材料测试与研究方法 第七章 差热分析法
材料现代研究方法
反应前后基线偏移时： ① 分别作反应开始前和反应终止后的基线延长线，它们 离开基线的点分别是Ti（反应始点）和Tf（反应终 点），连接TiTp Tf各点，便得到峰面积； ②由基线延长线和通过峰顶作垂线，与DTA或DSC曲线 形成两个近似的三角形，其面积之和表示峰面积。
（四） 差热分析的特点
差热分析不能表征变化的性质。 差热分析本质上仍是一种动态量热。测得的结 果不同于热力学平衡条件下的测量结果。 试样与程序温度（以参比物温度表示）之间的
气氛控制
S
R
炉温控制器
记录器 微伏放大器
2. 差热分析仪
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。
（1）加热炉 ——炉内有均匀温度区，使试样均匀受热； ——程序控温，以一定速率均匀升（降）温，控 制精度高； ——电炉热容量小，便于调节升、降温速度； ——炉子的线圈无感应现象，避免对热电偶电流 干扰； ——炉子体积小、重量轻，便于操作和维修。 ——使用温度上限1100℃以上，最高可达1800 ℃ 。
（2）试样容器
——容纳粉末状样品。 ——在耐高温条件下选择传导性好的材料。
——耐火材料：镍（<1300K）、刚玉（>1300K） 等。 ——样品坩埚：陶瓷材料、石英质、刚玉质和钼、 铂、钨等。
(3) 热电偶
差热分析的关键元件； 产生较高温差电动势，随温度成线性关系的变化； 能测定较高的温度，测温范围宽，长期使用无物理、化 学变化，高温下耐氧化、耐腐蚀； 比电阻小、导热系数大； 电阻温度系数和热容系数较小； 足够的机械强度，价格适宜。
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
——气氛会影响差热曲线形态。 ——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。
差热和热重分析
差热分析可以用来研究土壤中污染物 的热分解和转化过程，例如研究土壤 中农药的分解和转化过程。
热重分析可以用来研究土壤中污染物 的迁移和分布特性，例如研究土壤中 重金属的分布和迁移特性。
06 差热和热重分析的未来发 展与挑战
新技术发展
新型传感器技术
利用新型传感器技术，如纳米传感器和柔性传感器，提高差热和 热重分析的灵敏度和精度。
差热分析的应用
01 确定物质的熔点、玻璃化转变温度等物理 性质。
02 研究物质的热稳定性、热分解和氧化等化 学性质。
03
用于药物、食品、聚合物、陶瓷等领域的 研发和质量控制。
04
热重分析（TGA）
02 热重分析（TGA）
热重分析的定义
热重分析（TGA）是一种在程序控温下测量物质质量与温度关系的分析方法。通过 测量物质质量随温度变化的情况，可以研究物质在加热或冷却过程中的物理和化学 变化。
在热重分析中，样品被放置在热天平上，并加热或冷却以模拟不同的温度条件。随着温度的变化，样 品的质量会发生变化，这些变化被记录并转化为温度与质量之间的关系曲线。通过对曲线的分析，可 以了解物质在加热或冷却过程中的质量变化情况。
热重分析的应用
热重分析在多个领域都有广泛的应用，包括材料科学 、化学、制药、食品科学等。它可以用于研究材料的 热稳定性、分解行为、反应动力学以及物质在温度变 化过程中的相变等。
陶瓷材料的抗热震性能
差热分析可以研究陶瓷材料在不同温度下的热震稳定性，对于陶瓷 材料的应用具有重要意义。
金属材料
金属材料的熔点和凝固点
01
通过差热分析，可以精确测定金属材料的熔点和凝固点，有助
于了解金属材料的热物性。
金属材料的氧化和腐蚀行为
《化学中常用的实验方法》差热分析法
《化学中常用的实验方法》差热分析法化学中常用的实验方法——差热分析法在化学领域，实验方法的多样性为我们深入理解物质的性质和变化提供了有力的工具。
其中，差热分析法作为一种重要的热分析技术，具有独特的应用价值和研究意义。
差热分析法（Differential Thermal Analysis，简称 DTA）是一种通过测量物质在加热或冷却过程中与参比物之间的温度差来研究物质的物理化学变化的方法。
这种方法基于物质在发生物理或化学变化时会吸收或放出热量，从而导致与参比物之间产生温度差异。
为了更好地理解差热分析法，让我们先来了解一下它的工作原理。
在差热分析实验中，通常将待测样品和一种在实验条件下不发生任何物理化学变化的参比物（如氧化铝）同时置于加热炉中，并以相同的速率进行加热或冷却。
在这个过程中，通过热电偶等温度传感器分别测量样品和参比物的温度，并将两者的温度差随时间或温度的变化记录下来，形成差热曲线（DTA 曲线）。
差热曲线包含了丰富的信息。
曲线的峰形、峰位和峰面积都与样品所发生的物理化学变化密切相关。
例如，吸热峰通常表示样品发生了熔化、蒸发、分解等吸热过程；而放热峰则可能意味着样品发生了氧化、结晶、凝固等放热过程。
峰位对应的温度可以提供有关反应发生的温度范围的信息，而峰面积则与反应的热效应大小成正比。
那么，差热分析法在化学研究中有哪些具体的应用呢？首先，它在材料科学领域发挥着重要作用。
对于新型材料的研发和性能评估，差热分析可以帮助我们了解材料的热稳定性、相变温度、玻璃化转变温度等关键参数。
通过对这些参数的分析，我们能够优化材料的制备工艺，提高材料的性能和质量。
在化学合成方面，差热分析可以用于监测化学反应的进程。
通过观察差热曲线的变化，我们能够确定反应的起始温度、结束温度以及反应的热效应，从而为优化反应条件、提高反应产率提供依据。
