氮化硼粉末中氧含量的测定

侯红霞，杜 效.

(钢研纳克检测技术有限公司，北京 100094)



氮化硼粉末中氧含量的测定

侯红霞，杜 效.

(钢研纳克检测技术有限公司，北京 100094)

目前，氮化硼的应用日趋广泛，国内外市场需求也有所扩大。文章采用脉冲加热惰气熔融-红外法测定氮化硼粉末中氧的含量，对分析功率、助熔剂、样品处理、加样方式等分析条件进行了研究。研究表明：在称样量为0.05 g左右、分析功率为5．5 kW的条件下，采用手动加样的方式建立了用脉冲加热惰气熔融-红外法测定氮化硼粉末中氧含量的方法。对氮化硼粉末样品中的氧含量进行了7次测定，其测定结果的相对标准偏差分别为2.47%和3.30%。结果与脉冲加热惰气熔融-质谱法所得氧的测定值一致。

氮化硼粉末；氧含量；脉冲加热惰气熔融-红外法；脉冲熔融-飞行时间质谱法

氮化硼是由氮原子和硼原子所构成的晶体。由于氮化硼具有良好的热稳定性、耐磨性以及极强的化学稳定性[1]，故广泛应用于多个行业。氮化硼中氧的含量对材料的物理性能有很大的影响，因此准确测定氮化硼中的氧含量就显得至关重要。材料中氧的测定方法有库仑法[2]，氢损法[3-5]，脉冲加热惰气熔融-红外法[6]，但库伦法所对应的设备已经逐渐被淘汰，而氢损法并不能准确测定材料中的总氧含量，脉冲加热惰气熔融-红外法测定氮化硼中的氧含量也未见报道。本文采用惰气熔融-脉冲加热法，采用手动加热的方法，选用氮化硼标样绘制氧校准曲线，建立了脉冲加热惰气熔融-热导法准确测定氮化硼粉末中氧含量的方法，完全能够满足生产检测需求。

1　实验部分

1.1主要仪器与材料

仪器： ON-3000氧氮分析仪，钢研纳克检测技术有限公司。电子天平：BS124，Max124g，d=0.1mg，Sartorius；载气：氦气，纯度≥99.999%，减压阀调至0.25MPa～0.3MPa；动力气：氩气，纯度≥99.5%，减压阀调至0.25MPa～0.3MPa；石墨坩埚：高纯石墨套坩埚；锡囊：高纯免洗镍囊；试剂：稀土氧化铜，无水高氯酸镁，碱石棉(CO2吸收剂)，脱脂棉等。

标准样品：ERM-ED103 sample no.63 (ω(O) / %=0.68±0.19)

1.2分析原理

在脉冲电极炉的高温条件下，样品在惰性气氛的石墨坩埚中熔融，气体元素的化合物被还原分解，样品中的O以CO2的形式释放，样气经由转化炉后，CO转化为CO2，CO2在载气(高纯氦)的携带下进入红外检测器进行检测。

1．3实验方法

采用1．1节中的氮化硼标样建立氧的校准曲线，设定石墨坩埚预脱气功率为5．8 kW，分析功率为5.5kW，在电子天平上称取0.05g左右的氮化硼粉末样品，采用手动加样的方式放入石墨套坩埚，进行样品分析，测定样品中氧的含量。

2　结果与讨论

2.1工作曲线建立

由于氮化硼的标样非常少，而且价格昂贵，所以选取氮化硼标样ERM-ED103 sample no.63 (ω(O) / %=0.68±0.19)，采用不同的称样量进行测定，做氧的校准曲线，氧曲线相关系数R2=0.998，线性良好。

2.2分析条件的确定

2.2.1样品的处理

氮化硼的粉末样品在空气中放置，会吸收部分空气中的H2O，使样品结块，影响样品的释放从而影响样品中氧的测定，因此，本文使用标准，对样品是否需要进行烘干进行了条件实验。从表1的分析结果可以看出，样品在100℃～110℃烘箱中烘2h,去除水份即可，取出在干燥器中冷却至室温后，分析精度更好，因此，本文中所分析的样品均在烘箱中烘2h后再分析。

表1　样品处理方法对分析结果的影响

2.2.2分析功率的选择

分析功率的大小对样品的熔融效果起关键作用，因此需设定不同的分析功率来考察样品的释放情况，以标准样品为例，分别设定分析功率为4.5、5.0、5.5 kW，结果如表2所示。

表2　分析功率对实验结果的影响

从表2可以看出，随着功率的增加，氧的释放越来越完全，分析功率在5.5kW时样品释放比较完全，氧的结果稳定性较好。因此，在本次研究的后续实验中，均采用5.5 kW的分析功率。

2.3.3称样量的选择

称样量对样品的释放和分析结果的精度都有较大的影响，称样量过大会造成释放不完全，称样量过小会由于称量误差导致分析结果的精度波动较大，因此，对称样量的选择就变成实验过程中一个至关重要的环节。本文以标准样品为例，进行称样量的选择，实验结果如表3所示。

