Úvod
Oxidační procesy mají v materiálové vědě zásadní význam, protože ovlivňují dlouhodobou stabilitu, reaktivitu a výkonnost kovů, slitin a keramiky. Působení kyslíku může vést k tvorbě oxidových vrstev, fázovým přeměnám, nebo dokonce k degradaci strukturní integrity. Kinetika a mechanismy OxidaceOxidace může v rámci termické analýzy popisovat různé procesy.oxidace silně závisí na teplotě, parciálním tlaku kyslíku a mikrostrukturních charakteristikách, jako je velikost zrn a pórovitost.
Simultánní termická analýza (STA), zejména termogravimetrie (TGA), poskytuje flexibilní a spolehlivý prostředek ke studiu těchto procesů. Klíčovou výhodou je dostupnost různých geometrií kelímků TGA, které lze zvolit s ohledem na specifické požadavky na vzorek, ať už jde o prášek, sypký nebo nepravidelný materiál. Konstrukce s horním plněním umožňuje snadné umístění vzorku na mikrováhy a umožňuje vysoce citlivou detekci změny hmotnosti za přesně definovaných podmínek. Směr proudění plynu ve STA, zdola nahoru, zajišťuje homogenní atmosféru kolem vzorku (viz obrázek 1).
Pečlivý výběr experimentálních parametrů, včetně složení atmosféry, průtoku plynu, rychlosti ohřevu a geometrie vzorku, je i nadále rozhodující pro získání smysluplných a reprodukovatelných výsledků. Tyto podmínky přímo ovlivňují pozorovanou kinetiku OxidaceOxidace může v rámci termické analýzy popisovat různé procesy.oxidace a stabilitu vytvořených oxidových fází.
Podmínky měření
V tabulce 1 jsou podrobně popsány podmínky měření.
Tabulka 1: Podmínky měření
| Přístroj | STA Jupiter® series |
|---|---|
| Pec | Rh pec |
| Nosič vzorku | TGA kolík, typ S |
| Kelímky | Kelímek Al2O3 s propíchnutým víkem, Al2O3 otevřený kelímek, deska z Al2O3 (viz obrázek 1) |
| Hmotnost vzorku | 10 mg (Cu prášek nebo destička) |
| Průtok plynu | 70 ml/min |
Teplota program | RT-800 °C, atmosféra Ar, 10 min izoterma v atmosféře Ar, 10 min izoterma v Ar + 14%O2, 10 min izoterma v Ar |
Výsledky a diskuse
V této studii bylo studováno oxidační chování čisté mědi v STA s použitím různých geometrií kelímků (viz obrázek 1). Pro všechna měření bylo použito stejné množství vzorku, přibližně 10 mg. Pro úplnou oxidaci, která probíhá podle rovnice
2 Cu + O2 → 2 CuO
Po zahřátí vzorků v inertní atmosféře na 800 °C a jejich udržování v izotermě po dobu 10 minut byla atmosféra přepnuta na atmosféru obsahující 14 % kyslíku. Tato změna atmosféry způsobila okamžitý nárůst hmotnosti; viz obrázek 2. Nejprve byla zahájena reakce prvního řádu mezi O2 a Cu, kterou lze identifikovat podle poměrně strmého sklonu nárůstu hmotnosti. Po několika minutách se rychlost reakce snížila a reakce se změnila v difuzně řízenou reakci druhého řádu.
Po 10 minutách působení v oxidačních podmínkách byla atmosféra přepnuta zpět na argon. Oxidační reakce se okamžitě zastavila a začala tepelná redukce, která způsobila okamžitý pokles hmotnosti. V krátkém časovém intervalu nebyla OxidaceOxidace může v rámci termické analýzy popisovat různé procesy.oxidace ani redukce dokončena. Byl však patrný jasný vliv použité geometrie. Méně OxidaceOxidace může v rámci termické analýzy popisovat různé procesy.oxidace bylo pozorováno u uspořádání se vzorkem v kelímku s propíchnutým víkem (zelená křivka), protože přístup kyslíku ke vzorku byl nejvíce ztížen. Zřetelný nárůst oxidačního chování byl pozorován již při nepoužití víka (červená křivka). Nejlepších výsledků bylo dosaženo, když byl prášek vzorku umístěn přímo jako tenká vrstva na desku Al2O3 (modrá křivka). Během 10 minut v oxidačních podmínkách byl zjištěn nárůst hmotnosti o více než 20 %.
Jako čtvrtý experiment byl na desku položen také vzorek měděného plechu a vystaven stejným podmínkám (fialová křivka). V tomto případě byl zjištěn nárůst hmotnosti pouze o 1,2 %, což bylo způsobeno menším aktivním povrchem a vytvořením pasivační vrstvy. Zde je proces od počátku řízen difuzí. Více podrobností je vidět na zvětšeném pohledu na obrázku 3.
Obrázek 4 znázorňuje oxidaci měděného prášku na geometrii desky s prodlouženou reakční dobou. Po 10 h dosáhl nárůst hmotnosti téměř stechiometrické hodnoty a OxidaceOxidace může v rámci termické analýzy popisovat různé procesy.oxidace byla dokončena. Následná tepelná redukce způsobila hmotnostní úbytek 12,3 %.
Souhrn
Volba materiálu vzorku, jeho geometrie a parametry měření mají významný vliv na pozorované oxidační chování. Vysoká flexibilita nosičů vzorků, geometrie kelímků a podmínek měření řady STA Jupiter® umožňuje přizpůsobení různým scénářům měření a zajišťuje získání spolehlivých a reprodukovatelných poznatků o oxidačních mechanismech.