مقدمة
تُعد عمليات الأكسدة ذات أهمية مركزية في علم المواد، حيث إنها تؤثر على استقرار المعادن والسبائك والسيراميك وتفاعلها وأدائها على المدى الطويل. يمكن أن يؤدي التعرض للأكسجين إلى تكوين طبقات الأكسيد أو تحولات الطور أو حتى تدهور السلامة الهيكلية. وتعتمد حركية وآليات الأكسدة بشكل كبير على درجة الحرارة والضغط الجزئي للأكسجين وخصائص البنية المجهرية مثل حجم الحبيبات والمسامية.
ويوفر التحليل الحراري المتزامن (STA)، ولا سيما قياس الثقل الحراري (TGA)، وسيلة مرنة وموثوقة لدراسة مثل هذه العمليات. وتتمثل الميزة الرئيسية في توافر أشكال هندسية مختلفة لبوتقة TGA، والتي يمكن اختيارها مع وضع المتطلبات المحددة للعينة في الاعتبار، سواء كانت مسحوقًا أو مادة سائبة أو غير منتظمة. يتيح التصميم ذو التحميل العلوي سهولة وضع العينة على البوتقة ويسمح باكتشاف التغير الكتلي الحساس للغاية في ظل ظروف محددة جيدًا. ويضمن اتجاه تدفق الغاز في STA، من الأسفل إلى الأعلى، وجود جو متجانس حول العينة (انظر الشكل 1).
يظل الاختيار الدقيق للبارامترات التجريبية، بما في ذلك التركيب الجوي، ومعدل تدفق الغاز، ومعدل التسخين، وهندسة العينة، أمرًا بالغ الأهمية للحصول على نتائج ذات مغزى وقابلة للتكرار. تؤثر هذه الظروف تأثيرًا مباشرًا على حركية الأكسدة الملاحظة واستقرار مراحل الأكسيد المتكونة.
شروط القياس
يوضح الجدول 1 تفاصيل شروط القياس.
الجدول 1: شروط القياس
| الأداة | سلسلة STA Jupiter® |
|---|---|
| الفرن | فرن Rh |
| حامل العينة | دبوس TGA، النوع S |
| البوتقات | بوتقة Al2O3 بغطاء مثقوب، Al2O3 بوتقة مفتوحة، صفيحة Al2O3 (انظر الشكل 1) |
| كتلة العينة | 10 مجم (مسحوق أو صفيحة نحاس) |
| تدفق الغاز | 70 مل/دقيقة |
درجة الحرارة البرنامج | RT-800 درجة مئوية، جو Ar 10 دقائق متساوي الحرارة في الغلاف الجوي Ar, 10 دقائق متساوي الحرارة في الغلاف الجوي Ar + 14%O2, 10 دقائق متساوي الحرارة في الغلاف الجوي Ar |
النتائج والمناقشة
في هذه الدراسة، دُرس سلوك أكسدة النحاس النقي في STA باستخدام أشكال هندسية مختلفة للبوتقة (انظر الشكل 1). بالنسبة لجميع القياسات، استُخدمت نفس كمية العينة البالغة حوالي 10 مجم. بالنسبة للأكسدة الكاملة التي تتبع المعادلة
2 Cu + O2 → 2 CuO
بعد تسخين العينات في جو خامل إلى 800 درجة مئوية وإبقائها متساوية الحرارة لمدة 10 دقائق، تم تبديل الغلاف الجوي إلى جو يحتوي على 14% من الأكسجين. تسبب هذا التغيير الجوي في زيادة فورية في الكتلة؛ انظر الشكل 2. في البداية، بدأ تفاعل الغاز الصلب من الدرجة الأولى بين O2 والنحاس، والذي يمكن تحديده من خلال الانحدار الحاد إلى حد ما في زيادة الكتلة. بعد بضع دقائق، انخفضت سرعة التفاعل، وتحول التفاعل إلى تفاعل من الدرجة الثانية محكوم بالانتشار.
بعد 10 دقائق من المعالجة في ظروف مؤكسدة، تم تبديل الغلاف الجوي مرة أخرى إلى جو الأرجون. توقف التفاعل المؤكسد على الفور، وبدأ الاختزال الحراري، مما تسبب في انخفاض فوري في الكتلة. في الفترة الزمنية القصيرة، لم تكتمل الأكسدة ولا الاختزال. ومع ذلك، كان التأثير الواضح للهندسة المستخدمة واضحًا. لوحظت أكسدة أقل في الإعداد مع وجود العينة في البوتقة ذات الغطاء المثقوب (المنحنى الأخضر)، حيث تم إعاقة وصول الأكسجين إلى العينة أكثر من غيرها. لوحظ بالفعل زيادة واضحة في سلوك الأكسدة عند عدم استخدام غطاء (المنحنى الأحمر). تم الحصول على أفضل النتائج عندما تم وضع مسحوق العينة مباشرةً كطبقة رقيقة على صفيحة Al2O3 (المنحنى الأزرق). في غضون 10 دقائق تحت ظروف الأكسدة، تم اكتشاف زيادة في الكتلة بنسبة تزيد عن 20%.
كتجربة رابعة، وُضعت أيضًا عينة من الصفائح المعدنية النحاسية على الصفيحة وعُرِّضت لنفس الظروف (المنحنى الأرجواني). في هذه الحالة، تم العثور على زيادة في الكتلة بنسبة 1.2% فقط، وذلك بسبب صغر السطح النشط وتكوين طبقة تخميل. هنا، يتم التحكم في العملية منذ البداية بالانتشار. يمكن رؤية المزيد من التفاصيل في العرض المكبّر في الشكل 3.
يصور الشكل 4 أكسدة مسحوق النحاس على هندسة الصفيحة مع أزمنة تفاعل ممتدة. بعد 10 ساعات، وصلت الزيادة في الكتلة إلى القيمة المتكافئة تقريبًا واكتملت الأكسدة. تسبب الاختزال الحراري اللاحق في فقدان الكتلة بنسبة 12.3%.
الملخص
إن اختيار مادة العينة وهندستها ومعلمات القياس لها تأثير كبير على سلوك الأكسدة المرصود. وتتيح المرونة العالية في حاملات العينات وهندسة البوتقة وظروف القياس لسلسلة STA Jupiter® التكيف مع سيناريوهات القياس المتنوعة، مما يضمن إمكانية الحصول على رؤى موثوقة وقابلة للتكرار حول آليات الأكسدة.