Oxidation of nano-sized aluminum powders

Oxidation of nano-sized aluminum powders

Accepted Manuscript Title: Oxidation of nano-sized aluminum powders Author: A.B. Vorozhtsov M. Lerner N. Rodkevich H. Nie A. Abraham M. Schoenitz E.L...

833KB Sizes 0 Downloads 56 Views

Accepted Manuscript Title: Oxidation of nano-sized aluminum powders Author: A.B. Vorozhtsov M. Lerner N. Rodkevich H. Nie A. Abraham M. Schoenitz E.L. Dreizin PII: DOI: Reference:

S0040-6031(16)30112-5 http://dx.doi.org/doi:10.1016/j.tca.2016.05.003 TCA 77509

To appear in:

Thermochimica Acta

Received date: Revised date: Accepted date:

13-2-2016 5-5-2016 7-5-2016

Please cite this article as: A.B.Vorozhtsov, M.Lerner, N.Rodkevich, H.Nie, A.Abraham, M.Schoenitz, E.L.Dreizin, Oxidation of nano-sized aluminum powders, Thermochimica Acta http://dx.doi.org/10.1016/j.tca.2016.05.003 This is a PDF file of an unedited manuscript that has been accepted for publication. As a service to our customers we are providing this early version of the manuscript. The manuscript will undergo copyediting, typesetting, and review of the resulting proof before it is published in its final form. Please note that during the production process errors may be discovered which could affect the content, and all legal disclaimers that apply to the journal pertain.

Oxidation of nano‐sized aluminum powders  A.B. Vorozhtsov1, M. Lerner2, N. Rodkevich2, H. Nie3, A. Abraham3, M. Schoenitz3, E.L. Dreizin1,3  1

 Tomsk State University, Tomsk, Russia  

2

 Institute of Strength Physics and Material Science, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences,  Tomsk, Russia 

3

 New Jersey Institute of Technology, Newark, NJ, USA 

  Corresponding author: Edward L. Dreizin, [email protected], 973‐596‐5751      Graphical abstract 

         

1   

Highlights  1. 2. 3. 4.

Weight gain measured in TG oxidation experiments was split between particles of different sizes  Reaction kinetics obtained by isoconversion explicitly accounting for the effect of size distribution  Activation energy is obtained as a function of oxide thickness for growth of amorphous alumina  Oxidation mechanism for nanopowders remains the same as for coarser aluminum powders   

  Abstract  Oxidation of aluminum nanopowders obtained by electro‐exploded wires is studied.  Particle size  distributions are obtained from transmission electron microscopy (TEM) images.  Thermo‐gravimetric  (TG) experiments are complemented by TEM and XRD studies of partially oxidized particles.   Qualitatively, oxidation follows the mechanism developed for coarser aluminum powder and resulting in  formation of hollow oxide shells.  Sintering of particles is also observed.  The TG results are processed to  account explicitly for the particle size distribution and spherical shapes, so that oxidation of particles of  different sizes is characterized.  The apparent activation energy is obtained as a function of the reaction  progress using model‐free isoconversion processing of experimental data.  A complete  phenomenological oxidation model is then proposed assuming a spherically symmetric geometry.  The  oxidation kinetics of aluminum powder is shown to be unaffected by particle sizes reduced down to tens  of nm.  The apparent activation energy describing growth of amorphous alumina is increasing at the  very early stages of oxidation.  The higher activation energy is likely associated with an increasing  homogeneity in the growing amorphous oxide layer, initially containing multiple defects and  imperfections.  The trends describing changes in both activation energy and pre‐exponent of the  growing amorphous oxide are useful for predicting ignition delays of aluminum particles.  The kinetic  trends describing activation energies and pre‐exponents in a broader range of the oxide thicknesses are  useful for prediction of aging behavior of aluminum powders.      Keywords: heterogeneous reaction, aluminum ignition, nano‐aluminum, aging, thermal analysis  Introduction  Development of practical methods to prepare nano‐sized aluminum powders 1 catalyzed research in  new nano‐energetic materials, including metal nanopowders, nano‐thermites, and intermetallic systems  2‐4 .  Although many compositions have been prepared and characterized in the last two decades, nano‐ sized aluminum powder remains the main component for multiple energetic formulations of interest for  propellants, explosives, and pyrotechnics 5‐7.  For most such formulations, oxidation of nano‐sized  aluminum is the process affecting critically both aging and ignition phenomena.  This explains an active  and sustaining interest in understanding and quantitative characterization of reactions governing  oxidation of nano‐sized aluminum, e.g., see 8‐14.  In particular, oxidation similarities and differences  between nano‐ and micron‐sized powders need to be established.  For example, widely discussed  changes in the melting characteristics of nano‐aluminum 15‐16 become significant for particles smaller  than 10 nm and may not play an important role for most practical nano‐powders with dimensions in the 

