楊永明，潘翠翠，袁翠宏，賈凌宇，范浩

（中核北方核燃料元件有限公司,中核反應堆輻照特種元件制備工藝重點實驗室,內蒙古包頭 014035）

碳化硅具有較小的中子吸收截面、高穩(wěn)定性、高熱導率、高熔點及耐腐蝕性等優(yōu)點[1],其共價鍵極強, 在高溫下仍能保持較高的鍵合強度,化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好,高溫變形小,熱膨脹系數(shù)低,非常適合用于高溫環(huán)境中[2-4]。碳化硅在核能系統(tǒng)中應用非常廣泛,主要用作包覆顆粒的包覆層、SiC/SiC 復合包殼、基體材料、結構材料[2-6]。

碳化硅芯塊就是使用碳化硅作為基體材料的一種應用產(chǎn)品。在碳化硅芯塊燒結的時候,向碳化硅粉末中添加一定比例氧化鋁和氧化釔可以提升芯塊的力學性能[2],因此嚴格控制和準確測量碳化硅芯塊中氧化鋁和氧化釔的含量對保證芯塊質量具有重要意義。

目前碳化硅中雜質元素檢測文獻報道的有使用氫氟酸浸泡溶解碳化硅表面雜質,然后采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法或者分光光度法測定三氧化二鐵及氧化鋁等成分[7-9]；姚永生采用無水碳酸鈉和硼酸混合熔劑熔融樣品,然后硝酸提取,甲醇除硼,氫氟酸揮硅,采用電感耦合等離了體原子發(fā)射光譜法同時測定碳化硅中微量Fe、Al、Ti、Ca、Mg、P、Mn的含量,并使用基體匹配法來校正基體的干擾。各元素的測定檢出限為0.001～0.054 μg/mL,相對標準偏差為0.5%～3.7%[10]。試驗主要對碳化硅芯塊中摻入的氧化釔和氧化鋁進行測定,其質量分數(shù)在4%～10%之間,分光光度法檢測范圍較小,電感耦合等離子體發(fā)射光譜法線性范圍寬更適用于氧化釔和氧化鋁組分的檢測。筆者針對加入氧化鋁、氧化釔含量改性燒結的碳化硅芯塊開展研究,采用混酸溶解碳化硅芯塊中氧化鋁和氧化釔,避免了采用堿溶引入其它基體干擾,考察靜置時間實現(xiàn)沉淀分離碳化硅的可行性,準確測定碳化硅芯塊中氧化鋁和氧化釔含量,為碳化硅芯塊制備工藝和新型碳化硅彌散芯塊燃料研制提供技術支持。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀：Optima5300DV型,美國PE公司。

硝酸、鹽酸、氫氟酸：優(yōu)級純,天津科密歐化學試劑有限公司。

硝-鹽混酸：將硝酸和鹽酸按體積比3∶1 混合配制。

鋁、釔標準溶液：質量濃度均為1 000 μg/mL,標準物質編號分別GSB G 62006-90、GSB G 62032-90,北京鋼研納克檢測技術股份有限公司。

碳化硅芯塊樣品：SiC 芯塊-8%-HX,中核反應堆輻照特種元件制備工藝重點實驗室。

實驗用水：去離子水,電阻率不小于18 MΩ·cm。

1.2 儀器工作條件

RF 發(fā)生器功率：1 300 W；等離子氣流量：15 L/min；霧化器流量：0.86 L/min；輔助氣流量：0.2 L/min。

1.3 鋁、釔系列混合標準工作溶液配制

取鋁、釔標準溶液,用5.5 mol/L硝酸溶液稀釋,配制成質量濃度分別為2、20、50、100 μg/mL的系列混合標準工作溶液。

1.4 實驗方法

將芯塊樣品研磨成粉末狀,過150 μm 標準篩,取篩下粉末進行分析,稱取0.500 0 g樣品作分析用樣品。

隨同樣品做空白實驗,定容后得到空白溶液。

將碳化硅芯塊樣品置于50 mL 燒杯中,加入15 mL 硝-鹽混酸,置于電熱板上,于（200±10）℃加熱約5 min,然后滴加0.2 mL 氫氟酸,加熱2 h,取下燒杯冷卻至室溫。將溶液轉移至100 mL 容量瓶中用水定容,搖勻。移取10 mL樣品溶液,用中速濾紙過濾,并用10 mL水洗沖洗濾紙,將濾液接收至50 mL容量瓶中,用水定容,待測。

