超導用鈮鈦合金化學分析方法探究

在一些高科技項目中，鈮鈦超導材料應用較多。眾所周知，高科技項目對于鈮鈦合金材料的質量要求是比較高的。因此，為了使鈮鈦合金材料質量得到保障，有必要對其進行化學成分分析。

1、我國鈮鈦超導合金檢測方法研究現狀

針對超導用鈮鈦合金材料化學成分分析，我國的國家標準和行業標準還不夠完善。在實驗室中，對于鈮鈦超導合金材料雜質元素所使用的傳統方法是發射光譜法。通過實驗發現，發射光譜法存在一個弊端就是其過程比較復雜，而且精密度不高。因此，該方法已經逐漸被摒棄。目前，本文通過查閱知網、萬方、維普等國內的主流論文數據庫，發現關于電感耦合等離子體發射光譜法（ICP-AES）研究超導用鈮鈦合金中的痕量元素的測定方法幾乎沒有出現在學術論文中。

在一些學術論文中，出現過使用電感耦合等離子體發射光譜法測定鈮鈦鋁合金中的雜質元素的方法。但是該檢測方法的主要缺陷是測定元素的種類和數量非常有限，而且針對主成分鈦的測定方法較少。因此，化學分析方法中首選硫酸鐵銨滴定法。通過實驗發現，該方法效果較好。另外，使用該方法在鈦鐵及鈦精礦中對鈦的測定應用歷史較長，反饋效果較好。氣體元素測定通常是參考稀有金屬的化學分析法來進行測定的。經研究發現，該方法檢測所得到的結果容易出現較大的變化，而且不好重復測定。

當前，進行鈮鈦合金中化學元素檢測的實驗室主要有西部金屬材料股份有限公司理化中心、北京有色金屬研究院等。通過對這些實驗室的測定方法進行分析發現，他們所使用的設備差別較大，最終導致的測定結果也有區別，所以不容易重現，在產品質量評定方面難度較大。

2、超導用鈮鈦合金化學分析意義分析

通過將鈮鈦超導材料與其他超導材料進行對比分析可知其不僅強度較高，而且塑性較好，具有較好的機械性能。另外就是它的臨界電流密度比較高，制造成本比較低。超導用鈮鈦合金主要的應用場合有核磁共振、粒子加速器、軍事掃雷以及磁懸浮列車等。核磁共振成像每年消耗的鈮鈦超導線超過了1000噸。在科學研究領域，鈮鈦超導材料的應用也越來越廣泛。

在低溫超導材料中，鈮鈦超導材料的應用廣泛程度最高，目前其在行業內占有率大于95%。鈮鈦超導材料在一些重大高科技項目中也得到了應用。正因為如此，這對于鈮鈦超導材料的穩定性和可靠性提出了極高的要求。

鈮鈦超導線材通過使用難熔金屬的冶煉方法，使其轉變為鈮鈦合金錠，然后再將其進一步加工得到多芯復合超導線。最終，可以使用熱處理方法加工得到達到使用要求的鈮鈦超導線材。為了提高鈮鈦超導材料成品質量，需要從鈮鈦棒材化學成分的精確控制、晶粒度和再結晶率等方面進行合理控制。

在鈮鈦合金化學成分分析方面，不管是國內還是國外，對于該材料的分析方法幾乎都存在一些問題。

實驗室對該材料雜質元素（Al、Si、Fe、Cr、Cu、Ta）的測定采用傳統的發射光譜法，氣體元素（C、N、H、O）測定一般都參照稀有金屬的化學分析法進行測定，而且檢測結果變化較大，不易重現。為了解決這個實際問題，本文針對超導用鈮鈦合金化學檢測技術進行了全方位的分析。探究這些方法，首先，對于測定超導用鈮鈦合金材料的化學元素有較大的幫助；其次，可以使鈮鈦合金材料化學分析方法有了參考標準，對于鈮鈦合金材料檢測技術的發展是非常有利的；最后，這對于提高鈮鈦合金材料使用的可靠性也具有較大的意義。

3、超導用鈮鈦合金化學分析方法探究

3.1ICP-AES法測定鋁、鎳、硅等元素

電感耦合等離子體發射光譜法（ICP-AES）的優點較多，比如靈敏度較高、精密度較好，而且可以進行多元素分析，對元素的化學分析效率普遍較高。該方法的基本原理就是使用工作曲線法對超導用鈮鈦合金中鋁、鎳、硅等元素進行測定。其所使用的方法就是電感耦合等離子發射光譜法分析測定方法。另外，可以使用標準加入法針對回收率進行測定，由此可以對該方法的準確度進行驗證。而且，使用該方法還能夠實現超導用鈮鈦合金產品中多元素雜質分析。這對于發展中國超導工業的幫助是較大的。圖1是ICP-AES實驗裝置原理圖，被測定的溶液先是達到霧化室，然后進入具有焰炬的中心通道。通過高溫，可以發生原子和離子的激光，得到特定波長的光。然后，這些光照射光柵發生色散，通過進一步分解得到光譜線。當光譜線照射到CCD檢測器上的時候，會獲得電信號，最終實現元素的定量分析和定性分析。

3.2脈沖加熱-熱導法測定氫含量的方法

針對鈮鈦合金材料的化學分析，測定氫含量所使用的是脈沖加熱-熱導法測定氫含量的方法，所采用的設備是美國LECO公司RH-404測氫儀。通過該方法，能夠實現超導材料鈮鈦合金中氫的含量的測定。該儀器可以針對鈮鈦合金中的氫元素含量進行分析，它可謂是合金材料中氫含量的專業儀器之一，而且靈敏度較高，檢測下線能夠達到0.1ug/g。

