本研究由俄罗斯国立科学技术大学（MISIS）的I. V. Glinskaya、A. E. Tselkin，以及Anserteco公司的T. Yu. Alekseeva和技术陶瓷厂（Zavod Tekhnicheskoi Keramiki）的R. Yu. Kuftyrev共同完成。该论文最初以俄文发表于《Zavodskaya Laboratoriya, Diagnostika Materialov》2018年第84卷第4期，随后英文版发表于Pleiades Publishing, Ltd.出版的《Inorganic Materials》2019年第55卷第14期，页码为1359至1364页。
钇稳定氧化锆（Yttria-Stabilized Zirconia，YSZ）是一种重要的结构材料，广泛应用于金属成形工具的制造以及燃气涡轮发动机零部件等离子喷涂中的热防护涂层。根据应用领域的不同，氧化钇在稳定氧化锆中的含量需控制在4%至17%之间。此外，氧化铪的含量（0.1%至6.0%）以及杂质元素铝、铁、钙、镁和钛的含量（0.01%至0.3%）均受到严格限制。
现有的氧化锆基材料分析方法主要基于络合滴定法（Complexometric）、光度法（Photometric）和原子吸收法（Atomic Absorption），但这些方法均为单一元素测定，不仅耗时，而且灵敏度不足以满足铝、钙、镁和钛含量在0.01%至0.02%水平的检测需求。虽然原子发射光谱法已在部分分析中得到应用，但仅能测定单一组分如氧化铪，未能发挥多元素同时分析的优势。因此，开发一种能够同时测定钇稳定氧化锆中多种元素的方法具有重要的实际意义。本研究旨在开发一种利用电感耦合等离子体原子发射光谱法（Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry, ICP-AES）同时测定钇稳定氧化锆中铝、铪、铁、钇、钙、镁和钛的方法。
本研究的工作流程主要分为三个关键阶段：样品分解方法的研究、分析谱线的选择与基体效应研究，以及方法验证与实际样品分析。
该阶段是整个研究的核心难点。研究对象包括两种不同形态的钇稳定氧化锆样品：未灼烧的1号样品和经过稳定化灼烧的2号样品。研究发现，两种样品在化学稳定性上存在显著差异。
最初，研究人员采用传统的酸溶解法，将0.1克样品置于玻璃碳坩埚中，用2-3毫升浓硫酸加热处理。结果显示，1号样品（未灼烧）在加热1.5至2小时后完全溶解于硫酸，而2号样品（已灼烧）即使加热7至8小时也几乎不溶解，即使添加氢氟酸或氟化氢钾也无济于事。这是因为氧化锆在1000-1200°C温度范围内会发生从单斜晶系向立方晶系的转变，后者的化学稳定性更高。因此，后续实验均聚焦于难以分解的2号样品。
研究人员随后尝试了熔融分解法。使用焦硫酸钾在石英坩埚中于900°C熔融，或使用氟化氢钾在玻璃碳坩埚中于650°C或铂坩埚中于800°C熔融。将0.1克样品与2克熔剂混合后加热并保持5分钟。冷却后，分别用盐酸或硫酸浸出熔块，并定容至50毫升。实验结果表明，两种熔剂均能实现样品的完全溶解。然而，这一方法存在致命缺陷：控制实验校正值极高，铝、铁、钙、镁和钛等杂质元素的空白值达到十分之一到百分之一的数量级，使得这些微量元素的最低检出限根本无法达到技术要求。因此，熔融法仅适用于测定钇和铪，而不适用于微量杂质元素的分析。
为解决这一难题，研究人员转向了微波消解法（Microwave Decomposition）。研究使用了CEM公司的MARS 6实验室微波系统，配备密封的EasyPrep Plus氟塑料消解罐。在开发该方法时，研究人员系统性变化了酸混合物的定性和定量组成、反应温度以及达到和维持所需温度的时间。
关键的技术突破在于使用3毫升氢氟酸与硫酸的混合酸（体积比2:1），并采用程序升温的微波加热方案：第一阶段在150°C下加热15分钟并保持20分钟，第二阶段在220°C下加热15分钟并保持40分钟。在此条件下，样品得以分解，但形成了铝、钇、钙和镁的难溶性氟化物沉淀。