2   

100 nm range.  However, it remains unclear whether mechanisms and kinetics developed for oxidation  of coarse aluminum powders are directly transferrable for nano‐sized particles.    Oxidation mechanism of micron‐sized aluminum powders has been established relatively well 4, 17‐18.  It is  generally agreed that the reaction is diffusion controlled.  It is also agreed that the diffusion rates are  heavily affected by the structure of the growing aluminum oxide film.  The natural 2 – 4‐nm thick oxide  is amorphous; it transitions to ‐Al2O3 at elevated temperatures and growing oxide layer thickness 19‐20.   Further oxidation processes involve transformation of ‐Al2O3 to ‐ and ‐Al2O3 as temperatures  increase.  It has been shown recently that the reaction occurs at the interface separating the growing  alumina layer and gaseous oxidizer, and thus it is rate controlled by outward diffusion of aluminum ions  21‐22 .  Detailed thermo‐analytical measurements were reported and processed to establish kinetics of the  respective oxidation processes 23‐24.  Reactions at early oxidation stages were addressed in particular, as  most critical for modeling both ignition and aging phenomena 21.  A recent study 22 addressing oxidation  of nano‐sized aluminum mostly agrees with the above oxidation sequence.  However, quantitative  comparisons of oxidation rates and respective reaction kinetics are not available.    This work is aimed to characterize oxidation of aluminum nano‐powders quantitatively.  It is further  desired to determine the kinetics of respective reactions and compare it directly to that reported for  micron‐sized aluminum powders.   Experimental details  Spherical aluminum nanopowders were prepared in argon using electro‐exploded wires 16, 25.  The  powder was held at a reduced oxygen pressure for 72 hours for passivation.  The amount of active  aluminum in the as‐prepared powders was determined by reacting the powder with an aqueous  solution of sodium hydroxide and measuring the volume of the released hydrogen gas1.     Oxidation of spherical aluminum nanopowders is characterized in thermo‐analytical experiments,  including differential thermal analysis (DTA) and thermo‐gravimetry (TG).  For the purpose of obtaining  partially oxidized materials, samples were heated in air at 10 K/min to 823 K, 923 K, and 1183 K.  At the  target temperature, the samples were allowed to cool, and recovered for analysis.  Residual oxidation  after reaching the target temperature has not been measured, but is assumed to be negligible.   These  experiments used a Netzsch STA 449F3 instrument.  Additional TG measurements for the purpose of  examining oxidation kinetics were performed using a TA Instruments TA Q5000‐IR instrument.  For these  experiments, heating rates varied from 2 to 10 K/min, and the atmosphere was pure oxygen.  As‐prepared as well as partially oxidized particles were examined using a JEOL JEM‐100 CXII TEM.   Particle size distributions were determined by image analysis, and are based on a count of  approximately 4,600 particles.  In addition, XRD (XRD‐6000 by Shimadzu using Cu K radiation) was used  to determine phases formed during oxidation.    The oxide thickness on partially oxidized samples was determined from multiple TEM images using  ImageJ software26.   Five measurements on each particle were averaged.    Experimental results 

3   

TEM images of as prepared nanoparticles are shown in Fig. 1.  The particles are mostly spherical.   Particle sizes range from about 20 to 400 nm; a detailed particle size distribution obtained by processing  multiple TEM images is shown in Fig. 2.       Results of TG measurements are illustrated in Fig. 3.  A small initial mass loss is observed.  The  measurements are consistent with earlier reports on oxidation of micron‐ and nano‐sized aluminum  powders 2, 19, 27.  A rapid acceleration of the oxidation rate is observed around 800 K, prior to aluminum  melting, when amorphous oxide transforms into cubic spinel type alumina, typically ‐Al2O3.  A DTA  trace, omitted here for brevity, shows an exothermic peak corresponding to the accelerated mass  increase, followed by a small endothermic peak at the Al melting point.  At higher temperatures,  reaction rate accelerates further, again in agreement with earlier reports 14, 16, 19 assigning that  acceleration to thermally activated growth of transition alumina.  The TG traces shift to higher  temperatures at greater heating rates, as is expected for a thermally activated reaction.  A TG curve for  the oxidation in air, representative for the recovery of partially oxidized samples is shown in Fig. 3 for  comparison.      XRD patterns are shown in Fig. 4.  The as‐prepared passivated powder contains no detectable impurities.   Samples partially oxidized in air were recovered from different temperatures.  Consistent with earlier  results for coarser aluminum14, 16, there are no well resolved peaks of alumina for the sample recovered  from 823 K.  Thus, only amorphous oxide is expected to be formed at lower temperatures.  This  amorphous oxide may be partially hydrated, explaining the small initial mass loss observed by TG (see  Fig. 3).  At 923 K, alumina is present as the  (JCPDS 01‐083‐2080) and  polymorphs (JCPDS 98‐006‐ 9213).  Additional peaks, marked by asterisks in Fig. 4 are consistent with AlN (JCPDS 04‐007‐4280).   However plausible this appears for aluminum heated in air, based on the diffraction pattern alone a  partially reduced oxide with composition Al3O4 (JCPDS 04‐016‐0539) cannot be ruled out.  The presence  of cubic, spinel‐type  alumina is consistent with previous observation of  alumina at this stage of  oxidation.  At 1183 K,  alumina remains present.  Fewer peaks of the spinel type alumina are observed,  consistent with  alumina (JCPDS 00‐056‐0458).  The XRD patterns generally confirm that oxidation of  nano‐sized aluminum particles results in the formation of the same sequence of alumina polymorphs as  reported to form upon oxidation of coarser aluminum powders19‐22.      TEM images of partially oxidized particles are shown in Fig. 5.  At 823 K, the particles largely retain their  spherical shapes.  Some particles show apparent hollow features at the surface, as confirmed by  negligible amounts of Al or O measured by EDX.  The structure of particles recovered from 923 K  changes substantially.  All particles appear to contain a relatively thick oxide layer and a cavity.  The  presence of cavities is supported by mapping aluminum concentration using energy‐dispersive x‐ray  spectroscopy (line scans shown in Fig. 5 as well).  The cavity formation occurring on a time scale of  minutes in the current TG experiments is further consistent with cavities observed in previous  4   