按儀器工作條件和測定程序,在電感耦合等離子體質譜儀上依次測定系列標準溶液、空白溶液、樣品溶液,用標準曲線法測定目標元素的質量分數(shù)。

2 結果與討論

2.1 樣品處理

碳化硅芯塊是將碳化硅粉末中摻入氧化鋁和氧化釔粉末混合均勻后,高溫燒結制備。燒結后的碳化硅芯塊尺寸較大,很難直接溶解。為了增加樣品中氧化鋁和氧化釔反應接觸面積,提高反應效率,碳化硅芯塊樣品檢測時需要將樣品研磨成粉末。一般研磨破碎過篩,制備得到粒徑小于150 μm 的粉末即可。

碳化硅屬于難溶化合物,通常酸堿很難將其完全溶解,熔融堿可以與碳化硅反應,但堿用量遠大于樣品稱取量,熔融堿反應過程容易引入較高含量基體[10],且氧化釔不溶于堿,增加了溶解過程處理難度；γ-氧化鋁本身較難溶解,通常采用鹽酸溶解[17]；氧化釔易溶于硝酸,能夠快速溶解。因此實驗采用硝-鹽混酸進行溶解,滴加氫氟酸作為強路易斯酸與鋁路易斯堿配位,加快反應速率。筆者采用高純氧化鋁和氧化釔進行硝-鹽混酸配比試驗。稱取氧化鋁和氧化釔各0.1 g,并加入10 mL硝酸-鹽酸混酸,滴加0.5 mL 氫氟酸,查看溶解現(xiàn)象,測定并計算溶解氧化鋁和氧化釔的比例,結果見表1。根據(jù)表1試驗結果,選擇硝酸和鹽酸體積比為3∶1。

表1 碳化硅芯塊樣品溶解試驗結果

采用摻入4%氧化鋁和4%氧化釔的碳化硅芯塊研磨制備成粉末狀樣品,按1.4實驗方法處理。每份樣品中含釔約15.800 mg、鋁約10.588 mg,按反應方程式計算,加入2 mL 硝-鹽混酸即能反應完全?？紤]樣品中碳化硅不能溶解,會降低其中氧化鋁和氧化釔反應接觸面積,因此需要延長反應時間保證氧化鋁和氧化釔充分反應。分別用10 mL 硝-鹽混酸、15 mL硝-鹽混酸、10 mL硝-鹽混酸和0.2 mL氫氟酸、15 mL硝-鹽混酸和0.2 mL氫氟酸進行溶解試驗,將樣品溶解后測定鋁、釔含量,測定結果列于表2。試驗發(fā)現(xiàn)氧化釔在硝-鹽混酸體系下比較容易溶解,10 mL 硝-鹽混酸可以完全溶解,氧化釔質量分數(shù)測定值為3.91%,回收率為97.8%；氧化鋁在硝鹽混酸中部分溶解,其質量分數(shù)測定值為2.93%～3.14%,回收率僅為73.2%～78.4%,加入適量氫氟酸氧化鋁幾乎可以完全溶解,氧化鋁質量分數(shù)測定值為3.93%,回收率99.2%。因此采用15 mL 硝-鹽混酸加熱溶解碳化硅芯塊中氧化釔和氧化鋁,然后滴加0.2 mL氫氟酸加速溶解氧化鋁,能夠將樣品中氧化釔和氧化鋁完全溶解。

表2 碳化硅芯塊樣品溶解試驗結果

2.2 放置時間對樣品溶解的影響

雖然在硝酸混酸和氫氟酸作用下可以完全溶解樣品中氧化釔和氧化鋁,但反應時間依舊會影響氧化鋁和氧化釔浸出的效率。

通過考察摻入質量分數(shù)為4%氧化鋁和4%氧化釔的碳化硅芯塊,在相同處理條件下,加熱反應2 h 直接檢測,分別放置4、8、12、24 h 后,測定溶液中鋁、釔的含量,測定結果見表3。對兩次檢測結果進行比較,可以發(fā)現(xiàn),在樣品加熱反應后,粉末中依舊有少量氧化鋁和氧化釔未完全溶解,放置12～24 h后,氧化鋁測定回收率達到99.8,氧化釔回收率達到100%。繼續(xù)放置,樣品溶液中鋁和釔完全溶解檢測結果不再變化。證明采用該酸溶液體系,在加熱反應2 h并放置12 h后樣品中氧化鋁和氧化釔已經(jīng)溶解完全。因此試驗將芯塊樣品加熱溶解2 h,然后靜置12 h,移取上層清液過濾后檢測。

