научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ КИНЕТИКИ ОКИСЛЕНИЯ ТИТАНА ПРИ ПОЛУЧЕНИИ РУТИЛА ОКИСЛИТЕЛЬНЫМ КОНСТРУИРОВАНИЕМ ТОНКОСТЕННОЙ КЕРАМИКИ Химия

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ КИНЕТИКИ ОКИСЛЕНИЯ ТИТАНА ПРИ ПОЛУЧЕНИИ РУТИЛА ОКИСЛИТЕЛЬНЫМ КОНСТРУИРОВАНИЕМ ТОНКОСТЕННОЙ КЕРАМИКИ»

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2008, том 44, № 8, с. 969-975

УДК 666.31.7

ОСОБЕННОСТИ КИНЕТИКИ ОКИСЛЕНИЯ ТИТАНА ПРИ ПОЛУЧЕНИИ РУТИЛА ОКИСЛИТЕЛЬНЫМ КОНСТРУИРОВАНИЕМ ТОНКОСТЕННОЙ КЕРАМИКИ

© 2008 г. К. А. Солнцев, В. Ю. Зуфман, Н. А. Аладьев, С. В. Шевцов, А. С. Чернявский, А. П. Стецовский

Институт физико-химических проблем керамических материалов Российской академии наук, Москва

e-mail: ksolntsev@mtu-net.ru Поступила в редакцию 14 11.2006 г.

В интервале температур 750-1100°C исследована кинетика окисления титановых преформ при получении образцов монолитного рутила окислительным конструированием тонкостенной керамики в виде пластин толщиной до 5 мм. Получены эмпирические соотношения, описывающие кинетику этих процессов. Впервые показано влияние массы преформ на скорость окисления титана и количество образующегося рутила, что является неожиданным с точки зрения известных закономерностей образования оксидов металлов. Рассмотрен возможный механизм синтеза рутила, получаемого окислительным конструированием тонкостенной керамики.

ВВЕДЕНИЕ

На рубеже ХХ-ХХ1 веков был предложен новый подход к получению монолитных оксидных керамических материалов и тонкостенных изделий из них сложных ажурных форм - окислительное конструирование тонкостенной керамики (ОКТК) [1]. Использование ОКТК позволяет получать, например, такие керамические изделия, как тонкостенные (толщина стенки порядка 100 мкм и менее) сотовые керамические носители катализаторов, монолитные волокнистые керамические фильтры для очистки раскаленных газов, керамические теплообменники, другие тонкостенные и ажурные керамические изделия.

Изучение механизмов и закономерностей формирования свойств и структуры керамических материалов, получаемых ОКТК, а также распространение этого подхода на получение керамических материалов и изделий с толщиной стенки до 2-10 мм и более представляет значительный научный интерес. Эти механизмы и закономерности должны быть в достаточной степени идентичны таковым в хорошо изученных случаях окисления металлов [2-5], поскольку, по крайней мере внешне, процессы ОКТК и окисления в традиционном понимании выглядят одинаково: в обоих случаях воздействию окислителя (в большинстве случаев кислорода воздуха) в условиях повышенных температур подвергается поверхность металла. Однако, если в случаях окисления исследуется образование тонкой (как правило, не более 100 мкм) оксидной пленки, то в случаях ОКТК изучаются процессы глубокого и полного окисления материала металлической преформы и образования слоя плотной бездефектной оксидной кера-

мики толщиной до 2-10 мм и более, плотно закрывающего поверхность металла и являющегося единственным барьером для проникновения атомов кислорода и металла к границам металл/оксид и оксид/воздух соответственно.

Первые же результаты изучения кинетики и механизмов ОКТК [6] показали, что они существенно отличаются от известных закономерностей образования тонких оксидных пленок.

Цель данной работы - исследование кинетики окисления титановых преформ при получении образцов монолитного рутила ОКТК в виде пластин толщиной до 5 мм.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Кинетику окисления преформ из титана марки ВТ-1-0 кислородом воздуха изучали методом термогравиметрии в интервале температур 750-1100°С. Химический состав образцов титана и оксидов определяли с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ) LEO 1420 фирмы Zeiss, оснащенного системой энергодисперсионного микроанализа INCA 300 фирмы OXFORD Instruments (Великобритания). Характер их кристаллической структуры контролировали с помощью дифракто-метра XRD-6000 фирмы Shumadzu. В качестве преформ использовали листы из фольги толщиной от 25 до 300 мкм и диски диаметром 35-60 и толщиной 1.5-40 мм. Размеры преформ определяли с погрешностью не более 0.1 мм, ошибка взвешивания не превышала 0.1 г.

В кинетических экспериментах определяли увеличение массы образцов при их окислении кислоро-

то, г

т, сут

Рис. 1. Кинетика поглощения кислорода из воздуха титановыми дискообразными преформами диаметром 36 и толщиной 40 мм при температурах 850 (а), 875 (б), 900 (в), 920 (г), 960°C (д).

дом в изотермическом режиме. Методика этих исследований и примененная аппаратура подробно описаны в [6]. В каждом опыте определяли исходную массу преформ (G), массу преформ с образовавшимся слоем оксида (G+), а также массу плотного монолитного оксида, который легко отделялся от металла при охлаждении преформы со скоростью более 2°С/мин.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На границе металл/оксид обнаружилось ~0.01-0.05 г/см2 мелкодисперсного (размер частиц ~1-3 мкм) порошка, представлявшего, по данным РФА, кристаллические образования со структурой рутила.

