Inleiding
Oxidatieprocessen zijn van centraal belang in de materiaalkunde omdat ze de stabiliteit, reactiviteit en prestaties op lange termijn van metalen, legeringen en keramiek beïnvloeden. Blootstelling aan zuurstof kan leiden tot de vorming van oxidelagen, fasetransformaties of zelfs degradatie van structurele integriteit. De kinetiek en mechanismen van OxidatieOxidatie kan verschillende processen beschrijven in de context van thermische analyse.oxidatie zijn sterk afhankelijk van temperatuur, partiële zuurstofdruk en microstructurele kenmerken zoals korrelgrootte en porositeit.
Simultane thermische analyse (STA), in het bijzonder thermogravimetrie (TGA), biedt een flexibele en betrouwbare manier om dergelijke processen te bestuderen. Een belangrijk voordeel is de beschikbaarheid van verschillende TGA-kroesgeometrieën, die geselecteerd kunnen worden met de specifieke vereisten van het monster in gedachten, of het nu poeder, bulk of onregelmatig materiaal is. Door het ontwerp met bovenlading kan het monster gemakkelijk op de microbalans geplaatst worden en is zeer gevoelige massaveranderingsdetectie mogelijk onder goed gedefinieerde omstandigheden. De richting van de gasstroom in de STA, van onder naar boven, zorgt voor een homogene atmosfeer rond het monster (zie figuur 1).
Een zorgvuldige selectie van experimentele parameters, waaronder de samenstelling van de atmosfeer, de gasstroomsnelheid, de verwarmingssnelheid en de geometrie van het monster, blijft cruciaal voor het verkrijgen van zinvolle en reproduceerbare resultaten. Deze omstandigheden hebben een directe invloed op de waargenomen oxidatiekinetiek en de stabiliteit van de gevormde oxidefasen.
Meetomstandigheden
Tabel 1 geeft de meetomstandigheden weer.
Tabel 1: Meetomstandigheden
| Instrument | STA Jupiter® serie |
|---|---|
| Oven | Rh-oven |
| Monster drager | TGA-pen, type S |
| Kroezen | Al2O3-kroes met doorboord deksel, Al2O3 kroes open, Al2O3 plaat (zie figuur 1) |
| Monstermassa | 10 mg (Cu-poeder of Cu-plaat) |
| Gasstroom | 70 ml/min |
Temperatuur programma | RT-800°C, Ar-atmosfeer, 10 min IsothermTesten bij een gecontroleerde en constante temperatuur worden isotherm genoemd.isotherm in Ar atmosfeer, 10 min IsothermTesten bij een gecontroleerde en constante temperatuur worden isotherm genoemd.isotherm in Ar + 14%O2, 10 min IsothermTesten bij een gecontroleerde en constante temperatuur worden isotherm genoemd.isotherm in Ar |
Resultaten en discussie
In dit onderzoek werd het oxidatiegedrag van zuiver koper bestudeerd in de STA met behulp van verschillende geometrieën van de kroes (zie figuur 1). Voor alle metingen werd dezelfde hoeveelheid monster van ongeveer 10 mg gebruikt. Voor de volledige OxidatieOxidatie kan verschillende processen beschrijven in de context van thermische analyse.oxidatie die de vergelijking volgt
2 Cu + O2 → 2 CuO
Na verhitting van de monsters in een inerte atmosfeer tot 800 °C en ze 10 minuten IsothermTesten bij een gecontroleerde en constante temperatuur worden isotherm genoemd.isotherm te hebben gehouden, werd de atmosfeer omgeschakeld naar een 14% zuurstofhoudende atmosfeer. Deze atmosferische verandering veroorzaakte een onmiddellijke massatoename; zie figuur 2. In het begin werd een eerste-orde vastegasreactie tussen O2 en Cu geïnitieerd, die kan worden geïdentificeerd door een vrij steile helling in de massatoename. Na enkele minuten nam de reactiesnelheid af en veranderde de reactie in een diffusiegecontroleerde tweede-orde reactie.
Na 10 minuten behandeling onder oxiderende omstandigheden werd de atmosfeer teruggeschakeld naar een argonatmosfeer. De oxidatiereactie stopte onmiddellijk en de thermische reductie begon, waardoor de massa onmiddellijk afnam. In het korte tijdsinterval was noch de OxidatieOxidatie kan verschillende processen beschrijven in de context van thermische analyse.oxidatie noch de reductie volledig. Er was echter een duidelijke invloed van de gebruikte geometrie zichtbaar. Er werd minder OxidatieOxidatie kan verschillende processen beschrijven in de context van thermische analyse.oxidatie waargenomen bij de opstelling met het monster in de kroes met doorboord deksel (groene curve), omdat de toegang van zuurstof tot het monster het meest belemmerd werd. Een duidelijke toename in oxidatiegedrag werd al gezien toen er geen deksel werd gebruikt (rode curve). De beste resultaten werden verkregen toen het monsterpoeder direct als een dunne laag op de Al2O3 plaat werd geplaatst (blauwe curve). Binnen 10 minuten onder oxiderende omstandigheden werd een massatoename van meer dan 20% gedetecteerd.
Als vierde experiment werd een kopermonster van plaatmetaal ook op de plaat geplaatst en blootgesteld aan dezelfde omstandigheden (paarse curve). In dit geval werd een massatoename van slechts 1,2% gevonden, vanwege het kleinere actieve oppervlak en de vorming van een passiveerlaag. Hier is het proces vanaf het begin diffusiegestuurd. Meer details zijn te zien in de ingezoomde weergave in figuur 3.
Figuur 4 toont de OxidatieOxidatie kan verschillende processen beschrijven in de context van thermische analyse.oxidatie van het koperpoeder op de plaatgeometrie met langere reactietijden. Na 10 uur bereikte de massatoename bijna de stoichiometrische waarde en was de OxidatieOxidatie kan verschillende processen beschrijven in de context van thermische analyse.oxidatie voltooid. De daaropvolgende thermische reductie veroorzaakte een massaverlies van 12,3%.
Samenvatting
De keuze van het monstermateriaal, de geometrie en de meetparameters hebben een significante invloed op het waargenomen oxidatiegedrag. De grote flexibiliteit in monsterdragers, smeltkroesgeometrieën en meetomstandigheden van de STA Jupiter® serie maakt aanpassing aan diverse meetscenario's mogelijk, zodat betrouwbare en reproduceerbare inzichten in oxidatiemechanismen verkregen kunnen worden.