仪器分析与材料的发展.pdf

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1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 年第期上海钥研 , 仪器分析与材料的发展 梁任 摘典本文叙述 了仪器分析 在材料发展中的地位和作用 , 重点介绍了感应辆合等 离子发射光谱及射线荧光光谱在新材料分析中的应用及现代炼钢技术和仪器 分析 的关系 。 关键词仪器分析材料分析钢铁在线分析一 爪了 。 一 拙 了 , 了 了 一 从经典湿法化学分析到仪 器分析 分析化学在其起源阶段确切地讲是一门 技艺 。 那时 , 在生产过程中人们依凭感官判 断来鉴别和控制某些物料的配置

2、和 制作过 程 , 以达到予期的生产目的 。 例如古代的炼 金术 。 一直到上世纪未 , 分析化学己发展成 包括重量法 、 容量法以及上世纪中叶提 出的 比色法构成所谓 的经典湿法化学分析 。 湿法 化学分析对近代生产和科学的发展起到不可 忽略瘫雨基我化学的再成成 智得力于 它 了。 反过来这些化学成就又给分析化学赋 手 瘾的丙 涵 认 爪 一 了 人 封了本世室树,由于物蓬花李落演理论 的爱 展 , 为分析花李 月进 一步提 供宁禅裕墓 础 , 建立了溶液中四大平衡理论 , 使分 析化 学真正由一 门技 术 或技艺发展成一 门科学 了 。 以后 , 由于科学技术的迅猛发展以及相 邻学科之间的

3、相互渗透 , 特别是第二次世界 大战以后物理学和电子学的发展 , 以及年 代以来计算机技术的发展 , 分析化学渐渐从 以湿法化学分析为主的经典分析化学发展到 以仪器分析为主的现代分析化学 。 例分光 光度 法 、 极谱法 、 中子活化法 、 原 子吸 收 法 、 射线荧光光谱法 、 核磁共振等 。 现 代科技的发展 , 要求分析化学不仅仅 提供一个简单的物质组成 , 而是要求提供更 多 、 更快 、 更全面 的信息 。 从常量到微量 、 徽低从整体到微区表面或逐层分析 , 从组 成到形态 , 从静态到快速追综分析 , 从破坏 试样到无损分析 , 从离线到在线 。 作为现 代分析化学的代表一仪器

4、 分析吸收了当代科 技包括化学石物理 、 电子学数学 、 生物 学 、 信 息学 、 计算 机科学甚至管理学的最新技术 。 当 之无愧地承担起材料科学提出的要求 。 这是 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 上海钥研年第期 传统的湿法化学分析无法比拟的 , 也是一种 历史的必然 。 当然 , 传统的湿法化学分析在 仪器分析的发生发展中仍起着基础和助进 的 作用 。 仪器分析在材料发展中的 地位和作用 新材料的发展 由于生产和现代科技的进步 , 信息 、 能 源 、

5、材料科学组成 了当今世界文明的三大支 柱 。 一种新技术的诞生与 发展往往取决于新 材料 的发展 。 有人称本世纪 为硅时代气 、而未来 年 的第一个世纪是复合材料 时代 。 新材料的发展从技术方面来看主要有 “ 属 于结构材料的玻璃钢 、 碳纤维增 强 的树脂 基材料 、 陶瓷基 、金属 基等新 颖的复合材料 , 有单晶 、 非晶 、 微晶等 由于晶型 不同而性 能和应用方向不 同的晶体材料 , 有体现原子 化加 工的低维材料有 利用薄膜和 表面技术 使二种材料复合 , 表面改性或表面增强 , 还 有 当前很热门的 光导纤 维 、 压 电材料 、 形状 记 忆合金 、 电致流变流体等智能化材

6、料 。 五 花八门 , 层见迭 出 。 仪分析在材料发一 中的地位和作 用 无论材料科学发展到什么地步 , 分析化 学永远是沟通材料科学与工程四要素合 成和制备 、 成分和结构 、 性质 、 使用性能之 间的重要纽带 。 具体表现在控创材料制备过 程和产 品的质量 , 研究材料形成过粗 机理 找出材料一结构 一性质一使用性 能的关系以改 善材料 的质量等方面 。 所以分析化学在材料 发展中不是一种处于从属地 位的服务性工作 又一种狭隘意义上的 、而 是一 门科学 咚是 指导现有材料和开发断材料的 重要手段 。 从图中可以看到各类现代化分 析仪器给予解决上述问题所提供的广阔 天 地 。 整体甲分