在药物研究中，差热分析也有着广泛的应用。
它可以用于药物的纯度检测、晶型分析以及药物与辅料之间的相容性研究。
差热分析法
差热分析法基本原理差热分析法——DifferentialThermalAnalysis(DTA)是在程序控制温度下，测量试样与参比物质之间的温度差ΔT与温度T（或时间t）关系的一种分析技术，所记录的曲线是以ΔT为纵坐标,以T（或t）为横坐标的曲线，称为差热曲线或DTA曲线，反映了在程序升温过程中，ΔT与T或t的函数关系：ΔT=f(T)或f(t)参比物质为一种在所测量温度范围内不发生任何热效应的物质。
通常使用的参比物质是灼烧过的α-Al2O3或MgO。
图17.6为DTA原理示意图。
加热时，温度T及温差△T分别由测温热电偶及差热电偶测得。
差热电偶是由分别插在试样S和参比物R的二支材料、性能完全相同的热电偶反向相连而成。
当试样S没有热效应发生时，组成差热电偶的二支热电偶分别测出的温度T s、T R相同，即热电势值相同，但符号相反，所以差热电偶的热电势差为零，表现出ΔT=T s-T R=0，记录仪所记录的ΔT曲线保持为零的水平直线，称为基线。
若试样S有热效应发生时，T s≠T R，差热电偶的热电势差不等于零，即ΔT=T s-T R≠0，于是记录仪上就出现一个差热峰。
热效应是吸热时，ΔT=T s-T R＜0，吸热峰向下，热效应是放热时，ΔT＞0，放热峰向上。
当试样的热效应结束后，T s、T R又趋于一样，ΔT恢复为零位，曲线又重新返回基线。
图17.7为试样的真实温度与温差比较图。
差热峰反映试样加热过程中的热效应，峰位置所对应的温度尤其是起始温度是鉴别物质及其变化的定性依据，峰面积是代表反应的热效应总热量，是定量计算反应热的依据，而从峰的形状（峰高、峰宽、对称性等）则可求得热反应的动力学参数。
表17.2列出了各种吸热和放热体系的类型，供判断差热峰产生机理时参考。
表17.2差热分析中吸热和放热体系的主要类型影响DTA的因素影响DTA的因素很多，下面讨论几种主要的因素：★升温速度的影响保持均匀的升温速度(ψ)是DTA的重要条件之一，即应：ψ=dT R/dt=常数若升温速度不均匀(即ψ有波动)，则DTA曲线的基线会漂移，影响多种参数测量。
差热分析法
差热分析法差热分析法（Differential Thermal Analysis，DTA）是一种常用的热分析技术，它通过比较样品与参比物的温度差异来研究样品的热性质。
DTA技术在化学、材料科学、地质学等多个领域具有广泛的应用。
DTA的工作原理基于样品和参比物在受热过程中吸收或释放热量的差异。
在实验中，样品和参比物被放置在两个相邻的炉区，受同等程度的升温条件控制。
当样品发生物理或化学变化时，其吸热或放热会导致样品与参比物温度的差异。
这些温度差异会通过一个差温探测器进行检测和记录。
DTA实验中，样品和参比物通常以粉末或粒状形式存在。
粉末样品可在合适的容器中进行测试，而固体样品则需先研磨成粉末以方便测试。
样品和参比物应具有相似的物理和化学性质，以确保实验的准确性和可靠性。
在DTA实验中，通常以升温速率为X轴，差温信号（样品与参比物温度差异）为Y轴来绘制曲线图。
曲线上出现的峰或谷表示样品发生了热事件，如相变、化学反应、放热或吸热过程等。
通过对峰的位置、峰的形状和峰的峰值进行分析，可以获得有关样品的热性质和热行为的信息。
DTA技术广泛应用于材料研究、催化剂研究、岩石和土壤分析、陶瓷研究等领域。
它可以用于研究材料的熔化过程、晶体相变、氧化、还原、析出和溶解等反应。
同时，DTA还可以用来测定热容、热导率、热膨胀系数等热性质参数。
通过结合其他热分析技术，如差热/差热衍生物分析（DTA/DSC）和差热差热衍生物重量分析（DTA/TGA），可以对样品进行更全面和深入的分析。
总之，差热分析法是一种用于研究样品热性质和热行为的重要工具。
它通过比较样品与参比物的温度差异，可以揭示样品发生的热事件和热特性，为材料研究和过程分析提供了有力的支持。
差热分析及其应用
地质年代测定
通过差热分析可以测定地 质样品的热稳定性，结合 其他方法可用于地质年代 的测定和古气候研究。
火山喷发研究
差热分析可以用于研究火 山岩的形成和演化过程， 有助于了解火山喷发的机 制和规律。
环境科学领域
有毒有害物质检测
差热分析可以用于检测环境中的有毒有害物质，如重金属、有机 污染物等，为环境监测和治理提供技术支持。
THANKS
化学反应研究
差热分析可用于研究化学 反应的热力学参数，如反 应热、熵变等，有助于深
入了解反应机理。
化学物质鉴定
通过差热分析可以确定化 学物质的结构和组成，有 助于对未知化合物的鉴定
和分类。
催化剂研究
差热分析可用于研究催化 剂的热稳定性和活性，为 催化剂的优化和改进提供
依据。
材料科学领域
材料热稳定性分析
参比物
用于比较样品热性质的物质，通 常为惰性物质。
坩埚
用于盛放样品和参比物的容器。
实验步骤与操作
准备样品和参比物
将样品和参比物分别放入坩埚中。
设定实验参数
根据实验需求设定差热分析仪的参数，如 加热速率、温度范围等。
开始实验
将坩埚放入差热分析仪中，启动实验。
数据记录与分析
记录实验过程中的热量变化数据，并进行 分析。
无损分析
差热分析是一种非破坏性的分析方法，样品在测试过程中 不会被破坏或消耗，因此可以用于对珍贵的文物或生物样 品进行无损分析。
应用广泛
