XRD應用分享｜粘土耐火磚中晶相和非晶相的定量分析

耐火材料應用于鋼鐵、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領域，是保證上述產業生產運行和技術發展不能少的基本材料，在高溫工業生產發展中起著不可替代的重要作用。

▲粘土磚（圖片來源Pixabay）

粘土磚也稱為燒結磚，是一種很常見的耐火材料，是建筑用的人造小型塊材。粘土磚以粘土（包括頁巖、煤矸石等粉料）為主要原料，經泥料處理、成型、干燥和焙燒而成。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在燒成過程中與雜質形成共晶低熔點的硅酸鹽，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，晶相和非晶相的定量是耐火材料X射線衍射分析的一個重要課題，特別是非晶態玻璃相的定量是XRD分析的難點。本文以粘土磚為例，介紹如何利用Bruker D8 Advance型 X射線衍射儀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晶相物質，而且其含量的總和為100%。如果其中含有部分非晶相，我們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。在實驗室中這個方法是可行的，但在實際生產和快速檢測過程中，這個方法就不實用了，因為加入內標物質，不但容易污染樣品，而且操作過程繁瑣，不適合大批量樣品分析。

為了解決這個問題，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一個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已知非晶含量標樣計算獲得。這樣一來，我們就得到了一個峰型和強度的“結構"來描述非晶相（這里是非真實的晶體結構，只是一個模型，用于后續定量分析），從而省去了添加內標的繁瑣過程，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，我們對一系列粘土耐火磚材料進行了衍射分析。分為2組樣品，一組添加內標物質（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，并將兩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。圖中所示的結果為含有內標的定量結果，TOPAS 會自動計算原始樣品（扣除內標后）中各個物相的含量。

在PONKCS法計算中，我們用一個假定晶體結構產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系數，使得某一樣品的PONKCS和內標法的定量計算結果一致。在此系列樣品中，我們選擇一號樣品做歸一化處理，將獲得的非晶“結構"應用于其它樣品的定量計算。

表2列出了兩種方法對不同樣品的定量結果比較。從表中可以看到，PONKCS法對不同含量的非晶相的定量與內標法非常接近， 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。特別是對于玻璃相含量的分析，相比內標法的耗時繁瑣，PONKCS法制樣簡單，使用方便，更適合工業上對大批量樣品進行快速自動化分析。

-轉載于布魯克X射線部門公眾號