使用脈沖加熱-熱導法測定氫含量的方法對鈮鈦合金材料進行化學分析，基本步驟如下：對樣品進行稱重，然后放入樣品。將錫粒投放到石墨坩堝中。通過氬氣的保護作用，將樣品加入到脫氣后的熾熱坩堝。在將試樣進行熔融之后，釋放得到氣體，然后經過轉化劑，通過色譜柱分離得到氫，最終到達熱導池。通過對熱導系數的改變進行計算，可以得到氫含量。

3.3硫酸鐵銨滴定法測定鈦含量的方法

容量法的另外一個名稱是滴定法，使用該方法對鈮鈦合金材料中鈦含量測定，怎樣對滴定終點進行確定，這是非常關鍵的。在這個過程中，需要對指示劑進行合理選擇。這樣，可以使滴定終點變色靈敏。這樣，可以使滴定終點與理論化學計量點盡可能接近。

對于高含量鈦的測定，一般使用硫酸鐵銨容量法較多。通過實驗研究發現，使用此方法優點較多，比如，儀器設備比較簡單、準確度比較高。

3.4高頻紅外法測定碳含量的方法

對超導材料鈮鈦合金中碳的含量的測定，可以使用的儀器是美國LECO公司CS-600碳硫儀。在超導用鈮鈦合金中0.002%-0.10%碳含量的測定中，可以選擇最佳分析條件，使用高頻紅外法測定碳含量。經實驗研究發現，高頻紅外法測定碳含量的方法的主要優點是比較靈敏，而且化學分析效率高，操作起來難度較小等特點。

通過對高頻紅外法測定碳含量的實驗原理進行分析可知，高頻紅外法測定碳含量的方法的實驗原理是高頻感應爐產生渦流，從而產生熱量。然后試樣中的氧充分燃燒，碳與氧發生化學反應，得到一氧化碳。接著，CO通過催化爐的作用生成CO₂。最后CO₂在凈化之后進入紅外池進一步檢測。

3.5紅外法測定氧及熱導法測定氮的方法

美國LECO公司TC-600氧氨聯合測定儀對超導材料鈮鈦合金中氧和氮的含量，在針對金屬及其合金材料中氧、氮含量的進行測定的儀器中，TC-600氧氮測定儀算是比較專業的儀器。通過該儀器，可以對多種金屬中氧和氮含量進行測定。通過大量的實驗研究可知，鈮鈦合金中氧含量（0.0010%~0.25%）和氮含量（0.0005%~0.025%）是最佳的測定條件。紅外法測定氧及熱導法測定氮的方法的主要特點是靈敏度高、分析時間短、操作簡便、精密度高等。

通過對紅外法測定氧及熱導法測定氮的方法進行分析可知，其基本原理是通過使用脈沖石墨電極爐對熔樣進行加熱，電極爐的溫度最高可超過3000℃。鈮鈦合金試樣先后經過石墨坩堝和氦氣。然后將試樣中的O釋放出來，可以與碳發生化學反應得到CO₂。接著，通過紅外檢測器，能夠對CO₂的含量多少進行檢測。氮被分解后得到氮氣，通過熱導探測器對其進行檢測。

在紅外法測定氧及熱導法測定氮方法使用的過程中，可以使用內置計算機實現控制，并且通過顯示器對氮的含量進行百分比顯示。

4、建議和設想

隨著科學技術的進步與發展，超導技術也在不斷進步，超導材料在越來越多的行業和領域中得到了深入而廣泛的應用。全球超導材料的市場規模近年來保持平穩增長，2018年全球全球超導材料市場規模為61.5億歐元，同比增長6.1%。中商產業研究院預計2022年全球超導材料市場規模約為68億歐元。

圖2所示為2016—2022年全球超導材料市場 規模。

圖3為2016—2022年全球超導材料市場規模增速趨勢圖。

在未來幾年，超導產業必定獲得飛速的發展。而在超導應用材料中，鈮鈦合金占據了非常重要的地位。在超導材料進一步應用的過程中，該材料的應用范圍會越來越廣泛，應用程度會越來越深入。對于鈮鈦合金材料中的化學元素的檢測，僅僅使用上述方法進行檢測是遠遠不夠的。因此，有必要對該材料的新的檢測方法進一步進行探索。本文主要研究的角度是兩個方面：一是擴大化學元素的測定范圍，使檢測下限進一步降低；二是增加更多數量的化學元素的測定。

5、小結

本文針對我國鈮鈦超導合金檢測方法研究現狀進行了分析，并闡明了超導用鈮鈦合金化學分析意義，并從ICP-AES法測定鋁、鎳、硅等元素、脈沖加熱-熱導法測定氫含量的方法、硫酸鐵銨滴定法測定鈦含量的方法、高頻紅外法測定碳含量的方法、紅外法測定氧及熱導法測定氮的方法五個方面針對鈮鈦合金材料進行了化學分析。最后，就鈦鈮鈦合金材料中的化學元素檢測方法進行了展望。

參考文獻：

[1]李波，王輝，魏宏楠，李麟.發射光譜法測定鈮鈦合金中雜質元素的含量[J].鈦工業進展.2011.28（01）：30-33.

[2]劉攀，張健豪，張毅，杜米芳，張欣耀.電感耦合等離子體發射光譜法測定鈦合金中鋁的質量控制圖[J].化學分析計量，2022，31（01）：5-9

[3]孫巧寅.化學分析方法測定鈦合金中Zr[J].中小企業管理與科技（中旬刊).2019（07）：127-128.

[4]于莉莉.ICP-AES測定金屬材料中元素的研究現狀及進展[J].廣東化工.2010.37（7）：119-120.

[5]高頌，龐曉輝，王桂軍.電感耦合等離子體原子發射光譜法測定高鈮鈦鋁合金中硼硅鎢錳[J].冶金分析.2013.33（11）：59-62