表3 樣品溶解后不同放置時間時鋁、釔質量分數(shù)測定結果

碳化硅芯塊樣品需要放置12 h后檢測才能達到回收率99.8%,主要原因有：（1）溶解過程中碳化硅的存在減少了氧化鋁和氧化釔與酸的接觸面積,影響氧化鋁和氧化釔的反應速率,需要通過控制反應溫度,延長反應時間等方式進一步提高完全反應的程度；（2）碳化硅粉末比表面較大,可能會對鋁離子和釔離子產(chǎn)生很少量吸附,可以在過濾碳化硅粉末時,增加洗滌方式以降低吸附影響。

2.3 分析波長

對鋁、釔元素常用譜線,按照發(fā)射強度、標準曲線線性相關系數(shù)、同一濃度測定相對標準偏差,考察比較各譜線的靈敏度、線性、穩(wěn)定性。最終選擇鋁分析波長為394.401 nm,釔分析波長為 371.029 nm。均采用徑向觀測方式測定。

2.4 線性關系和檢出限

按1.2 儀器工作條件對1.3 配制的鋁、釔系列混合標準工作溶液進行測定,在質量濃度為2～100 μg/mL 范圍內（折合樣品中氧化鋁質量分數(shù)為0.38%～18.9%,氧化釔質量分數(shù)為0.25%～12.7%）,以標準工作溶液的質量濃度為橫坐標、對應發(fā)射強度為縱坐標進行線性回歸,計算得鋁的線性方程為y=2 226x-90.28,相關系數(shù)為0.999 7；釔的線性方程為y=72 487x-1 085,相關系數(shù)為0.999 9。

根據(jù)國際純粹與應用化學聯(lián)合會推薦,在1.2儀器工作條件下,對空白溶液進行20 次連續(xù)測定,計算氧化鋁和氧化釔的標準偏差,以其3 倍標準偏差作為方法檢出限。檢測得到氧化鋁的標準偏差0.005 1%,檢出限為0.015%；氧化釔標準偏差為0.002 2%,檢出限為0.007%。

2.5 精密度試驗

平行稱取碳化硅芯塊樣品6 份,按實驗步驟操作,測定樣品溶液中鋁和釔含量,并計算測定值的相對標準偏差,作為方法的精密度,試驗結果列于表4。結果表明,鋁、釔測定結果的相對標準偏差分別為1.37%、0.94%,表明本方法精密度良好。

表4 樣品中鋁和釔含量精密度試驗結果

2.6 準確度試驗

由于樣品中碳化硅無法完全溶解,采用標準法難以證明樣品溶解完全程度。實驗按照實際樣品合成工藝制備對照樣品1（含碳化硅、氧化鋁、氧化釔,與碳化硅芯塊相同配比）和對照樣品2（只有氧化鋁、氧化釔,不含碳化硅但以樣品總質量0.5 g計）在相同方法處理后,進行對照試驗,結果見表5。對溶解后兩組對照樣品中鋁和釔的溶解結果檢測,驗證碳化硅對氧化鋁和氧化釔成分溶解影響。

表5 碳化硅實驗樣品、對照樣品測定結果

通過表5 對照樣品測定結果可以看出,樣品中氧化鋁和氧化釔無論在有無碳化硅基體存在的條件下,按實驗驗方法檢測,回收率均在99%～101%之間,能夠對樣品中氧化鋁和氧化釔含量準確測定,滿足碳化硅芯塊檢測需求。

3 結語

建立了電感耦合等離子體發(fā)射光譜法檢測碳化硅芯塊中鋁、釔元素的方法,選擇硝-鹽混酸及少量氫氟酸溶解樣品,加熱溶解碳化硅中氧化鋁和氧化釔,并在加熱溶解2 h,然后靜置12 h,移取上層清液過濾后檢測。選擇鋁分析波長為394.401 nm,釔分析波長為 371.029 nm。得到方法精密度氧化鋁為1.37%,氧化釔為0.94%,回收率均能達到99%～101%,準確度滿足分析要求。