質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

（核工業北京地質研究院，北京 100029）

核裝置、核燃料運輸轉存等領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。鉛硼聚乙烯屏蔽結構簡單，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，不產生放射性同位素，且耐腐蝕、熱穩定性好，但是碳化硼韌性差、脆性大，難以制成結構功能一體化的中子吸收材料[4]。金屬鋁具有較好的韌性、材質輕、易延展、可塑性強，因此，鋁基碳化硼復合材料成為目前使用最多的中子吸收材料，在核工業中廣泛使用。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，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，造成測量結果重現性差，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量分數。

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量為m。將離心管置于水浴鍋內，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沖洗，離心、去掉上清液后置于105℃烘箱中干燥，取出，稱質量。再放入烘箱中105℃干燥，稱質量，記錄質量為m1。將稱質量后的樣品再次置于水浴鍋中，重復上述步驟一次，稱質量記為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量分數[5-6]：

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

2 結果與討論

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

由于目前國內外還沒有鋁基碳化硼粉末的標準物質，本文以實驗室內部監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，測量結果見表2。

由表2可知，HCl溶解質量法測定鋁基碳化硼材料中碳化硼的質量分數方法準確度良好，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，根據樣品的相對標準偏差判定方法的精密度，結果見表3。

表2 方法準確度測量結果Table 2 The results of accuracy determination

表3 方法精密度測量結果Table.3 The results of precision determination

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

3 結語

HCl溶解質量法，測定鋁基碳化硼材料中碳化硼的質量分數，方法簡單、快速，精密度高，結果準確，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量分數。