Inledning
Oxidationsprocesser är av central betydelse inom materialvetenskap, eftersom de påverkar den långsiktiga stabiliteten, reaktiviteten och prestandan hos metaller, legeringar och keramer. Exponering för syre kan leda till bildning av oxidskikt, fasomvandlingar eller till och med nedbrytning av den strukturella integriteten. Oxidationens kinetik och mekanismer beror i hög grad på temperatur, syrgaspartialtryck och mikrostrukturella egenskaper som kornstorlek och porositet.
Simultan termisk analys (STA), i synnerhet termogravimetri (TGA), är ett flexibelt och tillförlitligt sätt att studera sådana processer. En viktig fördel är tillgången till olika TGA-degelgeometrier, som kan väljas med hänsyn till provets specifika krav, oavsett om det rör sig om pulver, bulk eller oregelbundet material. Den toppmatade designen gör det enkelt att placera provet på mikrobalansen och möjliggör mycket känslig massändringsdetektering under väldefinierade förhållanden. Gasflödets riktning i STA, från botten till toppen, säkerställer en homogen atmosfär runt provet (se figur 1).
Ett noggrant val av experimentparametrar, inklusive atmosfärens sammansättning, gasflödeshastighet, uppvärmningshastighet och provgeometri, är avgörande för att få meningsfulla och reproducerbara resultat. Dessa förhållanden påverkar direkt den observerade oxidationskinetiken och stabiliteten hos de oxidfaser som bildas.
Mätförhållanden
I tabell 1 beskrivs mätförhållandena.
Tabell 1: Mätförhållanden
| Instrument | STA Jupiter® serie |
|---|---|
| Ugn | Rh-ugn |
| Provbärare | TGA-stift, typ S |
| Diklar | Al2O3-degel med genomborrat lock, Al2O3 degel öppen, Al2O3-platta (se figur 1) |
| Provets massa | 10 mg (Cu-pulver eller platta) |
| Gasflöde | 70 ml/min |
Temperatur program | RT-800°C, Ar-atmosfär, 10 min isoterm i Ar-atmosfär, 10 min isoterm i Ar + 14%O2, 10 min isoterm i Ar |
Resultat och diskussion
I denna studie studerades oxidationsbeteendet hos ren koppar i STA med hjälp av olika degelgeometrier (se figur 1). För alla mätningar användes samma provmängd på ca 10 mg. För fullständig OxideringOxidation kan beskriva olika processer i samband med termisk analys.oxidation som följer ekvationen
2 Cu +O2 → 2 CuO
Efter att ha värmt proverna i en inert atmosfär till 800°C och hållit dem isoterma i 10 minuter, ändrades atmosfären till en 14% syrehaltig atmosfär. Denna atmosfärsändring orsakade en omedelbar massökning, se figur 2. Till en början inleddes en första ordningens fastgasreaktion mellanO2 och Cu, vilket kan identifieras genom en ganska brant lutning i massökningen. Efter några minuter minskade reaktionshastigheten och reaktionen övergick till en diffusionskontrollerad andra ordningens reaktion.
Efter 10 minuters behandling under oxiderande förhållanden byttes atmosfären tillbaka till en argonatmosfär. Den oxiderande reaktionen avstannade omedelbart och den termiska reduktionen startade, vilket orsakade en omedelbar massminskning. Under det korta tidsintervallet var varken oxidationen eller reduktionen fullständig. En tydlig påverkan av den använda geometrin var dock synlig. Mindre OxideringOxidation kan beskriva olika processer i samband med termisk analys.oxidation observerades för uppställningen med provet i degeln med genomborrat lock (grön kurva), eftersom syrets tillgång till provet hindrades mest. En tydlig ökning av oxidationsbeteendet sågs redan när inget lock användes (röd kurva). De bästa resultaten erhölls när provpulvret placerades direkt som ett tunt lager på Al2O3-plattan (blå kurva). Inom 10 minuter under oxiderande förhållanden upptäcktes en massökning på mer än 20%.
Som ett fjärde experiment placerades också ett kopparplåtsprov på plattan och utsattes för samma förhållanden (lila kurva). I det här fallet uppmättes en massökning på endast 1,2%, vilket berodde på den mindre aktiva ytan och bildandet av ett passiveringsskikt. Här är processen diffusionskontrollerad redan från början. Mer detaljer kan ses i den zoomade vyn i figur 3.
Figur 4 visar oxidationen av kopparpulvret på plattgeometrin med förlängda reaktionstider. Efter 10 timmar hade massökningen nästan nått det stökiometriska värdet och oxidationen var avslutad. Den efterföljande termiska reduktionen orsakade en massförlust på 12,3%.
Sammanfattning
Valet av provmaterial, dess geometri och mätparametrarna har stor inverkan på det observerade oxidationsbeteendet. Den höga flexibiliteten när det gäller provbärare, degelgeometrier och mätförhållanden i STA Jupiter® -serien möjliggör anpassning till olika mätscenarier, vilket säkerställer att tillförlitliga och reproducerbara insikter om oxidationsmekanismer kan erhållas.