàn)，結(jié)果取平均值；隨同樣品做空白實(shí)驗(yàn)。
1.4 標(biāo)準(zhǔn)溶液系列的配制
稱取四份與試樣對等的金屬鉭，分別置于微波消解罐中，并分別取0.00mL，1.00mL，5.00mL，10.00mL濃度為100.0μg/mL的硅標(biāo)準(zhǔn)溶液于微波消解罐中，按1.3步驟處理，冷卻之后轉(zhuǎn)移定容，得到系列標(biāo)準(zhǔn)溶液。此標(biāo)準(zhǔn)溶液中含硅量依次為0μg/mL，1.00μg/mL，5.00μg/mL和10.00μg/mL。
2 結(jié)果與討論
2.1 微波消解程序的優(yōu)化
樣品的溶解效率與最高溫度以及保溫時(shí)間息息相關(guān)。一般來說，在微波消解程序中，最高消解溫度越高，保溫時(shí)間越長，消解效果也越好。本工作旨在加快鉭合金的溶解速度，期望在時(shí)間成本及金錢成本達(dá)到最佳，因此實(shí)驗(yàn)對微波消解程序中的最高溫度以及保溫時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)以標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)TaNb3和實(shí)際樣品分別進(jìn)行，加入3mL硝酸和4mL氫氟酸進(jìn)行微波消解，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。首先固定保溫時(shí)間，改變最高溫度，由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知，消解溫度不夠高必然會(huì)對鉭合金的溶解造成影響；同樣的，固定最高溫度，改變保溫時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象同樣表明鉭合金的溶解對保溫時(shí)間有一定要求。綜合來看，實(shí)驗(yàn)選定消解最高溫度為200℃,保溫時(shí)間為30min。
 


2.2 氫氟酸用量的優(yōu)化
氫氟酸是常見的消解液成分之一，其能夠有效地破壞鉭的結(jié)構(gòu)，使嵌入在其中的元素析出，因此在鉭合金的微波消解中必須用到氫氟酸。氫氟酸的用量對鉭合金的溶解效率有著至關(guān)重要的影響，因此實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了氫氟酸的用量。實(shí)驗(yàn)固定硝酸用量為3mL，同時(shí)改變氫氟酸用量。不同條件下TaNb3樣品中Si的測定結(jié)果如表3所示。
 


實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和表3的數(shù)據(jù)表明，在高溫高壓的條件下，氫氟酸用量不足會(huì)導(dǎo)致樣品無法完全溶解，即在加入2mL氫氟酸的情況下，Si的測定值明顯偏低；提升氫氟酸的用量能夠促進(jìn)樣品的溶解，當(dāng)用量為4~5mL時(shí)，Si的測定結(jié)果趨于穩(wěn)定。因此實(shí)驗(yàn)選擇加入4mL氫氟酸進(jìn)行微波消解。
2.3 硝酸用量的優(yōu)化
硝酸具有強(qiáng)氧化性，是常見的消解液成分之一，可以有效地溶解大多數(shù)合金樣品，因此實(shí)驗(yàn)探究了硝酸用量對鉭合金消解效率的影響，同樣對標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)TaNb3進(jìn)行測試，固定氫氟酸用量為4mL，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。
 


實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和表4的數(shù)據(jù)表明，硝酸的用量不足同樣會(huì)導(dǎo)致樣品無法完全溶解，即在加入1mL硝酸的情況下，Si的測定值明顯偏低；增加硝酸的用量能夠促進(jìn)樣品的溶解，當(dāng)用量為3~4mL時(shí)，Si的測定結(jié)果趨于穩(wěn)定。因此實(shí)驗(yàn)確定消解液中硝酸的用量為3mL。
2.4 分析譜線的選擇與校準(zhǔn)曲線
考慮到大量鉭元素的存在可能會(huì)對硅的檢測造成干擾，因此，按照對待測元素干擾小或無干擾、背景低、靈敏度高的標(biāo)準(zhǔn)來選擇最佳分析譜線。實(shí)驗(yàn)選擇了硅的兩條分析線（251.612nm，21.412nm）進(jìn)行比較，最后選擇靈敏度更高，校準(zhǔn)曲線系數(shù)更好的251.612nm作為本次實(shí)驗(yàn)的分析線。在選定的儀器條件下檢測系列標(biāo)準(zhǔn)溶液中硅的發(fā)射光譜強(qiáng)度，以硅的質(zhì)量濃度（mg/L）為橫坐標(biāo)，對應(yīng)的發(fā)射光譜強(qiáng)度為縱坐標(biāo)繪制校準(zhǔn)曲線。線性范圍，回歸方程以及相關(guān)系數(shù)如表5所示。對空白連續(xù)測定11次，以測定結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差的三倍計(jì)算得到硅的檢出限，10倍空白標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算得到硅的定量限，見表5。
 


2.5 準(zhǔn)確度及精密度
為驗(yàn)證本方法的準(zhǔn)確度及精密度，選取鉭合金標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（TaNb3），按照實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行分析，結(jié)果如表6所示：分別進(jìn)行了三次實(shí)驗(yàn)，硅的測定值與認(rèn)定值相吻合，測定結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RelativeStan-dardDeviation，RSD，n=3）在2.3%~3.5%之間，表明該方法準(zhǔn)確度較高，精密度良好。
 


2.6 實(shí)際樣品的分析
選取兩個(gè)鉭合金樣品，按照實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行分析，結(jié)果如表7所示：測定結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差在1.3%~3.3%之間，加標(biāo)回收率在93.3%~105%之間，表明該方法能夠準(zhǔn)確測定鉭合金樣品中的硅。
 


3 結(jié)論
本工作提出了微波消解-電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定鉭合金樣品中硅的分析方法。相較于傳統(tǒng)的水浴法，本方法極大地提升了樣品的溶解速度，提高了樣品的分析效率。實(shí)驗(yàn)對氫氟酸的用量和分析譜線的選擇進(jìn)行了優(yōu)化；在最優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下對標(biāo)準(zhǔn)樣品以及實(shí)際樣品進(jìn)行了檢測，結(jié)果表明該方法具有較好的準(zhǔn)確度和精密度，且分析快速，可以用于鉭合金樣品中硅的準(zhǔn)確測定。

參考文獻(xiàn)：張浩等：微波消解-電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定鉭合金中的硅 
星塵科技（廣東）有限公司專注于高端球形金屬粉末的研發(fā)與生產(chǎn)，核心產(chǎn)品涵蓋鉭、鎢、鉬、鈮等稀有難熔金屬及其合金粉末，以及鎢鉬鉭鈮系難熔高熵合金粉末，均采用射頻等離子體球化技術(shù)制備，具備高純度、球形度好、無衛(wèi)星球、流動(dòng)性優(yōu)異及粒度分布均勻等特性。其球形鉭粉通過醫(yī)療植入領(lǐng)域國際標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，是骨科3D打印植入體的理想材料；難熔高熵合金粉末則服務(wù)于國防、航空航天等高端領(lǐng)域。公司技術(shù)團(tuán)隊(duì)源自廣東省科學(xué)院，擁有30余年科研積淀，主導(dǎo)制定多項(xiàng)國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并實(shí)現(xiàn)醫(yī)用球形鉭粉的國產(chǎn)化批量生產(chǎn)。歡迎聯(lián)系我們的專業(yè)技術(shù)人員，鄭經(jīng)理13318326187。