Johdanto
Hapettumisprosesseilla on keskeinen merkitys materiaalitieteessä, sillä ne vaikuttavat metallien, seosten ja keraamisten materiaalien pitkän aikavälin vakauteen, reaktiivisuuteen ja suorituskykyyn. Hapelle altistuminen voi johtaa oksidikerrosten muodostumiseen, faasimuutoksiin tai jopa rakenteellisen eheyden heikkenemiseen. Hapettumisen kinetiikka ja mekanismit riippuvat suuresti lämpötilasta, hapen osapaineesta ja mikrorakenteen ominaisuuksista, kuten raekoko ja huokoisuus.
Samanaikainen lämpöanalyysi (STA), erityisesti termogravimetria (TGA), tarjoaa joustavan ja luotettavan keinon tutkia tällaisia prosesseja. Keskeinen etu on, että käytettävissä on erilaisia TGA-uppeja, joiden geometria voidaan valita näytteen erityisvaatimukset huomioon ottaen, olipa kyseessä sitten jauhe, irtotavarana oleva tai epäsäännöllinen materiaali. Ylhäältä ladattava rakenne mahdollistaa näytteen helpon sijoittamisen mikrovalssille ja mahdollistaa erittäin herkän massanmuutoksen havaitsemisen tarkoin määritellyissä olosuhteissa. Kaasun virtaussuunta STA:ssa alhaalta ylöspäin takaa homogeenisen ilmakehän näytteen ympärille (ks. kuva 1).
Kokeellisten parametrien, kuten ilmakehän koostumuksen, kaasun virtausnopeuden, lämmitysnopeuden ja näytteen geometrian, huolellinen valinta on edelleen ratkaisevan tärkeää merkityksellisten ja toistettavien tulosten saamiseksi. Nämä olosuhteet vaikuttavat suoraan havaittuun hapettumiskinetiikkaan ja muodostuneiden oksidifaasien stabiilisuuteen.
Mittausolosuhteet
Taulukossa 1 esitetään yksityiskohtaisesti mittausolosuhteet.
Taulukko 1: Mittausolosuhteet
| Laite | STA Jupiter® series |
|---|---|
| Uuni | Rh-uuni |
| Näytteen kantaja | TGA-tappi, tyyppi S |
| Upokkaat | Al2O3 upokas, jossa on lävistetty kansi, Al2O3 upokas avoin, Al2O3-levy (ks. kuva 1) |
| Näytteen massa | 10 mg (Cu-jauhe tai -levy) |
| Kaasuvirtaus | 70 ml/min |
Lämpötila ohjelma | RT-800 °C, Ar-ilmakehä, 10 min isotermi Ar-ilmakehässä, 10 min isotermi Ar + 14%O2, 10 min isotermi Ar-ilmakehässä |
Tulokset ja keskustelu
Tässä tutkimuksessa tutkittiin puhtaan kuparin hapettumiskäyttäytymistä STA:ssa käyttäen erilaisia upokkaiden geometrioita (ks. kuva 1). Kaikissa mittauksissa käytettiin samaa noin 10 mg:n näytemäärää. Täydellinen HapettuminenHapettumisella voidaan kuvata erilaisia prosesseja lämpöanalyysin yhteydessä.hapettuminen, joka noudattaa yhtälöä
2 Cu + O2 → 2 CuO
Kun näytteet oli lämmitetty inertissä ilmakehässä 800 °C:seen ja pidetty isotermisinä 10 minuuttia, ilmakehä vaihdettiin 14 % happea sisältävään ilmakehään. Tämä ilmakehän muutos aiheutti välittömän massan lisäyksen, ks. kuva 2. Aluksi O2:n ja Cu:n välillä käynnistyi ensimmäisen asteen kiinteän kaasun reaktio, joka voidaan tunnistaa massan kasvun melko jyrkästä kaltevuudesta. Muutaman minuutin kuluttua reaktionopeus laski, ja reaktio muuttui diffuusio-ohjatuksi toisen kertaluvun reaktioksi.
Kun käsittelyä oli jatkettu 10 minuuttia hapettavissa olosuhteissa, ilmakehä vaihdettiin takaisin argonilmakehään. Hapetusreaktio pysähtyi välittömästi, ja terminen pelkistyminen alkoi, mikä aiheutti välittömän massan vähenemisen. Lyhyen ajanjakson aikana HapettuminenHapettumisella voidaan kuvata erilaisia prosesseja lämpöanalyysin yhteydessä.hapettuminen eikä pelkistyminen ollut täydellistä. Käytetyn geometrian vaikutus oli kuitenkin selvästi nähtävissä. Vähemmän hapettumista havaittiin asetelmassa, jossa näyte oli lävistetyllä kannella varustetussa upokkaassa (vihreä käyrä), koska hapen pääsy näytteeseen oli estynyt eniten. Hapettumiskäyttäytyminen lisääntyi selvästi jo silloin, kun kantta ei käytetty (punainen käyrä). Parhaat tulokset saatiin, kun näytejauhe asetettiin suoraan ohuena kerroksena Al2O3-levylle (sininen käyrä). Hapettavissa olosuhteissa havaittiin 10 minuutissa yli 20 prosentin massan lisäys.
Neljäntenä kokeena levylle asetettiin myös kuparilevynäyte, joka altistettiin samoille olosuhteille (violetti käyrä). Tässä tapauksessa havaittiin vain 1,2 %:n massan lisäys, mikä johtui pienemmästä aktiivisesta pinnasta ja passivointikerroksen muodostumisesta. Tässä tapauksessa prosessi on alusta alkaen diffuusio-ohjattu. Tarkemmat yksityiskohdat näkyvät kuvan 3 suurennetusta näkymästä.
Kuvassa 4 on esitetty kuparijauheen HapettuminenHapettumisella voidaan kuvata erilaisia prosesseja lämpöanalyysin yhteydessä.hapettuminen levygeometriassa pidennetyillä reaktioajoilla. 10 tunnin kuluttua massan lisäys saavutti lähes stoikiometrisen arvon ja HapettuminenHapettumisella voidaan kuvata erilaisia prosesseja lämpöanalyysin yhteydessä.hapettuminen oli päättynyt. Sitä seurannut terminen pelkistys aiheutti 12,3 %:n massahäviön.
Yhteenveto
Näytemateriaalin valinta, sen geometria ja mittausparametrit vaikuttavat merkittävästi havaittuun hapettumiskäyttäytymiseen. STA Jupiter® -sarjan suuri joustavuus näytekappaleiden, upokkaiden geometrioiden ja mittausolosuhteiden suhteen mahdollistaa mukauttamisen erilaisiin mittausskenaarioihin, mikä takaa luotettavan ja toistettavan näkemyksen hapettumismekanismeista.