热分析实验报告

热分析实验报告

一、实验目的

1、了解STA449C综合热分析仪的原理及仪器装置；

2、学习使用TG-DSC综合热分析方法。

二、实验内容

1、对照仪器了解各步具体的操作及其目的。

2、测定纯Al-TiO2升温过程中的DSC、TG曲线，分析其热效应及其反应机理。

3、运用分析工具标定热分析曲线上的反应起始温度、热焓值等数据。

三、实验设备和材料

STA449C综合热分析仪

四、实验原理

热分析（Thermal Analysis TA）技术是指在程序控温和一定气氛下，测量试样的物理性质随温度或时间变化的一种技术。根据被测量物质的物理性质不同，常见的热分析方法有热重分析(Thermogravimetry TG)、差热分析(Difference Thermal Analysis，DTA)、差示扫描量热分析(Difference Scanning Claorimetry，DSC)等。其内涵有三个方面：①试样要承受程序温控的作用，即以一定的速率等速升（降）温，该试样物质包括原始试样和在测量过程中因化学变化产生的中间产物和最终产物；②选择一种可观测的物理量，如热学的，或光学、力学、电学及磁学等；③观测的物理量随温度而变化。

热分析技术主要用于测量和分析试样物质在温度变化过程中的一些物理变化（如晶型转变、相态转变及吸附等）、化学变化（分解、氧化、还原、脱水反应等）及其力学特性的变化，通过这些变化的研究，可以认识试样物质的内部结构，获得相关的热力学和动力学数据，为材料的进一步研究提供理论依据。

综合热分析，就是在相同的热条件下利用由多个单一的热分析仪组合在一起形成综合热分析仪，见图1，对同一试样同时进行多种热分析的方法。

图1 综合热分析仪器（STA449C）

（1）、热重分析( TG)原理

热重法(TG)就是在程序控温下，测量物质的质量随温度变化的关系。采用仪器为日本人本多光太郎于1915年制作了零位型热天平（见图2）。其工作原理如下：在加热过程中如果试样无质量变化，热天平将保持初始的平衡状态，一旦样品中有质量变化时，天平就失去平衡，并立即由传感器检测并输出天平失衡信号。这一信号经测重系统放大后，用以自动改变平衡复位器中的线圈电流，使天平又回到初时的平衡状态，即天平恢复到零位。平衡复位器中的电流与样品质量的变化成正比，因此，记录电流的变化就能得到试样质量在加热过程中连续变化的信息，而试样温度或炉膛温度由热电偶测定并记录。这样就可得到试样质量随温度（或时间）变化的关系曲线即热重曲线。热天平中装有阻尼器，其作用是加速天

平趋向稳定。天平摆动时，就有阻尼信号产生，经放大器放大后再反馈到阻尼器中，促使天平快速停止摆动。

（2）、差热分析(DTA)原理

差热分析（DTA ）是指在程序控温下，测量试样物质(S)与参比物(R)的温差(∆T)随温度或时间变化的一种技术(见图3 )。在所测温度范围内，参比物不发生任何热效应，如32O Al -α在0～1700℃范围内无热效应产生，而试样却在某温度区间内发生了热效应，如放热反应（氧化反应、爆炸、吸附等）或吸热反应（熔融、蒸发、脱水等），释放或吸收的热量会使试样的温度高于或低于参比物，从而在试样与参比物之间产生温差，且温差的大小取决于试样产生热效应的大小，由X-Y 记录仪记录下温差随温度T 或时间t 变化的关系即为DTA 曲线。

（3）、差示扫描量热分析(DSC)原理

差

示扫

描量

热(DSC)是指在程序控温下，测量单位时间内输入到样品和参比物之间的能量差（或功率差）随温度变化的一种技术。按测量方法的不同，DSC 仪可分为功率补偿式和热流式两种。

图4即为功率补偿式示差示扫描量热仪原理示意图。样品和参比物分别具有独立的加热器和传感器，整个仪器有两条控制电路，一条用于控制温度，使样品和参照物在预定的速率下升温或降温；另一条用于控制功率补偿器，给样品补充热量或减少热量以维持样品和参比物之间的温差为零。当样品发生热效应时，如放热效应，样品温度将高于参比物，在样品与参比物之间出现温差，该温差信号被转化为温差电势，再经差热放大器放大后送入功率补偿器，使样品加热器的电流s I减小，而参比物的加热器电流R I增加，从而使样品温度降低，参比物温度升高，最终导致两者温差又趋于零。因此，只要记录样品的放热速度或吸热速度（即功率），即记录下补偿给样品和参比物的功率差随温度T或时间t变化的关系，就可获得试样的DSC曲线。

五、实验步骤

（一）、操作条件：

1、环境安静，尽量避免人员走动。

N等。目的用于操作过程中对仪器和天平2、保护气体（protective）：Ar、He、

2

进行保护，以防止受到样品在受热时产生的毒性及腐蚀性气体的侵害。压力：0.05MPa，流速<30ml/min，一般为15ml/min，该开关始终为开启状态。

3、吹扫气体（purge1/purge2）：在样品测试过程中用作气氛或反应气，一般为惰性气体，也可氧化性气体（空气、氧气等），或还原性气体（

H、CO等）。但

2

对氧化性或还原性气体应慎重选择，特别士还原性气体会缩短机架的使用寿命，腐蚀仪器的零部件。压力：0.05MPa，流速<100ml/min，一般为20ml/min。

4、恒温水浴：保证天平在恒温下工作，一般调整为比环境温度高2～3℃。

5、空气泵：保证测量空间具有一定的真空度，可以反复进行，一般抽三次即可。（二）、样品准备

1、检查并核实样品及其分解产物不会与坩锅、支架、热电偶或吹扫气体进行反应。

2、对测量所用的坩锅及参比坩锅预先进行高于测量温度的热处理，以提高测量精度。

3、试样可以是液体、固体、粉体等形态，但须保证试样与坩锅底部的接触良好，样品适量（坩锅1/3或15mg），以减小样品中的温度梯度，确保测量精度。

4、对热反应激烈的试样或会产生气泡的试样，应减少用量。同时坩锅加盖，以防飞溅，损伤仪器。

5、用仪器内部天平称量是，需等天平稳定，及出现mg字样时，读数方可精确。

6、测试必须样品温度达到室温及天平稳定后才能开始。