玻璃成分分析標準物質的研究及應用

邵鴻飛 黃 輝 鄧衛華 冀克儉

(中國兵器工業集團第五三研究所，濟南 250031)

近年來，由于電子、激光、宇宙航行、原子能等尖端科學的迅猛發展，對玻璃材料提出了更高的要求，因此國內外研制出了多種新型特種玻璃。通過向普通玻璃中添加一定量的稀有元素使其具有一系列獨特的電、光、磁性能，使這些新型玻璃逐漸成為器件的核心材料。我國自行研制的耐輻射新型特種玻璃已成功應用在我國近年來發射的神舟系列載人飛船上，為飛船的成功發射做出了貢獻。例如以鋰鋁硅玻璃為基本組成并摻雜稀土元素的耐輻照石英玻璃已經用作神舟系列飛船的儀表窗材料、衛星姿控系統中太陽敏感器用材料；硼鋁硅微晶玻璃已經用作飛船上硅太陽能電池表面的防護材料等。新型特種玻璃材料已日益成為材料科學研究的一個新領域，特種玻璃國內現已生產的產品有航空玻璃、安全玻璃、熔封玻璃、計量玻璃以及紅外玻璃、防紫外玻璃、電磁屏蔽玻璃等，共計200多個品種，除滿足我國航空、電子、汽車、現代建筑、公安部門發展的需要外，有些產品已經出口海外。我國自行設計制造的各種飛機、火車、汽車、船艦用風擋玻璃、電加溫玻璃、屏蔽玻璃等都是采用國內生產的特種玻璃。我國激光、微電子、航天、國防科技等領域所用的特種玻璃產品的質量有些已達世界先進水平[1-6]。

人們日常生活用的普通玻璃，如平板玻璃和水晶玻璃等，對微量和痕量成分測定的要求不高，但在新型特種玻璃的生產和研究中，為了提高玻璃的質量與性能，越來越關心玻璃材料中的微量及痕量成分，因為這些成分極大地影響著玻璃材料的使用價值。所以在科研生產中必須對這些成分進行準確可靠的測試，玻璃標準物質對于保證這些數據的準確性起著非常重要的作用。為了解決玻璃化學分析中遇到的各種問題，已經研發了一系列不同基體和元素含量的標準物質。

筆者對國內外玻璃標準物質的研究現狀作簡要介紹，并分析我國玻璃標準物質研究的不足之處及未來的發展方向。

1 玻璃標準物質簡介

1.1 國內玻璃標準物質

上世紀80年代以來，中國建筑材料科學研究院、國家建筑材料測試中心等一些單位先后研制了一批玻璃標準物質，使我國玻璃標準物質的數量達到了一定的規模?，F將我國一級玻璃標準物質的簡要情況列于表1和表2中[7]。

表1 國家一級玻璃標準物質概況

表2 國家一級玻璃標準物質元素質量分數 %

1.2 國外玻璃標準物質

近些年來，國外標準化研究機構相繼開展了玻璃標準物質的研究，如美國的NIST、德國的BAM、日本標準化委員會等。以下分別作簡要介紹，因國外標準物質數量較多，不能將每種標準物質的元素質量分數一一列出，在此僅列出部分玻璃標準物質的元素質量分數。

(1)美國NIST玻璃標準物質

國外在玻璃標準物質的研制方面起步比較早,發展也非常迅速。其中美國在這方面比較先進，美國國家標準技術研究院玻璃標準物質的簡單情況列于表3和表4[8,9-13]。

表3 NIST玻璃標準物質概況

表4 部分NIST玻璃標準物質元素質量分數[8,9,14]

(2)日本的玻璃標準物質

除美國以外，日本在玻璃標準物質的研究方面也走在了世界的前列，現將日本近年來的玻璃標準物質匯總于表5和表6中。

表5 日本玻璃標準物質概況[14-19]

表6 部分日本玻璃標準物質元素質量分數[15-20]

(3)歐盟國家玻璃標準物質

歐盟國家玻璃標準物質見表7。

表7 歐盟國家玻璃標準物質

1.3 國外研制玻璃標準物質的特點

(1)國外標準物質主要由國家計量研究院研制與發布，如美國的NIST、德國的BAM等，這一特點有利于標準物質量值的溯源與傳遞。

(2)有證標準物質的量值覆蓋范圍寬，能更好地滿足不同測量范圍的要求。

(3)相對于國內的玻璃標準物質，國外研制的標準物質具有更多元素含量特性量的有證值，這一特點更適合于實際工作中的分析測量。

2 玻璃標準物質的作用

(1)統一量值，保證分析結果的準確性

不同實驗室不同分析人員在玻璃成分分析中采用多種分析手段和分析方法測試，由于受多種客觀因素的影響，測試數據可能會有較大偏差。而標準物質具有在時間上保持特性量值的功能，故在日常分析中經常使用標準物質進行質量監控，使測試結果更加準確可靠。

(2)用于電子探針、X射線熒光光譜儀等分析儀器的校準

很多分析方法基于相對測量原理，例如等離子體發射光譜、電子探針、X射線熒光光譜等多用標準物質制作工作曲線。使用玻璃標準物質省去了煩瑣的標準溶液配制，消除了基體效應的影響，保證該類儀器測定玻璃成分的準確、可靠。

(3)用于新的測試檢驗方法的制訂，檢驗新方法的可靠性和準確性

隨著新型玻璃的不斷出現，需要研制新的分析方法或者對原分析方法進行改進來確定玻璃的化學組成。在新方法投入使用之前，需要先對其進行驗證并作出評價，而應用標準物質進行新分析方法的評定是一種重要的方法，方便、可靠且最有說服力。

3 我國玻璃標準物質存在的問題及建議

雖然近些年來我國玻璃標準物質的研制與應用取得了一些進展，但與國外相比仍有很大差距，主要有以下幾點：

(1)目前國內各個玻璃標準物質研究單位的研究規模較小，每年研制的標準物質數量相對較少，難以滿足目前的分析測量需求。

標準物質量值覆蓋范圍窄，我國現有的玻璃標準物質都是各個研究單位研制的某些特定組分含量的標準物質，沒有形成組分含量梯度分布的標準物質系列。

(2)標準物質種類有限，不利于滿足使用的標準物質應盡可能與被分析材料具有相似性這一基本要求。

(3)在玻璃標準物質應用方面，一些沒有經過認證，無標準物質證書的玻璃標準物質仍在使用。

(4)玻璃標準物質研究發展不平衡，用于檢測玻璃中痕量組分標準物質研究較少。

當前，工業競爭力日益受到各國重視，而計量測試能力的高低體現了競爭力的強弱，這一切必須有相應的標準物質作為技術保證，特別是我國加入WTO以后，為發展我國的經濟和科技，勢必大力提高檢測技術的研究水平，加快標準物質的研究步伐。我國玻璃工業經過改革開放以來的跨越式發展，目前已成為世界上規模最大的平板玻璃生產國，而加工玻璃也發展迅速，玻璃產業已成為國民經濟發展及提高人民生活水平不可或缺的重要材料工業。但玻璃標準物質研究的落后嚴重地阻礙了玻璃工業的進一步發展，需要從事這方面研究工作的科研人員進一步提高對研制玻璃標準物質重要性的認識。提高測試方法的準確度和精密度，提高標準物質的定值水平。在現有標準物質的基礎上，不但要研制常見組分和微量組分，更重要的是研制檢測玻璃中痕量成分的標準物質，解決研制標準物質過程中的具體問題，加強計劃性，逐步形成規范良好的玻璃標準物質體系。

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