氮化硼粉末中氧含量的測定

侯紅霞，杜 效.

(鋼研納克檢測技術有限公司，北京 100094)

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氮化硼粉末中氧含量的測定

侯紅霞，杜 效.

(鋼研納克檢測技術有限公司，北京 100094)

目前，氮化硼的應用日趨廣泛，國內外市場需求也有所擴大。文章采用脈沖加熱惰氣熔融-紅外法測定氮化硼粉末中氧的含量，對分析功率、助熔劑、樣品處理、加樣方式等分析條件進行了研究。研究表明：在稱樣量為0.05 g左右、分析功率為5．5 kW的條件下，采用手動加樣的方式建立了用脈沖加熱惰氣熔融-紅外法測定氮化硼粉末中氧含量的方法。對氮化硼粉末樣品中的氧含量進行了7次測定，其測定結果的相對標準偏差分別為2.47%和3.30%。結果與脈沖加熱惰氣熔融-質譜法所得氧的測定值一致。

氮化硼粉末；氧含量；脈沖加熱惰氣熔融-紅外法；脈沖熔融-飛行時間質譜法

氮化硼是由氮原子和硼原子所構成的晶體。由于氮化硼具有良好的熱穩定性、耐磨性以及極強的化學穩定性[1]，故廣泛應用于多個行業。氮化硼中氧的含量對材料的物理性能有很大的影響，因此準確測定氮化硼中的氧含量就顯得至關重要。材料中氧的測定方法有庫侖法[2]，氫損法[3-5]，脈沖加熱惰氣熔融-紅外法[6]，但庫倫法所對應的設備已經逐漸被淘汰，而氫損法并不能準確測定材料中的總氧含量，脈沖加熱惰氣熔融-紅外法測定氮化硼中的氧含量也未見報道。本文采用惰氣熔融-脈沖加熱法，采用手動加熱的方法，選用氮化硼標樣繪制氧校準曲線，建立了脈沖加熱惰氣熔融-熱導法準確測定氮化硼粉末中氧含量的方法，完全能夠滿足生產檢測需求。

1　實驗部分

1.1主要儀器與材料

儀器： ON-3000氧氮分析儀，鋼研納克檢測技術有限公司。電子天平：BS124，Max124g，d=0.1mg，Sartorius；載氣：氦氣，純度≥99.999%，減壓閥調至0.25MPa～0.3MPa；動力氣：氬氣，純度≥99.5%，減壓閥調至0.25MPa～0.3MPa；石墨坩堝：高純石墨套坩堝；錫囊：高純免洗鎳囊；試劑：稀土氧化銅，無水高氯酸鎂，堿石棉(CO2吸收劑)，脫脂棉等。

標準樣品：ERM-ED103 sample no.63 (ω(O) / %=0.68±0.19)

1.2分析原理

在脈沖電極爐的高溫條件下，樣品在惰性氣氛的石墨坩堝中熔融，氣體元素的化合物被還原分解，樣品中的O以CO2的形式釋放，樣氣經由轉化爐后，CO轉化為CO2，CO2在載氣(高純氦)的攜帶下進入紅外檢測器進行檢測。

1．3實驗方法

采用1．1節中的氮化硼標樣建立氧的校準曲線，設定石墨坩堝預脫氣功率為5．8 kW，分析功率為5.5kW，在電子天平上稱取0.05g左右的氮化硼粉末樣品，采用手動加樣的方式放入石墨套坩堝，進行樣品分析，測定樣品中氧的含量。

2　結果與討論

2.1工作曲線建立

由于氮化硼的標樣非常少，而且價格昂貴，所以選取氮化硼標樣ERM-ED103 sample no.63 (ω(O) / %=0.68±0.19)，采用不同的稱樣量進行測定，做氧的校準曲線，氧曲線相關系數R2=0.998，線性良好。

