Skip to main content
SUPERVISOR
Mehdi Ahmadian,Masoud Panepour
مهدي احمديان (استاد راهنما) مسعود پنجه پور (استاد راهنما)
 
STUDENT
Meh noosh Kalantari dehaghi
مه نوش کلانتري دهقي

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.
چکيده پودر آلومينيم به عنوان يکي از پر مصرف ترين مواد در حوزه ي صنايع، از اهميت بسزايي برخوردار است و فرايند اکسيداسيون ذرات آن به دليل خواص منحصر به فرد از جمله آنتالپي بالاي ناشي از احتراق، توجه بسياري از محققين را به خود جلب کرده است. در اين پژوهش به بررسي تاثير اندازه ذرات بر سينتيک اکسيداسيون ذرات پودر آلومينيم، ارائه ي مدل مربوطه و بررسي توزيع تنش در پوسته ي اکسيدي تحت شرايط گرمايشي غير همدما پرداخته شده است. بدين منظور پودر آلومينيم مصرفي در اندازه ذرات متفاوت (3-1، 5/12، 45-38، 75-63، 150ميکرومتر) و نرخ هاي مختلف گرمايشي (10،30 و 50) تا دماي °C 1300 و در اتمسفر هوا، تحت آزمون هاي آناليز حرارتي TG-DSC قرار گرفت. نتايج حاصل از اين آزمون ها نشان داد که فرايند اکسيداسيون پودر آلومينيم در اندازه ذرات متفاوت، در مراحل مختلفي صورت مي گيرد. در واقع با کاهش اندازه ذرات درصد اکسيداسيون و نرخ آن افزايش مي يابد و اثر نرخ گرمايشي بر عکس مي شود به گونه اي که در کمترين نرخ گرمايشي، بيشترين ميزان اکسيداسيون رخ مي دهد. بررسي ها نشان داد عمده اکسيداسيون در شرايط گرمايشي غير همدما در محدوده دمايي °C 1000 صورت مي‌گيرد. از اين رو به بررسي توزيع تنش در پوسته ي اکسيدي در دماهاي بالاتر از °C 660 پرداخته شد. در اين محدوده دمايي انبساط مذاب داخل پوسته و همچنين انقباض ناشي از تبديل شدن پوسته اکسيدي ? به ? مي تواند سطح تنش بالايي را بر پوسته ي محافظ اعمال کند و در نهايت منجر به شکست و خروج مذاب شود. هرچند از نظر کمي ميزان تنش ناشي از انبساط مذاب در داخل پوسته به مراتب بالاتر از انقباض ناشي از پوسته است، اما اين انقباض نيز تاثير بسزايي در فعال شدن نواقص موجود در پوسته ي اکسيدي و شکست آن دارد. نتايج نشان مي دهد با کاهش اندازه ذرات پارگي پوسته اکسيدي در درجه حرارت هاي کمتري رخ مي دهد و اين به دليل تمرکز تنش در نواقص به وجود آمده مي باشد. همچنين به دليل حجم کم مذاب باقي مانده در پوسته ي اکسيدي، ميزان افت تنش در اين ذرات کمتر است. از طرفي با افزايش نرخ گرمايشي پارگي پوسته اکسيدي به تعويق مي افتد و در درجه حرارت هاي بالاتري رخ مي دهد. از طرفي نتايج آناليز سينتيکي غير همدما با استفاده از روش هاي بي مدل و روش مدل انطباقي کوتز-ردفرن نشان داد که با تغيير اندازه ذرات علاوه بر تغيير پارامترهاي سينتيکي ( انرژي فعال سازي و ضريب پيش نمايي) مکانيزم واکنش نيز تغيير مي کند و بر اين اساس در هر کدام از اندازه ذرات، مدل مناسب ارائه شد. همچنين مطالعات ميکروسکوپي الکتروني ( SEM ) نيز حاکي از آن بود که پارگي پوسته اکسيدي محافظ، تحت اثر تنش‌هاي اعمالي بر روي آن، منجر به وقوع اکسيداسيون در اين محدوده ي دمايي مي‌شود. تغيير اندازه ذرات بر مورفولوژي پوسته ي اکسيدي تاثيرگذار است به گونه اي که تيغه هاي اکسيدي در ذرات درشت تر به دليل حجم بالاتر مذاب، پهن تر و حالت پوسته اي دارد و هرچه ذرات ريزتر مي شوند، اين تيغه ها سوزني تر ونازک تر مي شوند. آناليز فازي توسط الگوهاي پراش اشعه ايکس (XRD) نيز حضور آلومينيم باقي مانده در کنار اکسيد آن را تاييد مي کند. به طور کلي مي توان چنين استنتاج نمود که با تغيير اندازه ذرات سينتيک و مدل واکنش، توزيع تنش در پوسته ي اکسيدي و حتي مورفولوژي پوسته ي اکسيدي تحت تاثير قرار مي گيرد. کلمات کليدي پودر آلومينيم، اکسيداسيون، مکانيزم، غير همدما، آناليز تنش، آناليز سينتيکي

ارتقاء امنیت وب با وف بومی