材料测试技术资料资料Word格式.docx

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由加热炉、试样容器、热电偶、温度控制系统及放大、记录系统等部分组成。

4、差热分析DTA的基本原理

差热分析是在程序控制温度下测定物质和参比物之间的温度差和温度关系的一种技术。

由于物质在加热或冷却过程中的某一特定温度下，往往会发生伴随有吸热或放热效应的物理、化学变化。

将差热电偶的一个热端插在被测试试样中，另一个热端插在待测温度区间内不发生热效应的参比物中，试样和参比物同时升温，测定升温过程中两者的温度差，就构成了热分析的基本原理。

DTA曲线：

纵坐标代表温度差ΔT，吸热过程显示一根向下的峰，放热过程显示一根向上的峰。

横坐标代表时间或温度，从左到右表示增加。

5、应用

（1）定性分析：

定性表征和鉴别物质，

依据：

峰温、形状和峰数目

方法：

将实测样品DTA曲线与各种化合物的标准（参考）DTA曲线对照。

标准卡片有：

萨特勒（Sadtler）研究室出版的卡片约2000张和麦肯齐（Mackenzie）制作的卡片1662张（分为矿物、无机物与有机物三部分）。

（2）定量分析

峰面积。

因为峰面积反映了物质的热效应（热焓），可用来定量计算参与反应的物质的量或测定热化学参数。

（3）借助标准物质，可以说明曲线的面积与化学反应、转变、聚合、熔化等热效应的关系。

6、缺点：

定性分析，灵敏度不高

7、试样要求：

（1）热容量和热导率的变化

应选择热容量及热导率和试样相近的作为参比物

反应前基线低于反应后基线,表明反应后试样热容减小.

反应前基线高于反应后基线,表明反应后试样热容增大.

（2）试样的颗粒度

——试样颗粒越大,峰形趋于扁而宽.反之,颗粒越小,热效应温度偏低,峰形变小.

——颗粒度要求:

100目-300目（0.04-0.15mm）

（3）试样的结晶度,纯度和离子取代

——结晶度好,峰形尖锐;

结晶度不好,则峰面积要小.

——纯度,离子取代同样会影响DTA曲线.

（4）试样的用量

——试样用量多,热效应大,峰顶温度滞后,容易掩盖邻近小峰谷.

——以少为原则.——硅酸盐试样用量:

0.2-0.3克

（5）试样的装填：

装填要求:

薄而均匀。

试样和参比物的装填情况一致

（6）热中性体（参比物）：

——整个测温范围无热反应——比热与导热性与试样相近

——粒度与试样相近（100-300目筛）常用的参比物:

α-Al2O3（经1270K煅烧的高纯氧化铝粉,α-Al2O3晶型）

差示扫描量热分析法DSC

1、原理：

通过对试样因热效应而发生的能量变化进行及时补偿，保持试样与参比物之间温度始终保持相同，无温差、无热传递，使热损失小，检测信号大。

灵敏度和精度大有提高，可进行定量分析。

1、功率补偿型差示扫描量热法

采用零点平衡原理。

试样和参比物具有独立的加热器和传感器。

即在试样和参比物容器下各装有一组补偿加热丝。

2、热流型差示扫描量热法

热流式和热通量式，都是采用DTA原理的量热法

2、DSC曲线：

是在差示扫描量热测量中记录的以热流率dH/dt为纵坐标，以温度或时间为横坐标的关系曲线。

3、DSC技术的特点：

由于试样用量少，试样内的温度梯度较小且气体的扩散阻力下降，对于功率补偿型DSC有热阻影响小的特点。

热重分析TGA

在可调速度的加热或冷却环境中，把被测物质的重量作为时间或温度的函数记录成TGA曲线，通过对曲线的微商来获得对被测物质的定量分析。

可分为静态法和动态法。

2、TG曲线：

以质量（或百分率%）为纵坐标，从上到下表示减少，以温度或时间作横坐标，从左自右增加，试验所得的TG曲线，对温度或时间的微分可得到一阶微商曲线DTG和二阶微商曲线DDTG

3、特点：

是定量性强，能准确地测量物质的质量变化及变化的速率。

4、试样制备方法：

A） 

热重分析前天平校正。

B）试样预磨，100－300目筛，干燥、称量。

C）装填方法同DTA法。

D） 

选择合适的升温速率。

热膨胀分析

1、热膨胀分析法（Thermodilatometry）

——在程序控制温度下，测量物质在可忽视负荷下的尺寸随温度变化的一种技术。

包括 

线膨胀系数和体膨胀系数的测定。

2、热膨胀法的基本原理

热膨胀法是在程序控制温度下，测量物质的尺寸变化与温度关系，从而得出被测试物的相关信息。

热膨胀仪及实验方法：

热膨胀仪按照位移检测方法可分为差动变压器检测、光电检测和激光干涉条纹检测。

作业

1.简述差热分析的原理和装置示意图。

2.为何用外延始点作为DTA曲线的反应起始温度？

外延始点：

指峰的起始边陡峭部分的切线与外延基线的交点。

国际热分析会议决定，用外延起始温度Te作为反应的起始温度，并可用以表征某一特定物质。

原因：

Te受实验条件的影响较小，同时它与其他方法求得的反应起始温度也较一致。

3.影响差热分析的仪器、试样、操作因素是什么？

影响DTA曲线的仪器因素：

a）炉子尺寸：

均温区与温度梯度的控制

b）坩埚大小和形状：

热传导性控制

c）差热电偶性能：

材质,尺寸,形状,灵敏度选择

d）热电偶与试样相对位置：

热电偶热端应置于试样中心

e）记录系统精度

影响DTA曲线的试样因素：

（5）试样的装填

（6）热中性体（参比物）

影响DTA曲线的操作因素：

（1）加热速度

加热速度快,峰尖而窄,形状拉长,甚至相邻峰重叠.