2.2分析條件的確定

2.2.1樣品的處理

氮化硼的粉末樣品在空氣中放置，會吸收部分空氣中的H2O，使樣品結塊，影響樣品的釋放從而影響樣品中氧的測定，因此，本文使用標準，對樣品是否需要進行烘干進行了條件實驗。從表1的分析結果可以看出，樣品在100℃～110℃烘箱中烘2h,去除水份即可，取出在干燥器中冷卻至室溫后，分析精度更好，因此，本文中所分析的樣品均在烘箱中烘2h后再分析。

表1　樣品處理方法對分析結果的影響

2.2.2分析功率的選擇

分析功率的大小對樣品的熔融效果起關鍵作用，因此需設定不同的分析功率來考察樣品的釋放情況，以標準樣品為例，分別設定分析功率為4.5、5.0、5.5 kW，結果如表2所示。

表2　分析功率對實驗結果的影響

從表2可以看出，隨著功率的增加，氧的釋放越來越完全，分析功率在5.5kW時樣品釋放比較完全，氧的結果穩定性較好。因此，在本次研究的后續實驗中，均采用5.5 kW的分析功率。

2.3.3稱樣量的選擇

稱樣量對樣品的釋放和分析結果的精度都有較大的影響，稱樣量過大會造成釋放不完全，稱樣量過小會由于稱量誤差導致分析結果的精度波動較大，因此，對稱樣量的選擇就變成實驗過程中一個至關重要的環節。本文以標準樣品為例，進行稱樣量的選擇，實驗結果如表3所示。

表3　稱樣量對實驗結果的影響

由表3可以看出，當稱樣量為0.02g時，氧釋放完全，基本無拖尾，分析結果精度良好。

2.3.4助熔劑的選擇

助熔劑可以降低樣品的熔點，增加熔融的效果，同時也起著容器的作用。氧分析中一般使用鎳箔，鎳囊，鎳籃等作為助熔劑[9]。本文以標準樣品為例，在5.5kW的分析功率下試驗了鎳箔,鎳藍,錫囊和鎳囊等助溶劑的熔融效果。

表4　助熔劑對實驗結果的影響

由表4可以看出，使用不同的助熔劑對氧的釋放有較大影響，使用錫囊+鎳藍和錫囊+鎳藍+錫片時樣品熔融釋放完全，使用錫囊+鎳藍+錫片時精度更好，完全可以滿足客戶實際檢測的需求。但由于加入較多的助溶劑，所以在增加成本的同時儀器污染也很嚴重。因此，我們又對實驗方法做了進一步的優化。

2.3.5加樣方式的選擇

常規樣品的分析一般采用自動加樣的方式，但是對于一些較輕的粉末樣品來說，由于受稱樣量、助溶劑等因素的影響所以采用手動加樣的方式更加合適。本文在5.5kW的分析功率下，對氮化硼的粉末樣品進行了加樣方式的條件實驗，結果見表5。

表5　加樣方式對實驗結果的影響

由表5可見，采用手動加樣的方式稱樣量可以到0.05g，也無需添加助溶劑，分析結果的精度更好，而且對儀器造成的污染也大大減少，因此，本文后續實驗均采用手動加樣的方式進行樣品分析。

2.4檢出限的測定

由于樣品稱樣量較少，為了準確測定樣品合金中氧的含量，獲得低而穩定的空白值是必要的。氧空白值主要是由石墨坩堝、助熔劑、載氣以及爐膛空白等引起的。本文在5.5kW的分析功率下，將錫囊和錫片投入到高純石墨套坩堝中進行測定。實驗結果表明，氧空白值是0.0030%，標準偏差為0．000 1%。以空白標準偏差的3倍計算出氧的檢出限為0.000 3%，以空白標準偏差的10倍計算出氧的測定下限為0．001%。由于氮化硼中氧的含量相對較高，因此，本文實驗不考慮試劑中氧的空白。

2.5方法精密度

采用本方法利用在2.1所建立工作曲線的條件下，以1#、2#樣品為例，各稱取0.05g左右，分析功率5.5kW,采用手動加樣的方式，平行測定7次，測定結果如表6所示。

