材料近代测试方法第七章：热分析技术.ppt

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1、材料检测方法材料检测方法材料检测方法材料检测方法主讲老师：杨 可 材料科学与工程专业主干专业课程2023年5月28日 第七章 热分析技术亲善产生幸福，文明带来和谐。雨 果什么是热分析？在受控程序温度条件下和规定的气氛测量物质的物理性质随温度或时间变化的技术。数学表达式：Pf（T）等速升温 程序温度 等速降温 组合 恒温 Pf（T/t）可测量的物理性质？可测量的物理性质？热焓的变化质量的变化比容、比热、热膨胀率变化模量、形变等力学性质变化光学性能变化电磁性能变化主要的热分析方法性性 质热分析技分析技术缩 写写质量热重分析TG或TGA温度差示热分析DTA热量示差扫描量热DSC尺寸热膨胀法TD力学性

2、质（模量、形变等）热机械分析TMA动态力学分析DMA电学性质热释电法DEA或DETA光学性质热光谱法TPA热分析的特点v测量温度范围很宽；v可使用不同的温度程序；v对样品的物理形态无特殊要求；v所需要的样品量极少；v测量气氛可以控制；v完成实验的时间范围很宽；v获取的信息多样化；热分析的应用领域v金属材料；v地质、矿物、冶金；v无机化合物；v有机化合物；v聚合物材料；v生物材料熱分析木DSCTGDTATMA复合复合分析分析医医药药品品香料香料 化化妆妆品品有机有机、无机药无机药品品触媒触媒火火药药食品食品生生物物体体 液晶液晶油脂油脂 肥皂肥皂洗涤剂洗涤剂橡胶橡胶高分子高分子 塑料塑料纤维纤维

3、油墨油墨 顔料顔料 染料染料 塗料塗料粘粘着着剂剂玻璃玻璃金属金属陶瓷陶瓷 粘土粘土 矿矿物物水泥水泥电电子材料子材料木材木材 纸纸建材建材公害公害工业废弃物工业废弃物規格規格热分析的起源及发展热分析的起源及发展 1899年英国罗伯特奥斯汀第一次使用差示热电偶和参比物，大大提高了测定的灵敏度。正式发明了差热分析（DTA）技术。1915年日本东北大学本多光太郎，在分析天平的基础上研制了“热天平”即热重法（TG），后来法国人也研制了热天平技术。1964年美国瓦特逊和奥尼尔在DTA技术的基础上发明了差示扫描量热法（DSC），美国PE公司最先生产了差示扫描量热仪，为热分析热量的定量作出了贡献。1965

4、年英国麦肯才和瑞德弗等人发起，在苏格兰亚伯丁召开了第一次国际热分析大会，并成立了国际热分析协会。热分析只能给出试样的重量变化及吸热或放热情况，解释曲线常常比较困难，特别是对多组分试样的热分析曲线尤其困难。目前，解释曲线最现实的办法就是把热分析与其它仪器串接联用，使用气相色谱、质谱、红外光谱、X光衍射等分析仪器对逸出气体和固体残留物进行在线的或离线的分析，从而帮助推断机理或结构。热分析技术的缺陷热分析技术的缺陷热膨胀计法 TDv在程序控温下测量试样的尺寸或体积随温度的变化，得到比容温度曲线的方法。测量聚合物的转变温度差热分析法DTAv在程序控温条件下测量试样与参比物之间的温差随温度或时间的变化。

5、DTA的特点v测量温度高，工作温度可达1500；v仪器结构简单，价格便宜；v分辩率低，测量精度低，定量性差；v试样用量较大；DTA主要用于金属、陶瓷等无机材料的研究，主要用于金属、陶瓷等无机材料的研究，较少用于聚合物领域。较少用于聚合物领域。高硅氧玻璃的差热分析1.两种玻璃都为两相结构;2.根据Tg的台阶高低可以半定量地确定两相的相对含量;3.曲线1的低温相Tg较低,其B2O3含量高;曲线2的高温相Tg较高,其SiO2的含量高;示差扫描量热法-DSC(Differential Scanning Calorimeter，DSC)差示扫描量热法差示扫描量热法(DSC)是在程序控温下，是在程序控温下

6、，测量物质和参比物之间的能量差随温度变测量物质和参比物之间的能量差随温度变化关系的一种技术（化关系的一种技术（国际标准国际标准ISO 11357-1）。根据测量方法的不同，又分为功率补偿型根据测量方法的不同，又分为功率补偿型DSC和热流型和热流型DSC两种类型。常用的功率两种类型。常用的功率补偿补偿DSC是在程序控温下，使试样和参比是在程序控温下，使试样和参比物的温度相等，测量每单位时间输给两者物的温度相等，测量每单位时间输给两者的热能功率差与温度的关系的一种方法。的热能功率差与温度的关系的一种方法。DSC与DTA测定原理的不同DSC是在控制温度变化情况下，以温度（或时间）是在控制温度变化情况