7、一整 ” 折冶公卿 , , 霜雾架一鼻 暑雾票 一器 黔少 瓢产 ” 几何幸构一结构分折一岔 雳 孟舔 盟 ” 电子 鑫 构一 ,、 结构一骥 笋 聋 粉 二 图固体材料的分析特征“ 而对组分分析图 又提供了各类无机 材料的仪器分析手段 金属及 合金材料整体 元素分析 工 主量与少量 工 一 , 工 定性 上 痕量 与超痕星 刃 工 一 , 一 工 定量 工 主量与少量痕量与超痕量 工未 一 一 人 一 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 年第期上海侧研 陶瓷及玻璃

8、材料整体元素分析 未 二 定性 土 主 量与少量 工 一一 上量为 金喊 , 工工土 痕觉与超痕决主量与少量痕量与超痕量 工工 一一一 一 士 心 一 入丫 图全 份几 份分析图 少 迁为乡 , , 痕量一 。 , 超痕量 , 。 从图可以看 出对于无 机材料组分分析 , 一和具 有举足轻见的作 , 尤 其是一则具有全方位 的功能 。 几种重要仪器分析方法 在 新材料分析中的作用 感应祸合称离子发射光讼 一 普通原子 发射光谱是以电弧或火花等作 为激发源 的 , 一光源则是试样溶 液 经过雾化喷入高频感应 圈内的等离子炬管 , 使待 测元素被原子化和激发 。 由于该仪器稳定性好 , 激发温度

9、高 , 分 析浓度宽 , 化学 干扰少 , 自年 代初第一台 仪器 问世 , 经过多年 的基础 研究 、 实际应 用和多方面 的考证 , 己被公认为最有前途的 常规分析工具之一 , 也是我 国现代分析化学 领域中研究最活跃和发展最快的分析技术之 一艺 。 它和射线荧光光谱仪 、 原子吸收分 光光度计构成了现 代分析化学实验室必不可 少的三大件 。 一除了可以测定各类合金 中从 常量到痕量组分 、 轻重稀土含量 、 还能进行 各种特殊材料的分析 。 例石英玻璃 、 陶瓷 电 极 、 耐火材料 、 高硅材材 、 粉 、 超导薄 膜 、仁磁 性粉末 、 固载化 把催化剂 、 复杂盐 类 、 仁翎钙、

10、铁氧体晶体分析 。 还能进行局 部分析例对钢 的人厚度内的成分 分析 “ 、 测定碳化物 、 或氧化夹 杂 物 。 国际标准化组织 “工 和日本等 国下“己把该技 术列入标准 。 为了防止在制成溶液时一些元素例 、 , 、 的损失 、 沾污和节省 时间 , 目前固体进样技术发展较快 。 固体进样技术 也是满足材料科学中超痕量和微区分布分析 以及薄层分析的有效手段 。 较早 的有采用激 光烧蚀固体进样工 ”, 还有火花气化 固体进样 了 , 有报道工 了 采用石墨柑竭加热金属固体 试样 , 控制电热蒸汽导入炬管测定 “ 级以下的 、 、 等 个痕量元素 。 还有利用该技术测定超痕 量元素 ,仅至

11、于 和其它分析仪器联用或 是用在线质量控制 , 甚至钢水直接分析的报 道也是经常能见到 。 最常见的是和质谱仪联 用 , 用石墨炉原子化电热导入试样到一 可测定钢铁中达 。 作为一个材料研究为主要方向的大型研 究 , 如果没有一台技术先进 , 应用广泛的 一仪器 , 是一种不小的缺憾 。 射线荧光光讼分析 有关 各方面的理论和技术通过近四 十 多年 的发展己日趋成熟 。 尤其对 高含量分 析的高精度 、 快速 、 无损分析的特点在现有 材漓分析中己发挥得很充分 。 在各种新材料 中的应 用也很多 。 例测定二一 一 超 1994-2010 China Academic Journal Elec