research13,16, whereas in experiments13 individual Al nanoparticles were partially oxidized for durations  on the order of a second at higher temperatures.  Although particles mostly retain their spherical  shapes, most particles are now fused together.  Both oxide layer thickness and cavity size grow further  for particles recovered from 1183 K.        Technical Approach  In order to establish a kinetic description of the oxidation process, the TG measurements in oxygen  shown in Fig. 3 were processed accounting explicitly for the particle size distribution shown in Fig. 2.   This allowed to distribute the observed total sample mass over the particles in all size bins, and to  recover the oxide layer thickness for each particle size.  The geometry of the oxidation model is shown in  Fig. 6.  It is based on earlier work on micron‐sized aluminum powders28.  The location of the reactive  interface on the outer particle surface implies that the oxide growth rate is limited by the outward  diffusion of oxygen.  As the aluminum is consumed, a void grows in the aluminum particle core, and  aluminum is assumed to adhere to the inner surface of the growing oxide shell.  However, location and  shape of the void are not essential to the current calculation.  The void could be located off‐center; it  need not be spherical, and indeed may be present as multiple smaller voids.  The model only accounts  for the net volume of the void.  The validity of this approach diminishes as the oxidizing particles sinter and/or change shape.  However,  this analysis is useful in the early stages of oxidation, which are particularly important for both ignition  and aging processes.    To recover the oxide layer thickness for each particle size separately, the mass increment measured at a  given time for the entire powder, dmpowder, is taken as the sum of the mass increments of the particles in  all size bins: 

dm powder   ni dmi  

 

 

(1) 

i

where ni is the number fraction of particles in the i-th size bin, and dmi is the corresponding mass  increment of a particle in that size bin.  In previous work on micron‐sized aluminum24, 28, a particle’s  mass increment was taken as proportional to the instantaneous particle surface area.  This was justified  for early oxidation stages of large particles since the layer thickness on particles of different sizes was  not significantly different.  However, this assumption does not hold for nanosized particles, and was  therefore relaxed in the current research.   Instead, we use the solution of the diffusion equation for a  spherical particle with a growing oxide shell, written assuming that pure Al and pure O2 gas are on the  inner and outer sides of the oxide layer, respectively, and dropping the subscript i for brevity:  1

1 1 rr dm Al  4 Al D    dt  4 Al D 1 2 dt   r2  r1  r1 r2 

 

 

(2)     

5   

where  dmAl  is the mass change of aluminum;  D is the diffusion coefficient (generally following  Arrhenius kinetics), Al is the Al density (taken as a function of temperature), and  r1 and r2, are outer  and inner radii of the oxide shell, respectively (see Fig. 6).  The mass change of the particle is then  

dm  dmAl  dmox , 

 

 

 

 

 

 

(3) 

and the mass increments of oxide (taken as Al2O3) and Al metal are related via the reaction 



stoichiometry,  dmox   dmAl M Al2O3

 2M Al    where M are the respective molar masses.  Thus, the 

mass increment for a particle in the i‐th size bin is proportional to the factor  ai   r1r2  r2  r1    which  i is equivalent to the surface area at the geometric mean radius divided by the oxide layer thickness.  The  mass increment of the powder dmpowder is now distributed over all particles according to the distribution  of  ai  over the whole size distribution: 

ni dmi 

ni ai dm powder    ni ai

 

(4) 

i

The inner and outer radii, used to calculate the factors a, are calculated from the total oxide mass of a  particle, and the particle geometry: 

    3 mox  t   r2  r2,0  ox ,0  ,  r1    r23     ox T    4  ox T   1/3

1/3

 

(5) 

while accounting for thermal expansion via the temperature dependent oxide density ox.  Equations (5)  specify that new oxide is accumulated at the outer particle surface (at r1), while the Al metal – Al oxide  interface (at r2) remains constant save for thermal expansion.  Equations 2‐5 are solved for each time step.  The powder mass increment for each time step is  determined by the TG data acquisition rate and is taken as the finite observed mass changes mpowder: 

mi ,t  mi ,t t 

ai ,t

n a

m powder ,t  

 

 

(6) 

i i ,t

i

The subscripts t and t-t indicate values at the beginning and end of the current time step in the TG  data.  The summation starts at the beginning of the TG measurement with a particle mass  mi ,t 0 corresponding to an Al particle with a 2.5‐nm oxide layer.  This method for distributing the observed  powder mass in a TG measurement over the experimental particle size distribution was originally  developed elsewhere23‐24, and expanded for small particles in the present work.  Ultimately, TG traces representing oxidation of particles of each given size bin are obtained for different  heating rates.  This made it possible to perform kinetic analysis using a model‐free isoconversion  technique23‐24 to obtain activation energy as a function of the reaction progress defined for individual  particle sizes.  The processing explicitly accounts for the effect of particle size distribution on the TG  measurements.  Once the activation energies are obtained, the reaction model represented by Fig. 6 is  6   