差热分析可以用于研究物质的物理性质和化学性质，如熔 点、沸点、结晶、反应热等，因此被广泛应用于材料科学 、化学、生物学等领域。
操作简便
差热分析的操作相对简单，只需要将样品放入差热分析仪 中，进行必要的参数设置即可开始测试。
差热分析
差热分析法研究五水硫酸铜的脱水过程一、实验目的1、熟悉热重和差热分析法的基本原理； 2、根据热重、差热图谱，对样品进行热重、差热分析，并给予定性解释； 3、掌握 HCT-1 型综合热分析仪的结构与操作特点； 4、了解五水硫酸铜的热谱特性和脱水机理。
二、方法原理热分析是一种非常重要的分析方法，它是在程序控制温度下，测量物质的物理性质与 温度关系的一种技术。
热分析主要用于研究物理变化(晶型转变、 熔融、 升华和吸附等)和化学变化(脱水、 分解、 氧化和还原等)。
热分析不仅提供热力学参数，而且还可给出有一定参考价值的动力学数据。
热分析在固态科学的研究中被大量而广泛地采用， 诸如研究固相反应， 热分解和相变以及测 定相图等。
许多固体材料都有这样或那样的“热活性”， 因此热分析是一种很重要的研究手段。
本实验用 HCT-1 型综合热分析仪来研究 CuSO4.5H2O 的脱水过程。
1、热重法(TG) 热重法(Thermogravimetry, TG)是在程序控温下， 测量物质的质量与温度或时间的关系的 方法，通常是测量试样的质量变化与温度的关系。
(1) 热重曲线 由热重法记录的重量变化对温度的关系曲线称热重曲线(TG 曲线)。
曲线的纵坐标为质 量，横坐标为温度(或时间)。
例如固体的热分解反应为： A(固)→B(固)+C(气) 其热重曲线如图 4.2.27-1 所示。
图中 Ti 为起始温度，即试样质量变化或标准物质表观质量变化的起始温度；Tf 为终止 温度，即试样质量或标准物质的质量不再变化的温度；Tf - Ti 为反应区间，即起始温度与终 止温度的温度间隔。
TG 曲线上质量基本不变动的部分称为平台，如图 4.2.27-1 中的 ab 和 cd。
从热重曲线可得到试样组成、热稳定性、热分解温度、热分解产物和热分解动力学等有 关数据。
同时还可获得试样质量变化率与温度或时间的关系曲线，即微商热重曲线。
m/g a A(固) bcB(固) doTiTfT/℃图 4.2.27-1固体热分解反应的典型热重曲线当温度升至 Ti 才产生失重。
差热分析法的原理及其应用
差热分析法的原理及其应用1. 前言差热分析法（Differential Scanning Calorimetry，DSC）是一种常用的热分析技术，广泛应用于材料科学、化学、药物研发等领域。
本文将介绍差热分析法的原理以及其在不同领域的应用。
2. 差热分析法的原理差热分析法通过测量样品和参比物在加热或冷却过程中的热流差异，来分析样品的热性能和热行为。
主要基于两个基本原理：样品热容和反应热。
2.1 样品热容样品热容是指样品单位质量在加热或冷却过程中吸收或释放的热量。
通过测量样品和参比物在相同温度条件下的热容差值，可以得到样品相对于参比物的热容值。
2.2 反应热反应热是指在样品中发生物理、化学反应时吸收或释放的热量。
通过测量样品和参比物之间的热流差异，可以精确测量反应的起始温度、终止温度、反应速率以及反应热值。
3. 差热分析法的应用3.1 材料科学领域的应用在材料科学领域，差热分析法常用于材料的热稳定性和热性能的研究。
通过分析材料的热降解过程、相变温度和热转化行为，可以评估材料的热稳定性、热传导性能以及热膨胀系数等关键参数。
此外，差热分析法还可以用于研究材料的相变行为和晶体结构。
3.2 化学领域的应用在化学领域，差热分析法常用于研究化学反应的热力学参数和反应机理。
通过测量反应的起始温度、反应速率以及反应热值，可以评估反应的活化能和热效应。
这对于优化反应条件、设计新的化学反应以及探索新的反应机理具有重要意义。
3.3 药物研发领域的应用在药物研发领域，差热分析法常用于评估药物的热稳定性和药物-载体相互作用。
通过测量药物在不同温度下的热降解行为，可以评估药物的稳定性和降解动力学。
此外，差热分析法还可以用于研究药物与载体之间的相互作用，评估药物的包封效率和释放行为。
4. 结论差热分析法是一种重要的热分析技术，具有测量样品热容和反应热的能力。
在材料科学、化学以及药物研发领域，差热分析法被广泛应用于研究样品的热性能和热行为。
差热分析实验报告
引言概述差热分析是一种常用的热分析技术，它通过对样品在加热或冷却过程中释放或吸收的热量进行测量，来研究物质的热性质和热变化规律。
本次差热分析实验旨在进一步探究不同材料的热性质，并分析实验数据，得出相应的结论。
正文内容：一、差热分析基本原理1.1热分析法概述热分析法的定义和基本原理热分析法的分类及主要应用领域1.2差热分析法基本原理差热分析的基本原理和测量方法差热分析仪器的结构和工作原理二、差热分析实验装置及样品准备2.1差热分析实验装置实验装置的主要组成部分及工作原理差热分析实验装置的注意事项2.2样品准备样品的选择和准备方法样品的性质对实验结果的影响三、实验数据分析3.1实验条件的选择和控制实验中温度和升降速率的选择实验条件对结果的影响3.2差热曲线的解读差热曲线的特征和分析方法差热曲线的峰值分析和解释四、差热分析实验结果讨论4.1材料A的热性质分析材料A的差热曲线解读材料A的热变化过程分析4.2材料B的热性质分析材料B的差热曲线解读材料B的热变化过程分析4.3材料C的热性质分析材料C的差热曲线解读材料C的热变化过程分析4.4材料特性的比较和分析各材料的热性质比较和评价从实验数据中得出的结论和启示五、实验误差分析及改进方案5.1实验误差的分析和来源实验操作中的误差分析仪器精度和环境因素对实验结果的影响5.2改进方案的提出和讨论优化实验条件和操作步骤提高仪器精度和环境控制方法的改进总结本次差热分析实验通过对材料的热性质进行研究，得出了相应的实验结果和结论。
