质量法测定铝基碳化硼材料中碳化硼的含量

袁建，胡俊俊，刘香英，夏晨光，冯 硕

（核工业北京地质研究院，北京 100029）

核装置、核燃料运输转存等领域需要中子吸收材料。常用的中子吸收材料有铅硼聚乙烯、镉板、硼钢、碳化硼等。铅硼聚乙烯屏蔽结构简单，屏蔽体重量轻、体积小，但是材料易老化、寿命短；镉板虽然也可以作为中子吸收材料，但镉有毒、是致癌物；硼钢的含硼量太低，不能满足屏蔽需要[1-3]。碳化硼（B4C）具有较高的中子吸收能力，热中子俘获截面高，不产生放射性同位素，且耐腐蚀、热稳定性好，但是碳化硼韧性差、脆性大，难以制成结构功能一体化的中子吸收材料[4]。金属铝具有较好的韧性、材质轻、易延展、可塑性强，因此，铝基碳化硼复合材料成为目前使用最多的中子吸收材料，在核工业中广泛使用。硼的含量对材料屏蔽性能起决定作用，铝基碳化硼材料成分分析具有重要意义。

由于碳化硼耐腐蚀，因此溶解存在很大困难，而采用碱熔法容易造成基体效应，并且碱熔法费时费力，同时，硼作为难电离非金属元素，在消解过程中也容易损失，造成测量结果重现性差，准确度难以保证。本文采用无机酸溶解铝，重量法测定铝基碳化硼材料中碳化硼质量分数。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

盐酸（MOS级），二次去离子水。天平（三级感量0.1mg），烘箱（105±1℃），水域锅，离心机，石英离心管。

1.2 样品处理

在105℃烘箱中，将石英离心管恒重，准确记录恒重的石英离心管质量（m0）。将铝基碳化硼样品（粉末、块状均可）置于干燥并恒重的石英离心管中，准确记录称取的样品质量为m。将离心管置于水浴锅内，加入适量10%HCl溶解，至试样中铝基完全溶解后蒸至尽干，使用二次去离子水反复冲洗，离心、去掉上清液后置于105℃烘箱中干燥，取出，称质量。再放入烘箱中105℃干燥，称质量，记录质量为m1。将称质量后的样品再次置于水浴锅中，重复上述步骤一次，称质量记为m2。若m1和m2双差小于0.5%，则完成实验过程；若m1和m2双差大于0.5%则继续以上实验步骤直至双差小于0.5%。按照公式（1）计算出铝基碳化硼材料中碳化硼的质量分数[5-6]：

式中：w(B4C)为铝基碳化硼样品中碳化硼的质量分数，%； m0为恒重的空石英离心管的质量，g；m2表示样品经10%HCl溶解后样品和石英管总质量，g；m表示样品的称样质量，g。

2 结果与讨论

2.1 无机酸的选择

在研究过程中，选择10%盐酸（HCl）和10%硝酸（HNO3）两种无机酸溶解试样。实验表明，10%HCl的溶解速度明显快于10%HNO3溶解速度，并且溶解彻底，不会发生Al3+的析出。本文验证了称样量在0.6g，w(B4C)在30%时，试样用10%HCl和10%HNO3溶解样品比较，结果表明：在100℃水浴温度下，10%HCl溶解试样的时间为5h，而10%HNO3溶解试样的时间超过10h，而且 HCl溶解的样品并无 Al3+的析出，HNO3溶解的样品有比较明显的白色Al3+络合物析出。因此本方法采用10%HCl溶解试样。

2.2 称样量的选择

如果称样量过大，则有可能溶解不完全并伴有Al3+的析出，而称样量太小又会增大称量误差。实验分别称取了0.2、0.6、1.0g块状铝基碳化硼试样，当称样量为1.0g时，样品溶解不完全，并且溶解时间较长；称取0.2g时，由于所用天平为感量0.1mg，称量误差又较大；称样量为0.6g时则无上述问题。因此称样量为0.6g。

2.3 水浴温度的选择

分别选择50℃、80℃、100℃水浴温度，10%HCl进行样品的溶解，结果见表1。

表1 不同水浴温度溶解样品比较Table 1 Comparison fo different water bath temperatures

由表1可知，当水浴温度为50℃时，样品溶解不完全，而80℃、100℃水浴均能保证样品完全溶解，但是80℃水浴溶解时间较长。因此选用100℃水浴溶解样品。

2.4 方法准确度验证

由于目前国内外还没有铝基碳化硼粉末的标准物质，本文以实验室内部监控样作为准确度验证的样品，样品编号为RM-1、RM-2，每个样品测定3次，测量结果见表2。

由表2可知，HCl溶解质量法测定铝基碳化硼材料中碳化硼的质量分数方法准确度良好，能满足日常测量需要。

2.5 方法精密度验证

精密度验证样品选用两个未知铝基碳化硼块状样品S-1、S-2，每个样品测定10次，根据样品的相对标准偏差判定方法的精密度，结果见表3。

表2 方法准确度测量结果Table 2 The results of accuracy determination

表3 方法精密度测量结果Table.3 The results of precision determination

由表3可知，HCl溶解质量法测定铝基碳化硼材料中碳化硼的质量分数方法精密度良好，满足测试需要。

3 结语

HCl溶解质量法，测定铝基碳化硼材料中碳化硼的质量分数，方法简单、快速，精密度高，结果准确，完全适用于实验室批量测定铝基碳化硼材料中碳化硼的质量分数。