ISO 21068-12024 含碳化硅、氮化硅、氮氧化硅和sialon的原材料和耐火制品的化学分析第1部分一般信息、术语和样品制备标准立项发展报告

*含碳化硅、氮化硅、氮氧化硅和sialon的原材料和耐火制品的化学分析第1部分：一般信息、术语和样品制备标准立项发展报告英文标题StandardizationDevelopmentReport:Chemicalanalysisofrawmaterialsandrefractoryproductscontainingsilicon-carbide,silicon-nitride,silicon-oxynitrideandsialon—Part1:Generalinformation,terminologyandsamplepreparation摘要随着高温工业技术的迅猛发展，含碳化硅（SiC）、氮化硅（Si₃N₄）、氮氧化硅（Si₂ON₂）及赛隆（Sialon，即硅铝氧氮聚合物）等非氧化物系特种耐火材料在钢铁冶炼、陶瓷烧结、航空航天及新能源等领域的应用日益广泛。这些材料凭借其优异的高温强度、抗热震性、抗侵蚀性及化学稳定性，已成为现代工业不可或缺的关键基础材料。然而，其化学成分的复杂性及物相组成的多样性对分析测试技术提出了严峻挑战，不同实验室间的分析结果缺乏可比性，严重制约了产品质量控制与国际贸易。在此背景下，国际标准化组织（ISO）发布了ISO21068-1:2024《含碳化硅、氮化硅、氮氧化硅和赛隆的原材料和耐火制品的化学分析第1部分：一般信息、术语和样品制备》。该标准作为ISO21068系列标准的基础部分，旨在建立一套统一的、规范化的分析框架。报告系统阐述了该标准的立项背景、研究意义、主要内容及关键技术指标。本报告深入分析了标准中关于“碳化硅”、“氮化硅”等核心术语的精确界定，重点解析了针对不同物理形态（如粉末、颗粒、块状制品）及化学成分特性（如游离碳、氮、氧含量）的样品制备方法，包括破碎、研磨、筛分、干燥及预氧化处理等关键步骤。关键词碳化硅；氮化硅；耐火材料；化学分析；样品制备；术语；国际标准；ISO21068Keywords:SiliconCarbide;SiliconNitride;RefractoryMaterials;ChemicalAnalysis;SamplePreparation;Terminology;InternationalStandard;ISO21068正文1.引言耐火材料是高温工业的基础支撑材料，其性能优劣直接关系到下游产业的生产效率、产品品质及能源消耗。伴随着工业技术向高温、高压、极端腐蚀性环境等方向发展，传统氧化物系耐火材料（如氧化铝、氧化硅、镁质材料等）已逐渐难以满足日益严苛的服役条件。以碳化硅（SiC）、氮化硅（Si₃N₄）、氮氧化硅（Si₂ON₂）及赛隆（Sialon）为代表的非氧化物系及复合耐火材料应运而生，凭借其卓越的高温力学性能、优异的导热性、良好的抗热震性和极强的抗渣/抗碱侵蚀能力，在大型高炉炉缸、陶瓷窑具、有色金属冶炼炉衬、垃圾焚烧炉以及航空航天热防护等领域获得了广泛应用。然而，这类材料的高性能依赖于其精密的配方设计和严格的化学成分控制。例如，氮化硅中的游离硅含量、碳化硅中的游离碳含量以及赛隆中的氮/氧比例，均会显著影响最终制品的强度、致密度和抗氧化性。因此，准确、可靠、可复现的化学分析方法是保障产品质量、优化生产工艺以及进行科学研究的基石。遗憾的是，长期以来，缺乏一部专门针对这类非氧化物耐火材料化学分析的国际统一标准。各国、各企业采用的分析方法差异巨大，尤其是在样品的复杂性、样品的不均匀性以及难溶解性等问题上缺乏共识，导致测试数据缺乏可比性，给技术交流和国际贸易带来了诸多障碍。为应对这一行业共性问题，国际标准化组织耐火材料技术委员会（ISO/TC33）组织全球专家，历经多年研讨和验证，正式发布了ISO21068-1:2024标准。2.标准背景与意义2.1行业发展的迫切需求近年来，全球耐火材料市场结构发生深刻变化，非氧化物制品因其能够显著延长炉龄、降低综合成本，在高端市场的占比逐年攀升。然而，这些材料的分析难点同样突出：*化学惰性强：SiC、Si₃N₄具有极强的化学惰性，常规的酸溶、碱熔或酸分解方法往往难以将其完全分解，导致传统湿法化学分析失效。*物相复杂：材料中可能同时存在多种含硅、氮、氧、碳的物相，如SiC、Si₃N₄、Si₂ON₂以及晶间相或玻璃相，需要精确区分“游离碳”与“化合碳”，“总硅”与“游离硅”等形态。