为处理这些沉淀，消解完成后将溶液及沉淀转移至玻璃碳坩埚中，加热至硫酸烟冒尽以完全去除氢氟酸，避免后续的ICP-AES分析中出现氟离子干扰。冷却后加入2毫升浓盐酸并加热，将难溶氟化物转化为可溶性氯化物。最终将溶液转移定容至50毫升，并用盐酸稀释10倍，用于铪和钇的测定。同时进行控制实验以扣除试剂空白。这一创新性的分解策略不仅实现了样品的完全溶解，更重要的是将控制实验校正值显著降低至千分之一水平，从而满足了微量元素测定的灵敏度要求。
为满足氧化锆材料对杂质元素低含量的测定要求，样品溶液不能过度稀释，这意味着待测溶液中含有高浓度的基体元素。研究人员制备了含有1.3毫克/毫升锆和0.2毫克/毫升钇的模型溶液，并向其中添加0.2至20微克/毫升的杂质元素，以此模拟实际样品溶液环境，研究基体效应和光谱干扰。
通过对各种分析谱线的相对强度、可能的光谱重叠以及基体影响进行系统评估，最终选定了以下分析谱线：铝的离子线167.079纳米和原子线308.215纳米、钙的离子线184.006纳米和393.366纳米、铁的离子线238.204纳米、镁的离子线279.553纳米、钛的离子线334.941纳米、钇的离子线371.030纳米以及铪的离子线232.247纳米。
实验发现，在高浓度基体元素存在下，铁、镁和钛的分析谱线强度被显著抑制8%至15%。因此，为铝、铁、钙、镁和钛制备的校准溶液均匹配了1.3毫克/毫升锆和0.2毫克/毫升钇的基体。然而，对于钇和铪，由于其测定时溶液被进一步稀释（锆浓度为0.13毫克/毫升），谱线Y II 371.030 nm和Hf II 232.247 nm不存在光谱重叠和基体效应，因此可直接使用纯元素标准溶液进行校准。
基于以上开发的方法，研究人员对所开发方法的性能指标进行了全面评估。所建立的方法能够同时测定钇稳定氧化锆中的多种元素，各元素的测定范围分别为：铝、铁、镁和钛0.01%至1.0%，钙0.02%至1.0%，铪0.1%至5.0%，钇2.0%至15%。测定下限依据6倍控制实验标准偏差计算得出。
研究人员对两种实际样品进行了分析，结果如表2所示。1号样品中钇含量为7.14%，铪含量为1.54%；2号样品中钇含量为7.45%，铪含量为1.46%。两种样品中铝、钙、铁、镁、钛等杂质元素含量均极低。
为验证方法的正确性，研究采用了标准加入法进行测试。结果表明，在不同添加水平下，所有待测元素的回收结果均与加入量高度吻合。通过t检验对系统误差进行评估，确认所有测定元素的系统误差在随机变异的背景下均不显著，证明了分析方法的准确性。方法的精密度方面，铝、铁、镁、钛和钙等微量元素的相对标准偏差为6%至30%，铪为2%至8%，钇为2%至4%。
本研究成功解决了化学稳定性极高的灼烧态钇稳定氧化锆的分解难题，所提出的微波辅助氢氟酸-硫酸混合酸消解法不仅确保了样品的完全溶解，还实现了极低的试剂空白值，这是传统熔融法所无法比拟的。结合ICP-AES多元素同时分析的优势，该方法将分析时间和试剂消耗显著降低。这一方法的开发对于生产过程中钇稳定氧化锆的质量控制具有重要的实际应用价值，能够有效监控产品中主成分钇和铪以及关键杂质元素的含量，确保材料性能满足航空航天等高技术领域的严格要求。
本研究最大的亮点在于创造性地解决了稳定化灼烧后氧化锆的定量分解难题。通过对比研究，揭示了传统酸溶法和熔融法的局限性，并系统性地开发了一套微波消解程序。该程序利用氢氟酸与硫酸的特定配比和分步升温策略，成功破坏了立方相氧化锆的稳定结构，随后通过化学处理将难溶氟化物转化为可溶氯化物，最终实现了全元素分析。这一样品前处理策略是本研究方法成功的关键。其次，研究系统考察了高浓度锆基体对多种待测元素分析信号的影响，并采取了基体匹配的校准策略，保证了低含量杂质元素测定结果的可靠性。最终建立的方法兼具多元素同时测定能力、宽广的线性范围和良好的准确度与精密度，是对现有氧化锆材料分析技术的重要补充和提升。