質(zhì)量法測定鋁基碳化硼材料中碳化硼的含量

袁建，胡俊俊，劉香英，夏晨光，馮 碩

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

核裝置、核燃料運輸轉(zhuǎn)存等領(lǐng)域需要中子吸收材料。常用的中子吸收材料有鉛硼聚乙烯、鎘板、硼鋼、碳化硼等。鉛硼聚乙烯屏蔽結(jié)構(gòu)簡單，屏蔽體重量輕、體積小，但是材料易老化、壽命短；鎘板雖然也可以作為中子吸收材料，但鎘有毒、是致癌物；硼鋼的含硼量太低，不能滿足屏蔽需要[1-3]。碳化硼（B4C）具有較高的中子吸收能力，熱中子俘獲截面高，不產(chǎn)生放射性同位素，且耐腐蝕、熱穩(wěn)定性好，但是碳化硼韌性差、脆性大，難以制成結(jié)構(gòu)功能一體化的中子吸收材料[4]。金屬鋁具有較好的韌性、材質(zhì)輕、易延展、可塑性強，因此，鋁基碳化硼復(fù)合材料成為目前使用最多的中子吸收材料，在核工業(yè)中廣泛使用。硼的含量對材料屏蔽性能起決定作用，鋁基碳化硼材料成分分析具有重要意義。

由于碳化硼耐腐蝕，因此溶解存在很大困難，而采用堿熔法容易造成基體效應(yīng)，并且堿熔法費時費力，同時，硼作為難電離非金屬元素，在消解過程中也容易損失，造成測量結(jié)果重現(xiàn)性差，準確度難以保證。本文采用無機酸溶解鋁，重量法測定鋁基碳化硼材料中碳化硼質(zhì)量分數(shù)。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

鹽酸（MOS級），二次去離子水。天平（三級感量0.1mg），烘箱（105±1℃），水域鍋，離心機，石英離心管。

1.2 樣品處理

在105℃烘箱中，將石英離心管恒重，準確記錄恒重的石英離心管質(zhì)量（m0）。將鋁基碳化硼樣品（粉末、塊狀均可）置于干燥并恒重的石英離心管中，準確記錄稱取的樣品質(zhì)量為m。將離心管置于水浴鍋內(nèi)，加入適量10%HCl溶解，至試樣中鋁基完全溶解后蒸至盡干，使用二次去離子水反復(fù)沖洗，離心、去掉上清液后置于105℃烘箱中干燥，取出，稱質(zhì)量。再放入烘箱中105℃干燥，稱質(zhì)量，記錄質(zhì)量為m1。將稱質(zhì)量后的樣品再次置于水浴鍋中，重復(fù)上述步驟一次，稱質(zhì)量記為m2。若m1和m2雙差小于0.5%，則完成實驗過程；若m1和m2雙差大于0.5%則繼續(xù)以上實驗步驟直至雙差小于0.5%。按照公式（1）計算出鋁基碳化硼材料中碳化硼的質(zhì)量分數(shù)[5-6]：

式中：w(B4C)為鋁基碳化硼樣品中碳化硼的質(zhì)量分數(shù)，%； m0為恒重的空石英離心管的質(zhì)量，g；m2表示樣品經(jīng)10%HCl溶解后樣品和石英管總質(zhì)量，g；m表示樣品的稱樣質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 無機酸的選擇

在研究過程中，選擇10%鹽酸（HCl）和10%硝酸（HNO3）兩種無機酸溶解試樣。實驗表明，10%HCl的溶解速度明顯快于10%HNO3溶解速度，并且溶解徹底，不會發(fā)生Al3+的析出。本文驗證了稱樣量在0.6g，w(B4C)在30%時，試樣用10%HCl和10%HNO3溶解樣品比較，結(jié)果表明：在100℃水浴溫度下，10%HCl溶解試樣的時間為5h，而10%HNO3溶解試樣的時間超過10h，而且 HCl溶解的樣品并無 Al3+的析出，HNO3溶解的樣品有比較明顯的白色Al3+絡(luò)合物析出。因此本方法采用10%HCl溶解試樣。

2.2 稱樣量的選擇

如果稱樣量過大，則有可能溶解不完全并伴有Al3+的析出，而稱樣量太小又會增大稱量誤差。實驗分別稱取了0.2、0.6、1.0g塊狀鋁基碳化硼試樣，當(dāng)稱樣量為1.0g時，樣品溶解不完全，并且溶解時間較長；稱取0.2g時，由于所用天平為感量0.1mg，稱量誤差又較大；稱樣量為0.6g時則無上述問題。因此稱樣量為0.6g。

2.3 水浴溫度的選擇

分別選擇50℃、80℃、100℃水浴溫度，10%HCl進行樣品的溶解，結(jié)果見表1。

表1 不同水浴溫度溶解樣品比較Table 1 Comparison fo different water bath temperatures

由表1可知，當(dāng)水浴溫度為50℃時，樣品溶解不完全，而80℃、100℃水浴均能保證樣品完全溶解，但是80℃水浴溶解時間較長。因此選用100℃水浴溶解樣品。

2.4 方法準確度驗證

由于目前國內(nèi)外還沒有鋁基碳化硼粉末的標準物質(zhì)，本文以實驗室內(nèi)部監(jiān)控樣作為準確度驗證的樣品，樣品編號為RM-1、RM-2，每個樣品測定3次，測量結(jié)果見表2。

由表2可知，HCl溶解質(zhì)量法測定鋁基碳化硼材料中碳化硼的質(zhì)量分數(shù)方法準確度良好，能滿足日常測量需要。

2.5 方法精密度驗證

精密度驗證樣品選用兩個未知鋁基碳化硼塊狀樣品S-1、S-2，每個樣品測定10次，根據(jù)樣品的相對標準偏差判定方法的精密度，結(jié)果見表3。

表2 方法準確度測量結(jié)果Table 2 The results of accuracy determination

表3 方法精密度測量結(jié)果Table.3 The results of precision determination

由表3可知，HCl溶解質(zhì)量法測定鋁基碳化硼材料中碳化硼的質(zhì)量分數(shù)方法精密度良好，滿足測試需要。

3 結(jié)語

HCl溶解質(zhì)量法，測定鋁基碳化硼材料中碳化硼的質(zhì)量分數(shù)，方法簡單、快速，精密度高，結(jié)果準確，完全適用于實驗室批量測定鋁基碳化硼材料中碳化硼的質(zhì)量分數(shù)。