通过分析实验数据，我们发现不同材料的差热曲线具有明显的差异，而这种差异可以反映材料的热性质和热变化规律。
通过对比不同材料的热性质，我们可以得出更深入的结论，并进一步改进差热分析实验的条件和方法，提高实验结果的精度和准确性。
差热分析实验在材料研究和质量控制等领域具有广泛的应用前景，我们可以通过进一步的实验和研究来深入理解差热分析的原理和方法，为相关领域的研究和应用提供支持。
差热分析法（dta）简介（differentialthermalanalysis）
差热分析法(DTA)简介（Differential Thermal Analysis）1.DTA的基本原理差热分析是在程序控制温度下，测量物质与参比物之间的温度差与温度关系的一种技术。
差热分析曲线是描述样品与参比物之间的温差(ΔT)随温度或时间的变化关系。
在DAT试验中，样品温度的变化是由于相转变或反应的吸热或放热效应引起的。
如:相转变，熔化，结晶结构的转变，沸腾，升华，蒸发，脱氢反应，断裂或分解反应，氧化或还原反应，晶格结构的破坏和其它化学反应。
一般说来，相转变、脱氢还原和一些分解反应产生吸热效应；而结晶、氧化和一些分解反应产生放热效应。
差热分析的原理如图Ⅱ-3-1所示。
将试样和参比物分别放入坩埚，置于炉中以一定速率进行程序升温，以表示各自的温度，设试样和参比物(包括容器、温差电偶等)的热容量Cs、Cr不随温度而变。
则它们的升温曲线如图Ⅱ-3-2所示。
若以对t作图，所得DTA曲线如图Ⅱ-3-3所示，在0-a区间，ΔT大体上是一致的，形成DTA曲线的基线。
随着温度的增加，试样产生了热效应(例如相转变)，则与参比物间的温差变大，在DTA曲线中表现为峰。
显然，温差越大，峰也越大，试样发生变化的次数多，峰的数目也多，所以各种吸热和放热峰的个数、形状和位置与相应的温度可用来定性地鉴定所研究的物质，而峰面积与热量的变化有关。
图Ⅱ-3-1差热分析的原理图 II-3-1 差热分析的原理图图II-3-2试样和参比物的升温曲线1.参比物;2.试样;3.炉体;4.热电偶(包括吸热转变)图Ⅱ-3-3 DTA吸热转变曲线TA曲线所包围的面积S可用下式表示式中m是反应物的质量，ΔH是反应热，g是仪器的几何形态常数，C是样品的热传导率ΔT是温差，t1是DTA曲线的积分限。
这是一种最简单的表达式，它是通过运用比例或近似常数g和C来说明样品反应热与峰面积的关系。
这里忽略了微分项和样品的温度梯度，并假设峰面积与样品的比热无关，所以它是一个近似关系式。
差热分析介绍
差热分析物质在温度变化过程中，往往伴随着微观结构和宏观物理、化学等性质的变化，宏观上的物理、化学性质的变化通常与物质的组成和微观结构相关联。
通过测量和分析物质在加热或冷却过程中的物理、化学性质的变化，可以对物质进行定性、定量分析，以帮助我们进行物质的鉴定，为新材料的研究和开发提供热性能数据和结构信息。
热分析方法是利用热学原理对物质的物理性能或成分进行分析的总称。
根据国际热分析协会（International Confederation for Thermal Analysis，缩写ICTA）对热分析法的定义：热分析是在程序控制温度下，测量物质的物理性质随温度变化的一类技术。
所谓“程序控制温度”是指用固定的速率加热或冷却，所谓“物理性质”则包括物质的质量、温度、热焓、尺寸、机械、升学、电学及磁学性质等。
热分析的发展历史可追溯到两百多年前。
1780年英国的Higgins在研究石灰粘结剂和生石灰的过程中第一次使用天平测量了实验受热时所产生的重量变化，1915年日本的本多光太郎提出了“热天平”概念并设计了世界上第一台热天平。
1899年，英国的Roberts和Austen采用两个热电偶反相连接，采用差热分析的方法直接记录样品和参比物之间的温差随时间变化规律；至二次大战以后，热分析技术得到了飞快的发展，20世纪40年代末商业化电子管式差热分析仪问世，60年代又实现了微量化。
1964年，Wattson和O’Nei11等人提出了“差示扫描量热”的概念，进而发展成为差示扫描量热技术，使得热分析技术不断发展和壮大。
经过数十年的快速发展，热分析已经形成一类拥有多种检测手段的仪器分析方法，它可用于检测的物质因受热而引起的各种物理、化学变化，参与各学科领域中的热力学和动力学问题的研究，使其成为各学科领域的通用技术，并在各学科间占有特殊的重要地位。
差热分析(DT A)、差示扫描量热法(DSC)、热重分析法(TG)及热机械分析法(TMA)。
差热分析法 (3)
差热分析法简介差热分析法（Differential Scanning Calorimetry，DSC）是一种热分析技术，常用于测量材料在加热或冷却过程中吸放热量的变化，通过分析这些热量变化，可以了解材料的热性能和热稳定性。
差热分析法广泛应用于材料科学、化学、生物学等领域，成为研究和测试材料热性能的重要手段。
原理差热分析法基于样品与参比样品在相同条件下的热学性质差异。
一般情况下，样品和参比样品同时受到相同的升温或降温条件，通过测量两者之间的温差和所吸收或放出的热量差异，可以得到材料在不同温度下的热学性质。