considered to identify the pre‐exponent and thus to fully quantify the rate of oxidation.  The obtained  reaction kinetics for aluminum nanopowders is finally compared to that reported earlier for coarser  aluminum particles.    Results of data processing  Distributing the mass change of the whole powder (see Fig. 3) over the particle sizes shown in the  particle size distributions in Fig. 3, allows to recover how the oxide thickness increases with temperature  for particles of different sizes.  The oxide thickness as a function of temperature is shown in Fig. 7.    Finest, 10‐nm particles are predicted to be fully oxidized at temperatures close to 730 K.  The thickness  of the grown oxide layer is close to one half of the initial particle diameter.  Larger particles are fully  oxidized at increasingly higher temperatures.  Note that the oxide layer is predicted to grow at the outer  surface of the existing shell; thus the size of the particle continuously increases, while a cavity is growing  inside.  In addition, the thermal expansion is taken into account for both metal core and the oxide shell.   Because the particle diameter increases as a function of temperature, the thickness of the oxide layer  for the fully oxidized particles from larger bin sizes become substantially smaller than half of the initial  particle diameter.    A sudden reduction in the oxide thickness observed at 770 K represents re‐adjustment of the calculated  thickness as a result of polymorphic phase transition from amorphous to a higher density ‐Al2O3.    Predicted oxide thickness as shown in Fig. 7 was compared to that measured from the TEM images  acquired for partially oxidized particles recovered from different temperatures.  Diameters of particles  observed in TEM images were compared to the diameters expected to be produced at the respective  temperatures for the partially oxidized particles belonging to different particle size bins.  The bin, for  which the diameters matched was then selected for each image, so that the thicknesses of the  calculated and observed in TEM oxide layers could be compared to each other directly.  Results of such  comparisons are shown in Fig. 8.  The match between the TEM and processed TG data is excellent,  supporting the validity of the adopted oxidation model used to convert the measured mass increase into  the oxide thickness.      Oxidation kinetics for nano‐sized aluminum particles  Thickness of the grown oxide layer was considered as a convenient indicator of the reaction progress.   Unlike mass increase, oxide thickness can be used to gauge the degree of oxidation for particles of  different sizes.  Model‐free isoconversion processing 29 was applied to TG curves assigned to individual  particle size bins.  Initial oxide thickness was assumed to be 2.5 nm 30.  The processing was performed  separately for the portions of the curves describing growth of amorphous alumina, at temperatures  below 770 K, and growth of transition alumina polymorphs, principally, ‐Al2O3, above that temperature.   The temperature, at which this transition occurs was fixed for simplicity in calculations using the  oxidation model shown in Fig. 1 and transforming the measured TG trace into individual traces for  different size bins.  A more realistic model should account for both temperature and thickness of the  grown oxide layer 19, 31‐33 to describe this transition with a greater accuracy.   Apparent activation energy as a function of the oxide thickness for growth of amorphous oxide, Eamorph,  is shown in Fig. 9 for several individual particle size bins.  The results for different size bins are consistent  7   

among themselves and show a rapid increase in the activation energy followed by its stabilization at  about 155 kJ/mol.   The change in the activation energy, in kJ/mol is well described by the following  curve‐fitting function: 

154.2

. ∙ .

  

 

 

 

(4) 

where h is oxide thickness in nm.  The above expression is only valid for oxide thicknesses exceeding 2.5  nm, which is the thickness assumed to represent the initial natural oxide layer.      Once the activation energy, E, as a function of reaction progress is identified, an explicit oxidation model  is used to determine the respective value of the pre‐exponent.   Considering oxidation of a spherical  particle with an oxide shell, as given by Eq. (2), and assuming that 



, the values of 

pre‐exponent characterizing growth of amorphous alumina, Camorph, were obtained as shown in Fig. 10.   The pre‐exponent was separately obtained for different heating rates and for different particle size bins.   For clarity, shown in Fig. 10 are only the pre‐exponents obtained for two different size bins.  The results  were very consistent among themselves showing a trend that closely reflects the changes in the  activation energy.   As expected, the pre‐exponent changes in a much broader range of values than  activation energy.  Its change (in  ) can be described as a function of the oxide thickness using a curve‐ ∙

fitting expression analogous to that used for the activation energy: 

5.01

.

∙ .

  

 

 

 

(5) 

Similarly to Eq. (4), Eq. (5) can be used for the oxide thicknesses exceeding 2.5 nm.     Results of isoconversion processing of the TG measurements temperatures above 770 K, describing  growth of transition alumina polymorphs are illustrated in Fig. 11.  Apparent activation energy is  calculated for thicknesses above ca. 5.4 nm while the calculated values in Fig. 9, for amorphous oxide,  end around 3.5 nm.   The gap between 3.5 and 5.4 nm is not described because the polymorphic phase  transition was assumed to occur at a fixed temperature of 770 K.  At different heating rates, different  thickness of the amorphous oxide is predicted to grow by 770 K, varied from about 3.5 to 5.4 nm in  present experiments.  Respectively, the isoconversion processing, which uses data for all heating rates  simultaneously, is limited to the data range with the same range of variation of the oxide thickness,  selected as the reaction progress indicator.    The values of the apparent activation energies describing growth of ‐Al2O3 (Fig. 11) obtained from  processing TG data corresponding to different particle size bins are consistent with one another.  The  apparent activation energy increases from about 180 to approximately 230 kJ/mol as the oxide thickness  grows up to ca. 12 nm.  The activation energy then decreases to approximately 150 kJ/mol when oxide  thickness reaches ca. 20 nm.  Strong variations in the activation energy are observed at thicknesses  around 22 – 24 nm, which occur near the aluminum melting point for the heating rates used in the TG  measurements.  Following the melting point, the activation energy is observed to increase, reaching 

