بخشی از مقاله
چکیده:
در این کار تجربی دو روش برای ساخت نمونههای استاندارد کاربید بور حاوی کربن آزاد جهت کالیبراسیون دستگاه پراش اشعه ایکس و اندازهگیری کمّی کربن آزاد در بافت کاربید بور بررسی شد. ساخت استانداردها بر مبنای افزایش گرافیت به کاربید بور و اختلاط مخلوط دو پودر به روش مناسب و بهینه شده انجام گردید. پس از ساخت استانداردها به روش نامگذاری شده Heating-Stirring، منحنی کالیبراسیون در ناحیه غلظتی 0/3-6/0 درصد وزنی کربن آزاد رسم و عملکرد آن ارزیابی و صحهگذاری شد.
مقدمه:
کاربید بور یک ماده سرامیکی دیرگداز و قابل کاربرد در ساخت میله های کنترلی و خاموش کننده در راکتورهای شکافت هسته ای میباشد. از آنجا که خواص و کاربردهای کاربید بور به طور ویژه به ساختار شیمیایی و به خصوص به کربن آزاد موجود در آن بستگی دارد لذا اندازهگیری صحیح کربن آزاد در پودر و سایر محصولات آن حائز اهمیت است. تعیین کربن آزاد در کاربیدها و بویژه در کاربید بور یکی از مشکلات شیمی تجزیه مربوط به مواد سرامیکی است.
[1] روش کارهای موجود مربوط به اندازهگیری کربن آزاد عمدتا شامل اکسیداسیون کربن به روشهای خشک یا تر میباشد. در روش اکسیداسیون خشک، کاربید در معرض حرارتدهی در حضور هوا یا اکسیژن قرار گرفته و کربن آزاد موجود در آن با تفاوت ایجاد شده در وزن تعیین میشود.[2] در این روش به دلیل اینکه در جریان احتراق مقداری از کاربید بور نیز اکسید شده و به همراه کربن آزاد از نمونه خارج میشود، یک منشاء خطا در اندازهگیری وجود دارد.
در روش تر که بر پایه اکسیداسیون شیمیایی کربن استوار است، علاوه بر کربن آزاد مقداری از کاربید بور نیز اکسید و به CO2 تبدیل میشود.[3] در این روش در نهایت میزان CO2 به روشهای کولومتری، جذب IR، گراویمتری یا فشارسنجی اندازهگیری میگردد. بنا به دلیل ذکر شده به منظور افزایش اطمینان به صحت و دقت نتایج در این روش نیاز به انجام تصحیح لازم برای جبران اکسیداسیون جزیی کربن ترکیبی میباشد. در این کار تجربی به منظور عملی ساختن اندازهگیری کمّی کربن آزاد از طریق پراش اشعه ایکس - QXRD - ، بر روی ساخت نمونههای استاندارد غلظتی کاربید بور مورد نیاز در این روش تمرکز شده است.
روش کار:
مواد مورد نیاز: مواد شیمیایی مورد نیاز شامل اسید سولفوریک، سدیم دی کرومات - Na2Cr2O7 2H2O - و پتاسیم یدات - KIO3 - میباشد که از محصولات شرکت مرک - Merck - استفاده شده است. به منظور تهیه ماتریس استانداردها از ماده استاندارد مرجع - CRM - کاربید بور با کد ERM-ED102 ساخت شرکت BAM استفاده شد که دارای مقدار 0/51 درصد کربن آزاد گواهی شده میباشد. پودر گرافیت استفاده شده دارای خلوص بالا و محصول شرکت LECO است.
برای تهیه محلول سولفو کرومیک یدیک اسید 22 گرم سدیم دی کرومات به 300 میلی لیتر آب افزوده و سپس 700 میلی لیتر سولفوریک اسید 18 مولار به آن اضافه شد. محلول حاصل به مدت 30 دقیقه در دمای 150 درجه سانتیگراد حرارت داده و سپس 10 گرم پتاسیم یدات به آن افزوده شد.[3] در نهایت محلول تا دمای محیط سرد و جهت استفاده بعدی در یک ظرف شیشهای نگهداری گردید. در ساخت کلیه محلولهای شیمیایی از آب بدون یون استفاده شده است.
تجهیزات مورد نیاز: دستگاه پراشسنج اشعه ایکس - XRD - با تابش Cu K در طول موج 1/54056 Å با پتانسیل 40 kV و جریان آند 40 mA استفاده شد. به منظور ثبت الگوی پراش، نمونههای استاندارد و واقعی در ناحیه - 15- 40o - 2 طیفگیری شدند. به منظور بررسی مورفولوژی و اطمینان از توزیع گرافیت در بافت اصلی از دستگاه میکروسکوپ الکترونی - SEM - استفاده شد. همچنین دستگاه آسیاب گلولهای آزمایشگاهی با Bowl وBall از جنس زیرکونیا - ZrO2 - به منظور آسیاب کردن و اختلاط مواد استفاده گردید.