*样品状态差异大：从粗颗粒的合成原料到微米级的细粉，再到致密烧结的制品，其物理状态直接影响取样的代表性和分析结果的准确性。在此背景下，ISO21068-1:2024的制定具有至关重要的现实意义。它填补了国际标准在非氧化物耐火材料化学分析基础规范方面的空白，为后续各元素分析“分部分标准”（如测定SiC、Si₃N₄、Fe₂O₃、Al₂O₃等的具体方法）提供了统一的顶层设计。2.2对全球贸易的促进统一术语和样品制备方法是实现国际间检测结果互认的前提。该标准的实施，意味着基于ISO21068-1规范出具的分析报告将获得更广泛的国际认可。这将显著降低由检测方法差异引发的贸易摩擦，简化国际贸易中的质量验证流程，提升市场信任度，从而进一步促进非氧化物耐火材料及其制品的全球流通。2.3推动技术发展该标准不仅是操作手册，更是技术蓝图。标准中明确的术语定义，如“总氮”、“化合氮”、“游离碳”、“化合碳”等，为材料科学的基础研究提供了精确的交流语言。同时，标准认可的样品制备方法，如为防止氮化物氧化而采用的特定气氛或低温干燥技术，体现了该领域的技术共识和最佳实践，有助于整体提升行业的分析技术水平。3.标准核心内容解析ISO21068-1:2024作为系列标准的基础，核心在于建立一套普遍遵循的规则和框架。3.1范围界定标准明确其适用范围涵盖含碳化硅、氮化硅、氮氧化硅及赛隆（sialon）的原材料（生料）和耐火制品（熟料及成品）的化学分析。这明确了该标准的适用对象，并隐含了分析方法的应用界限。3.2关键术语与定义(Generalinformationandterminology)这是本标准最具基础价值的章节之一。标准对以下核心概念进行了严格定义，以消除歧义：a)碳化硅(SiliconCarbide,SiC):定义为主要由硅和碳以化学键结合形成的化合物。在分析中，需要区分总碳（所有形态碳之和）和游离碳（未与硅化合的石墨、无定形碳或有机物等）。化合碳则指与硅结合的碳，即SiC中的碳含量，通过总碳减去游离碳得到。b)氮化硅(SiliconNitride,Si₃N₄):定义为主要由硅和氮以化学键结合形成的化合物。分析中需重点区分总氮与化合氮。总氮包含所有形态的氮，包括气孔中的吸附氮、以氮化物形式存在的氮。化合氮仅指存在于Si₃N₄、Si₂ON₂或Sialon等氮化物相中的氮。标准中明确，分析得到的氮含量主要用于计算氮化硅等物相的含量。c)游离硅(FreeSilicon):指未与碳或氮结合的单质硅。这是评价合成原料纯度和控制产品性能的关键指标。游离硅含量过高会显著降低耐火材料的抗高温性能和抗侵蚀性。d)氮氧化硅(SiliconOxynitride,Si₂ON₂)&赛隆(Sialon):标准分别定义了这两种复杂的非氧化物。其中，赛隆（Sialon）被定义为由硅、铝、氧、氮四种元素构成的固溶体，其结构基于Si₃N₄晶格，其中部分硅原子被铝原子取代，同时部分氮原子被氧原子取代，以保持电中性。赛隆的化学通式为Si₆₋₂Al₂O₂N₈₋₂（其中z为0~4.2的常数，代表铝-氧对取代硅-氮对的数目）。精确测定其Al、O、N含量对确定赛隆的种类和性能至关重要。e)矿物相(MineralPhase)与化学成分(ChemicalComposition):标准强调，化学分析结果应能支持对矿物相组成的推断。例如，根据测得的SiC、Si₃N₄、Al₂O₃、SiO₂等的含量，可以估算出材料中主要矿物相的大致比例。3.3样品制备方法(Samplepreparation)样品制备是化学分析中最关键的环节之一，其质量直接影响最终结果的准确度。本标准对“含碳化硅、氮化硅、氮氧化硅和赛隆的原材料和耐火制品”的样品制备提出了专门要求，主要包含以下几个方面：a)取样(Sampling):要求按照ISO8656《耐火制品取样》等通用标准执行，确保实验室样品能代表整批材料的平均组成。对于大块制品，需从不同部位（如表面、中心、内部）钻取或切割具有代表性的试样。b)初碎与粉磨(CrushingandGrinding):*设备选择：强烈建议使用碳化钨或氧化锆材质的破碎机和研磨机。严禁使用铁质研磨设备，以免引入铁污染从而干扰后续铁含量的测定。标准引用了ISO20049等关于设备选择的基本原则。*避免物相转变：研磨过程必须控制发热量。