Introducción
Los procesos de OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.oxidación son de vital importancia en la ciencia de los materiales, ya que influyen en la estabilidad a largo plazo, la reactividad y el rendimiento de metales, aleaciones y cerámicas. La exposición al oxígeno puede provocar la formación de capas de óxido, transformaciones de fase o incluso la degradación de la integridad estructural. La cinética y los mecanismos de OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.oxidación dependen en gran medida de la temperatura, la presión parcial de oxígeno y las características microestructurales, como el tamaño de grano y la porosidad.
El análisis térmico simultáneo (STA), en particular la termogravimetría (TGA), proporciona un medio flexible y fiable para estudiar estos procesos. Una ventaja clave es la disponibilidad de diferentes geometrías de crisoles TGA, que pueden seleccionarse teniendo en cuenta los requisitos específicos de la muestra, ya sea polvo, material a granel o irregular. El diseño de carga superior facilita la colocación de la muestra en la microbalanza y permite una detección muy sensible del cambio de masa en condiciones bien definidas. La dirección del flujo de gas en la STA, de abajo hacia arriba, garantiza una atmósfera homogénea alrededor de la muestra (véase la figura 1).
La selección cuidadosa de los parámetros experimentales, incluida la composición atmosférica, el caudal de gas, la velocidad de calentamiento y la geometría de la muestra, sigue siendo fundamental para obtener resultados significativos y reproducibles. Estas condiciones influyen directamente en la cinética de OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.oxidación observada y en la estabilidad de las fases de óxido formadas.
Condiciones de medición
En el cuadro 1 se detallan las condiciones de medición.
Tabla 1: Condiciones de medición
| Instrumento | STA Serie Jupiter® |
|---|---|
| Horno | Horno Rh |
| Portamuestras | Pin TGA, tipo S |
| Crisoles | Crisol de Al2O3 con tapa perforada, crisol de Al2O3 crisol abierto, placa de Al2O3 (véase la figura 1) |
| Masa de la muestra | 10 mg (polvo o placa de Cu) |
| Flujo de gas | 70 ml/min |
Temperatura programa | RT-800°C, atmósfera de Ar, 10 min isoterma en atmósfera de Ar, 10 min isoterma en Ar + 14%O2, 10 min isoterma en Ar |
Resultados y debate
En este estudio, se estudió el comportamiento de OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.oxidación del cobre puro en el STA utilizando diferentes geometrías de crisol (véase la figura 1). Para todas las mediciones, se utilizó la misma cantidad de muestra de unos 10 mg. Para la OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.oxidación completa que sigue la ecuación
2 Cu + O2 → 2 CuO
Después de calentar las muestras en una atmósfera inerte a 800°C y mantenerlas isotérmicas durante 10 minutos, se cambió la atmósfera a una que contenía un 14% de oxígeno. Este cambio atmosférico provocó un aumento inmediato de la masa; véase la figura 2. Al principio, se inició una reacción sólido-gas de primer orden entre el O2 y el Cu, que puede identificarse por una pendiente bastante pronunciada en el aumento de masa. Al cabo de unos minutos, la velocidad de reacción disminuyó y la reacción se convirtió en una reacción de segundo orden controlada por difusión.
Tras 10 minutos de tratamiento en condiciones oxidantes, se volvió a cambiar a una atmósfera de argón. La reacción oxidante se detuvo inmediatamente y comenzó la reducción térmica, provocando una disminución inmediata de la masa. En el breve intervalo de tiempo, ni la OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.oxidación ni la reducción fueron completas. Sin embargo, se observó una clara influencia de la geometría utilizada. Se observó una menor OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.oxidación en la configuración con la muestra en el crisol con tapa perforada (curva verde), ya que el acceso del oxígeno a la muestra estaba más obstaculizado. Ya se observó un claro aumento del comportamiento de OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.oxidación cuando no se utilizó tapa (curva roja). Los mejores resultados se obtuvieron cuando el polvo de la muestra se colocó directamente como una fina capa sobre la placa de Al2O3 (curva azul). En 10 minutos, en condiciones de OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.oxidación, se detectó un aumento de masa superior al 20%.
Como cuarto experimento, también se colocó una muestra de chapa de cobre sobre la placa y se expuso a las mismas condiciones (curva morada). En este caso, se detectó un aumento de masa de sólo el 1,2%, debido a la menor superficie activa y a la formación de una capa de pasivación. Aquí, el proceso está controlado por difusión desde el principio. Pueden verse más detalles en la vista ampliada de la figura 3.
La figura 4 muestra la oxidación del polvo de cobre en la geometría de placa con tiempos de reacción prolongados. Tras 10 h, el aumento de masa casi alcanzó el valor estequiométrico y la oxidación se completó. La posterior reducción térmica provocó una pérdida de masa del 12,3%.
Resumen
La elección del material de la muestra, su geometría y los parámetros de medición influyen significativamente en el comportamiento de oxidación observado. La gran flexibilidad de los portamuestras, las geometrías de los crisoles y las condiciones de medición de la serie STA Jupiter® permite la adaptación a diversos escenarios de medición, lo que garantiza la obtención de información fiable y reproducible sobre los mecanismos de oxidación.