Introduktion
Oxidationsprocesser er af central betydning inden for materialevidenskab, da de påvirker den langsigtede stabilitet, reaktivitet og ydeevne af metaller, legeringer og keramik. Udsættelse for ilt kan føre til dannelse af oxidlag, fasetransformationer eller endda NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning af den strukturelle integritet. Oxidationens kinetik og mekanismer afhænger i høj grad af temperatur, oxygenpartialtryk og mikrostrukturelle egenskaber som kornstørrelse og porøsitet.
Simultan termisk analyse (STA), især termogravimetri (TGA), giver et fleksibelt og pålideligt middel til at studere sådanne processer. En vigtig fordel er tilgængeligheden af forskellige TGA-digelgeometrier, som kan vælges med de specifikke krav til prøven i tankerne, uanset om det er pulver, bulk eller uregelmæssigt materiale. Toploading-designet gør det nemt at placere prøven på mikrovægten og giver mulighed for meget følsom detektion af masseændringer under veldefinerede forhold. Gasflowets retning i STA, fra bund til top, sikrer en homogen atmosfære omkring prøven (se figur 1).
Omhyggelig udvælgelse af eksperimentelle parametre, herunder atmosfærisk sammensætning, gasstrømningshastighed, opvarmningshastighed og prøvegeometri, er fortsat afgørende for at opnå meningsfulde og reproducerbare resultater. Disse forhold har direkte indflydelse på den observerede oxidationskinetik og stabiliteten af de dannede oxidfaser.
Målebetingelser
Tabel 1 beskriver målebetingelserne.
Tabel 1: Målebetingelser
| Instrument | STA Jupiter® serie |
|---|---|
| Ovn | Rh-ovn |
| Bærer af prøve | TGA-stift, type S |
| Digler | Al2O3 digel med gennembrudt låg, Al2O3 digel åben, Al2O3-plade (se figur 1) |
| Masse af prøve | 10 mg (Cu-pulver eller plade) |
| Gasstrøm | 70 ml/min |
Temperatur program | RT-800 °C, Ar-atmosfære, 10 min isoterm i Ar-atmosfære, 10 min isoterm i Ar + 14%O2, 10 min isoterm i Ar |
Resultater og diskussion
I denne undersøgelse blev oxidationsadfærden for rent kobber undersøgt i STA ved hjælp af forskellige digelgeometrier (se figur 1). Til alle målinger blev der brugt den samme prøvemængde på ca. 10 mg. For den komplette OxidationOxidation kan beskrive forskellige processer i forbindelse med termisk analyse.oxidation, som følger ligningen
2 Cu +O2 → 2 CuO
Efter at have opvarmet prøverne i en inert atmosfære til 800 °C og holdt dem isoterme i 10 minutter, blev atmosfæren skiftet til en 14 % oxygenholdig atmosfære. Denne atmosfæriske ændring forårsagede en øjeblikkelig masseforøgelse; se figur 2. Først startede en førsteordens faststof-gasreaktion mellemO2 og Cu, som kan identificeres ved en ret stejl hældning i massestigningen. Efter nogle minutter faldt reaktionshastigheden, og reaktionen blev til en diffusionskontrolleret andenordensreaktion.
Efter 10 minutters behandling under oxiderende forhold blev atmosfæren skiftet tilbage til en argonatmosfære. Den oxiderende reaktion stoppede øjeblikkeligt, og den termiske reduktion startede, hvilket forårsagede et øjeblikkeligt fald i massen. I det korte tidsinterval var hverken OxidationOxidation kan beskrive forskellige processer i forbindelse med termisk analyse.oxidation eller reduktion fuldstændig. Der var dog en klar indflydelse af den anvendte geometri. Der blev observeret mindre OxidationOxidation kan beskrive forskellige processer i forbindelse med termisk analyse.oxidation i opsætningen med prøven i diglen med gennembrudt låg (grøn kurve), da iltens adgang til prøven blev forhindret mest. En klar stigning i oxidationsadfærd blev allerede set, da der ikke blev brugt noget låg (rød kurve). De bedste resultater blev opnået, da prøvepulveret blev placeret direkte som et tyndt lag på Al2O3-pladen (blå kurve). Inden for 10 minutter under oxiderende forhold blev der registreret en masseforøgelse på mere end 20 %.
Som et fjerde eksperiment blev en kobberpladeprøve også lagt på pladen og udsat for de samme forhold (lilla kurve). I dette tilfælde blev der kun fundet en masseforøgelse på 1,2 % på grund af den mindre aktive overflade og dannelsen af et passiveringslag. Her er processen diffusionskontrolleret fra begyndelsen. Flere detaljer kan ses i den zoomede visning i figur 3.
Figur 4 viser oxideringen af kobberpulveret på pladegeometrien med forlængede reaktionstider. Efter 10 timer nåede masseforøgelsen næsten den støkiometriske værdi, og oxidationen var fuldført. Den efterfølgende termiske reduktion forårsagede et massetab på 12,3 %.
Sammenfatning
Valget af prøvemateriale, dets geometri og måleparametrene har stor indflydelse på den observerede oxidationsadfærd. Den høje fleksibilitet i prøvebærere, digelgeometrier og målebetingelser i STA Jupiter® -serien muliggør tilpasning til forskellige målescenarier og sikrer, at der kan opnås pålidelig og reproducerbar indsigt i oxidationsmekanismer.