实验3 TG-DTA法测定材料熔点

实验3：TG-DTA法测定材料熔点

实验学时数：3学时

每组核定人数：5人

适用专业：金属材料工程、焊接等本科专业

一、实验目的

热分析(thermal analysis)是在控制程序温度下，测量物质(或其反应生成物)的物理性质与温度(或时问)的关系的一类技术。热分析法的技术基础在于通过加热或者冷却过程中，随着其物理状态或化学状态的变化，通常伴有相应的热力学性质(如热焓、比热、导热系数等)或其他性质(如质量、力学性质、电阻等)的变化，因而通过对某些性质(参数)的测定可以分析研究物质的物理变化或化学变化过程。在主要的热分析法当中，具有代表性的主要有三种方法：差热分析法(DTA)、差示扫描量热法(DSC)和热重法(TG)。这几种方法的主要应用范围如表1所示。本次实验的目的如下：1．掌握热分析仪的种类、原理以及使用方法；

2．掌握差热分析的参数的选择以及测试过程的注意事项；

3．测试后数据的分析

表1典型的热分析法及其测定的物理化学参数

Diamond TG/DTA用于科学研究，产品研发，质量控制等各个领域，适用于无机材料(如：陶瓷、合金、矿物、建材等)。有机高分子材料(如：塑料、橡胶、涂料、油脂等)，食品，药物及催化反应和各种固液态试样，可以获得以下重要信息：组份分析、热稳定性、添加剂含量、分解温度、分解动力学、脱酸、脱水、

氧化还原反应、非均匀相催化反应、氧化诱导期、熔点、反应热、与红外、质谱联用，对逸出气体进行定性、定量分析。

二、实验内容及基本原理

(1)差热分析(DTA)的原理

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，差热分析装置称为差热分析仪，图2为差热分析仪结构示意图。

如图2所示，将样品和参比物同时进行升温，当样品没有发生化学变化时，样品温度(Ts)和参比物的温度(Tr)相同，温差△T=Ts-Tr=0，无热效应发生，温差电势等于0。当试样在某一温度下发生物理或化学变化，则会放出或吸收一定的热量，此时温差热电势△T就会偏离基线，出现差热峰。试验中将温差热电势讯号经过放大后送入记录仪中，得到横坐标为温度T(或时间t)、纵坐标为试样与参比物的温差△T的差热分析曲线。△T=0表示没有热效应产生，此时记录的DTA曲线为一直线，称为基线。如果样品有热效应产生，则记录的差热峰反映样品的放热、吸热过程。典型的DTA曲线如图3所示。

图2差热分析仪结构示意图

l参比物；2样品；3加热块；4加热器；5加热块电偶；6冰冷连接；7温度程控；8参比热电偶；9样品热电偶；10放大器；11 x-y记录仪

图3 典型的△T-T的DTA曲线

从DTA图上得到的差热峰的数目、高度、位置、对称性以及峰的面积可以反映样品的性质。其中差热峰的数量表示物质发生物理化学变化的次数，峰的大小和方向代

表热效应的大小和正负，差热峰对应温度表示物质发生变化的转化温度。由于相同的测定条件下许多物质的热谱图具有特征性，因此可通过与已知的热谱图的比较进行样品种类的鉴别。DTA曲线的峰形、出峰位置和峰面积受多种因素影响，有的因素比较难控制，因此，采用DTA进行定量分析比较困难，误差较大，定量难以准确。差热分析中需要注意以下主要因素：①气氛和压力的选择。气氛和压力可以影响样品化学反应和物理变化的平衡温度、峰形。因此，必须根据样品的性质选择适当的气氛和压力，有的样品易氧化，可以通入N2、Ne等惰性气体。②升温速率的影响和选择。升温速率不仅影响峰温的位置，而且影响峰面积的大小，一般来说，在较快的升温速率下峰面积变大，峰变尖锐。但是快的升温速率使试样分解偏离平衡条件的程度也大，因而易使基线漂移。更主要的是可能导致相邻两个峰重叠，分辨力下降。较慢的升温速率，基线漂移小，使体系接近平衡条件，得到宽而浅的峰，也能使相邻两峰更好地分离，因而分辨力高。但测定时间长，需要仪器的灵敏度高。一般情况下选择8℃·min-1～12℃·min-1。③试样的预处理及用量。试样用量大，易使相邻两峰重叠，降低了分辨力。一般尽可能减少用量，最多大至毫克。样品的颗粒度在100～200目左右，颗粒小可以改善导热条件，但太细可能会破坏样品的结晶度。对易分解产生气体的样品，颗粒应大一些。参比物的颗粒、装填情况及紧密程度应与试样一致，以减少基线的漂移。④参比物的选择。要获得平稳的基线，参比物的选择很重要。要求参比物在加热或冷却过程中不发生任何变化，在整个升温过程中参比物的比热、导热系数、粒度尽可能与试样一致或相近。常用α-三氧化二铝(A12O3)或煅烧过的氧化镁(Mg0)或石英砂作参比物。如分析试样为金属，也可以用金属镍粉作参比物。如果试样与参比物的热性质相差很远，则可用稀释试样的方法解决，主要是减少反应剧烈程度；如果试样加热过程中有气体产生时，可以减少气体大量出现，以免使试样冲出。选择的稀释剂不

能与试样有任何化学反应或催化反应，常用的稀释剂有SiC、铁粉、Fe2O3。、玻璃珠

A12O等。不同条件的选择都会影响差热曲线，除上述外还有许多因素，诸如样品管

的材料、大小和形状、热电偶的材质以及热电偶插在试样和参比物中的位置等。三、实验用仪器与药品

热分析的设备：DTA/TG，DSC等，待测金属材料，酒精，镊子，电子天平，Al2O3坩埚。

四、实验方法与步骤

DTA材料热分析试验过程

①制样除气体外，固态液态或黏稠状样品都可以用于测定。装样的原则是尽可能

使样品均匀、密实分布在样品皿内，以提高传热效率，填充密度，减少试样与皿之间

的热阻，因此要把较大样品剪切成薄片或小粒，并尽量铺平。一般使用的是铝皿，分

成盖与皿两部分，样品放在其中间，用专用卷边压制器冲压而成。挥发性液体不能用

普通试样皿，要采用耐压密封皿。

聚合物样品一般使用铝皿，使用温度应低于500℃，否则铝会变形。当温度超过

500℃时，可用金、铂、石墨、氧化铝皿等，但要注意，铂皿与熔化的金属会形成合

金，也易被P、As、S、C12、Br2等侵蚀。

DTA常用经高温焙烧的α-A12O3。作参比物，由于A12O3与聚合物的比热容和热

导率相差较大，近来有人采用硅氧烷、间苯二酸，甚至用聚四氟乙烯等作参比，用参

比物的原则是热惰性、热容量和热导率以及重量应与试样匹配。

②基线、温度和热量的校正仪器在刚开始使用或经过一段时间使用后都需进行

这三项校正，以保证谱图数据的准确性。基线校正是在所测温度范围内，当样品池和