Измерение сплавов лития с помощью портативного анализатора элементного состава NanoLIBS-Q

МАЯ252017

Такие сплавы лития, как Li-Al и Li-Mg, широко используются во многих отраслях промышленности. Для производителей различных сплавов измерение концентраций алюминия (в Li-Al) и магния (в Li-Mg) является неотъемлемым шагом этапа производства и контроля качества. Портативный анализатор элементного состава NanoLIBS-Q от компании B&WTek представляет собой простое решение для анализа состава вещества. Его компактные размеры и легкий вес позволяют использовать его прямо на линиях производства.

Введение в LIBS (ЛИЭС) технологию и NanoLIBS-Q

Лазерная искровая эмиссионная спектроскопия (спектроскопия возбуждения лазерным пробоем; LIBS; ЛИЭС) – это вид атомной эмиссионной спектроскопии, использующей в качестве источника возбуждения лазерные импульсы высокой энергии [1,2]. Лазер фокусируется специальным образом на поверхности образца для образования плазмы. Формирование плазмы начинается только тогда, когда сфокусированное лазерное излучение достигает определенного уровня для оптического пробоя. Данный аспект сильно зависит от условия окружающей среды и материала исследуемой поверхности [3].

Анализатор элементного состава NanoLIBS-Q может быть запрограммирован под количественное определение химических элементов различных материалов. Данный прибор способен определять большое количество элементов, в частности такие легкие элементы, как литий, бериллий, бор и углерод. NanoLIBS-Q отличается портативностью, легким весом и имеет встроенный сенсорный экран, значительно упрощающий работу оператора.

Метод измерения «Point-and-Shoot» («Наведи-и-Измерь») позволяет исследовать образцы при прямом контакте, а результаты измерения выводятся на экран в течение нескольких секунд. Еще одной особенностью спектрометра является малый диаметр лазерного пятна (300 – 400 мкм), формируемый на поверхности образца – такое пятно практически не оставляет никаких видимых повреждений на поверхности. Это дает возможность использовать данный прибор не только на промышленных предприятиях, но и, например, при контроле ювелирной продукции, внешний вид которой должен оставаться без изменений.

Сплав лития

Литий (Li, атомный номер 3) представляет собой чрезвычайно легкий, довольно мягкий щелочной металл серебристо-белого цвета, принадлежащий первой группе второго периода периодической системы химических элементов. Как и другие элементы данной группы, литий настолько химически активен, что в природе он никогда не встречается в чистом виде, но всегда присутствует в минералах и солях. Обычно литий хранят в минеральных маслах для предотвращения его вступления в химическую реакцию с водой, кислородом, углекислым газом или даже азотом.

Литий широко используется в таких областях промышленности, как атомная энергетика, авиакосмическая промышленность, производство литиевых батарей, реакторы с промышленным синтезом, военная сфера, производство синтетических резин, фармацевтика.

Литий также можно классифицировать по классовому применению в качестве катализатора, элемента сплава, части аккумуляторных батарей. В качестве катализатора литий может использоваться при синтезе различных фармацевтических компонентов и в процессах полимеризации. В качестве элемента сплава литий используется для изготовления легких сплавов различны металлов (алюминиевый сплав, магниевый сплав). При производстве аккумуляторных батарей на основе лития, они более чем на 99.8% состоят из данного металла; оставшуюся часть могут составлять натрий (не более 200 ppm), калий (не более 100 ppm), кальций (не более 200 ppm), азот (не более 300 ppm).

На заводах литиевые сплавы обычно выпускаются в виде готовых слитков или партий промежуточных сплавов, хранятся в минеральных маслах и обрабатываются в сухих помещениях с целью предотвращения быстропротекающей реакции с парами воды воздуха (в отличие от кислорода и азота, реакция с которыми слабая и медленно протекающая).

Эксперимент и результаты

Как известно готовые литиевые слитки необходимо измерять в сухих помещениях или в аргоновых камерах с низким содержанием влаги. В эксперименте, описываемом в данной статье, использовалась камера с относительной влажностью менее 2%.