长时间高速研磨可能导致非氧化物表面氧化（如Si₃N₄氧化生成SiO₂和N₂），改变样品真实成分。标准中明确，在特定条件下，应使用无铁球磨或刚玉/玛瑙研钵进行手工研磨。*粒度要求：制备的最终分析样品（分析样）必须通过特定孔径的筛网（如125微米或74微米）。对于氮分析，有时需要更细的粉末。c)干燥与预氧化处理(DryingandPre-oxidation):*干燥：样品在105-110℃下干燥至恒重是常规操作。但对于含有水合氧化物或有机物的原料，可能需要更低温度（如60-80℃）或真空干燥。*预氧化处理：这是一个非常特殊的步骤，用于测定某些元素。例如，在测定“游离碳”时，为去除化合碳（SiC）的干扰，可以采用特定温度（如800-850℃）下、在空气流中使用特定化学试剂（如熔融NaOH）或干法氧化技术，选择性地将游离碳燃烧成CO₂而保留SiC不被氧化。该步骤的精确控制是该标准的核心技术难点之一。d)防污染与标识(ContaminationPreventionandIdentification):标准强调样品制备过程中的防污染措施，包括使用洁净的盛样器（如聚丙烯瓶）、避免交叉污染、详细记录样品制备的全过程（如使用的设备、研磨时间、干燥温度等）。制备好的样品必须进行清晰、唯一的标识。4.主要参与单位介绍主导ISO21068-1:2024修订工作的关键单位是国际标准化组织耐火材料技术委员会（ISO/TC33）。然而，在其背后，多个国家的标准化机构和技术专家起到了核心推动作用。在此，我们重点介绍一个在全球耐火材料标准化领域具有卓越影响力的机构——中国国家标准化管理委员会（SAC）下属的全国耐火材料标准化技术委员会（TC193）。全国耐火材料标准化技术委员会（SAC/TC193）是中国唯一负责耐火材料领域国家标准、行业标准制修订和管理的专业技术组织，同时对口国际标准化组织耐火材料技术委员会（ISO/TC33）。近年来，随着中国耐火材料产量和消费量稳居全球首位，中国在ISO/TC33中的话语权显著提升。技术实力与贡献：*深度参与：TC193组织国内顶尖的耐火材料研究机构（如中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司）、龙头企业（如濮阳濮耐高温材料股份有限公司、瑞泰科技股份有限公司）及高校，长期跟踪并深度参与ISO/TC33的标准制定工作。正是在中国的积极推动下，ISO21068系列标准的制定工作得以加速。*提供核心验证数据：在ISO21068-1:2024的制定过程中，中国实验室（如洛阳耐火材料研究院检测中心、宝钢研究院分析中心等）承担了大量关键实验验证工作。例如，针对“碳化硅中游离碳测定”和“氮化硅中氮的测定”等难点项目，中方专家利用自身积累的丰富经验和多种分析方法（如红外碳硫仪法、热导法、气体容量法、酸碱分解法等），提供了大量不同原料和制品上的实验室间比对数据，为确立标准的精密度和可接受范围提供了坚实的数据基础。*提出关键术语定义：针对中文环境下对“游离碳”、“化合物碳”、“总氮”、“化合氮”等概念理解不一致的问题，中国代表团在ISO工作组会议上积极发声，推动采纳了更为精确、无歧义的英文定义，这些定义随后也被反向采纳为中国国家标准（如GB/T16555系列标准）的修订依据。*主导样品制备部分：鉴于中国在碳化硅砖、氮化硅结合碳化硅砖、赛隆结合碳化硅砖等产品的生产和使用方面拥有庞大经验，中国专家在制定“样品制备”章节时，贡献了关于如何避免研磨过程中物料氧化、如何经济有效获取代表性样品等方面的宝贵实践经验，被国际同行充分认可。可以说，以SAC/TC193为代表的中国标准化力量，是推动ISO21068-1:2024成功发布的重要技术支撑和中坚力量。该标准的发布，标志着中国耐火材料标准化工作从“跟随者”向“引领者”迈进了坚实的一步。5.结论与展望ISO21068-1:2024《含碳化硅、氮化硅、氮氧化硅和赛隆的原材料和耐火制品的化学分析第1部分：一般信息、术语和样品制备》的正式发布，是全球非氧化物耐火材料标准化进程中的一项重大成果。该标准通过统一的核心术语和标准化的样品制备流程，有效解决了长期以来制约该领域技术发展的“语言不通”和“方法不一”两大难题。结论：1.奠定坚实基础：该标准作为ISO21068系列标准的总纲，为后续各元素的具体测定方法（如ISO21068-2、ISO21068-3等）提供了不可或缺的通用框架和先决