差热分析法最常用的参比体系是在一定温度范围内保持恒定温度的参比样品。
差热分析法通过检测样品与参比样品的温差和热量差异，可以获得温度对应的物性参数。
常见的参数包括玻璃化转变温度、熔化温度、结晶温度、相变焓等。
不同的物性参数可以帮助分析材料的热性能和热稳定性。
测量过程差热分析法通常通过差式热量计来测量样品和参比样品之间的热学性质差异。
测量过程一般包括以下几个步骤：1.样品制备：将待测材料制备成适当的形状和尺寸，通常为粉末、片状或小块状。
2.样品装填：将样品和参比样品分别装填到样品槽和参比槽中，并注意保持样品的均匀分布和适当的装样量。
3.温度控制：设定温度升降速率，并保持温度恒定，使样品和参比样品同时受到相同的升温或降温条件。
4.数据采集：通过差式热量计测量样品槽和参比槽之间的热量差异，获取温度对应的热学性质数据。
5.数据分析：根据测量得到的数据，通过计算和分析得到材料的热学性质参数，比如玻璃化转变温度、熔化温度等。
应用领域差热分析法广泛应用于材料科学、化学、生物学等领域，主要用于研究和测试材料的热性能和热稳定性。
具体应用领域包括但不限于以下几个方面：•材料研究和开发：通过差热分析法可以了解材料的热性能和热稳定性，对材料进行优化设计和开发。
•药物研究：差热分析法可以用于药物的热稳定性测试和药物相变研究，有助于改进药物的制备和保存条件。
2差热分析法
升温速率对DTA曲线的影响 曲线的影响 升温速率对
1k/min
5k/min 吸热
10k/min
75
100
温度
125 °C
150
不同升温速率下CuSO4 5H2O的DTA曲线 不同升温速率下 的 曲线
3）试样的预处理及用量 ）
年来发展的微量技术一般用5～ 左右。 近20年来发展的微量技术一般用 ～15mg左右。 年来发展的微量技术一般用 左右 最新仪器有用1～ 试样的。 最新仪器有用 ～6mg试样的。目前一般习惯把 试样的 50mg以上算常量，50mg以下算微量。 以上算常量， 以下算微量。 以上算常量 以下算微量
水合草酸钙反应过程与机理
CaC2O4·H2O CaC2O4
分解出CO燃烧 燃烧 分解出
CaCO3
CaO
失 H2O
分解出CO2 分解出
蜡状材料熔融温度的测定
蜡状材料DTA曲线 曲线 蜡状材料
铂坩埚对聚丙烯腈降解反应的影响 10 °C /min
用铂坩埚 ∆T 放 热
空气
用石英坩埚
200
300
温 度
°C
400
聚丙烯腈的DTA曲线 曲线 聚丙烯腈的
实验条件的影响
1）气氛和压力的影响 ） 2）升温速率的影响 ） 3）试样的预处理及用量 ） 4）参比物的影响 ） 5）纸速的影响 ）
1）气氛和压力的影响 ）
差热分析的应用
提供的信息： 提供的信息： 峰的位置 峰的形状 峰的个数
共混聚合物的鉴定
•
依据共混物DTA曲线上的特征峰 熔融吸热峰 确定共混物由 曲线上的特征峰(熔融吸热峰 依据共混物 曲线上的特征峰 熔融吸热峰)确定共混物由 高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯 高密度聚乙烯 、低密度聚乙烯(LDPE)、聚丙烯 、聚丙烯(PP)、 、 聚甲醛(POM)、尼龙 聚甲醛 、尼龙6(Nylon 6)、尼龙 、尼龙66(Nylon 66)和聚四 和聚四 氟乙烯(PTFE)7种聚合物组成 氟乙烯 种聚合物组成
现代材料研究分析方法考研复习精华
二、X射线荧光光谱仪 X-ray fluorescence spectrometer
（3）检测器
正比计数器(充气型)： 工作气 Ar；抑制气 甲烷 利用X射线使气体电离的作用，辐射能转化电能； 闪烁计数器： 瞬间发光—光电倍增管； 半导体计数器：下图
背散射电子的特点
03
背散射电子能量很高，其中相当部分接近入射电子能量，在试样中产生的范围大，像的分辨率低；
背散射电子发射系数随试样原子序数增加而增大；
虽然作用体积虽入射束能量增加而增大，但背散射电子的发射系数受入射束能量影响不大；
当试样表面倾角增加时，作用体积改变，将显著增加被散射电子的发射系数；
DTA仪的基本结构
差热分析仪通常由加热炉、温度控制系统、信号放大系统、差热系统及记录系统组成。
影响曲线形状的因素
影响差热分析的主要因素有三个方面：仪器因素，实验条件和试样。 实验条件 升温速率；稀释剂的影响；
差热曲线分析
差热曲线分析就是解释曲线上每个峰谷产生的原因，从而分析被测物质是有那些物相组成的。峰谷产生的原因有： 矿物质脱水 相变 物质的化合或分解 氧化还原 差热分析的峰只表示试样的热效应，本身不反应更多的物理化学本质。为此，单靠差热曲线很难做正确的解释。现在普遍采用的联用技术。
定性物相分析原理
X射线衍射线的位置决定于晶胞的形状和大小，也即决定于各晶面的面间距，而衍射线的相对强度则决定于晶胞内原子的种类、数目及排列方式。每种晶态物质都有其特定的结构，不是前者有异，就是后者有别，因而就有其独特的衍射花样。 当试样中包含两种或两种以上的结晶物质时，它们的衍射花样同时出现，而不会相互干涉。 混合物中某相的衍射线强度取决于它在试样中的相对含量，因此根据各相衍射线的强度比，可以推算出它们的相对含量。
差热分析法的原理和应用
差热分析法的原理和应用原理：差热分析法（Differential Scanning Calorimetry，简称DSC）是一种热分析技术，通过测量样品与参比样品之间的热容差异，来研究材料在加热或冷却过程中的热力学性质。
其原理基于样品在加热或冷却过程中吸收或释放的热量与温度的关系。