表6　精密度實驗結果

從表6可以看出，1#和2#樣品中氧測定結果的相對標準偏差(RSD)分別為2.47%和3.30%，滿足氮化硼粉末中氧含量的分析要求，完全滿足客戶實際檢測的需求。

2.6樣品分析

采用本方法利用在2.1所建立工作曲線的條件下， 以3#、4#樣品為例，各稱取0.05g左右樣品，采用手動加樣的方法，分析功率5.5kW,平行測定7次，測定結果與鋼研納克檢測技術有限公司的PMA-1000(脈沖熔融-飛行時間質譜儀)測定氧[8][9][10]的參考值進行比對，結果如表7所示。

表7　氮化硼中氧的測定結果對比

如表7所見，采用本文方法使用脈沖熔融-惰氣熱導法和脈沖熔融-飛行時間質譜法所測樣品中氧含量的結果基本保持一致。

4　結論

本文研究了惰氣熔融-熱導法測定氮化硼粉末中的氧含量，研究表明分析功率在5.5kW，使用手動加樣的方式，無需添加助溶劑，氧的釋放比較完全且分析結果穩定，方法準確可靠，完全可以滿足生產需要。

[1]邱發敏.立方氮化硼薄膜中氧雜質的研究[D].浙江大學碩士論文,2013.12．

[2]張俊杰.KLS-405A脈沖庫侖定氧儀的應用——立方氮化硼中氧含量的測定[C].全國氣體分析學術報告會,1991．

[3]GB/T 5158-1999 金屬粉末在氫中還原時質量損失的測定(氫損)．

[4]GB/T 4164-2008 金屬粉末中可被還原氧含量的測定．

[5]GB/T 5158.4-2001 金屬粉末總氧含量的測定 還原-提取法．

[6]GB/T 11261-2006鋼鐵 氧含量的測定 脈沖加熱惰氣熔融-紅外線吸收法．

[7]鄧景順，何光全.鎳、錫助熔劑在提取分析高純鎢粉中氧的作用[C].全國第二屆有色金屬氣體分析報告會，1986.9．

[8]胡少成,沈學靜，王蓬,等.脈沖熔融-飛行時間質譜法測定鐵材料中的氧、氮和氫[J].冶金分析(Metallurgical Analysis),2011,(7)．

[9]沈學靜，王蓬，胡少成．脈沖熔融飛行時間質譜法測定金屬材料中氧、氮、氫和氬[J]．分析化學(Chinese Journal of Analytical Chemistry)．2011，39(10)：1555 1560．

[10]胡少成，葛程，馬紅權,等.脈沖加熱-紅外吸收熱導法同時測定鋼鐵材料中氧和氫[J].冶金分析(Metallurgical Analysis),2014,34(4):37-41．

Measurement of Oxygen Content in Boron Nitride Powder

HOU Hong-xia，DU Xiao

(CISRI NCS Detection Technology Co., Ltd, Beijing 100094, China)

The application range of boron nitride is getting wider and the market demand of it has been expanding. The oxygen content in boron nitride powder is measured by pulse heating inert gas fusion- infrared method and the analysis conditions such as analysis power, fluxing agent, sample preparation, adding sequence etc have been studied. Result shows that the measurement of oxygen content in boron nitride powder by pulse heating inert gas fusion- infrared method has been set up through manual adding under the following conditions: sample weight about 0.05g, analysis power 5.5 kw. The oxygen content in boron nitride powder has been measured for 7 times and the RSD ( relative standard deviation ) of the measurements are respectively 2.47% and 3.30%. The result is the same as that by pulse heating inert gas fusion - mass spectrometry method.

boron nitride powder; oxygen content; pulse heating inert gas fusion - infrared method; pulse melting- time of flight mass spectrometry

2015-12-20

侯紅霞(1978-),女，2005年畢業于北京科技大學分析化學專業，就職于鋼研納克檢測技術有限公司，從事無機材料中的氣體元素分析工作十余年，工程師。

TQ164

A

1673-1433(2016)03-0031-04

引文格式：侯紅霞，杜 效.氮化硼粉末中氧含量的測定[J].超硬材料工程，2016，28(3)：31-34.