12、tronic Publishing House. All rights reserved. 上海钥研年第期 导薄膜的组分 艺“ 或原子 比 , 测定电声换 能器的主要原材料压 电陶瓷的主要组分和添 加剂组分声 , 以及各类镀 、 涂层或化学沉 积复合材料的侧定 忿 或钢板镀层 的在线分 析等 今 。 下面介绍对新材料中痕量分析显示其优 越性并对本身来讲也是近年兴起的几 个热 门话题 。 全反射射线荧光光谱戈 是在能量 色散射线荧光光谱分 析基础上发展起来的 。 其原理 “” 是当射 线 以一个很小 的掠射 射到一 个光滑的反射 体表面就会产生全反射 。 由于入射射线从 分析样品表面极浅层发生反

13、射 , 所以大大降 低了对痕量元素分析不利 的射线背景 。 分 析灵敏度高 , 浓度范围宽 , 可以从百分含量 到 , 对应用在半导体或电子工业材料中 非常有效 。在 一 兆比特集成电路 生产过程中 要求测定表面沾染的 、 认等元素 , 检测需达到 。一 ” 二 二 而的 检测限可达到 一 “ 。 有用 此法测定片上 超薄的蒸 发膜以及 用离子溅射等法制备在石英玻璃上厚度小于 的 , 。 薄膜层 中的杂质 、 、 等 ”了 。 有报道甲基异丁酮 除去 基体后 用法测定英国 高纯铁中杂质 。 测定限为 , 结果见表 “ 。 。 同步辐射射线荧光光谱 、 这是 一种由电子同步加速器或储存环产 生

14、的同步辐射光 , 该辐射光束细小照射 面积 小 , 高 偏振 , 强度比常规光管高 倍 。 利用其 高强度和非常聚焦的特征 , 可 用作微探针 , 对样品进行成分扫描 , 利用其能 量可调性实现选择激发定量分析等、 早在年丹佛会议上就有人用 王测定微 量元素 “ 。 我 国的分析工作者利用 北京的同步辐射装置进行 了大量的工作 。 用 研究半导体材料中掺杂元素的分 布就是一例工 “ 。 高质量的各种掺杂硅单 晶 材料是发展电子 、 电力技术的重要材料 。 为 了介直径 为单晶中的均匀性 , 若 使用则要求 高真空条件 , 且样品必须有 导电性 , 这样方法灵敏度不能 , 如果用 对这么大的样品

15、无法进行无损分析 。 而 入 成功地分析了中的微区分布并给 出了二维分 布图 。 为晶体生成 的理论 研究和 半导体材料生产提供了有意义的信息 。 表全反射射线荧光光谱 法测定高纯铁 中杂质元素 元素 卜 、 。 。 。 。 。 。 。 一 林 。 。 。 。 。 。 。 现代炼钢技术和仪器分析 现代钢铁生产对质量控制分析要求做到 高速一及时快速得到分析数据 和信息 , 高精 度一不仅需要对成分准确判断 , 常常要求把 冶炼成分控制在下限以节省原材料和成本 , 高度一体化一 下是简单地报数据 , 而是通过 计算机进行一系列平衡计算 , 指导 冶炼 过 程 。 为达到以上的要求 , 一般传统的湿

16、法化 学分 析是不能望其项背的 。 目前大都采用和 仪器联用的在线 , 或现场在线分析 , 而钢水 直接分析的研究工作 , 近年 来也颇活跃 。 理场在峨分析 一般在线分析的程序为炉前取样风动 只 丹叮,口 ”甘” 。 为绝 对标准偏差 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 年第期上海们研 送样,制样一分析或再把数据反 馈到炉前 。 这样分析 时间至少要 一分钟 , 占去一般暇气转炉时间的比 。 如果缩 短分折时间 , 不仅能减轻炉衬浸蚀 , 还能更 精确控制质量 ,

17、 对 钢铁精炼尤 为重要 。 目前国外不少炼钢厂把分析仪器装到 炉前 , 变一般在线分析为现场分析 。 口本新日铁君津制铁所 “ 在炼钢精炼 过程中在生产现场用高能予火花激发原子发 射光谱仪现场分析 , 分析时 间从,缩 短 到 尹“。 时 间主要减少在试样冷却 、 加工和 传送上 。 德国公 司 ” 生产一 种全自动现 场制样及分析装置 , 。 这是一个 外型类似集装箱的全封闭无尘分析室 。 外观 尺寸为 么 , 里面安装自动制样 机 , 机械手装样 , 光谱仪 , 计算机等 , 安装 在炼 钢现 场 , 试样从外部入口送入 , 整个 分 析时 间只有 。 “。 宝钢近年曾引进一台 。 乞