7、下，以温度（或时间）为横坐标，以样品与参比物间温差为零所需供给为横坐标，以样品与参比物间温差为零所需供给的热量为纵坐标所得的扫描曲线。的热量为纵坐标所得的扫描曲线。DTA是测量是测量 T-T 的关系，而的关系，而DSC是保持是保持 T=0，测定测定 H-T 的关系。两者最大的差别是的关系。两者最大的差别是DTA只能定只能定性或半定量，而性或半定量，而DSC的结果可用于定量分析。的结果可用于定量分析。为了弥补为了弥补DTA定量性不良的缺陷，示差扫描量热定量性不良的缺陷，示差扫描量热仪（仪（DSC）在在1960年前后应运而生。年前后应运而生。氮合金化马氏体不锈钢硬面合金升温过程DTA曲线 第六节热

8、分析法在材料研究中的应用第六节热分析法在材料研究中的应用材料的热分解材料的热分解 CuSO45H2O CuSO4+5H2O 结晶硫酸铜结晶硫酸铜(CuSO45H2O)的脱水的脱水45 78 100 118 212 248温度温度()重量重量(mg)W0-W1 W1-W2 W2-W3 W3W0 W1W2 W3A BC DE FG HCuSOCuSO4 45H5H2 2O O的热分解曲线示于图中。图中的热分解曲线示于图中。图中TGTG曲线在曲线在A A点点和和B B点之间，没有发生重量变化，即试样是稳定的。在点之间，没有发生重量变化，即试样是稳定的。在B B点开始脱水，曲线呈现出失重，失重的终点为

9、点开始脱水，曲线呈现出失重，失重的终点为C C点。点。这一步的脱水反应为：这一步的脱水反应为：CuSOCuSO4 45H5H2 2OCuSOOCuSO4 43H3H2 2O+2HO+2H2 2O O45 78 100 118 212 248温度温度()重量重量(mg)W0-W1 W1-W2 W2-W3 W3W0 W1W2 W3A BC DE FG H在在C点和点和D点之间试样再一次处于稳定状态。然后在点之间试样再一次处于稳定状态。然后在D点进一步脱水，在点进一步脱水，在D点和点和E点之间脱掉两个水分子。这点之间脱掉两个水分子。这一步的脱水反应为：一步的脱水反应为：CuSO43H2OCuSO4H

10、2O+2H2O 45 78 100 118 212 248温度温度()重量重量(mg)W0-W1 W1-W2 W2-W3 W3W0 W1W2 W3A BC DE FG H在在E E点和点和F F点之间生成了稳定的化合物，从点之间生成了稳定的化合物，从F F点到点到G G点脱掉点脱掉最后一个水分子。最后一个水分子。G G点到点到H H点的平台表示形成稳定的无水点的平台表示形成稳定的无水化合物。这一步的脱水反应为：化合物。这一步的脱水反应为：CuSOCuSO4 4HH2 2OCuSOOCuSO4 4+H+H2 2O O根据热重曲线上各平台之间的重量变化，可计算出试样各步的失重根据热重曲线上各平台之

11、间的重量变化，可计算出试样各步的失重量量:平台平台AB表示样品稳定，设样品原始重量表示样品稳定，设样品原始重量Wo=10.8 mg；BC为第一次失重，为第一次失重，Wo-W1=1.55mg，失重率失重率=(Wo-W1)/Wo=14.35%；DE为第二次失重，失重量为为第二次失重，失重量为1.6 mg,失重率为失重率为14.8%FG为第三次失重，失重量为为第三次失重，失重量为0.8 mg,失重率为失重率为7.4%总失重率总失重率=(Wo-W3)/Wo=36.6%45 78 100 118 212 248温度温度()重量重量(mg)W0-W1 W1-W2W2-W3 W3W0 W1W2 W3A BC DE FG H理论失重量为理论失重量为36%结论：结晶硫酸铜分三次脱水结论：结晶硫酸铜分三次脱水CuSO45H2O CuSO43H2O+2H2O 理论失重量为理论失重量为14.4%CuSO43H2O CuSO4H2O+2H2O 理论失重量为理论失重量为14.4%CuSO4H2O CuSO4+H2O 理论失重量为理论失重量为7.2%45 78 100 118 212 248温度温度()重量重量(mg)W0-W1 W1-W2W2-W3 W3W0 W1W2 W3A BC DE FG H碳酸盐矿物的区别：