PDF《XRD 定量分析方法在 MgO-Al2O3 二元体系物相》

第11卷第18期Vol.

11 No.18

2018 年9月September

2018 XRD 定量分析方法在 MgO-Al2O3 二元体系物相 组成分析中的应用 涂小丹,张锦化,柯昌明,王宇,陈彩莲,王景然* (武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室,武汉 430081) 摘要:采用内标法、绝热法、全谱拟合法三种方法对 MgO-Al2O3 二元体系的一系列已知物相组成的样品进行 X 射线衍射(X-ray diffraction,XRD)定量分析研究.结果表明,三种定量分析方法的分析结果均与实际组成 较为吻合,分析精度在±5%范围内,未表现出明显差异.绝热法由于定量分析程序简单、效率较高,更适宜于 工业生产中 MgO-Al2O3 二元体系的物相组成快速定量分析. 关键词:材料检测与分析技术;

X 射线衍射定量分析;

实验研究;

MgO-Al2O3 中图分类号:TQ175 文献标识码:A 文章编号:1674-2850(2018)18-1788-09 Application of XRD quantitative analysis in phase composition determination of the MgO-Al2O3 binary system TU Xiaodan, ZHANG Jinhua, KE Changming, WANG Yu, CHEN Cailian, WANG Jingran (The State Key Laboratory of Refractories and Metallurgy, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China) Abstract: A series of samples of the known phase composition in MgO-Al2O3 binary system was quantitatively analyzed with X-ray diffraction (XRD) by the internal standard method, the reference intensity ratio (RIR) method and the Rietveld method. The results showed that the phase content obtained by each method was in consistent with the actual composition, and the measurement error was ±5% with no obvious significance. However, the RIR method was more suitable for the rapid quantitative analysis of the phase compositions of MgO-Al2O3 binary system in industrial production due to its simple program and high efficiency. Key words: material detection and sub-acrobatics technology;

X-ray diffraction quantitative analysis;

experiment research;

MgO-Al2O3

0 引言 镁铝尖晶石是 MgO-Al2O3 二元体系中唯一的中间化合物,拥有一系列的优良性能.例如,熔点 高(2 135℃) 、高温机械强度优良、化学稳定性好、热膨胀系数小、抗热震性能好[1] 、绝缘性好、光学 性能优良[2] 等.镁铝尖晶石抗铁渣、抗K2O 和Na2O 硫酸盐侵蚀性能强,且在还原气氛下具有优良的体 积稳定性,抗游离 CO

2、SO2 和SO3 的侵蚀性也很好.这些优势使得镁铝尖晶石在高温过程工业中得到 了广泛应用,常用于大型水泥回转窑、玻璃窑蓄热室、石灰窑、电炉炉顶、炉外精炼炉、钢包等热工设 备.此外,致密的镁铝尖晶石陶瓷在多种工程技术领域也具有广阔的应用前景[2] .镁铝尖晶石的生产制 基金项目:武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室青年基金(2018QN11) 作者简介:涂小丹(1992―) ,女,硕士研究生,主要研究方向:耐火材料原料合成与表征 通信联系人:张锦化,讲师,主要研究方向:无机非金属材料的制备与表征. E-mail: [email protected] Vol.11 No.18 September