表3　称样量对实验结果的影响

由表3可以看出，当称样量为0.02g时，氧释放完全，基本无拖尾，分析结果精度良好。

2.3.4助熔剂的选择

助熔剂可以降低样品的熔点，增加熔融的效果，同时也起着容器的作用。氧分析中一般使用镍箔，镍囊，镍篮等作为助熔剂[9]。本文以标准样品为例，在5.5kW的分析功率下试验了镍箔,镍蓝,锡囊和镍囊等助溶剂的熔融效果。

表4　助熔剂对实验结果的影响

由表4可以看出，使用不同的助熔剂对氧的释放有较大影响，使用锡囊+镍蓝和锡囊+镍蓝+锡片时样品熔融释放完全，使用锡囊+镍蓝+锡片时精度更好，完全可以满足客户实际检测的需求。但由于加入较多的助溶剂，所以在增加成本的同时仪器污染也很严重。因此，我们又对实验方法做了进一步的优化。

2.3.5加样方式的选择

常规样品的分析一般采用自动加样的方式，但是对于一些较轻的粉末样品来说，由于受称样量、助溶剂等因素的影响所以采用手动加样的方式更加合适。本文在5.5kW的分析功率下，对氮化硼的粉末样品进行了加样方式的条件实验，结果见表5。

表5　加样方式对实验结果的影响

由表5可见，采用手动加样的方式称样量可以到0.05g，也无需添加助溶剂，分析结果的精度更好，而且对仪器造成的污染也大大减少，因此，本文后续实验均采用手动加样的方式进行样品分析。

2.4检出限的测定

由于样品称样量较少，为了准确测定样品合金中氧的含量，获得低而稳定的空白值是必要的。氧空白值主要是由石墨坩埚、助熔剂、载气以及炉膛空白等引起的。本文在5.5kW的分析功率下，将锡囊和锡片投入到高纯石墨套坩埚中进行测定。实验结果表明，氧空白值是0.0030%，标准偏差为0．000 1%。以空白标准偏差的3倍计算出氧的检出限为0.000 3%，以空白标准偏差的10倍计算出氧的测定下限为0．001%。由于氮化硼中氧的含量相对较高，因此，本文实验不考虑试剂中氧的空白。

2.5方法精密度

采用本方法利用在2.1所建立工作曲线的条件下，以1#、2#样品为例，各称取0.05g左右，分析功率5.5kW,采用手动加样的方式，平行测定7次，测定结果如表6所示。

表6　精密度实验结果

从表6可以看出，1#和2#样品中氧测定结果的相对标准偏差(RSD)分别为2.47%和3.30%，满足氮化硼粉末中氧含量的分析要求，完全满足客户实际检测的需求。

2.6样品分析

采用本方法利用在2.1所建立工作曲线的条件下， 以3#、4#样品为例，各称取0.05g左右样品，采用手动加样的方法，分析功率5.5kW,平行测定7次，测定结果与钢研纳克检测技术有限公司的PMA-1000(脉冲熔融-飞行时间质谱仪)测定氧[8][9][10]的参考值进行比对，结果如表7所示。

表7　氮化硼中氧的测定结果对比

如表7所见，采用本文方法使用脉冲熔融-惰气热导法和脉冲熔融-飞行时间质谱法所测样品中氧含量的结果基本保持一致。

4　结论

本文研究了惰气熔融-热导法测定氮化硼粉末中的氧含量，研究表明分析功率在5.5kW，使用手动加样的方式，无需添加助溶剂，氧的释放比较完全且分析结果稳定，方法准确可靠，完全可以满足生产需要。

[1]邱发敏.立方氮化硼薄膜中氧杂质的研究[D].浙江大学硕士论文,2013.12．

[2]张俊杰.KLS-405A脉冲库仑定氧仪的应用——立方氮化硼中氧含量的测定[C].全国气体分析学术报告会,1991．

[3]GB/T 5158-1999 金属粉末在氢中还原时质量损失的测定(氢损)．

[4]GB/T 4164-2008 金属粉末中可被还原氧含量的测定．

[5]GB/T 5158.4-2001 金属粉末总氧含量的测定 还原-提取法．

[6]GB/T 11261-2006钢铁 氧含量的测定 脉冲加热惰气熔融-红外线吸收法．

[7]邓景顺，何光全.镍、锡助熔剂在提取分析高纯钨粉中氧的作用[C].全国第二届有色金属气体分析报告会，1986.9．

[8]胡少成,沈学静，王蓬,等.脉冲熔融-飞行时间质谱法测定铁材料中的氧、氮和氢[J].冶金分析(Metallurgical Analysis),2011,(7)．

[9]沈学静，王蓬，胡少成．脉冲熔融飞行时间质谱法测定金属材料中氧、氮、氢和氩[J]．分析化学(Chinese Journal of Analytical Chemistry)．2011，39(10)：1555 1560．

[10]胡少成，葛程，马红权,等.脉冲加热-红外吸收热导法同时测定钢铁材料中氧和氢[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

侯红霞(1978-),女，2005年毕业于北京科技大学分析化学专业，就职于钢研纳克检测技术有限公司，从事无机材料中的气体元素分析工作十余年，工程师。

TQ164

A

1673-1433(2016)03-0031-04

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