Wprowadzenie
Procesy utleniania mają kluczowe znaczenie w materiałoznawstwie, ponieważ wpływają na długoterminową stabilność, reaktywność i wydajność metali, stopów i ceramiki. Ekspozycja na tlen może prowadzić do tworzenia się warstw tlenków, przemian fazowych, a nawet degradacji integralności strukturalnej. Kinetyka i mechanizmy utleniania zależą w dużej mierze od temperatury, ciśnienia parcjalnego tlenu i właściwości mikrostrukturalnych, takich jak wielkość ziarna i porowatość.
Symultaniczna analiza termiczna (STA), w szczególności termograwimetria (TGA), zapewnia elastyczne i niezawodne środki do badania takich procesów. Kluczową zaletą jest dostępność różnych geometrii tygli TGA, które można wybrać z uwzględnieniem specyficznych wymagań próbki, niezależnie od tego, czy jest to proszek, materiał sypki czy nieregularny. Konstrukcja ładowana od góry umożliwia łatwe umieszczenie próbki na mikrowadze i pozwala na bardzo czułe wykrywanie zmian masy w ściśle określonych warunkach. Kierunek przepływu gazu w STA, od dołu do góry, zapewnia jednorodną atmosferę wokół próbki (patrz rysunek 1).
Staranny dobór parametrów eksperymentalnych, w tym składu atmosfery, szybkości przepływu gazu, szybkości ogrzewania i geometrii próbki, ma kluczowe znaczenie dla uzyskania znaczących i powtarzalnych wyników. Warunki te mają bezpośredni wpływ na obserwowaną kinetykę utleniania i stabilność utworzonych faz tlenkowych.
Warunki pomiaru
Tabela 1 zawiera szczegółowe informacje na temat warunków pomiaru.
Tabela 1: Warunki pomiaru
| Przyrząd | Seria STA Jupiter® |
|---|---|
| Piec | Piec Rh |
| Nośnik próbki | Trzpień TGA, typ S |
| Tygle | Tygiel Al2O3 z przebitą pokrywą, tygiel Al2O3 tygiel otwarty, płytka Al2O3 (patrz rysunek 1) |
| Masa próbki | 10 mg (proszek Cu lub płytka) |
| Przepływ gazu | 70 ml/min |
Temperatura program | RT-800°C, atmosfera Ar, izoterma 10 min w atmosferze Ar, 10 min izoterma w Ar + 14%O2, 10 min izoterma w Ar |
Wyniki i dyskusja
W tym badaniu badano zachowanie czystej miedzi podczas utleniania w STA przy użyciu różnych geometrii tygla (patrz rysunek 1). Do wszystkich pomiarów użyto tej samej ilości próbki wynoszącej około 10 mg. Dla całkowitego utlenienia, które przebiega zgodnie z równaniem
2 Cu + O2 → 2 CuO
Po podgrzaniu próbek w atmosferze obojętnej do temperatury 800°C i utrzymaniu ich w stanie izotermicznym przez 10 minut, atmosfera została przełączona na atmosferę zawierającą 14% tlenu. Ta zmiana atmosfery spowodowała natychmiastowy wzrost masy; patrz rysunek 2. Początkowo zainicjowana została reakcja pierwszego rzędu między O2 i Cu, co można rozpoznać po dość stromym nachyleniu przyrostu masy. Po kilku minutach prędkość reakcji zmniejszyła się, a reakcja przekształciła się w kontrolowaną przez dyfuzję reakcję drugiego rzędu.
Po 10 minutach obróbki w warunkach utleniających atmosfera została przełączona z powrotem na atmosferę argonową. Reakcja utleniania zatrzymała się natychmiast i rozpoczęła się redukcja termiczna, powodując natychmiastowy spadek masy. W krótkim odstępie czasu ani UtlenianieUtlenianie może opisywać różne procesy w kontekście analizy termicznej.utlenianie, ani redukcja nie zostały zakończone. Widoczny był jednak wyraźny wpływ zastosowanej geometrii. Mniejsze UtlenianieUtlenianie może opisywać różne procesy w kontekście analizy termicznej.utlenianie zaobserwowano w przypadku konfiguracji z próbką w tyglu z przebitą pokrywą (zielona krzywa), ponieważ dostęp tlenu do próbki był najbardziej utrudniony. Wyraźny wzrost utleniania zaobserwowano już w przypadku braku pokrywy (krzywa czerwona). Najlepsze wyniki uzyskano, gdy proszek próbki został umieszczony bezpośrednio jako cienka warstwa na płytce Al2O3 (niebieska krzywa). W ciągu 10 minut w warunkach utleniających wykryto wzrost masy o ponad 20%.
W czwartym eksperymencie na płytce umieszczono również próbkę blachy miedzianej i poddano ją działaniu tych samych warunków (krzywa fioletowa). W tym przypadku stwierdzono wzrost masy tylko o 1,2%, ze względu na mniejszą powierzchnię aktywną i tworzenie się warstwy pasywacyjnej. W tym przypadku proces jest kontrolowany przez dyfuzję od samego początku. Więcej szczegółów można zobaczyć w powiększeniu na rysunku 3.
Rysunek 4 przedstawia UtlenianieUtlenianie może opisywać różne procesy w kontekście analizy termicznej.utlenianie proszku miedzi na geometrii płytki z wydłużonym czasem reakcji. Po 10 godzinach wzrost masy prawie osiągnął wartość stechiometryczną i UtlenianieUtlenianie może opisywać różne procesy w kontekście analizy termicznej.utlenianie zostało zakończone. Późniejsza redukcja termiczna spowodowała utratę masy o 12,3%.
Podsumowanie
Wybór materiału próbki, jej geometrii i parametrów pomiaru ma znaczący wpływ na obserwowane zachowanie podczas utleniania. Wysoka elastyczność w zakresie nośników próbek, geometrii tygla i warunków pomiarowych serii STA Jupiter® umożliwia dostosowanie do różnych scenariuszy pomiarowych, zapewniając wiarygodny i powtarzalny wgląd w mechanizmy utleniania.