纳米纯铁的热稳定性及其氧化动力学研究

论文摘要

纳米材料具有一系列优异的理化性能和力学性能,在电子、能源、生物、工程等领域有着广泛的潜在应用价值。本文以纯铁为研究对象,采用机械球磨法制备出纳米铁粉及实现纯铁的表面纳米化,借助X射线衍射、扫描电镜,热重等分析方法,研究了纳米铁粉的热稳定性,及纳米铁粉和表面纳米化纯铁的氧化动力学。主要的研究结果包括：1.纳米铁粉的热稳定性和氧化行为（1）球磨24h得到的纳米铁粉晶粒尺寸约为16nm,在200℃、250℃、300℃、400℃、500℃分别退火60min后,晶粒尺寸分别为21nm、22nm、23nm、24nm、30nm。晶粒长大的起始温度很低,200℃时晶粒已经长大。550℃以下,纳米铁粉具有较好的热稳定性。（2）对铁粉等温氧化行为的研究显示：450℃时,纳米铁粉的氧化速率大于粗晶铁粉；500℃时,氧化初期4700s以内,纳米铁粉氧化速率大,随着时间的延长,氧化速率减小,逐渐小于粗晶铁粉；550℃时,纳米铁粉的氧化速率远远小于粗晶铁粉。（3）纳米铁粉和粗晶铁粉单位质量的氧化增重与等温氧化时间符合Arrhenius关系：（ΔW）n=Kt。在450-550℃,等温氧化500-10470s,纳米铁粉和粗晶铁粉的反应级数n分别为3.24和2.92,激活能Q分别为94kJ/mol和124kJ/mol。2.表面纳米化纯铁的氧化行为（1）纯铁等温氧化的TG曲线上,都有一个质量增加的突变,并在DSC曲线的相应位置上出现一个放热峰,温度越高,突变和放热出现的越早,且表面纳米化纯铁突变和放热出现的时间早于粗晶纯铁。（2）TG曲线突变前后,表面纳米化纯铁和粗晶纯铁单位面积上的氧化增重与加热时间符合Arrhenius关系：（ΔW）n=Kt。在800-1000℃,等温氧化500-10470s,突变前,表面纳米化纯铁和粗晶纯铁的反应级数n分别为2.17和2.13,激活能Q分别为270kJ/mol和306kJ/mol;突变后,表面纳米化纯铁和粗晶纯铁的反应级数n分别为4.73和4.46,激活能Q分别为453kJ/mol和470kJ/mol。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 纳米材料简介
• 1.1.1 纳米材料的概念
• 1.1.2 纳米材料的制备
• 1.1.3 纳米材料的结构特征与稳定性
• 1.1.4 纳米材料的性能
• 1.1.5 材料的表面纳米化
• 1.2 金属高温氧化
• 1.2.1 金属高温氧化定义
• 1.2.2 金属高温氧化的热力学基础
• 1.2.3 金属高温氧化的基本过程
• 1.2.4 氧化膜的完整性及其性质
• 1.2.5 金属氧化的动力学规律
• 1.2.6 影响金属氧化行为的因素
• 1.3 铁的氧化
• 1.3.1 Fe-O二元相图
• 1.3.2 铁的氧化
• 1.4 本课题的设想
• 第2章 样品制备和测试
• 2.1 样品制备
• 2.1.1 实验设备
• 2.1.2 样品制备
• 2.2 分析和测试方法
• 2.2.1 X-射线衍射（XRD）
• 2.2.2 扫描电镜观察（SEM）
• 2.2.3 金相显微镜
• 第3章 纳米铁粉的热稳定性
• 3.1 纳米铁粉的外观形貌
• 3.2 晶粒尺寸与球磨时间的关系
• 3.3 纳米铁粉的热稳定性
• 3.3.1 晶粒尺寸与退火温度的关系
• 3.3.2 等温晶粒长大规律
• 3.4 纳米材料热稳定性的理论分析
• 3.4.1 纳米晶界的本征结构
• 3.4.2 纳米晶体晶界的活动性
• 3.5 本章小结
• 第4章 纳米铁粉的氧化动力学
• 4.1 实验方法
• 4.2 实验结果与讨论
• 4.2.1 连续升温氧化
• 4.2.2 等温氧化
• 4.2.3 氧化动力学参数的计算
• 4.3 本章小结
• 第5章 表面纳米化纯铁的氧化动力学
• 5.1 实验方法
• 5.2 实验结果分析
• 5.2.1 纯铁氧化后组织结构特征
• 5.2.2 等温氧化
• 5.2.3 氧化动力学参数计算
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