超导用铌钛合金化学分析方法探究

在一些高科技项目中，铌钛超导材料应用较多。众所周知，高科技项目对于铌钛合金材料的质量要求是比较高的。因此，为了使铌钛合金材料质量得到保障，有必要对其进行化学成分分析。

1、我国铌钛超导合金检测方法研究现状

针对超导用铌钛合金材料化学成分分析，我国的国家标准和行业标准还不够完善。在实验室中，对于铌钛超导合金材料杂质元素所使用的传统方法是发射光谱法。通过实验发现，发射光谱法存在一个弊端就是其过程比较复杂，而且精密度不高。因此，该方法已经逐渐被摒弃。目前，本文通过查阅知网、万方、维普等国内的主流论文数据库，发现关于电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-AES）研究超导用铌钛合金中的痕量元素的测定方法几乎没有出现在学术论文中。

在一些学术论文中，出现过使用电感耦合等离子体发射光谱法测定铌钛铝合金中的杂质元素的方法。但是该检测方法的主要缺陷是测定元素的种类和数量非常有限，而且针对主成分钛的测定方法较少。因此，化学分析方法中首选硫酸铁铵滴定法。通过实验发现，该方法效果较好。另外，使用该方法在钛铁及钛精矿中对钛的测定应用历史较长，反馈效果较好。气体元素测定通常是参考稀有金属的化学分析法来进行测定的。经研究发现，该方法检测所得到的结果容易出现较大的变化，而且不好重复测定。

当前，进行铌钛合金中化学元素检测的实验室主要有西部金属材料股份有限公司理化中心、北京有色金属研究院等。通过对这些实验室的测定方法进行分析发现，他们所使用的设备差别较大，最终导致的测定结果也有区别，所以不容易重现，在产品质量评定方面难度较大。

2、超导用铌钛合金化学分析意义分析

通过将铌钛超导材料与其他超导材料进行对比分析可知其不仅强度较高，而且塑性较好，具有较好的机械性能。另外就是它的临界电流密度比较高，制造成本比较低。超导用铌钛合金主要的应用场合有核磁共振、粒子加速器、军事扫雷以及磁悬浮列车等。核磁共振成像每年消耗的铌钛超导线超过了1000吨。在科学研究领域，铌钛超导材料的应用也越来越广泛。

在低温超导材料中，铌钛超导材料的应用广泛程度最高，目前其在行业内占有率大于95%。铌钛超导材料在一些重大高科技项目中也得到了应用。正因为如此，这对于铌钛超导材料的稳定性和可靠性提出了极高的要求。

铌钛超导线材通过使用难熔金属的冶炼方法，使其转变为铌钛合金锭，然后再将其进一步加工得到多芯复合超导线。最终，可以使用热处理方法加工得到达到使用要求的铌钛超导线材。为了提高铌钛超导材料成品质量，需要从铌钛棒材化学成分的精确控制、晶粒度和再结晶率等方面进行合理控制。

在铌钛合金化学成分分析方面，不管是国内还是国外，对于该材料的分析方法几乎都存在一些问题。

实验室对该材料杂质元素（Al、Si、Fe、Cr、Cu、Ta）的测定采用传统的发射光谱法，气体元素（C、N、H、O）测定一般都参照稀有金属的化学分析法进行测定，而且检测结果变化较大，不易重现。为了解决这个实际问题，本文针对超导用铌钛合金化学检测技术进行了全方位的分析。探究这些方法，首先，对于测定超导用铌钛合金材料的化学元素有较大的帮助；其次，可以使铌钛合金材料化学分析方法有了参考标准，对于铌钛合金材料检测技术的发展是非常有利的；最后，这对于提高铌钛合金材料使用的可靠性也具有较大的意义。

3、超导用铌钛合金化学分析方法探究

3.1ICP-AES法测定铝、镍、硅等元素

电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-AES）的优点较多，比如灵敏度较高、精密度较好，而且可以进行多元素分析，对元素的化学分析效率普遍较高。该方法的基本原理就是使用工作曲线法对超导用铌钛合金中铝、镍、硅等元素进行测定。其所使用的方法就是电感耦合等离子发射光谱法分析测定方法。另外，可以使用标准加入法针对回收率进行测定，由此可以对该方法的准确度进行验证。而且，使用该方法还能够实现超导用铌钛合金产品中多元素杂质分析。这对于发展中国超导工业的帮助是较大的。图1是ICP-AES实验装置原理图，被测定的溶液先是达到雾化室，然后进入具有焰炬的中心通道。通过高温，可以发生原子和离子的激光，得到特定波长的光。然后，这些光照射光栅发生色散，通过进一步分解得到光谱线。当光谱线照射到CCD检测器上的时候，会获得电信号，最终实现元素的定量分析和定性分析。