差热分析仪由样品仓、参比仓和测量系统组成。
样品和参比样品分别置于样品仓和参比仓中，在相同的加热或冷却条件下，测量系统会检测到两个仓中样品的温度差异，并记录下吸热或放热的峰值，从而得到材料在温度变化过程中的热力学性质。
应用：差热分析法在许多领域中得到广泛的应用，以下是一些主要的应用领域：1.材料研究: 差热分析法可以用于研究材料的热稳定性、相变行为以及反应动力学等热力学性质。
通过对不同材料在不同温度下的差热曲线进行分析，可以得到材料的熔点、结晶度、热容等参数，从而评估材料的性能和适用范围。
2.药物研发: 差热分析法在药物研发领域中有着重要的应用。
通过研究药物在加热或冷却过程中的热力学性质，可以评估药物的稳定性、溶解性以及相变特性等，为药物的制剂选择、储存条件等提供依据。
3.食品分析: 差热分析法在食品分析中广泛用于研究食品的储存稳定性、贮存条件以及加工过程中的物性变化等。
通过差热分析法可以评估食品的熔点、结晶度、玻璃化转变温度等参数，为食品工艺的改进和控制提供科学依据。
4.化学反应: 差热分析法可以用于研究化学反应的热力学性质，如反应的焓变、反应速率等。
通过测量反应过程中发生的吸热或放热峰值，可以评估反应的活性、热效应以及反应动力学等参数，为反应工艺的优化和安全性评估提供参考。
5.燃料分析: 差热分析法可以用于研究燃料的燃烧性能，如燃烧热、燃烧速率等。
通过测量燃料在加热过程中所释放的热量，可以评估燃料的燃烧效率、热值以及燃烧过程中产生的烟雾、气体等污染物的生成情况，为燃料的选择和应用提供依据。
综上所述，差热分析法是一种非常重要的热分析技术，在材料研究、药物研发、食品分析、化学反应以及燃料分析等领域都有着广泛的应用前景。
材料测试与研究方法 第七章 差热分析法 ppt课件
(6 2)
✓ 1）程序升温速率Φ恒定才能获得稳定的基 线；
✓ 2参）比C物R与应C选S用越化相学近上，相ΔT似a越的小物，质因；此试样和
✓ 3）升温过程中，若试样的比热有变化， ΔTa也发生变化，因此DTA曲线可以反映出 试样比热变化；
✓ 4）升温速率Φ值越小，ΔTa也越小。
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基线形成后继续升温，如果试样发生了吸 热变化，此时试样总的热流率为：
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✓ 差热曲线是由差热分析得到的记录曲线。纵坐标 是试样与参比物的温度差ΔT，向上表示放热反应， 向下表示吸热反应，横坐标为T（或t）。
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DTA曲线术语
典型的DTA曲线
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❖ 基 线 ： ΔT 近 似 于 0 的 区 段 (AB,DE段)。
❖ 峰：离开基线后又返回基线 的区段(如BCD)。
c
[T
Ta ]dt
K a [T Ta ]dt KS
(6 12)
S：差热曲线和基线之间的面积
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根据式（6-12）可得出下述结论：
❖1.差热曲线的峰面积S和反应热效应ΔH成 正比；
❖2.传热系数K值越小，对于相同的反应热效 应ΔH来讲，峰面积S值越大，灵敏度越高。
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2. 气氛的影响
不同性质的气氛如氧化性、还原性和惰性 气氛对DTA曲线的影响是很大的。
✓ 如：在空气和氢气的气氛下对镍催化剂进 行差热分析，所得到的结果截然不同（见 图）。在空气中镍催化剂被氧化而产生放 热峰。
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不同气氛下碳酸锶的热分解反应 SrCO3 (s) SrO(s) CO2 (g)
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SrCO3 晶型转变温度（立方晶型变
为六方晶型）927C基本不变，而分 解温度变化很大。
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三、试样的影响
在 DTA 中试样的热传导性和热扩散性都会 对 DTA 曲线产生较大的影响，若涉及气体 参加或释放气体的反应，还和气体的扩散 等因素有关，显然这些影响因素与试样的 用量、粒度、装填的均匀性和密实程度以 及稀释剂等密切相关。
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差热曲线是由差热分析得到的记录曲线。纵坐标 是试样与参比物的温度差ΔT，向上表示放热反应， 向下表示吸热反应，横坐标为T（或t）。
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DTA曲线术语
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典型的DTA曲线
