第36卷第5期 北京科技大学学报 Vol.36 No.5 2014年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2014 氩气下Fe,O,-Ti0,体系的固相反应 任中山2)，胡晓军12区，薛向欣)，周国治12) 1)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京1000832)北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 3)东北大学材料与治金学院，沈阳110004 ☒通信作者，E-mail:huxiaojun@ustb.cdu.cn 摘要在氩气气氛下，采用扩散偶法研究了1323-1473K下的F©0，-T02体系的固相反应.使用电子探针对扩散偶的微 观形貌进行观察，并对F、T离子的扩散摩尔分数曲线进行定量分析.动力学分析表明，氩气下体系的固相反应受铁、钛和氧 离子的扩散控制.用Boltzmann--Matano法计算了体系的互扩散系数，其数量级在l0~s-l0~ocm2·s范围内，并随着温度和 Ti离子摩尔分数的增大而升高.氩气气氛下体系的扩散活化能约为356.06kJ·mol,远比空气下的大，表明外界气氛中氧分 压对体系的反应机理有重要影响. 关键词固相反应：二氧化钛：氧化铁：动力学：活化能 分类号TQ021.4 Solid state reaction of the Fe,O,-TiO,system in argon REN Zhong-shan',HU Xiao-jun,XUE Xiang-xin,CHOU Kuo-chih 1)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Metallurgical Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)School of Materials and Metallurgy,Northeastem University,Shenyang 110004,China Corresponding author,E-mail:huxiaojun@ustb.edu.cn ABSTRACT The diffusion couple method was used to study the solid-state reaction of the Fe2 O,TiO system in the temperature range of 1323 K to 1473 K in argon.The microstructure of the diffusion couple and the diffusion concentration profiles of Fe and Ti were determined by electron probe microanalysis (EPMA).According to kinetic analysis,this solid-state reaction is controlled by the diffu- sion of Fe,Ti and O ions.The inter-diffusion coefficient,which increases with the increasing temperature and concentration of Ti ions, was calculated by the Boltzmann-Matano method,and its order of magnitude is in the range of 10to 10-0cms-.The diffusion activation energy (about 356.06kJmol-)of the system in argon is much bigger than that in air,which indicates that the partial pres- sure of oxygen in atmosphere has important effect on the reaction mechanism of the system. KEY WORDS solid-state reactions;titanium dioxide:iron oxide;kinetics:activation energy 在治金和材料制备过程中，普遍存在金属或金 歧较大.虽存在较多的固一固反应模型，但对于氧离 属氧化物之间的固一固反应现象.为了能从微观角子的扩散情况和外界氧分压对固相反应的影响尚不 度更清晰地解释固相反应机理及其动力学，常采用 清楚.在笔者之前的研究中，讨论了Fe20,-Ti02体 扩散偶技术来研究固一固反应.当前，扩散技术还是 系空气下的固相反应机理，认为氧离子不直接参与 较多用于金属间的互扩散，如合金材料的制备 扩散，而是通过外界氧的传递参与反应因.对此，为 以及二元和三元相图的研究，在金属氧化物间的固 了弄清楚外界氧在反应过程中所起的作用，进行了 相反应研究还较少，而且对固相反应机理的研究分 氩气下该体系的固相反应研究. 收稿日期：20130308 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51090384) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.05.005:http://journals.ustb.edu.cn第 36 卷 第 5 期 2014 年 5 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 5 May 2014 氩气下 Fe2 O3 --TiO2 体系的固相反应 任中山1，2) ，胡晓军1，2) ，薛向欣3) ，周国治1，2) 1) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 2) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 3) 东北大学材料与冶金学院，沈阳 110004  通信作者，E-mail: huxiaojun@ ustb． edu． cn 摘 要 在氩气气氛下，采用扩散偶法研究了 1323 ～ 1473 K 下的 Fe2O3--TiO2体系的固相反应． 使用电子探针对扩散偶的微 观形貌进行观察，并对 Fe、Ti 离子的扩散摩尔分数曲线进行定量分析． 动力学分析表明，氩气下体系的固相反应受铁、钛和氧 离子的扩散控制． 用 Boltzmann-Matano 法计算了体系的互扩散系数，其数量级在 10 － 13 ～ 10 － 10 cm2 ·s － 1范围内，并随着温度和 Ti 离子摩尔分数的增大而升高． 氩气气氛下体系的扩散活化能约为 356. 06 kJ·mol － 1，远比空气下的大，表明外界气氛中氧分 压对体系的反应机理有重要影响． 关键词 固相反应; 二氧化钛; 氧化铁; 动力学; 活化能 分类号 TQ 021. 4 Solid state reaction of the Fe2O3-TiO2 system in argon ＲEN Zhong-shan1，2) ，HU Xiao-jun1，2)  ，XUE Xiang-xin3) ，CHOU Kuo-chih1，2) 1) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) School of Metallurgical Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 3) School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110004，China  Corresponding author，E-mail: huxiaojun@ ustb． edu． cn ABSTＲACT The diffusion couple method was used to study the solid-state reaction of the Fe2 O3-TiO2 system in the temperature range of 1323 K to 1473 K in argon． The microstructure of the diffusion couple and the diffusion concentration profiles of Fe and Ti were determined by electron probe microanalysis ( EPMA) ． According to kinetic analysis，this solid-state reaction is controlled by the diffu￾sion of Fe，Ti and O ions． The inter-diffusion coefficient，which increases with the increasing temperature and concentration of Ti ions， was calculated by the Boltzmann-Matano method，and its order of magnitude is in the range of 10 － 13 to 10 － 10 cm2 ·s － 1 ． The diffusion activation energy ( about 356. 06 kJ·mol － 1 ) of the system in argon is much bigger than that in air，which indicates that the partial pres￾sure of oxygen in atmosphere has important effect on the reaction mechanism of the system． KEY WOＲDS solid-state reactions; titanium dioxide; iron oxide; kinetics; activation energy 收稿日期: 2013--03--08 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51090384) DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 05． 005; http: / /journals． ustb． edu． cn 在冶金和材料制备过程中，普遍存在金属或金 属氧化物之间的固--固反应现象． 为了能从微观角 度更清晰地解释固相反应机理及其动力学，常采用 扩散偶技术来研究固--固反应． 当前，扩散技术还是 较多用于金属间的互扩散［1--5］，如合金材料的制备 以及二元和三元相图的研究，在金属氧化物间的固 相反应研究还较少，而且对固相反应机理的研究分 歧较大． 虽存在较多的固--固反应模型，但对于氧离 子的扩散情况和外界氧分压对固相反应的影响尚不 清楚． 在笔者之前的研究中，讨论了 Fe2O3--TiO2体 系空气下的固相反应机理，认为氧离子不直接参与 扩散，而是通过外界氧的传递参与反应［6］． 对此，为 了弄清楚外界氧在反应过程中所起的作用，进行了 氩气下该体系的固相反应研究．