3.2脉冲加热-热导法测定氢含量的方法

针对铌钛合金材料的化学分析，测定氢含量所使用的是脉冲加热-热导法测定氢含量的方法，所采用的设备是美国LECO公司RH-404测氢仪。通过该方法，能够实现超导材料铌钛合金中氢的含量的测定。该仪器可以针对铌钛合金中的氢元素含量进行分析，它可谓是合金材料中氢含量的专业仪器之一，而且灵敏度较高，检测下线能够达到0.1ug/g。

使用脉冲加热-热导法测定氢含量的方法对铌钛合金材料进行化学分析，基本步骤如下：对样品进行称重，然后放入样品。将锡粒投放到石墨坩埚中。通过氩气的保护作用，将样品加入到脱气后的炽热坩埚。在将试样进行熔融之后，释放得到气体，然后经过转化剂，通过色谱柱分离得到氢，最终到达热导池。通过对热导系数的改变进行计算，可以得到氢含量。

3.3硫酸铁铵滴定法测定钛含量的方法

容量法的另外一个名称是滴定法，使用该方法对铌钛合金材料中钛含量测定，怎样对滴定终点进行确定，这是非常关键的。在这个过程中，需要对指示剂进行合理选择。这样，可以使滴定终点变色灵敏。这样，可以使滴定终点与理论化学计量点尽可能接近。

对于高含量钛的测定，一般使用硫酸铁铵容量法较多。通过实验研究发现，使用此方法优点较多，比如，仪器设备比较简单、准确度比较高。

3.4高频红外法测定碳含量的方法

对超导材料铌钛合金中碳的含量的测定，可以使用的仪器是美国LECO公司CS-600碳硫仪。在超导用铌钛合金中0.002%-0.10%碳含量的测定中，可以选择最佳分析条件，使用高频红外法测定碳含量。经实验研究发现，高频红外法测定碳含量的方法的主要优点是比较灵敏，而且化学分析效率高，操作起来难度较小等特点。

通过对高频红外法测定碳含量的实验原理进行分析可知，高频红外法测定碳含量的方法的实验原理是高频感应炉产生涡流，从而产生热量。然后试样中的氧充分燃烧，碳与氧发生化学反应，得到一氧化碳。接着，CO通过催化炉的作用生成CO₂。最后CO₂在净化之后进入红外池进一步检测。

3.5红外法测定氧及热导法测定氮的方法

美国LECO公司TC-600氧氨联合测定仪对超导材料铌钛合金中氧和氮的含量，在针对金属及其合金材料中氧、氮含量的进行测定的仪器中，TC-600氧氮测定仪算是比较专业的仪器。通过该仪器，可以对多种金属中氧和氮含量进行测定。通过大量的实验研究可知，铌钛合金中氧含量（0.0010%~0.25%）和氮含量（0.0005%~0.025%）是最佳的测定条件。红外法测定氧及热导法测定氮的方法的主要特点是灵敏度高、分析时间短、操作简便、精密度高等。

通过对红外法测定氧及热导法测定氮的方法进行分析可知，其基本原理是通过使用脉冲石墨电极炉对熔样进行加热，电极炉的温度最高可超过3000℃。铌钛合金试样先后经过石墨坩埚和氦气。然后将试样中的O释放出来，可以与碳发生化学反应得到CO₂。接着，通过红外检测器，能够对CO₂的含量多少进行检测。氮被分解后得到氮气，通过热导探测器对其进行检测。

在红外法测定氧及热导法测定氮方法使用的过程中，可以使用内置计算机实现控制，并且通过显示器对氮的含量进行百分比显示。

4、建议和设想

随着科学技术的进步与发展，超导技术也在不断进步，超导材料在越来越多的行业和领域中得到了深入而广泛的应用。全球超导材料的市场规模近年来保持平稳增长，2018年全球全球超导材料市场规模为61.5亿欧元，同比增长6.1%。中商产业研究院预计2022年全球超导材料市场规模约为68亿欧元。

图2所示为2016—2022年全球超导材料市场 规模。

图3为2016—2022年全球超导材料市场规模增速趋势图。

在未来几年，超导产业必定获得飞速的发展。而在超导应用材料中，铌钛合金占据了非常重要的地位。在超导材料进一步应用的过程中，该材料的应用范围会越来越广泛，应用程度会越来越深入。对于铌钛合金材料中的化学元素的检测，仅仅使用上述方法进行检测是远远不够的。因此，有必要对该材料的新的检测方法进一步进行探索。本文主要研究的角度是两个方面：一是扩大化学元素的测定范围，使检测下限进一步降低；二是增加更多数量的化学元素的测定。

5、小结

本文针对我国铌钛超导合金检测方法研究现状进行了分析，并阐明了超导用铌钛合金化学分析意义，并从ICP-AES法测定铝、镍、硅等元素、脉冲加热-热导法测定氢含量的方法、硫酸铁铵滴定法测定钛含量的方法、高频红外法测定碳含量的方法、红外法测定氧及热导法测定氮的方法五个方面针对铌钛合金材料进行了化学分析。最后，就钛铌钛合金材料中的化学元素检测方法进行了展望。

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