Портативный элементный анализатор NanoLIBS-Q может использоваться в таких условиях. Во время анализа оператор был в перчатках для исключения прямого контакта кожи со сплавом. Литиевые слитки были заранее подготовлены и очищены от минерального масла, а также расположены гладкой плоской поверхностью вверх для обеспечения хорошего физического контакта между измерительным адаптером спектрометра и поверхностью образца.

Для предотвращения опасных происшествий применялись комплексные меры предосторожности при обращении с металлическим литием.

Целью эксперимента было эффективное определение концентраций алюминия и магния в сплавах Li-Al и Li-Mg соответственно. Обычно концентрация составляет порядка 2000 ppm для алюминия и около 15 – 20% для магния. Чтобы провести более точный анализ, необходимо разбить результаты измерения для алюминия по трем группам на основе того, как близко его содержание к 2000 ppm, а результаты измерения для магния разбить по трем группам, исходя из высокого, среднего и низкого уровня содержания в сплаве. Классификация будет производиться в соответствии с таблицами, представленными ниже.

Компания BWTek разработала калибровочные модели для сплавов Li-Al и Li-Mg и загрузила их в спектрометр NanoLIBS-Q для проведения экспериментов. Калибровочные модели также могут дополняться конечными пользователями путем измерения эталонных образцов. Результаты измерений выводятся на экран прибора в течение нескольких секунд (см. рис. 1). Измерение каждого из образцов производилось в пяти точках с целью устранения неравномерности распределения концентраций исследуемых металлов в литиевых сплавах. Крайняя граница определения концентрации прибором составляет 200 ppm. Характерный эмиссионный спектр сплава магния с литием представлен на рис. 2.

Рис.1 Результат измерения магния      Рис.2 Эмиссионный спектр сплава Mg-Li

Перед началом измерений было сравнено два дополнительных спектра: спектр азотной пленки, образовавшейся на поверхности образца и спектр чистой поверхности без азотной пленки. Никаких заметных отличий в спектрах не наблюдалось. Предположительно, это возникает вследствие высокой энергии импульса лазера, который с легкостью прожигает пленку и проникает сквозь нее. Таким образом, анализ образцов проводился без предварительного удаления азотной пленки с поверхности слитков.

Результаты измерений концентрации алюминия в Li-Al сплаве представлены в таблице ниже:

Для задания опорных калибровочных значений образцы сначала были измерены в лаборатории методом ICP-MS (масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой). Результаты измерений по пяти точкам с помощью NanoLIBS-Q оказались очень близки к результатам, полученным с помощью ICP – точность определения концентрации составила ± 7%. Воспроизводимость данного метода измерений по пяти точкам является очень хорошей – погрешность составила не более 9% в целом.

Результаты измерений концентрации магния в Li-Mg сплаве представлены в таблице ниже:

Так же, как и в случае с Li-Al сплавами, образцы с магнием были предварительно измерены в лаборатории методом ICP-MS. Результаты измерений по пяти точкам с помощью NanoLIBS-Q оказались очень близки к результатам, полученным с помощью ICP – точность определения концентрации составила ± 6%. Воспроизводимость данного метода измерений по пяти точкам является очень хорошей – погрешность составила не более 7% в целом.

Заключение

Эксперимент показал, что лазерный элементный анализатор NanoLIBS-Q от компании B&WTek обеспечивает превосходную производительность при определении концентрации различных веществ. Результаты измерений демонстрируют возможность проведения точного количественного анализа по определению алюминия и магния в сплавах лития прямо на линиях производства – без необходимости передачи контрольных образцов на анализ в лабораторию.

Подробные характеристики портативного анализатора элементного состава NanoLIBS-Q

ЛИТЕРАТУРА

1. Radziemski, Leon J.; Cremers, David A. (2006). Handbook of laser-induced breakdown spectroscopy. New York: John Wiley. ISBN 0-470-09299-8.
2. Schechter, Israel; Miziolek, Andrzej W.; Vincenzo Palleschi (2006). Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS): fundamentals and applications. Cambridge, UK: Cambridge University Press. ISBN 0-521-85274-9.
3. J. P. Singh and S. N. Thakur (2007), Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, 1st ed. Elsevier.