18、直接钢液分析 比现场分析更排二步是铆液成分直 接分 析 。 早在年代 , 前苏联就尝试过对电炉钢 钢水进行直接发射光谱分析 。 日 、 美 、 英 、 法 等也进行过实验室小规律试验 , 但进 展不大 。 到 了八十年代中后期由于电子 、 光 学 技本和分析牌器的发展 , 此项工作进展较 快 , 尤其在日本 。 主要有 , , 卜熟工郑谱捧 , 这是用火花麟曳或激光激发进行取样的 办法 。 例在钢水上方安装一 电极 , 通过火花 放电 , 使产生元素特有的光谱 , 通过光导纤 维转送到光谱仪 , “ 。 另一种是通过火花放电等方法从熔徽金 属产生一种超细徽粒 , 然后由载气传送到 一 , 对钢

19、水进行多元素直接分析 , 分 析精度和载气的压力有关 , 和传统制祥 一人分析结果相符 。 全过程 。 尸。 工二 气体抽出法 这是一种进行俐中气体分析的方法 。 有 一 种测定钢中氢气的装置 。 它是从 钢水 中抽氢到一个能连续对氢气进行监测的气体 装置 , 被用在铸钢器 、 钢包脱气装置 、 铸 钢 浇口盘又 。 电化学探头 这是一种利用材料的离子感应特性作 用 传感器的探头插入钢液 , 测定某些成分 。 例复 盖有的 入 作为氧离子固体电 介质测定钢中氧 “ , 用一日为固体 电介质结合含有低活度的电极组作探头 测定铁水中的 ”“, 还有其它复合固体电介 质测定熔融金属 中 、 等 “

20、。 据报道 , 到洲年以前 , 日本经精炼 钢 件某些元素要低达 二, , , 为 了 达到及时控 制质量 的 目的 , 在日本成立了专 门组 织研究化学传感器以控制精炼过程 。 总之 , 随着现代高科技的发展 , 新材料 研究 、 开发 、 生产的速度 也会加快 , 对分析 化学尤其是仪释分析提出越来越艰巨钩 任 务 , 其 , 主要是对超微量分折要求降低检测 限和提高测定精度 , 甚至提高平面和空问的 分辨率 。 材料分折工作者要做好充分 的思想 和物质准备 。 当然材料 的发展推动电子学 , 尤其是传感器和传导物质 、 计算机科学等领 域的进步 , 仪器分折也会从中得益 , 这关系 永远

21、是娜辅相成 , 相得益彰 。 参考 、 文 献 梁树权分折实验室一、 , 。 , 气、 丈 高鸿等分折化学前沿科学出版社 , 。 士 , 叉、 万群分折实验室 一 , 吸 、 陈新坤 “ 电感耗合等离子光谱分折曲原 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 上海钥研年第期 理和应用 ” 南开大学 出版社 沙伟南等 分折实验室 、 陈新坤 分折实验室 气、 , 一 , 、 宋卫良等理化检验化学分册、 、 又 一 钢铁等离子 体发射光谱法 ” , 秋吉孝则 铁巴钢 一 , , 。 、 , 。 互 , , , 、 今北毅 铁七钢 、 。 、 ,宁儿镌谱学与 。 分折 、。 朱锡中全国第四届学术报告论 文集 , 武汉 , 。 一 吸、 松本义朗汪力 、 住友研究 , 一 、 , 、 、 、 , , 、 , 。 , 、 安庆骥 岩矿测试又 、 , 一 , 刘亚雯冶金系统第五 届 学术报 告会论文集 , 仁部晴美汪力 、 分折化学 日 , , 。 、 二江么, , 江 月 小野昭 红泛力 、 钢巴铁 , 又 、 中岛润二挂力 铁巴钢 , 一 , 。 吸 , 、 姜周华等东北工学院学报 、 新矢 靖夫廷力 、 日本公开特许公报 一 , 公开