SUPERVISOR
Mehdi Ahmadian,Masoud Panepour
مهدی احمدیان (استاد راهنما) مسعود پنجه پور (استاد راهنما)
STUDENT
Meh noosh Kalantari dehaghi
مه نوش کلانتری دهقی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391
TITLE
The Effects of Particle Size and Heating Rate on the Oxidation Mechanism of Aluminum Powder
Aluminum powder is a widely-used material in industry, due to owing unique properties. In fact, oxidation enthalpy and high combustion heat are the specifications of the oxidation process of aluminum powders. In this research, the effect of particle size on oxidation kinetics of aluminum powder, its corresponding model, and stress distribution in the oxide crust under non-isothermal conditions were comprehensively investigated. For this purpose, the aluminum powders in different particle size (1-3, 12.5, 38-45, 63-75 and 150 micrometer) went under TG-DSC heat analysis tests (under air atmosphere) at different heating rates (10,30 and 50 ?C/min) up to 1300°C. The results obtained from these tests show that the oxidation of aluminum powder particles in different sizes, occurred in several stages. In fact, reducing particle size can lead to an increase oxidation rate and the effect of heating rate would be reversed so that at the minimum heating rate, the highest oxidation occurs. Our findings were shown that the major part of the oxidation takes place at non-isothermal conditions up to 1000 °C. However the stress distribution in the oxide crust at temperatures above 660 °C is was considered. In this temperature range, the expansion of the melt inside the film and also the shrinkage resulting from the transformation of the oxide structure from ? to ? can impose a high rate of stress on this crust. Although, the rate of the stress resulting from expansion of the melt inside the oxide film was higher than the stress resulting its shrinkage from a quantitative perspective. This shrinkage, as an important factor in the direction of activating the defects presents in the structure of the oxide film, plays a determining role in the occurrence of its rupture.The results were indicated that by reducing the particle size, rupture of the oxide film occurrs at a lower temperature, because of the stress concentration resulting from the microstructure defects. In addition, due to the low volume of melt remaining in the oxide film, the stress relaxation of the particles is reduced. By an increase in heating rate, the crust rupture takes place at higher temperatures. Also, non-isothermal kinetic analysis using isoconversional methods and Coats-Redfern method were illustrated that by changing the particle size, the empirical kinetic triplets [E a , A, and g(?)] have been changed and on the basis of any size,a comprehensive model was introduced. Phase and structural were studied by X-ray diffraction technique (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). Particle size imposes an effect on the morphology of the oxide film so that in coarse particles, the oxide blades due to higher volume of molten becomes larger and widerin shape, but in smaller particles, needle blades were increased. X-ray diffraction patterns (XRD) support the presence of residual aluminum with oxide. In general, one can conclude that by changing the particle size and heating rates, reaction kinetics, its model, stress distribution and even the morphology of the oxide crust has been changed. Keywords Aluminum powder, Oxidation mechanisms, Non-isothermal, Tension analysis, Kinetic analysis.
پودر آلومینیم به عنوان یکی از پر مصرف ترین مواد در حوزه ی صنایع، از اهمیت بسزایی برخوردار است و فرایند اکسیداسیون ذرات آن به دلیل خواص منحصر به فرد از جمله آنتالپی بالای ناشی از احتراق، توجه بسیاری از محققین را به خود جلب کرده است. در این پژوهش به بررسی تاثیر اندازه ذرات بر سینتیک اکسیداسیون ذرات پودر آلومینیم، ارائه ی مدل مربوطه و بررسی توزیع تنش در پوسته ی اکسیدی تحت شرایط گرمایشی غیر همدما پرداخته شده است. بدین منظور پودر آلومینیم مصرفی در اندازه ذرات متفاوت (3-1، 5/12، 45-38، 75-63، 150میکرومتر) و نرخ های مختلف گرمایشی (10،30 و 50) تا دمای °C 1300 و در اتمسفر هوا، تحت آزمون های آنالیز حرارتی TG-DSC قرار گرفت. نتایج حاصل از این آزمون ها نشان داد که فرایند اکسیداسیون پودر آلومینیم در اندازه ذرات متفاوت، در مراحل مختلفی صورت می گیرد. در واقع با کاهش اندازه ذرات درصد اکسیداسیون و نرخ آن افزایش می یابد و اثر نرخ گرمایشی بر عکس می شود به گونه ای که در کمترین نرخ گرمایشی، بیشترین میزان اکسیداسیون رخ می دهد. بررسی ها نشان داد عمده اکسیداسیون در شرایط گرمایشی غیر همدما در محدوده دمایی °C 1000 صورت میگیرد. از این رو به بررسی توزیع تنش در پوسته ی اکسیدی در دماهای بالاتر از °C 660 پرداخته شد. در این محدوده دمایی انبساط مذاب داخل پوسته و همچنین انقباض ناشی از تبدیل شدن پوسته اکسیدی ? به ? می تواند سطح تنش بالایی را بر پوسته ی محافظ اعمال کند و در نهایت منجر به شکست و خروج مذاب شود. هرچند از نظر کمی میزان تنش ناشی از انبساط مذاب در داخل پوسته به مراتب بالاتر از انقباض ناشی از پوسته است، اما این انقباض نیز تاثیر بسزایی در فعال شدن نواقص موجود در پوسته ی اکسیدی و شکست آن دارد. نتایج نشان می دهد با کاهش اندازه ذرات پارگی پوسته اکسیدی در درجه حرارت های کمتری رخ می دهد و این به دلیل تمرکز تنش در نواقص به وجود آمده می باشد. همچنین به دلیل حجم کم مذاب باقی مانده در پوسته ی اکسیدی، میزان افت تنش در این ذرات کمتر است. از طرفی با افزایش نرخ گرمایشی پارگی پوسته اکسیدی به تعویق می افتد و در درجه حرارت های بالاتری رخ می دهد. از طرفی نتایج آنالیز سینتیکی غیر همدما با استفاده از روش های بی مدل و روش مدل انطباقی کوتز-ردفرن نشان داد که با تغییر اندازه ذرات علاوه بر تغییر پارامترهای سینتیکی ( انرژی فعال سازی و ضریب پیش نمایی) مکانیزم واکنش نیز تغییر می کند و بر این اساس در هر کدام از اندازه ذرات، مدل مناسب ارائه شد. همچنین مطالعات میکروسکوپی الکترونی ( SEM ) نیز حاکی از آن بود که پارگی پوسته اکسیدی محافظ، تحت اثر تنشهای اعمالی بر روی آن، منجر به وقوع اکسیداسیون در این محدوده ی دمایی میشود. تغییر اندازه ذرات بر مورفولوژی پوسته ی اکسیدی تاثیرگذار است به گونه ای که تیغه های اکسیدی در ذرات درشت تر به دلیل حجم بالاتر مذاب، پهن تر و حالت پوسته ای دارد و هرچه ذرات ریزتر می شوند، این تیغه ها سوزنی تر ونازک تر می شوند. آنالیز فازی توسط الگوهای پراش اشعه ایکس (XRD) نیز حضور آلومینیم باقی مانده در کنار اکسید آن را تایید می کند. به طور کلی می توان چنین استنتاج نمود که با تغییر اندازه ذرات سینتیک و مدل واکنش، توزیع تنش در پوسته ی اکسیدی و حتی مورفولوژی پوسته ی اکسیدی تحت تاثیر قرار می گیرد. کلمات کلیدی پودر آلومینیم، اکسیداسیون، مکانیزم، غیر همدما، آنالیز تنش، آنالیز سینتیکی