8   

very high values at the terminal thickness of about 60 nm.   It should be emphasized that Al melting has  no causal relation with the decrease in activation energy.  It is used here only as a reference point.    Using the apparent activation energy as shown in Fig. 11, and accounting for the specific oxidation  model (Fig. 1), the pre‐exponent values characterizing growth of transition alumina can also be  obtained, as shown in Fig. 12.  The pre‐exponent was only calculated for oxidation up to about 20 nm,  e.g., before the aluminum melting occurring in TG experiments.  A rapid increase in the apparent  activation energy following melting is probably associated with substantial changes in the morphology of  the oxidizing sample as a result of particle agglomeration, e.g., loss in the surface area available for  reaction.  This increase is unlikely to characterize heterogeneous oxidation reactions of interest in this  study.    For the pre‐exponent, the results are somewhat different when different particle size bins and different  heating rates are used.  A possible reason for this discrepancy is that in the present analysis, the  polymorphic phase transition from amorphous to ‐Al2O3 was assumed to occur at a fixed temperature  for simplicity.  In reality, this transition is affected by both temperature and oxide thickness; it occurs at  different temperatures for different oxide thicknesses, depending on the heating rate 33‐35.  Neglecting  the effect of oxide thickness would shift the starting point for the present analysis compared to the  actual formation of ‐Al2O3.  The shift would be different for different particle size bins and for different  heating rates.        Discussion  In this section, results obtained here for oxidation for nano‐sized aluminum powders are compared to  those reported for micron‐sized aluminum earlier 34.  Possible reasons for the observed differences in  the reaction kinetics for powders with different particle sizes are also discussed.  Apparent activation energy characterizing oxidation of aluminum is shown in Fig. 13 as a function of the  oxide thickness, where results for amorphous and transition alumina polymorphs shown in Figs. 9 and  11 are combined with the activation energy obtained for a coarser aluminum powder 35.  The inset in  Fig. 13 shows a close‐up to the range of small oxide thicknesses.  Thin solid lines represent piecewise  straight line fits proposed to describe the activation energy as a function of thickness in Ref. 25.  It is  remarkable that for both nano‐sized and micron‐sized powders, apparent activation energy describing  growth of amorphous alumina is shown to increase substantially for very small thicknesses and at low  temperatures.  The straight line segments proposed to describe the activation energy as a function of  the oxide layer thickness for coarse aluminum for practical applications offer a reasonable  approximation for the present data.  Using Eq. (4) instead is advisable for greater accuracy of predicted  oxidation rate; however, the difference between the values of activation energy is minor.     A fairly sharp increase in the apparent activation energy observed for thin amorphous alumina layers  may be attributed to healing imperfections and defects present in natural alumina and described in  earlier research using high‐resolution TEM images 25, 32.    9   

The trend for the apparent activation energy describing growth of ‐Al2O3 diverges slightly from the  trend implied by the current data for growth of the amorphous oxide.  This small difference is not  apparent from the data obtained for coarser powder in ref. 36, where the entire range of oxide  thicknesses was processed, without subdividing it into portions related to amorphous and crystalline  alumina polymorphs.     Generally, there is good agreement between trends describing the apparent activation energy as a  function of thickness of ‐Al2O3 for both nano‐ and micron‐sized powders for the oxide thicknesses up to  about 13 nm.  The apparent activation energies diverge somewhat between different types of powders  for greater alumina thicknesses, most likely as a result of changes in the powder morphologies,  primarily, sintering between oxidizing particles.    The initial oxidation is expected to be better described using Eq. (5) for the pre‐exponent, while the  piecewise straight line fits proposed in Ref. 31 for coarser aluminum are also expected to predict the  oxidation rate with an acceptable accuracy.      Comparisons of pre‐exponent values for different powders are illustrated in Fig. 14.  The inset shows a  close‐up to the range of small oxide thicknesses.  As in Fig. 13, thin solid lines represent piecewise  straight line fits proposed to describe the pre‐exponent as a function of thickness in Ref. 25.  There are  small but appreciable differences between the straight line fragments proposed to describe the pre‐ exponent as a function of the oxide thickness for coarse aluminum and the trends describing the pre‐ exponent for both amorphous and ‐Al2O3 based on the present measurements.  The initial oxidation is  expected to be better described using Eq. (5) for the pre‐exponent, using the present measurements,  where the initial oxidation is resolved better.   Description of growth of ‐Al2O3 is a bit more difficult to  quantify precisely because of an approximation used here to determine the instant of the polymorphic  phase change leading to its formation.      Initial reactions starting from thin, natural oxide film are particularly important for descriptions of both  ignition and aging of aluminum and related reactive materials.  Therefore, oxidation kinetics identified in  Ref. 25 and validated here, with slightly amended expressions for activation energy and pre‐exponent  (Eqs. 4, 5) should be used in the respective reaction models.    Aluminum ignition is most likely occurring soon after the polymorphic phase change transforming the  natural amorphous alumina into a higher density ‐Al2O3 phase.  The diffusion resistance of the oxide  layer diminishes, reaction rate accelerates, causing ignition 19, 25.  Predicting when the polymorphic  transition between amorphous and ‐Al2O3 occur can thus be used to predict the ignition delay for an  aluminum particle.  Because the phase change depends on both temperature and the oxide thickness,  calculating an increasing oxide thickness during the initial pre‐ignition particle heating is important.   Equations (4) and (5) obtained here as fits to the experimentally inferred apparent activation energy and  respective pre‐exponent can be used to perform such calculations for any aluminum particle heating  scenarios.  For example, to account for transitions between alumina polymorphs, the following equation  was proposed in Ref. 20: 

10   

1

 

 

 