加热速度慢,峰宽而矮,形状扁平,热效应起始温度超前.常用升温速度:

1-10K/min,硅酸盐材料7-15K/min.

升温速度对硫酸钙相邻峰谷的影响合适过快

（2）压力和气氛

——对体积变化大试样,外界压力增大,热反应温度向高温方向移动.

——气氛会影响差热曲线形态.

（3）热电偶热端位置

——插入深度一致,装填薄而均匀.

（4）走纸速度（升温速度与记录速度的配合）

——走纸速度与升温速度相配合.

——升温速度10K/min/走纸速度30cm/h.

3、阐述DSC技术的原理和特点。

4、简述DTA、DSC分析样品要求和结果分析方法。

DTA分析样品要求：

应选择热容量及热导率和试样相近的作为参比物；

试样的颗粒度要求：

100目-300目（0.04-0.15mm）；

试样的结晶度、纯度和离子取代要求：

结晶度好，峰形尖锐；

结晶度不好，则峰面积要小，纯度、离子取代同样会影响DTA曲线；

试样的用量：

以少为原则，硅酸盐试样用量：

0.2－0.3克；

试样的装填要求：

薄而均匀，试样和参比物的装填情况一致；

热中性体（参比物）：

整个测温范围无热反应，比热与导热性与试样相近，粒度与试样相近（100－300目筛），常用的参比物：

α－Al2O3（经1270K煅烧的高纯氧化铝粉，α－Al2O3晶型）。

DTA结果分析方法：

利用DTA来研究物质的变化，首先要对DTA曲线上每一个峰谷进行解释，即根据物质在加热过程中所产生峰谷的吸热、放热性质，出峰温度和峰谷形态来分析峰谷产生的原因和结果。

DSC分析样品要求：

可分析固体或液体样品，固体式样可分为粉末，薄片，晶体或颗粒状，样品量可根据要求在0.5-10mg之间变动，样品量少，可提高分辨率，从而提高定性效果。

样品量大，可观察到细小转变，从而得到精确的定量结果。

样品几何形状对峰形有影响，对样品纯度要求较高。

DSC结果分析方法：

1）称量法：

用硫酸纸沿确定的峰面积界限描剪下来，用微量天平称量后进行换算，其读数误差在2％之内。

2）数格法：

在已确定的峰面积界限内，统计占据记录纸小格数进行换算，其读数误差一般为2％－4％。

3）用求积仪，读数误差为4％。

4）用计算机，误差为0.5％。

5、DTA与DSC比较

1）DTA:

定性分析、测温范围大DSC:

定量分析、测温范围800℃以下（1650℃）

2）DSC与DTA比较，在差热分析中试样发生热效应时，试样的实际温度已不是程序升温所控制的温度（如在升温时试样由于吸热而一度停止升温），试样本身在发生热效应时的升温速度是非线性的。

而且在发生热效应时，试样与参比物及试样周围的环境有了较大的温差，它们之间会进行热传递，降低了热效应测量的灵敏度和精确度。

6、为何DTA仅能进行定性和半定量分析？

DSC是如何实现定量分析的？

答：

在差热分析中当试样发生热效应时，试样本身的升温速度是非线性的，而且在发生热效应时，试样与参比物及试样周围的环境有较大的温差，它们之间会进行热传递，降低了热效应测量的灵敏度和精确度，所以DTA仅能进行定性和半定量分析。

而DSC克服这些不足，通过对试样因发生热效应而发生的能量变化进行及时的应有的补偿，保持试样与参比物之间温度始终保持相同，无温差、无热传递，使热损失小检测信号大，可进行实现定量分析。

7、简述热重分析的特点和影响因素。

热重分析的特点：

热重分析就是在程序控制温度下测量获得物质的质量与温度关系的一种技术。

其特点是定量性强，能准确地测量物质的质量变化及变化的速率。

影响因素：

1）热重曲线的基线漂移：

基线漂移是指试样没有变化而记录曲线却指示出有质量变化的现象，它造成试样失重或增重的假象。

这种漂移主要与加热炉内气体的浮力效应和对流影响、Knudsen力及温度与静电对天平机构等的作用紧密相关。

2）升温速率：

升温速率直接影响炉壁与试样、外层试样与内部试样间的传热和温度梯度。

但一般地说升温速率并不影响失重量。

对于单步吸热反应，升温速率慢，起始分解温度和终止温度通常均向低温移动，且反应区间缩小，但失重百分比一般并不改变。

3）炉内气氛。

4）记录纸走纸速度：

记录纸走纸速度对热重曲线的清晰度和形状有很大影响。

5）坩埚形式：

坩埚的结构及几何形状都会影响热重分析的结果。

6）热电偶位置。

7）试样因素：

试样量从两个方面影响热重曲线：

a、试样的吸热或放热反应会引起试样温度发生偏差，用量越大，偏差越大；

试样用量对逸出气体扩散和传热梯度都有影响，用量大则不利于热扩散和热传递。

b、试样粒度对热传导和气体的扩散同样有较大的影响：

试样粒度越细，反应速率越快，将导致热重曲线上的反应起始温度和终止温度降低，反应区间变窄；

粗颗粒的试样反