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基 线 ： ΔT 近 似 于 0 的 区 段 (AB,DE段)。 峰 ：离开 基线后又 返回基 线的区段(如BCD)。 吸热峰、放热峰 峰宽 ：离 开基线后 又返回 基线之间的温度间隔 ( 或时 间间隔)(B’D’)。 峰高：垂直于温度 ( 或时间 ) 轴的峰顶 到内切基 线之距 离(CF)。 峰面积 ： 峰与内切 基线所 围之面积(BCDB)。 外推起始点 ( 出峰点 )：峰前 沿最大斜 率点切线 与基线 延长线的交点(G)。 4
(6 7 )
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(一)
在峰顶b点处，
dT 0 dt
(6 8)
1 dH d H K Tb Ta Tb Ta K dt dt
峰高 (ΔTb-ΔTa) 与导热系数 K 成反比， K 越 小，峰越高、尖，（峰面积几乎不变，因 反应焓变化量为定值）。因此可通过降低 K值来提高差热分析的灵敏度。
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稀释剂的加入 往往会降低差 热分析的灵敏 度!
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6.3.5 差热分析的应用
DTA曲线提供的信息： 峰的位臵 峰的形状 峰的个数
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1. 材料的鉴别与成分分析
应用差热分析对材料进行鉴别主要是根据 物质的相变（包括熔融、升华和晶型转变 等）和化学反应（包括脱水、分解和氧化 还原等）所产生的特征吸热或放热峰。有 些材料常具有比较复杂的DTA曲线，虽然 不能对DTA曲线上所有的峰作出解释，但 是它们象“指纹”一样表征着材料的特性。
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假
设:
试样S和参比物R放在同一加热的金属块 W 中，使之处于同样的热力学条件之下。 1. 试样和参比物的温度分布均匀（无温 度梯度），且与各自的坩埚温度相同。 2. 试样、参比物的热容量CS、CR不随温 度变化。 3. 试样、参比物与金属块之间的热传导 和温差成正比，比例常数（传热系数）K 与温度无关。
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C R CS Ta K
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dTR dTR CR CS KTa dt dt
(6 5)
dTR CS K TW TR KTa dt
式3-式6，得：
dT dH CS K T Ta dt dt
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(6 6)
6.3 差热分析法(DTA)
( Differential Thermal Analysis)
定义：在程序控制温度下，测量 物质和参 比物之间的温度差 与 温度 关系的一种技术。 当试样发生任何物理（如相转变、熔化、 结晶、升华等）或化学变化时，所释放或 吸收的热量使试样温度高于或低于参比物 的温度，从而相应地在 DTA 曲线上得到放 热或吸收峰。
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(二)
CS
在反应终点C，
dH 0 dt
K lnTc Ta t CS
dT dt
K T Ta
K Tc exp CS
t Ta
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反应终点C以后，ΔT将按指数函数衰减直至 ΔTa（基线）
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2. 气氛的影响
不同性质的气氛如氧化性、还原性和惰性 气氛对DTA曲线的影响是很大的。 如：在空气和氢气的气氛下对镍催化剂进 行差热分析，所得到的结果截然不同（见 图）。在空气中镍催化剂被氧化而产生放 热峰。
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不同气氛下碳酸锶的热分解反应 SrCO3 (s) SrO(s) CO2 ( g )
(6 11)
H K [T Ta ]dt K [T Ta ]dt K [T Ta ]dt KS
a
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(6 12)
S：差热曲线和基线之间的面积
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根据式（6-12）可得出下述结论：
1. 差热曲线的峰面积 S 和反应热效应 ΔH 成 正比； 2.传热系数K值越小，对于相同的反应热效 应 ΔH 来讲，峰面积 S 值越大，灵敏度越高。 (6-12)式中没有涉及程序升温速率 φ，即升 温速率 φ不管怎样， S值总是一定的。由于 ΔT和φ成正比，所以φ值越大峰形越窄越高。
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引入CaF2的Na2O-CaO-SiO2 系统试样的DTA
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3. 凝胶材料的烧结进程研究
