Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4057
Main Title: Kinetische Untersuchungen zur Oxidation der nano- und mikrometerskaligen Al-, Ti- und Cu-Partikel in Luft
Translated Title: Kinetic studies of oxidation of nano- and micrometer-sized Al, Ti and Cu particles in air
Author(s): Schulz, Olga
Advisor(s): Kondratenko, Evgenii
Referee(s): Kondratenko, Evgenii
Schomäcker, Reinhard
Kemnitz, Erhard
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Mit der Herabsetzung der Partikelgröße kann sich die Wahrscheinlichkeit für eine spontane Pyrophorität bei Kontakt mit Luft erhöhen. Für die Herstellung von nanometerskaligen und mikrometerskaligen Partikeln gibt es sowohl neuentwickelte als auch lange bestehende Verfahren. Aber nicht alle Verfahren sind optimal für die Generierung gleichmäßiger bzw. monodisperser Korngrößenverteilungen geeignet. In der vorliegenden Arbeit wurden die Metalle Al, Ti und Cu untersucht, welche häufig in militärischen und zivilen Anwendungen verwendet werden. Diese wurden in partikulärer Form mit Hilfe eines neuen Verfahrens hergestellt. Außerdem wurde das Oxidationsverhalten von TiN-Partikeln in Bezug auf die Ähnlichkeiten der Produktbildung im Vergleich zu Ti untersucht. Als Herstellungsverfahren wurde die Elektro-Explosionstechnologie bzw. kurz EE-Technologie verwendet. Der größte Vorteil der EE-Technologie gegenüber anderen Methoden ist eine hohe Jahresproduktionskapazität von Pulvern. Außerdem ist die Herstellung vergleichsweise schnell und der Kaufpreis niedrig. Spontan-pyrophore Partikel benötigen besondere Schutzmaßnahmen, da beim Umgang und bei der Lagerung eine Brandgefährdung auftreten kann. Um einen betriebssicheren Umgang und eine sichere Lagerung über einen langen Zeitraum zu gewährleisten, müssen nicht nur Herstellungsverfahren, sondern auch Partikelgrößenverteilung und physiko-chemische Eigenschaften der Metallpartikel bekannt sein. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit der Zusammenhang zwischen den Partikelgrößen der verwendeten Metallpartikel und ihrer Oxidationskinetik untersucht. Dabei wurden etablierte analytische Methoden im Bereich der Hochtemperaturkorrosion für die Oxidationsuntersuchung von mikro- und nanometerskaligen Partikeln eingesetzt. Zum Beispiel wurde die Thermogravimetrie (TG) (nicht-isotherme und isotherme Reaktionsführung), Hochtemperaturröntgendiffraktometrie (HT-XRD) als in-situ Methode und Rasterelektronenmikroskopie (REM) verwendet. Hinsichtlich der Reaktionskinetik konnte gezeigt werden, dass Metallpartikel unterschiedliche Oxidationsmechanismen aufweisen. Es wurde jedoch eine annähernd sphärische Form und eine Diffusion von außen nach innen angenommen. Mathematisch ist die Diffusion von außen nach innen bei den verwendeten Partikelgrößen kaum von der Diffusion von innen nach außen zu unterscheiden, da dies erst bei deutlich kleineren Partikelgrößen relevant wird. Die Oxidationsmechanismen wurden anhand der Modelle für Feststoffreaktionen beschrieben. Eins der favorisierten Modelle war das Jander 3D-Modell (diffusionskontrollierte Reaktion an sphärischen Partikeln). Dieses Reaktionsmodell weist eine einfachere Lösung der Differentialgleichung für den Stoffumsatz im Vergleich zu dem in der Literatur auch häufig verwendeten „Shrinking-Core-Modell“ auf. Das Jander 3D-Modell wurde entweder allein (z.B. bei Ti-Partikeln) oder in einem kombinierten Reaktionsmodell in dieser Arbeit angewendet (z.B. bei Al, TiN und Cu). Die Auswertung erfolgte durch Anpassung der kinetischen Modelle an die experimentellen TG-Kurven durch einen nicht-linearen Least Squares Fit unter Verwendung von Routinen aus WolframMathematica®. Dabei wurden die präexponentiellen Faktoren sowie die Aktivierungsenergien bei der simultanen Anpassung eines kinetischen Modells für alle Partikel gleichen Metalltyps ermittelt. Darüber hinaus ermöglichte die Betrachtung der ?²- Funktion und der daraus abgeleiteten Standardabweichung, die bei allen beschriebenen Ergebnissen für nicht-isotherme Kurven bei wenigen Prozent oder besser lag, eine Bewertung der Qualität der Anpassung und damit auch einen Vergleich der Reaktionsmodelle.
The oxidation behaviour of nano- and micrometer-sized Al,- Ti- and Cu were compared regarding the similarities of the formation of the products. These particles were investigated between 323 K and 1473 K in air using high-temperature X-ray diffraction, the methods of thermal analysis (TG), scanning electron microscopy (REM). The particles were produced by wire explosion from the wire and supplied by SIBTHERMOCHIM (Russia). A Jander model for three-dimensional and combination of reaction of both, the Jander model and the 1. Order, were utilized for describing of the oxidation kinetics. A least squares fit procedure gives good agreement of the calculated curves to measured TG curves and adequate approximation to intensities of X-ray measurements. The kinetic parameters were determined: the pre-exponential factor and the activation energy.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-51654
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4354
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4057
Exam Date: 14-Feb-2014
Issue Date: 28-May-2014
Date Available: 28-May-2014
DDC Class: 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Subject(s): Kinetische Untersuchung
Metallpartikel
Nanoskalig
Oxidation
Thermogravimetrie
Kinetic parameters
Metal particles
Nano-sized
Oxidation
Thermal analysis
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Institut für Chemie » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
schulz_olga.pdf12.92 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.