(6) 

where F, K, and E are parameters describing a specific oxide polymorph.  It is important that the rate  of growth is affected by both temperature, as in usual thermally activated oxidation, and by the oxide  thickness.  Thus, to accurately predict when the rate of growth of ‐Al2O3 becomes significant (i.e.,  greater than the growth of amorphous alumina), one needs to simultaneously track both temperature  and thickness of the oxide layer.  Eqs. (4) and (5) enable one to track the thickness of the growing  amorphous alumina, and thus enable one to predict when ‐Al2O3 will start to grow, or when the particle  is expected to ignite.  A main shortcoming of the present approach is an approximate nature of Eq. (6),  although it properly accounts for the effects of both temperature and oxide thickness on structure of  the growing aluminum oxide.    For aging analysis, the effect of polymorphic phase change on the thickness of growing aluminum oxide  layer can be neglected; thus the straight line fits proposed in Ref. 25 are useful, which also describe the  present results reasonably well.  Conversely, fitting lines connecting trends for activation energies and  pre‐exponents for both amorphous and ‐Al2O3 using the present data can be obtained and used to  predict the rate of aluminum oxidation in slow aging processes.     Conclusions  Thickness of the oxide layer growing on nano‐sized aluminum powders exposed to elevated  temperatures in oxygen‐containing environments was obtained from both TEM images and processing  of respective TG traces.  The TG data processing accounted for the specific particle size distribution.  The  measured weight gain was split among different size bins of the powder, accounting for particle sizes  and spherical shapes, and taking into consideration that the reaction occurs at the outer interface of the  growing oxide layer.  The oxide layers observed in TEM images correlated well with those implied at  different temperatures by the TG measurements.    Oxidation kinetics was characterized using isoconversion processing of the TG data.  Separate trends for  kinetic activation energies and pre‐exponents as a function of the oxide thickness were obtained to  describe growth of amorphous and ‐Al2O3 polymorphs.  The present results are in good agreement with  the earlier studies characterizing kinetics of oxidation of coarser aluminum powders.  The present  results confirm that the mechanism of aluminum oxidation does not change as a function of particle size  down to tens of nm.    An increase in the apparent activation energy describing growth of amorphous alumina implied by  earlier work is confirmed here.  The higher activation energy is likely associated with an increasing  homogeneity in the growing amorphous oxide layer, initially containing multiple defects and  imperfections.  The trends obtained here and describing changes in both activation energy and pre‐ exponent of the growing amorphous oxide are useful for prediction of ignition delays of aluminum  particles.  The ignition is expected to occur when ‐Al2O3 forms disrupting continuity of the oxide layer  covering aluminum surface.  Formation of ‐Al2O3 is affected by both temperature and thickness of the  oxide layer.  The thickness of the oxide grown during pre‐ignition processes can be predicted using the  kinetics of growth of amorphous alumina obtained here.  The kinetic trends describing activation  energies and pre‐exponents in a broader range of the oxide thicknesses are useful for prediction of  aging behavior of aluminum powders.    11   

Acknowledgements  Research at NJIT was supported by Defense Threat Reduction Agency, Grant HDTRA1‐11‐1‐0060.  The  work at Tomsk State University was financially supported by the Ministry of Education and Science of  the Russian Federation within the framework of the Federal Target Program; Agreement No.  14.587.21.0019 (Unique identifier RFMEFI58715X0019).    

 

12   

References  1.  Tepper, F., Electro‐Explosion of Wire Produces Nanosize Metals. Metal Powder Report 1998, 53,  31‐33.  2.  Tepper, F., Metallic Nanopowders Produced by the Electro‐Exploding Wire Process. International  Journal of Powder Metallurgy (Princeton, New Jersey) 1999, 35, 39‐44.  3.  Jiang, W.; Yatsui, K., Pulsed Wire Discharge for Nanosize Powder Synthesis. IEEE Trans. Plasma  Sci. 1998, 26, 1498‐1501.  4.  Yetter, R. A.; Risha, G. A.; Son, S. F., Metal Particle Combustion and Nanotechnology.  Proceedings of the Combustion Institute 2009, 32 II, 1819‐1838.  5.  Dreizin, E. L., Metal‐Based Reactive Nanomaterials. Progress in Energy and Combustion Science  2009, 35, 141‐167.  6.  Gromov, A.; DeLuca, L. T.; Il'in, A. P.; Teipel, U.; Petrova, A.; Prokopiev, D., Nanometals in  Energetic Systems: Achievements and Future. Int. J. Energ. Mater. Chem. Propul. 2014, 13, 399‐419.  7.  Meda, L.; Marra, G.; Galfetti, L.; Severini, F.; De Luca, L., Nano‐Aluminum as Energetic Material  for Rocket Propellants. Materials Science and Engineering C 2007, 27, 1393‐1396.  8.  Higa, K. T., Energetic Nanocomposite Lead‐Free Electric Primers. Journal of Propulsion and  Power 2007, 23, 722‐727.  9.  Pivkina, A. N.; Frolov, Y. V.; Ivanov, D. A., Nanosized Components of Energetic Systems:  Structure, Thermal Behavior, and Combustion. Combustion, Explosion and Shock Waves 2007, 43, 51‐55.  10.  Henz, B. J.; Hawa, T.; Zachariah, M. R. In Atomistic Simulation of the Aluminum Nanoparticle  Oxidation Mechanism, Orlando, FL, Orlando, FL, 2010.  11.  Rai, A.; Lee, D.; Park, K.; Zachariah, M. R., Importance of Phase Change of Aluminum in Oxidation  of Aluminum Nanoparticles. Journal of Physical Chemistry B 2004, 108, 14793‐14795.  12.  Park, K.; Lee, D.; Rai, A.; Mukherjee, D.; Zachariah, M. R., Size‐Resolved Kinetic Measurements of  Aluminum Nanoparticle Oxidation with Single Particle Mass Spectrometry. Journal of Physical Chemistry  B 2005, 109, 7290‐7299.  13.  Rai, A.; Park, K.; Zhou, L.; Zachariah, M. R., Understanding the Mechanism of Aluminium  Nanoparticle Oxidation. Combustion Theory and Modelling 2006, 10, 843‐859.  14.  Trunov, M. A.; Umbrajkar, S. M.; Schoenitz, M.; Mang, J. T.; Dreizin, E. L., Oxidation and Melting  of Aluminum Nanopowders. Journal of Physical Chemistry B 2006, 110, 13094‐13099.  15.  Rufino, B.; Boulc'h, F.; Coulet, M. V.; Lacroix, G.; Denoyel, R., Influence of Particles Size on  Thermal Properties of Aluminium Powder. Acta Materialia 2007, 55, 2815‐2827.  16.  Coulet, M. V.; Rufino, B.; Esposito, P. H.; Neisius, T.; Isnard, O.; Denoyel, R., Oxidation  Mechanism of Aluminum Nanopowders. Journal of Physical Chemistry C 2015, 119, 25063‐25070.  17.  Puri, P.; Yang, V., Effect of Particle Size on Melting of Aluminum at Nano Scales. Journal of  Physical Chemistry C 2007, 111, 11776‐11783.  18.  Eisenreich, N.; Fietzek, H.; Del Mar Juez‐Lorenzo, M.; Kolarik, V.; Koleczko, A.; Weiser, V., On the  Mechanism of Low Temperature Oxidation for Aluminum Particles Down to the Nano‐Scale. Propellants,  Explosives, Pyrotechnics 2004, 29, 137‐145.  19.  Trunov, M. A.; Schoenitz, M.; Zhu, X.; Dreizin, E. L., Effect of Polymorphic Phase Transformations  in Al2o3 Film on Oxidation Kinetics of Aluminum Powders. Combustion and Flame 2005, 140, 310‐318.  20.  Trunov, M. A.; Schoenitz, M.; Dreizin, E. L., Effect of Polymorphic Phase Transformations in  Alumina Layer on Ignition of Aluminium Particles. Combustion Theory and Modelling 2006, 10, 603‐623.  21.  Zhu, X.; Schoenitz, M.; Dreizin, E. L., Oxidation of Aluminum Particles in Mixed Co2/H2o  Atmospheres. Journal of Physical Chemistry C 2010, 114, 18925‐18930.  22.  Schoenitz, M.; Patel, B.; Agboh, O.; Dreizin, E. L., Oxidation of Aluminum Powders at High  Heating Rates. Thermochimica Acta 2010, 507‐508, 115‐122.  13   

