Investigation of the aging behavior of aluminum powders

This work focuses on the investigation of the aging behavior of aluminum powders. Two micron-sized (µAl-30 and µAl-7.5) and two nano-sized (nAl-100 and nAl-40) aluminum powders were analyzed. The nominal particle size of the tested powders was in the range 30 μm (for µAl-30) to 40 nm (for nAl-40). First, a physical characterization of the powders was performed. The powders morphology and structure were studied by SEM and TEM imaging, respectively. In µAl-30 the presence of small particles with smooth surface and spherical shape together with larger irregular objects was evidenced. The generally regular texture hindered strong particleparticle interactions, and thus clustering. For nAl-100 and nAl-40 the relatively smooth surface texture of the particles resulted indeed in an high clustering tendency, due to the small size. The transmission microscopy images of nano-sized powders exhibited an oxide layer on the particles surface, with an estimated thickness of about 5 nm. The shell also presented some defects due to the production technique. The powders composition was determined by X-ray diffraction (XRD). The only crystalline phase detected was aluminum, being the oxide coverage mostly amorphous. The aluminum content (CAl) was evaluated by a volumetric method, obtaining values in the interval 99.1 wt.% (for µAl-30) to 77.1 wt.% (for nAl-40). This feature seems to be in direct correlation with the specific surface area (Ssp) of the powders. The latter was determined by nitrogen adsorption/desorption isotherm through the BET model, yielding values in the range 12.6 m^2/g (for nAl-100) to 24.5 m^2/g (for nAl-40). The powders reactivity was estimated by parameters obtained from thermogravimetry (TG) at low heating rate. Tests underlined the two-step oxidation mechanism of the powders. A low dispersion of the results was obtained in the case of nAl-100 and nAl-40, with the intense oxidation onset temperatures of 856.1 ± 0.2 K and 816.5 ± 1.0 K, respectively. In the second part of the study the powders were tested under accelerated aging conditions. All the investigated powders were initially stored in a dry environment with a RH < 10 %, showing no significant changes within 14 days. On the contrary, micron-sized powders stored under hot and humid conditions for the same period lost only part of their CAl. An abrupt slowdown of the corruption process had been observed after 7 days. Substantial differences were observed by testing the nano-sized powders under the same conditions. A nearly full consumption of the CAl occurred in less than 36 hours for nAl-100, while nAl-40 required only 20 hours. After an induction period, the aged samples showed a dramatic reactivity reduction with respect to the fresh powders. Various tests were performed to study the effects of low temperatures and different RH on the nAl-100 storage, showing the predominant effect of temperature.

Il presente lavoro riguarda l’invecchiamento di polveri d’alluminio. Due polveri micrometriche (µAl-30 e µAl-7.5) e due nanometriche (nAl-100 e nAl-40) sono state analizzate. La dimensione nominale delle particelle è compresa tra i 30 μm di µAl-30 e i 40 nm di nAl-40. Le polveri sono state dapprima caratterizzate in termini di morfologia e struttura per mezzo di immagini SEM e TEM. Queste hanno evidenziato in µAl-30 la presenza sia di piccole particelle sferiche dalla superficie liscia che di elementi più grandi e dalla forma irregolare. Queste caratteristiche hanno inibito l’interazione forte tra particelle, impedendo la formazione di coacervi. Una peculiare tendenza all’aggregazione è stata invece riscontrata in nAl-100 e nAl-40, a causa della presenza di particelle tutte di piccole dimensioni, sferiche e dalla superficie relativamente regolare. Le immagini ottenute tramite microscopia a trasmissione delle nanopolveri hanno mostrato particelle ricoperte da uno strato di ossido con uno spessore stimato di circa 5 nm. Questo guscio presentava anche difetti dovuti al processo produttivo. La composizione delle polveri è stata determinata per diffrazione di raggi X (XRD). La sola fase cristallina rilevata è stata alluminio, essendo la copertura di ossido principalmente amorfa. Il contenuto attivo d’alluminio (CAl) è stato valutato con un metodo volumetrico, ottenendo valori compresi tra il 99.1 wt.% di µAl-30 e il 77.1 wt.% di nAl-40. Ciò sembra essere in correlazione con la superficie specifica (Ssp) delle polveri, determinata per mezzo di isoterme di adsorbimento/desorbimento di azoto. Dall’applicazione del modello BET sono risultati valori di 12.6 m^2/g per nAl-100 e 24.5 m^2/g per nAl-40. La reattività delle polveri è stata stimata tramite termogravimetria (TG) a basso rateo di riscaldamento. Le prove hanno evidenziato il tipico meccanismo ossidativo a doppio gradino. I risultati ottenuti per nAl-100 e nAl-40 hanno in particolare mostrato una scarsa dispersione, con temperature di inizio dell’intensa ossidazione di 856.1 ± 0.2 K e 816.5 ± 1.0 K, rispettivamente. Nella seconda parte di questo studio le polveri sono state testate in condizioni di invecchiamento accelerato. Inizialmente sono state tutte immagazzinate in un ambiente asciutto (RH < 10 %) per 14 giorni, non mostrando alcun segno di cambiamento. Al contrario, le polveri micrometriche stoccate in ambiente umido ad alta temperatura hanno perso parte del loro CAl. Questo processo era già rallentato bruscamente dopo 7 giorni. A parità di condizioni ambientali, il CAl di nAl-100 è stato completamente consumato in meno di 36 ore, scese a 20 per nAl-40. Dopo un iniziale periodo di stasi, la reattività delle polveri invecchiate è drasticamente calata. Vari esperimenti sono stati effettuati per studiare gli effetti di basse temperature e diverse RH sullo stoccaggio di nAl-100, mostrando la predominante influenza della temperatura.