آمادهسازی نمونههای استاندارد: به منظور افزایش امکان اختلاط همگن کاربید بور و گرافیت، مواد مذکور با کاربرد الکهای با مش 500 و 325 به صورت جداگانه الک شده و مواد باقیمانده در بین دو الک با دانهبندی ذرات در ناحیه 25-44 ʽm برای ساخت استانداردها انتخاب شد. به منظور حذف کربن آزاد از کاربید بور، 5 گرم از نمونه کاربید بور الک شده به 250 میلی لیتر از محلول سولفو کرومیک یدیک اسید در یک بشر شیشهای افزوده و به مدت 3/5 ساعت در دمای 90 درجه سانتیگراد و ضمن همخوردن با همزن مغناطیسی حرارت داده شد. پس از سرد شدن محلول تا دمای محیط، محلول اسیدی دکانته و محتوی بشر چندین بار با آب بدون یون شسته و در نهایت با کاغذ صافی جدا شد و پس از شستشوی مجدد در آون و در دمای 90 درجه سانتیگراد به مدت 1 ساعت خشک شد.
پودر کاربید بور خالصسازی شده که عاری از کربن آزاد میباشد به عنوان بافت اصلی - ماتریس - در ساخت استانداردها استفاده شد. به منظور تهیه نمونههای استاندارد به دفعات مقادیر 1 گرم - با دقت - 0/1 mg از نمونه تخلیص شده کاربید بور و مقادیر محاسبه شده و متناسب با درصدهای وزنی 0/3-6/0 درصد از پودر گرافیت توزین - با دقت mg - 0/001 و به یک بشر 25 میلی لیتری منتقل شد. سپس 10 میلی لیتر ایزوپروپانول به بشر اضافه و مخلوط حاصل بر روی یک دستگاه هیتر - استیرر قرار گرفت و ضمن همخوردن تا نزدیک خشک شدن حرارت داده شد. در نهایت پودر به دست آمده در دمای 85 درجه سانتیگراد به مدت یک ساعت خشک شد.
نتایج:
با توجه به اینکه هدف از ساخت نمونههای استاندارد کاربید بور حاوی کربن آزاد مشخص در این کار تجربی، کالیبراسیون دستگاه XRD و سپس رسم منحنی کالیبراسیون غلظت و در نهایت انجام آنالیزکمّی با روش پراش اشعه ایکس - - QXRD میباشد لذا چند پارامتر مهم در ساخت استانداردها باید مورد توجه قرار گیرد که عبارتند از:
-1 دو فاز کاربید بور و گرافیت به طور کاملا همگن در نمونه استاندارد توزیع شوند.
-2 ذرات موجود در نمونه استاندارد باید ریز و جهتگیری کاملا تصادفی داشته باشند.
-3 اندازه ذرات گرافیت استفاده شده به حد کافی بزرگ باشد که توسط روش پراش اشعه ایکس قابل تشخیص باشد. برآورده شدن شرایط فوق به شدت به روش ساخت نمونههای استاندارد وابسته است که بدون شک در اندازهگیریکمّی با روش پراش اشعه ایکس - QXRD - حائز اهمیت میباشند. در این کار تجربی از یک روش همزدن - حرارت دهی - Heating-Stirring - جهت نیل به این اهداف استفاده شده که در ادامه راهکارهای به کار گرفته برای برآورده شدن شرایط سه گانه فوق شرح داده شده است. شایان ذکر است این روش در هیچ مرجع علمی گزارش نشده است.
استفاده از کاربید بور تخلیص شده به عنوان بافت اصلی استانداردها: همانطور که در قسمت روش کار تشریح شد برای تهیه بافت اصلی - ماتریس - استانداردهای مد نظر از یک نمونه استاندارد گواهی شده - CRM - کاربید بور که دارای 0/51 درصد کربن آزاد میباشد استفاده شد. با توجه به اینکه کالیبراسیون دستگاه و تهیه منحنی کالیبراسیون به چندین غلظت کربن آزاد نیاز دارد لذا لازم است با در اختیار داشتن یک کاربید بور کاملا خالص و عاری از کربن آزاد، ساخت استانداردها با افزایش مقادیر مشخص و مختلف گرافیت به عنوان کربن آزاد به بافت اصلی انجام شود.
در این کارتجربی تخلیص کاربید بور مطابق روش شرح داده شده انجام و جهت اطمینان از عدم باقی ماندن کربن آزاد در بافت نمونه و حذف هرگونه خطای ناشی از اثر حافظهای - Memory Effect - ، از نمونه خالص سازی شده در ناحیه 15-40 درجه طیف XRD گرفته شد. مطابق شکل - 1 - مقایسه طیف نمونه قبل از خالصسازی - A - با طیف گرفته شده از نمونه تخلیص شده - B - نشان دهنده حذف پیک مربوط به کربن آزاد در زاویه 26/6 درجه میباشد.
