铝基封严涂层材料中BN含量的电感耦合等离子原子发射光谱分析法

白鹏昊 刘海飞 周恒 许贞元 蔺雅洁

摘 要：本文采用ICP-OES测定了铝基封严涂层材料中BN含量，并对此类样品的前处理溶样方法、仪器工作参数、干扰等进行了研究，方法的相对标准偏差<2%（n=9），加标回收率在95%-105%之间。满足铝基封严涂层材料中BN化学分析和产品检验

要求。

关键词：ICP-OES;封严涂层材料;铝基;BN含量

前 言

BN是一种发展潜力巨大的功能性陶瓷材料[1]，在冶金、润滑剂、电子工业、航空航天等领域有重要的应用。其中，铝基BN作为封严涂层材料，应用于航空发动机上，可显著提高发动机效率并较低油耗[2-5]。然而目前国内外尚无测定此类材料中BN含量的国家或行业标准。

BN的化学性质稳定，具有很强的耐酸碱性能， 因此BN样品的前期溶样方法为技术难点。以往BN测定前常采用碱熔直接分解法进行溶样，但该方法试样溶解过程中反应剧烈，会有部分样品飞溅，测试结果往往偏低。为解决这一问题，本文利用BN不溶于酸的特性，先酸溶过滤杂质后再碱熔样品，同时对酸的选择及用量、分析谱线和共存元素干扰的排除进行了探讨，建立了ICP-OES測定铝基封严涂层材料中BN含量的方法。该方法操作简便、测试准确度高，可以满足铝基封严涂层材料中BN日常化学分析和产品检验要求。

一、实验部分

1.1  试剂及仪器

电感耦合等离子原子发射光谱仪（安捷伦5100VDV型）。

浓硝酸（ρ1.42g/ mL）优级纯，盐酸（ρ1.19g/ mL）优级纯，无水碳酸钠优级纯。

B标准溶液（1000μg/ mL，国家有色金属及电子材料分析测试中心）。

纯铝（99.99%，钢研纳克检测技术股份有限公司）。

1.2  仪器及其工作条件

ICP-OES工作条件：雾化气流量 0.85L/min，功率 1.0kw，径向观测高度 8mm。

分析谱线：B 249.772nm。

1.3  实验方法

1.3.1  样品处理

称取0.2000g（精确至0.0001g）充分混匀后的试样于烧杯中，加入20mL盐酸+20mL硝酸，置于电炉上低温加热溶解，直至溶液中不再溢出小气泡，待反应完全，试液中会存在大量白色悬浮物，悬浮物主要为不溶于水及酸的BN。之后在烧杯中用去离子水清洗沉淀至滤液接近无酸性，滤液转移至500mL容量瓶，盖上瓶塞，待用。将洗干净的滤渣沉淀连同滤纸放入30mL铂金坩埚中，放入900℃的马弗炉中灼烧灰化30min后取出，稍冷。加入2.0g无水碳酸钠，在850℃马弗炉中熔融60min至BN完全熔融，取出。冷却后加入5mL去离子水到含熔融物的铂金坩埚中，再加入5mL盐酸酸化，此时熔融物澄清，将此溶液移入盛有滤液的容量瓶中，以去离子水稀释至刻度，摇匀。再取摇匀后的溶液10.00mL于100mL容量瓶中，以去离子水稀释至刻度，摇匀，待测。

1.3.2  空白溶液的制备

称取0.14g纯铝于铂金坩埚中，按样品处理的步骤处理，制备的溶液在500 mL容量瓶定容。

1.3.3  标准溶液系列的配制

取1000μg/ mL 的B标准溶液10.00mL于100mL容量瓶中，以去离子水定容，摇匀。于6个100mL容量瓶分别吸入1.3.2中10.00mL试剂空白溶液，再分别向其中加入0.00mL、1.00mL、2.00mL、3.00mL、4.00mL、5.00mL上述稀释后的B标准溶液。然后以去离子水稀释至刻度，摇匀。此标准溶液中B浓度见表1。

