电感耦合等离子体原子发射光谱法测定碳化硅中钒

赵海珍，左 良

（天津华勘商品检验有限公司，天津 300181）

碳化硅的主要成份是SiC、FSi、SiO2和FC，高纯碳化硅为无色透明结晶或无定形粉末，含杂质的碳化硅为绿色，固溶有炭和金属氧化物杂质的则成黑色。碳化硅拥有诸多优异性能，如高温强度高、耐腐蚀性强、抗氧化性优，抗热振性好等[1]，广泛应用于3 类～12 类单晶硅、多晶硅的高温窑具[2]、柴油车尾气净化器等领域[3-5]；此外，碳化硅还具有良好的导热性及半导体性质[6]，是高温、高频、抗辐射、大功率应用场合下极为理想的半导体材料，由于碳化硅功率器件可显著降低电子设备的能耗，因此碳化硅器件也被誉为带动“新能源革命”的“绿色能源器件”。在当代C、N、B 等非氧化物高技术耐火原料中，碳化硅为应用最广泛，最经济的一种。由于碳化硅的纯度会直接影响相应产品的质量，因此对碳化硅[w（SiC）≥95%]的杂质成分分析也具有重要的现实意义。基于目前尚未发现对碳化硅中钒的检验方法的报道，选用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）[7-9]来检测碳化硅[w（SiC）≥95%]中钒的含量。选择V311.071 nm 和V309.311 nm 作为分析谱线，通过光谱干扰和谱线选择，基体效应影响，校准曲线和检出限，方法精密度和加标回收率实验等条件实验来论证此方法的可行性。

1 实验部分

1.1 主要仪器及参数

Optima-8000DV 全谱直读等离子体发射光谱（美国 PE 公司），仪器最佳工作条件见表1。

表1 ICP-AES 工作条件

1.2 主要试剂

V 标准储备液（钢铁研究总院）：1.00 mg/mL；

Fe 标准储备液（钢铁研究总院）：1.00 mg/mL；

Al 标准储备液（钢铁研究总院）：1.00 mg/mL；

Ca 标准储备溶液(钢铁研究总院)：1.00 mg/mL；

V 标准工作液：10 μg/mL；用V 标准储备液稀释配制。

实验所用盐酸、硝酸、氢氟酸、高氯酸，均为优级纯；实验用水为去离子水。

1.3 实验方法

1.3.1 样品处理

称取0.500 0 g 碳化硅[w（SiC）≥95%]样品于250 mL聚四氟乙烯烧杯中，分别加入5 mL硝酸、5 mL 氢氟酸、5 mL盐酸和5 mL高氯酸，于180℃电热板上加热，蒸发至高氯酸烟冒尽，取下稍冷却，加入12.5 mL 盐酸，低温加热至可溶性成分溶解，取下冷却至室温。将溶液移至250 mL容量瓶中稀释至刻度，摇匀，在室温下静置3 h 至溶液澄清（或者将溶液直接过滤到250 mL 容量瓶中，用2%的盐酸冲洗沉淀数次，定容摇匀）。

1.3.2 标准溶液系列的配制

分别移取钒标准工作液（10 μg/mL）0.00、1.00、2.00、4.00、6.00 mL于5 个100 mL容量瓶中，分别加入5 mL盐酸，用水稀释至刻度，摇匀。此系列曲线含钒标准工作液质量浓度分别为0.00、0.10、0.20、0.40、0.60 μg/mL。

1.3.3 光谱干扰试验溶液配制

分别移取Fe、Al、Ca 标准储备液（1 mg/mL）10 mL于100 mL容量瓶中，加入5 mL盐酸，

用水稀释至刻度，摇匀。此溶液Fe、Al、Ca 质量浓度分别为0.1 mg/mL。

2 结果与讨论

2.1 光谱干扰和谱线选择

碳化硅[w（SiC）≥95%]待测液主要成分为沉淀物SiC，其含量在95%以上，游离硅和二氧化硅在氢氟酸和高氯酸溶解冒烟时，已经驱尽，可以忽略不计。用含有0.1 mg/mL 的Fe、Al、Ca 试液做光谱干扰实验。实验结果表明，在311.071 nm 和309.311 nm 谱线内，Fe、Al、Ca 谱线没有干扰，Fe、Al、Ca 元素在311.071 nm 和309.311 nm 分析谱线扫描窗口内均无波峰出现，其信号基线较平直与空白溶液几乎完全重合。在谱线库中，以0.05 nm 范围为基准，并未找到Fe、Al、Ca 在311.071 nm 和309.311 nm 附近的干扰谱线，与实验结果相吻合。

2.2 基体效应影响

碳化硅主要以沉淀的形态存在于溶液中，对钒的测定不存在基体干扰；游离硅和二氧化硅在用氢氟酸和高氯酸溶解冒烟时，已经驱尽，故不存在基体干扰；其余杂质元素（如Fe、Al、Ca 等）含量（质量分数）不超过5%，基体影响也可以忽略不计。

2.3 校准曲线和检出限

选择仪器最佳工作条件，对钒标准溶液系列的发射强度进行测定。以钒的质量浓度为横坐标，发射强度为纵坐标，绘制校准曲线，在同样条件下对标准溶液曲线中空白溶液连续测定10 次，以3 倍标准偏差计算方法中钒的检出限，结果见表2。

表2 V 元素校准曲线的线性范围、相关系数和检出限

2.4 方法精密度实验

选取同一碳化硅[w（SiC）≥95%]样品按照实验方法（1.3.1）进行10 次重复性测定，对数据结果进行统计，计算出相对标准偏差，结果见表3。

表3 精密度实验结果 %

2.5 加标回收率实验

在3 份碳化硅（≥95%）样品中加入不同量的钒标准溶液，按照实验操作方法，进行加标回收率实验，实验结果见表4。

3 样品分析

按照实验方法对碳化硅[w（SiC）≥95%]样品中V 进行测定。为验证方法的正确性，将测定结果与其他方法的测定结果进行比对（GB/T 15503—1995《水质钒的测定钽试剂（BPHA）萃取分光光度法》），结果见表5。

表5 碳化硅[w（SiC）≥95%]样品中V 的测定结果与其他方法比较 %

4 结论

结果表明，碳化硅[w（SiC）≥95%]主要以沉淀形态分散在溶液体系中，游离硅和二氧化硅通过样品溶解已驱尽，不存在基体和光谱干扰;剩余杂质元素（Fe、Al 和Ca 等元素）含量较低，基体不存在干扰。光谱干扰实验表明对测试元素无影响。钒的质量浓度在0.1 μg/mL～0.6 μg/mL，其线性相关系数均不小于0.9998，此方法中钒的检出限为0.002 μg/mL，按照实验方法测定碳化硅[w（SiC）≥95%]中钒，结果相对标准偏差（RSD，n=10）为4.05%～4.62%，加标回收率在98.0%～103.0%，结果较为理想。