23.  Nie, H.; Zhang, S.; Schoenitz, M.; Dreizin, E. L., Reaction Interface between Aluminum and  Water. International Journal of Hydrogen Energy 2013, 38, 11222‐11232.  24.  Zhang, S.; Dreizin, E. L., Reaction Interface for Heterogeneous Oxidation of Aluminum Powders.  Journal of Physical Chemistry C 2013, 117, 14025‐14031.  25.  Nie, H.; Schoenitz, M.; Dreizin, E. L., Initial Stages of Oxidation of Aluminum Powder in Oxygen  Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 2016, under review.  26.  Rasband, W. S., Imagej, U. S. National Institutes of Health, Bethesda, Maryland, USA. 1997‐2015.  27.  Chen, L.; Song, W.; Lv, J.; Chen, X.; Xie, C., Research on the Methods to Determine Metallic  Aluminum Content in Aluminum Nanoparticles. Materials Chemistry and Physics 2010, 120, 670‐675.  28.  Zhu, X.; Schoenitz, M.; Dreizin, E. L., Aluminum Powder Oxidation in Co2 and Mixed Co2/O 2  Environments. Journal of Physical Chemistry C 2009, 113, 6768‐6773.  29.  Vyazovkin, S., Model‐Free Kinetics: Staying Free of Multiplying Entities without Necessity.  Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 2006, 83, 45‐51.  30.  Vyazovkin, S., Modification of the Integral Isoconversional Method to Account for Variation in  the Activation Energy. Journal of Computational Chemistry 2001, 22, 178‐183.  31.  Ramaswamy, A. L.; Kaste, P., A "Nanovision" of the Physiochemical Phenomena Occurring in  Nanoparticles of Aluminum. Journal of Energetic Materials 2005, 23, 1‐25.  32.  Gertsman, V. Y.; Kwok, Q. S. M., Tem Investigation of Nanophase Aluminum Powder. Microscopy  and Microanalysis 2005, 11, 410‐420.  33.  Reichel, F.; Jeurgens, L. P. H.; Richter, G.; Mittemeijer, E. J., Amorphous Versus Crystalline State  for Ultrathin Al2o3 Overgrowths on Al Substrates. J. Appl. Phys. 2008, 103, 093515/1‐093515/10.  34.  Jeurgens, L. P. H.; Sloof, W. G.; Tichelaar, F. D.; Mittemeijer, E. J., Growth Kinetics and  Mechanisms of Aluminum‐Oxide Films Formed by Thermal Oxidation of Aluminum. Journal of Applied  Physics 2002, 92, 1649.  35.  Jeurgens, L. P. H.; Sloof, W. G.; Tichelaar, F. D.; Mittemeijer, E. J., Structure and Morphology of  Aluminium‐Oxide Films Formed by Thermal Oxidation of Aluminium. Thin Solid Films 2002, 418, 89‐101.  36.  Rufino, B.; Coulet, M. V.; Bouchet, R.; Isnard, O.; Denoyel, R., Structural Changes and Thermal  Properties of Aluminium Micro‐ and Nano‐Powders. Acta Materialia 2010, 58, 4224‐4232.     