1.4  结果计算

启动等电离耦合等离子发射光谱仪，对6种不同浓度的标准溶液进行分析，测试强度值，建立强度—浓度曲线，然后对试液进行测试，按公式（1）计算样品中BN的百分含量：

（1）

式中：W为样品中BN的含量，%;m为试样质量，g;C为软件检测出的B元素含量，μg/ mL;V为试液的总体积，mL;A 为B元素换算成BN的系数，2.2960。

二、结果与讨论

2.1 试样溶解实验

酸的选择直接影响到杂质是否可以完全除去，同时酸会对ICP-OES产生干扰，酸效应的干扰顺序为：盐酸<硝酸<高氯酸<磷酸<硫酸[6]，所以试样溶解实验尽量选择酸效应较小的盐酸和硝酸。而碱熔融温度也可以直接影响到溶解效果，结果见表2。

由表2可知，单独的HCl和HNO3 20mL和40mL均可以使试样最终完全溶解，但在去除杂质时耗时较长。采用20mL HCl + 20mL HNO3酸溶，在850℃和900℃碱熔融温度时试样均完全溶解，温度再升高，试样最后溶解效果反而不好。因此，本实验选择20mL HCl + 20mL HNO3酸溶，碱熔融温度为850℃。

2.2  分析谱线的选择

在ICP-OES分析时，各元素间经常存在重叠干扰，因此分析谱线的选择非常重要[7]。本实验在安捷伦5100 ICP-OES推荐的信号强度下，选择182.577nm、208.956 nm、249.772 nm

这三个尽可能避免Al元素谱线干扰的B元素谱线做比较。结果显示，选择的三个谱线峰型和标曲均无问题，不过249.772nm谱线信号强度最高，因此，选择249.772nm波长为本实验分析谱线。

2.3  共存元素干扰的排除

铝基氮化硼中主要元素为B和Al，还有部分Si。其中Al为铝基粉末的余量元素，含量大约为70%，产生的基体效应对B的测试干扰较大，而Si含量较少，对B的测试基本无干扰。基体匹配法是光谱分析中常用的方法，可有效降低基体对目标元素的干扰[8]。本实验通过对Al含量的匹配，校正补偿基体Al对BN含量测定的影响。

2.4  样品测定结果及方法精密度

对3组样品分别进行连续9次测定，计算RSD（相对标准偏差），结果见表3，连续9次测量的RSD 值均小于 2%，分析精度满足化学分析要求。

2.5  方法回收率

称取0.14g铝粉，分别加入不同量的BN粉末进行回收试验，计算回收率。实验结果见表4。回收率为95%-105%，完全满足分析要求。BN含量测定范围为10.0%-23.0%。

三、結论

本文采用电感耦合等离子体发射光谱法可以实现铝基封严涂层材料中BN含量的快速准确测定。在测量过程中，通过对Al基体的匹配，有效降低了基体干扰带来的数据波动，提高了BN含量测试的精确度。

经过反复实验测定，该方法RSD 值小于 2%，回收率为95%-105%，分析精度及准确度满足化学分析要求，可适用于铝基封严涂层材料中BN含量（18.0%-23.0%）的日常测定。

参考文献

[1] 郭胜光， 吕波， 王积森，等. 氮化硼合成及应用的研究[J]. 山东机械， 2004（06）：30-33.

[2] 田晔， 张淑婷， 马江虹，等. 可磨耗封严涂层发展及应用[J]. 有色金属（冶炼部分）， 2006（S1）：96-99.

[3] 尹春雷， 陈美英， 占佳，等. 可磨耗封严涂层研究进展[J]. 航空制造技术， 2008（20）：83-85.

[4] 高俊国， 陆峰， 郭孟秋，等. 可磨耗封严涂层研究现状及发展趋势[J]. 热喷涂技术， 2012（02）：12-17.

[5] 张佳平， 袁福河， 王璐，等. 航空发动机常用封严涂层的金相制备与显微组织检测技术[J]. 材料保护， 2017（01）：74-78.

[6] 常守勤， 冯秀梅， 陈君，等. 微波消解-电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）法测定镍基耐蚀合金中镍[J]. 中国无机分析化学， 2020， 10（2）：59-62.

[7] 温良， 黄北川. ICP-OES测定化探样品中21种元素谱线的选择[J]. 分析仪器， 2016（3）：83-88.

[8] 陶锐， 高舸. 电感耦合等离子体光发射光谱分析中无机酸基体效应研究 （Ⅰ）无机酸基体效应及其机理[J]. 理化检验：化学分册， 2005， 41（1）：67-71.

作者简介：白鹏昊（1989-09-），男，汉族，河北省人，硕士，助理工程师，研究方向：分析测试。