Отделявшийся от металла преформы слой монолитного оксида толщиной 1-5 мм также представлял собой рутил. Об этом свидетельствуют, с одной стороны, данные РФА полученных монолитных образцов керамики, а с другой - анализ массовых соотношений полученного оксида, поглощенного преформой кислорода и вступившего в реакцию металла. Так, в одном из опытов окислению подвергали преформу в виде диска диаметром 60 и толщиной 36 мм с О = 457.6 г. После завершения эксперимента масса преформы достигала значения О+ = 511 г. Таким образом, масса поглощенного преформой кислорода составляла О0 = О+ - О = 53.4 г. Масса образовавшегося при этом оксида, отделенного от оставшегося металла преформы, оказалась равной 133 г, а остаточная масса металла преформы, очищенного от оксида, О = 378 г. Из этих данных следует, что масса металла, вступившего в реакцию ОМ = О - О0 = 79.6 г, а исходные компоненты прореагировали в соотношении 79.6/53.4 = 1.491, что в пределах точности эксперимента, обусловленной возможными потерями части оксида при отделении от металла преформы, соответствует уравнению реакции

Т1 + 02 = Т102. (1)

При анализе результатов термогравиметрических исследований окисления металлов экспериментальные данные принято представлять в виде кинетических зависимостей изменения масс кислорода, поглощаемого единицей поверхности преформы (т0), или оксида - в нашем случае рутила, образующегося на единице поверхности преформы.

На рис. 1 представлены некоторые из полученных нами экспериментальных зависимостей т0(т). Видно, что все они состоят из двух участков: от начала термостатирования (т = 0) до точки перехода, соответствующей времени тп, и от тп до окончания опыта. Отметим, что при окислении преформ толщиной менее 1 мм вся масса металла полностью окислялась на первом этапе. Также обратим внимание на то, что зафиксированные в наших опытах величины т0, достигающие значений 0.5-0.9 г/см2, в 102-104 раз больше обычно наблюдавшихся при исследованиях окисления металлов [2-5].

Детальный анализ первых участков полученных кинетических кривых показал, что на этом этапе возрастание массы поглощаемого преформой кислорода т0 в пределах точности измерений описывается экспоненциальным уравнением вида

т0 = т0 0 [1 - ехр(-Ят)], (2)

где m0 O - предэкспоненциальныи множитель, т - время в сутках, К - константа скорости процесса (сут-1).

По истечении времени тп практически прекратившееся к этому моменту поглощение преформоИ кислорода возобновляется со скоростью линеИного периода, определяемой соотношением

Кл = dmO/dT. (3)

С этоИ почти постоянной за достигнутое время наблюдения скоростью процесс продолжается до полного превращения всего металла преформы в оксид.

Согласно уравнению (1), массе поглощенного кислорода mO соответствуют масса окисленного металла mM = 1.5mO и образовавшегося рутила mR = 2.5mO. Как будет показано ниже, параметры кинетического уравнения (2) существенно зависят от массы окисляемых преформ, хотя в рамках общепринятых представлении относительно закономерностей и механизмов процессов окисления металлов (например, в теории Вагнера и др.) подобного рода эффекты вообще не рассматриваются. В связи с этим необходимо ввести такоИ параметр, как приведенная масса преформы, характеризующий величину массы металла, приходящуюся на единицу поверхности преформы:

g = G/S. (4)

Здесь S - площадь поверхности преформы.

В результате обработки полученных экспериментальных зависимостей mO(T) наИдены величины параметров m0 M, К, Кл и тп, характеризующих кинетику процессов окисления металла преформ. При этом приведенную массу использованных дискообразных преформ рассчитывали по формуле

g = G/S = G/[nD2/2 + nDh], (5)

где h - толщина диска, а D - его диаметр.

Первым, на наш взгляд важным, результатом проведенных исследованиИ явилось то, что величины параметров m0 M, К и тп оказались существенно зависящими от приведенноИ массы преформы g. Графики на рис. 2 и 3 показывают, что масса поверхностного слоя металла (m0 M), окисляющегося на экспоненциальноИ стадии процесса ОКТК, существенно возрастает по мере увеличения g. При этом, как следует из рис. 3, зависимость становится линеИ-ноИ в координатах m0 M-g05 и с коэффициентом корреляции 0.98 может быть представлена соотношение

m0 m = 0.427g05. (6)

На рис. 4 построена зависимость доли окисленного на экспоненциальноИ стадии процесса ОКТК металла преформ от их приведенноИ массы. Видно, что в области значениИ приведенноИ массы меньше 0.2 г/см2, что соответствует толщине преформы порядка 0.5 мм, весь металл преформы полностью

g0, г/см2

0.9 -

0.8 -

0.7 -

0.6 -

0.5 -

0.4 -

0.3 -

0.2 - V

0.1

*

0

/

/

/

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

3.5 4.0

g, г/см2

Рис. 2. Зависимость приведенной массы поверхностного слоя металла преформ go, окисленного в процессе ОКТК, от приведенной массы g преформ из фольги и дисков диаметром 60 и толщиной 1.5-40 мм при 875°С.

окисляется на экспоненциальной стадии процесса ОКТК (отношение т0 = 1). При больших толщинах преформ доля металла, окисляющегося на экспоненциальной стадии процесса ОКТК, уменьшается примерно обратно пропорционально величине приведенной массы, но всегда остается больше 20%.

На рис. 5 и 6 приведены зависимости константы скорости К и времени перехода тп от приведенной массы окислявшихся преформ. Как следует из рис. 5, величина К обратно пропорциональна массе преформы и с коэффициентом корреляции

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком