Влияние химических и фазовых превращений в оксидно-гидроксидной оболочке частиц алюминия различных размеров на закономерности их окисления при нагревании в воздухе

Abstract

Актуальность исследования закономерностей процесса окисления субмикронных и нанопорошков Al определяется перспективой их использования в качестве добавок в твердые топлива и пиротехнические составы, а также реагентов при получении интерметаллидов и композиционных материалов. Цель работы: установление влияния физико-химических процессов в оксидно-гидроксидной оболочке частиц Al на закономерности процесса окисления микронных, субмикронных и нанопорошков Al при нагревании в воздухе. Методы исследования: дифференциальный термический анализ (SDT Q 600), динамическое рассеяние света (Microsizer-201, Nanosizer ZS), растровая (Quanta 200 3D) и просвечивающая электронная микроскопия (JEOL JEM-3010), атомно-эмиссионная спектроскопия (iCAP 6300 Duo), рентгенофлюоресцентный анализ (Quant'X), рентгенофазовый и рентгеноструктурный анализ (Shimadzu XRD 6000), ИК-спектроскопия (FTIR Nicolet 5700), рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (ESCA 310). Результаты: Показано определяющее влияние структурно-фазовых и химических превращений в поверхностных оксидных слоях частиц Al микронного и субмикронного размерного диапазона (разложение гидроксидов, кристаллизация оксидов, фазовые превращения) на температурные интервалы, скорость и полноту окисления образцов Al с различной дисперсностью. Обосновано влияние фазовых превращений оксида алюминия в условиях линейного нагревания порошков Al на температурные интервалы интенсивного окисления металла. Установлены особенности роста зародышей фазы продукта и развития реакционной поверхности в зависимости от природы металла, заключающиеся в локализации реакционного фронта при окислении субмикронных и наночастиц Al, независимом формировании и росте зародышей фазы оксида алюминия. Установлено нивелирование влияния размеров частиц Al на кинетику их окисления при переходе от микронного к субмикронному размерному диапазону.

Relevance of researching the rules of Al submicron and nanopowders oxidation is determined by the prospects of the powders use as additives in solid fuels and in pyrotechnic compositions, as reagents in preparation of intermetallic compounds and composites. The aim of the research is to determine the influence of physicochemical processes in oxide-hydroxide shell of Al particles on mechanism of oxidation of Al micron, submicron and nanopowders when heated in air. The methods used in the research: differential thermal analysis (SDT Q 600), dynamic light scattering (Microsizer-201, Nanosizer ZS), scanning (Quanta 200 3D) and transmission electron microscopy (JEOL JEM-3010), atomic-emission spectroscopy (iCAP 6300 Duo), X-ray fluorescence analysis (Quant'X), X-ray diffraction (Shimadzu XRD 6000), infrared spectroscopy (FTIR Nicolet 5700), X-ray photoelectron spectroscopy (ESCA 310). The results: The paper demonstrates the determining influence of phase and chemical transformations in superficial oxide shells of Al particles of micron and submicron sizes (decomposition of Al hydroxides, crystallization of amorphous oxide, phase transformations) on temperature intervals and rate of Al powders oxidation. The influence of phase transformations of Al oxide on low and high temperature oxidation when linearly heated in air is studied. The author has determined the details of reaction surface development and oxide-nuclei formation and growth during Al oxidation which consist in strong oxidation localization on the surface of an Al submicron or nanoparticles and by independent formation and growth of the oxide nuclei. The leveling of the size effect on Al particles oxidation kinetics was proved when Al particle size decreased from micron to submicron range.