はじめに
酸化プロセスは、金属、合金、セラミックスの長期安定性、反応性、性能に影響を与えるため、材料科学において中心的な重要性を持つ。酸素への暴露は、酸化層の形成、相変態、あるいは構造的完全性の劣化につながる可能性がある。酸化の速度論とメカニズムは、温度、酸素分圧、および粒径や気孔率などの微細構造特性に大きく依存する。
同時熱分析（STA）、特に熱重量測定（TGA）は、このようなプロセスを研究するための柔軟で信頼性の高い手段を提供する。主な利点は、さまざまなTGAるつぼ形状を利用できることで、粉末、バルク、不規則な材料など、試料固有の要件を考慮して選択できます。トップローディング設計により、試料をマイクロ天秤上に簡単に設置でき、明確な条件下で高感度の質量変化検出が可能です。STA内のガスの流れ方向が下から上に向かっているため、試料周辺は均一な雰囲気に保たれます（図1参照）。
意味のある再現性のある結果を得るためには、雰囲気組成、ガス流量、加熱速度、試料形状などの実験パラメーターを慎重に選択することが依然として重要である。これらの条件は、観察される酸化速度や形成される酸化相の安定性に直接影響する。
測定条件
表1に測定条件の詳細を示す。
表1：測定条件
| 装置 | STAJupiter シリーズ |
|---|---|
| 加熱炉 | Rh加熱炉 |
| 試料キャリア | TGAピン、タイプS |
| 容器 | 貫通蓋付きAl2O3るつぼ、Al2O3 開放容器、Al2O3プレート（図1参照） |
| 試料質量 | 10 mg (Cu粉末またはプレート) |
| ガス流量 | 70 ml/分 |
温度 プログラム | 室温-800℃、Ar雰囲気、 Ar雰囲気で10分間等温、 Ar+14%O2中10分間等温、 Ar中10分間等温 |
結果と考察
本研究では、純銅の酸化挙動を、異なる形状の容器（図1参照）を用いてSTAで研究した。すべての測定において、約10mgの同じ試料量を使用した。式に従う完全酸化の場合
2 Cu +O2→ 2 CuO
不活性雰囲気中で試料を800℃まで加熱し、10分間等温に保った後、雰囲気を14%酸素含有雰囲気に切り替えた。この雰囲気変化によって、直ちに質量が増加した（図2参照）。最初は、O2とCuの間の1次の固体-気体反応が始まり、これは質量増加のかなり急な勾配によって識別できる。数分後、反応速度が低下し、拡散制御の2次反応に変化した。
酸化条件下で10分間処理した後、雰囲気をアルゴン雰囲気に戻した。酸化反応は即座に停止し、熱還元が始まり、質量が即座に減少した。この短い時間では、酸化も還元も完全ではなかった。しかし、使用した形状による明らかな影響が見られた。蓋に穴のあいた容器（緑色の曲線）に試料を入れたセットアップでは、酸素による試料へのアクセスが最も妨げられているため、より少ない酸化が観察された。蓋を使用しなかった場合（赤色の曲線）には、酸化挙動が明らかに増加した。最良の結果が得られたのは、試料粉末をAl2O3プレート上に薄層として直接置いた場合であった（青の曲線）。酸化条件下で10分以内に、20％以上の質量増加が検出された。
第4の実験として、板金銅試料もプレート上に置き、同じ条件に曝した（紫色の曲線）。この場合、活性表面が小さく、パッシベーション層が形成されたため、質量増加はわずか1.2％にとどまった。この場合、プロセスは最初から拡散制御されている。詳細は図3の拡大図で見ることができる。
図4は、反応時間を延長したプレート形状の銅粉の酸化を示している。10時間後、質量増加はほぼ化学量論的な値に達し、酸化は完了した。その後の熱還元により、12.3%の質量損失が生じた。
概要
試料材料の選択、形状、および測定パラメータは、観察される酸化挙動に大きな影響を与えます。STAJupiter シリーズの試料担体、容器形状、測定条件の高い柔軟性は、多様な測定シナリオへの適応を可能にし、酸化メカニズムに関する信頼性と再現性の高い知見を確実に得ることができます。