2018 涂小丹等:XRD 定量分析方法在 MgO-Al2O3 二元体系物相组成分析中的应用

1789 备方法有很多,且产品的纯度、晶粒尺寸、化学均匀性等都与制备方法密切相关[3] .由于原料的种类、 化学组成及配比、合成制备工艺等的差别,所得镁铝尖晶石产品的物相组成也会存在一定的差异,这对 制品的性能会造成明显影响. XRD 物相定性、定量分析已被广泛应用于材料的物相组成研究[4~7] .XRD 物相定量分析方法主要包 括内标法、外标法、绝热法、无标样法和全谱拟合法等[8~11] .其中,内标法分析精度相对较高,需要在 待测样品中加入标准纯相物质作为参考,制备出一系列内标物质的量分数已知的实验样品,并绘制工作 曲线.当样品中含有的物相较多时,谱线复杂,不同物相的谱线重叠会干扰分析,再加入作为参考的标 准物相则会进一步增加谱线重叠的可能,给定量分析带来困难.此外,内标法的实验过程较繁琐,操作 较为复杂,工作量也较大.外标法虽然不需要在样品中另外加入参考物相,但需要用纯的待测相物质制 作标准曲线,这在实际应用中也极为不便,而且外标法的定量分析精度不如内标法高.绝热法不必加内 标物质,不会出现额外谱线及谱线重叠,但该方法不适用于含有未知物相的试样,也不适用于含有非晶 物相的试样,而且要求所有物相的 K 值都已知.而无标样法和全谱拟合法不需要配制一些类标准物质和 绘制标准工作曲线,但需要繁琐的计算,其应用也受到了一定的限制. 本文以自制的方镁石粉、刚玉粉、尖晶石粉为原料配制一系列样品,以石英粉为标准物质,分别采 用绝热法、内标法、全谱拟合法三种不同的分析方法对含尖晶石试样进行 XRD 定量分析,并对三种方 法的分析精度进行对比研究.

1 实验 1.1 样品制备 将轻烧氧化镁(MgO,质量分数为 94.20%) 、工业氧 化铝(Al2O3,质量分数为 98.69%)按照 Al2O3:MgO 为72:28 的质量比进行配料并混合均匀得到混合料;

将上述 混合料、轻烧氧化镁、工业氧化铝分别于

1 600℃煅烧, 保温

3 h,制得镁铝尖晶石粉、方镁石粉和刚玉粉标准样 品.图1为自制标准样品及石英粉(SiO2,质量分数为 99.50%)的XRD 图谱.由XRD 图谱可以看出,自制的 尖晶石、方镁石、刚玉标准样品中的主要晶相分别为尖 晶石 (PDF#21-1152) 、 方镁石 (PDF#75-1525) 、 刚玉 (PDF #71-1123) ,所选用石英粉的主要晶相为石英(PDF #82-0511) ,在各样品中未观察到其他晶相的存在. 1.2 样品配制 将自制的尖晶石粉、刚玉粉、方镁石粉按照表

1 所示的比例进行配料,并混合均匀备用.用于内标 法检测的试样则在上述配料中外加质量分数为 5%的石英粉. 1.3 样品测试与表征 采用荷兰 Philip X'

Pert Pro 型X射线衍射仪分析混合试样的物相组成,测试条件为:Cu Kα 射线, 波长为 0.154

18 nm,工作电压

40 kV,工作电流

40 mA,步长 0.017°,采用连续步进扫描方式,超能探 测器. 图1原料的 XRD 图谱 Fig.

1 XRD patterns of the raw materials 第11卷第18期2018 年9月中国科技论文在线精品论文

1790 表1试样配比 Tab.1 Formulations of specimens 质量分数/% 质量分数/% 样品编号 尖晶石粉 刚玉粉 方镁石粉 样品编号 尖晶石粉 刚玉粉 方镁石粉 S0

0 50

50 S6

60 20

20 S1

10 45

45 S7

70 15

15 S2

20 40

40 S8

80 10

10 S3

30 35

35 S9

90 5

5 S4

40 30

30 S10

100 0

0 S5

50 25

25 2 XRD 定量分析的基本原理 2.1 内标法 内标法是在被测试样中混入一定比例的内标相制得复合试样,通过测定待测相某一衍射峰强度与内 标相某一衍射峰强度的比值,测得待测相的含量.内标物应选取原试样中不存在的纯物质.由于复合试 样中被测相的浓度 WA 与衍射峰强度比 IA/IS 呈线性关系,以这种方法画出定标曲线,就可以进行定量 计算[12~14] . A S A I I........