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复 习 题
差热分析的定义、基本原理 DTA曲线、吸热峰、放热峰 哪些因素影响差热分析曲线的基线？如何 得到稳定的基线？ 根据差热曲线方程分析，如何提高仪器的 灵敏度？ 升温速率如何影响峰的形状、位置及相邻 峰的分辨率？
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一、仪器因素的影响
1）仪器加热方式、炉子形状、尺寸等，
会影响DTA曲线的基线稳定性。 2）样品支持器的影响 3）热电偶的影响 4）仪器电路系埚材料
在差热分析中所采用的坩埚材料大致有：玻璃、 陶瓷、 α-Al2O3 、石英和铂等。要求：对试样、 产物（包括中间产物）、气氛都是惰性的，并 且不起催化作用。 对碱性物质（如 Na2CO3 ）不能用玻璃、陶瓷 类坩埚； 含氟高聚物（如聚四氟乙烯）与硅形成化合物， 也不能使用玻璃、陶瓷类坩埚； 铂具有高热稳定性和抗腐蚀性，高温时常选用， 但不适用于含有 P 、 S 和卤素的试样。另外， Pt对许多有机、无机反应具有催化作用，若忽 视可导致严重的误差。
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差热分析时添加稀释剂的目的，稀释剂对 差热分析的影响。 试样用量对差热分析的影响，如何选择试 样用量？ 试样粒度对差热分析的影响，如何准备试 样？ 差热分析曲线能提供那些信息？
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设Tw为金属块温度，即炉温 程序升温速率 ： 当t=0时，TS=TR=Tw
dTw dt
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差热分析时，炉温 Tw 以 φ 开始升温，由
于存在热阻， TS 、 TR均滞后于 Tw ，经过 一段时间以后，两者才以φ升温。 升温过程中，由于试样与参比物的热容 量不同（ Cs≠CR ）它们对 Tw 的温度滞后 并不同（热容大的滞后时间长），这样 试样和参比物之间产生温差△T。当它们 的热容量差被热传导自动补偿以后，试 样和参比物才按照程序升温速度φ升温。 此时△T成为定值△Ta，从而形成了差热 曲线的基线。
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基线形成后继续升温，如果试样发生了吸 热变化，此时试样总的热流率为： dTS dH CS K TW TS (6 3) dt dt
ΔH：试样全部熔化的总吸热量
参比物总热流率
dTR CR K TW TR dt (6 4)
dTW dTR dt dt
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o-a之间是DTA基线形成过程
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此过程中ΔT的变化可用下列方程描述：
K CR CS ΔT 1 exp t K cs (6 1)
当t足够大时，可得基线的位臵:
CR CS Ta K
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丙酮和对硝基苯肼反应
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2. 材料相态结构的变化
检测非晶态的分相最直接的方法是通过电 镜观察，可直接观察样品的分相形貌，在 扫描电镜分析中还可以进行电子探针分析， 这样还可以探明分相中的组成。但电镜分 析比较复杂，从制样到分析需要的周期比 较长、而用 DTA 不仅制样简单，而且方便 快速。
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H Cs [Tc Ta ] K [T Ta ]dt
a
(三)
将（6-7）式积分整理后得到
c
(6 10)
由于差热曲线从反应终 点c返回到基线的积分 表达式可表示为: Cs [Tc Ta ] K [T Ta ]dt
c c a c
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CuSO4· 5H2O粒度对DTA曲线的影响 1#峰重叠； 2#峰可明显区 分； 3#只出现两个 峰。
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3.稀释剂的影响
在差热分析中有时需要在试样中添加稀
释剂，常用的稀释剂有参比物或其它惰 性材料，添加的目的有以下几方面： 改善基线； 防止试样烧结； 调节试样的热导性； 增加试样的透气性，以防试样喷溅； 配制不同浓度的试样。
6.3.1 基本原理
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6.3.2 差热曲线方程
为了对差热曲线进行理论上的分析，从 60 年代起就开始进行分析探讨，但由于考虑 的影响因素太多，以致于所建立的理论模 型十分复杂，难以使用。 1975 年，神户博太郎对差热曲线提出了一 个理论解析的数学方程式，该方程能够十 分简便的阐述差热曲线所反映的热力学过 程和各种影响因素。