根据: ＰＯ2(Ｖ)=ｎＯ2ＲＴ(2)
ｎＦｅ=ＶＦｅρ/ＭＦｅ(3)
式中: Ｖ—反应物压坯的体积;
—压坯的孔隙率;
ＰＯ2—氧气压力;
ｎＯ2—氧气的物质的量;
ＶＦｅ—反应体系中Ｆｅ粉的体积;
ρ—Ｆｅ的密度;
ＭＦｅ—Ｆｅ的原子量。
由式(1)可推算:ＶＦｅ=2ｋ2 ｋＶ(4)
可得铁氧体的转化率:Ｃ=2(2 ｋ)3ｋ·ＭＦｅρＲＴｃ·1-ＰＯ2(5)
此式为转化率Ｃ和氧气压力ＰＯ2、孔隙率及温度Ｔｃ之间的关系。由此式可得,当孔隙率与温度一定时,转化率与氧压力之间的关系如图3所示。从图中可见,转化率随氧压力的增大而提高。当Ｔｃ=1300Ｋ,ｋ=0.5,=0.5时,完全转化所需氧压力为0.456ＭＰａ,图3(ａ);当Ｔｃ=1500Ｋ,ｋ=0.5,=0.5时,完全转化所需氧压力为0.526ＭＰａ,图3(ｂ)。
同样,当转化率和温度一定时,随着孔隙率的降低,氧气压力必须升高;当转化率和孔隙率一定时,温度Ｔｃ随氧压力的升高而升高。对于Ｃ=1,孔隙率一定时,式(5)变为:
ＰＯ2=3ｋ2(2 ｋ)·ρＲＭＦｅ·1-Ｔｃ(6)
因此,在温度Ｔｃ时存在临界值Ｐｃ,当ＰＯ2≥Ｐｃ时,空隙中的氧气满足Ｆｅ完全氧化;当ＰＯ2<Ｐｃ时,孔隙内的氧气不足,必须从压坯外向压坯内部渗透,此时,转化率必然受到孔隙及氧气压力的影响,如果在反应区氧气不足则使反应物不能完全转化成铁氧体,压坯内将存在剩余的初始反应物。
图4是在氧压力分别为0.5ＭＰａ和0.9ＭＰａ的Ｎｉ Ｚｎ铁氧体粉体的ＴＥＭ照片,从照片中可见,0.5ＭＰａ下的粉体颗粒尺寸分布较均匀,颗粒近似呈球形,无明显团聚;而在0.9ＭＰａ下的颗粒尺寸异常 长大,呈多角形状,这主要是由于高压氧气所造成的。而且如果氧压力过高,产物易于产生致密化和熔化现象,不利于后处理的进行。因此选择适当范围的氧压力是十分关键的,综合上述分析结果,本试验适合的氧压力为0.5ＭＰａ。
4 结论
考察了在ＳＨＳ合成Ｎｉ Ｚｎ铁氧体过程中,氧压力对燃烧反应的影响。实验结果表明,随氧压力增加,燃烧温度和燃烧波速度均增加。结合理论计算结果,选择适合的氧压力为0.5ＭＰａ。在此条件下合成得到的粉体,颗粒尺寸分布较均匀,颗粒近似呈球形,无严重团聚。
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