 

14   

  Fig. 1. TEM images of the aluminum nanoparticles used in experiments. 

Number of particles, ,%

25%

20%

15%

10%

5%

0% 1 10

2

10

Particle size, nm

3

10

 

Fig. 2. Particle size distribution obtained from TEM images. 

15   

Relative mass change

1.7 2 K/min (O 2) 5 K/min (O 2) 10 K/min (O 2) 10 K/min (air)

1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 400

600

800

1000

1200

Temperature, K

 

Fig. 3. Mass gain for an oxidizing aluminum nanopowder heated at different heating rates in oxygen.  A  measurement in air, on which recovery of partially oxidized samples is based, is shown for comparison. 

Al  

Square root of intensity, a.u.



*

Al 









 



*

Al

Al

*

*



 1183 K 

*

923 K

* 823 K

as prepared

20

30

40

50

60

70

80

Diffraction angle, 2  (Cu K) Fig. 4. XRD patterns showing as‐prepared powder and aluminum nano‐powders partially oxidized in air 

16   

and recovered from the indicated temperatures. Greek letters indicate polymorphs of Al2O3.  Asterisks  indicate diffraction peaks consistent with AlN. 

  Fig. 5. TEM images of partially oxidized aluminum particles. Particles were recovered from the indicated  temperatures.  Low‐temperature hollow features are marked with asterisks.  Example EDX scans along  the white lines are shown below the respective images.   

17   

Reactive interface r2 r1 Void Aluminum Oxide

 

Fig. 6. Schematic diagram of the geometry assumed by the oxidation model.    Particle bin size, nm 842 336

Oxide thickness, nm

60 50

255 40 196 30 152 20 77 10 0 600

14 10 700

800

900

1000

Temperature, K

1100

1200

1300

 

Fig. 7.  Thickness of the oxide layer grown on particles of different sizes as a function of temperature  when the powder is heated at 10 K/min obtained as a result of splitting the measured TG trace among  different powder size bins.  Particle bin size represents the initial particle diameter.  

18   

Oxide thickness, nm

60 50

Measured from TEM Calculated from TG processing

40 30 20 10 0 700

800

900

1000

1100

1200

1300

Temperature, K

 

Fig. 8. Thickness of the oxide layer for different partially oxidized particles measured from TEM images  and respective thickness of the oxide layer calculated to form on particles of respective sizes using the  oxidation model shown in Fig. 1 and splitting the measured TG trace among different powder size bins.   

Activation energy, kJ/mol

160 150 140 Bin size, nm

130 6. -11.1 Ea=154.2-1.8 .10 h

120

14 35 152 850

110 100 2.4

2.6

2.8

3.0

3.2

3.4

Oxide thickness, nm

3.6

3.8

 

Fig. 9. Apparent activation energy characterizing growth of amorphous alumina obtained from model‐ free isoconversion processing of experimental data and considering different particle sizes. 

19   

Pre-exponent, g/m/s

10

10

10

-1

152 nm 842 nm

-2

2 K/min 5 K/min 10 K/min

-3 7. -15.4 Ln(C)=-5.01-1.69 .10 h

10

-4

2.6

2.8

3.0

3.2

3.4

Oxide thickness, nm

 

Fig. 10. Pre‐exponent characterizing growth of amorphous alumina calculated considering different  particle sizes and different heating rates.   

Activation energy, kJ/mol

600 500 400

Near aluminum melting point

300 200

153 nm 850 nm

100 0

0

10

20

30

40

50

60

Oxide thickness, nm   Fig. 11. Apparent activation energy characterizing growth of transition alumina polymorphs obtained  from model‐free isoconversion processing of experimental data and considering different particle sizes. 

20   

Pre-exponent, g/m/s

10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10

4 3 2 1 0

Bin size, Heating rate, nm K/min

-1

152 152 152 842 842 842

-2 -3 -4 -5

2 5 10 2 5 10

-6

5

10

15

20

Oxide thickness, nm

 

Fig. 12. Pre‐exponent characterizing growth of transition alumina calculated considering different  particle sizes and different heating rates.  

Activation energy, kJ/mol

250

200 220

150

200 180 160

100

140 µm-Al n-Al, amorph. Al2 O3 n-Al, -Al2O3

50

0

3

5

8

10

120 100 80

13

3

15

4

18

Oxide thickness, nm

5

6

20

7

23

8

25

 

Fig. 13. Activation energy as a function of thickness of the grown oxide layer. Results for both  amorphous and transition alumina from the present measurements are combined with the activation  energy obtained for micron‐sized aluminum powders 25.  Thin solid lines show straight line fits proposed  for the activation energy in Ref. 25.  A dashed line in the inset is calculated using Eq. (4). 

21   

4

Pre-exponent, g/m/s

10 3 10 2

10 1 10 0 10 10

-1 -2

10 -3 10 10

-4 -5

10 -6 10 10 10

µm-Al n-Al, amorph. Al2 O3 n-Al, -Al2 O3

-7

10 2 10 1 10 0 10 -1 10 -2 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6

3

4

5

6

7

8

-8

3

5

8

10

13

15

18

Oxide thickness, nm

20

23

25

 

Fig. 14. Pre‐exponent as a function of thickness of the grown oxide layer. Results for both amorphous  and transition aluminas from the present measurements are combined with the pre‐exponent obtained  for micron‐sized aluminum powders 25.  Thin solid lines show straight line fits proposed for the pre‐ exponent in Ref. 25.  A dashed line in the inset is calculated using Eq. (5).   

22