XRD應用分享｜粘土耐火磚中晶相和非晶相的定量分析

耐火材料應用於(yu) 鋼鐵、有色金屬、玻璃、水泥、陶瓷、石化、機械、鍋爐、輕工、電力等國民經濟的各個(ge) 領域，是保證上述產(chan) 業(ye) 生產(chan) 運行和技術發展不能少的基本材料，在高溫工業(ye) 生產(chan) 發展中起著不可替代的重要作用。

▲粘土磚（圖片來源Pixabay）

粘土磚也稱為(wei) 燒結磚，是一種很常見的耐火材料，是建築用的人造小型塊材。粘土磚以粘土（包括頁岩、煤矸石等粉料）為(wei) 主要原料，經泥料處理、成型、幹燥和焙燒而成。粘土磚的燒成過程，主要是高嶺石不斷失水分解生成莫來石結晶的過程。粘土磚中SiO2和Al2O3在燒成過程中與(yu) 雜質形成共晶低熔點的矽酸鹽，包圍在莫來石結晶周圍。粘土磚中除含有高耐火度的莫來石結晶外，還含有一定的低熔點非晶質玻璃相。

在耐火行業(ye) ，晶相和非晶相的定量是耐火材料X射線衍射分析的一個(ge) 重要課題，特別是非晶態玻璃相的定量是XRD分析的難點。本文以粘土磚為(wei) 例，介紹如何利用Bruker D8 Advance型 X射線衍射儀(yi) 對其進行定性物相和定量分析。

一、Rietveld和PONKCS方法介紹

Rietveld 全譜擬合和無標樣定量計算已經成為(wei) X射線衍射定量分析的標準方法之一。Rietveld 方法假設所有物相為(wei) 晶相物質，而且其含量的總和為(wei) 100%。如果其中含有部分非晶相，我們(men) 通常采用加入特定含量的標準物質以精確地計算非晶相物質的含量。在實驗室中這個(ge) 方法是可行的，但在實際生產(chan) 和快速檢測過程中，這個(ge) 方法就不實用了，因為(wei) 加入內(nei) 標物質，不但容易汙染樣品，而且操作過程繁瑣，不適合大批量樣品分析。

為(wei) 了解決(jue) 這個(ge) 問題，布魯克公司的Rietveld 軟件TOPAS 引入了全新的PONKCS （Partial Or No Known Crystal Structure ）方法。PONKCS 方法的基本原理就是將非晶相作為(wei) 一個(ge) 具有特定結構的物相來處理，將非晶相的特征包絡線峰型描繪和確定下來，而非晶相的衍射能力可以通過一個(ge) 已知非晶含量標樣計算獲得。這樣一來，我們(men) 就得到了一個(ge) 峰型和強度的“結構"來描述非晶相（這裏是非真實的晶體(ti) 結構，隻是一個(ge) 模型，用於(yu) 後續定量分析），從(cong) 而省去了添加內(nei) 標的繁瑣過程，同時將其應用到無標樣定量過程中以實現快速和自動化。

二、實驗方法

在本實驗中，我們(men) 對一係列粘土耐火磚材料進行了衍射分析。分為(wei) 2組樣品，一組添加內(nei) 標物質（10% ZnO），通過Rietveld全譜擬合無標定量方法，精確確定了各個(ge) 物相，包括非晶相的含量。另一組樣品直接測試，使用PONKCS方法計算各相的含量，並將兩(liang) 種方法的結果進行比較。

三、實驗結果

圖1給出了使用TOPAS 軟件計算的樣品中所有物相的含量。圖中所示的結果為(wei) 含有內(nei) 標的定量結果，TOPAS 會(hui) 自動計算原始樣品（扣除內(nei) 標後）中各個(ge) 物相的含量。

在PONKCS法計算中，我們(men) 用一個(ge) 假定晶體(ti) 結構產(chan) 生的衍射峰來描繪非晶包的線形（如圖2中的藍線所示），同時確定非晶相的衍射強度係數，使得某一樣品的PONKCS和內(nei) 標法的定量計算結果一致。在此係列樣品中，我們(men) 選擇一號樣品做歸一化處理，將獲得的非晶“結構"應用於(yu) 其它樣品的定量計算。

表2列出了兩(liang) 種方法對不同樣品的定量結果比較。從(cong) 表中可以看到，PONKCS法對不同含量的非晶相的定量與(yu) 內(nei) 標法非常接近， 說明PONKCS是非常精確，操作簡單的非晶相定量分析方法。

四、結論

XRD是對粘土耐火磚進行定性和定量分析的有力工具。借助布魯克全譜擬合精修TOPAS軟件及PONKCS方法，可以對粘土磚中的晶態及非晶態玻璃相含量進行分析。特別是對於(yu) 玻璃相含量的分析，相比內(nei) 標法的耗時繁瑣，PONKCS法製樣簡單，使用方便，更適合工業(ye) 上對大批量樣品進行快速自動化分析。

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