实验差热热重

实验5 热重、差热分析实验

一．实验目的与基本要求

1．在固相反应中，通过对材料基本性质的了解，利用其基本性质参数，试设计出一条合理的温度曲线，利用综合热分析仪（ZRY-1P、ZRY-2P）对其进行测试分析，通过对比，得到最优烧结方案。

2．理解热重分析和差热分析的基本原理。

3．了解高温综合热分析仪（ZRY-2P）的组成及组成各系统的基本工作原理。

4．掌握高温综合热分析仪的具体测量方法。

5．当各种固体氧化物、盐类发生熔融、相变、分解、化合、脱水、凝固、蒸发、升华等特定过程时，对其进行热重分析和差热分析。

6．对实验数据进行处理，根据得到的一系列热重曲线（TG）、微分热重曲线（DTG）和差热曲线（DTA），对物质发生的具体过程进行热分析。

二．实验原理与温度曲线的设计

固相反应是一系列合金、传统硅酸盐材料以及新型无机功能材料生产过程中的基础反应。固相反应是固体参与直接化学反应并起化学变化，同时至少在固体内部或外部的一个过程中起控制作用的反应。固相反应除固体间的反应外也包括有气、液相参与的反应。例如金属氧化、碳酸盐、硝酸盐和草酸盐等的热分解反应、粘土矿物的脱水反应以及煤的干馏等反应。

固相反应的共同特点有：首先，固体质点（原子、离子或分子）间具有很大的作用键力，故固态物质的反应活性通常较低，速度较慢。其次，在低温时固体在化学上一般是不活泼的，因而固相反应通常需在高温下进行。而且由于反应发生在非均一系统，传热和传质过程都对反应速度有重要影响。而伴随反应的进行，反应物和产物的物理化学性质将会变化，并导致固体内部温度和反应物浓度分布及其物性的变化，这都可能对传热、传质和化学反应过程产生影响。

在具体的反应中为了得到预定的产物，使反应向着希望的方向进行，各种固体氧化物、盐类发生熔融、相变、分解、化合、脱水、凝固、蒸发、升华等特定过程需要适当的温度和持续时间，在对具体反应物基本性质的了解，利用其基本性质参数的基础上，试设计出一条适宜的温度曲线，利用高温综合热分析仪（ZRY-2P）对其进行测试，通过对实验结果的分析比较，得到最优温度方案。

综合热分析仪是具有微机数据处理系统的热重-差热联用热分析仪器，是一种在程序温度（等速升温、

降温、恒温和循环）控制下，测量物质的质量和热量随温度变化的分析仪器。系统组成及测试原理路线如图1。

1．热重分析原理

在天平测量系统中，当物质被加热时，随着温度的增高，物质内部在某一特定温度下产生物理变化或化学变化，此时常常伴随着物质质量的变化。

热重分析的原理是，在设定温度范围内将不同温度下被加热试样的质量（或重量）变换成电流，用电流的大小来代表质量的大小，从而得到物质的热重曲线TG（即质量-温度曲线，如图2），然后微分系统对TG 进行一次微分运算，得到DTG微分热重曲线（如图3）。

2.差热分析原理

差热分析（DTA）是在程序温度控制下测量物质与参比物之间温度差随温度变化的一种技术。

差热信号的测量是通过样品支架实现的，其基本结构如图4。测试时将试样与参比物（α-氧化铝）分别放在两只坩埚内，加热炉以一定速率升温，如果试样没有热反应，则它与参比物的温差ΔT=0；如果试样在某一温度范围内有吸热（或放热）反应，则试样温度将停止（或加快）上升，试样与参比物之间产生温差ΔT，把ΔT热电偶放大后经微机实时采集，得到图5的峰形曲线（即DTA）。

3．其它组成部分原理

3．1 温度控制系统

温度控制系统由程序温度控制单元、控温热电偶及加热炉组成。由程序温度控制单元编程模拟复杂的温度曲线，给出毫伏信号。当控温热电偶的热电势与该毫伏值有偏差时，说明炉温偏离给定值，由偏差信号调

整加热炉功率，使炉温很好地跟踪设定值，符合理想的温度控制。

3．2 气氛系统

气氛系统包括导气管及输入气体。输入气体可用氮气、氧气、净化空气以及它们的混合气体。气氛系统的使用是为了保护样品，并且防止加热炉升温后热量进入天平室，影响天平的精度。

三．实验设备

ZRY-2P型高温综合热分析仪，包括差热放大单元、天平控制单元、微分单元、气氛控制单元、数据处理接口单元、计算机、打印机等部分。

四．实验步骤

1．准备工作

1.1 检查电源线、信号线、通气管是否接好，正确无误后，打开各单元电源，预热30分钟。

注意：开机后，温控单元中设置温度sv显示必须为“STOP”，否则，长按“Λ”（STOP键），使其恢复到STOP状态。

1.2 气氛控制单元：打开N2钢瓶上的压力表，调节减压阀手柄，是压力表指针指示在2～4Kg/cm2位置；将气路切换开关拨向N2处，调节流量计使流量保持在40ml/min，压力表在0.2MPa。

2．样品称重

2.1天平调零开机20分钟后，对天平进行零位调整。先选择适当的量程，一般TG设置为1×10（量程×倍率）；DTG量程为×5（一般可选×5，×10）；DTA量程为±100μV。

将两个坩埚放在样品支架上（试样加热温度在600℃以下时，可用铝坩埚；超过600℃则需用α－Al2O3坩埚），左边坩埚放入参比物α－Al2O3粉末，右边坩埚空置。然后调节电减码（从大到小减），使电压值保持在0～0.30以下，用以减去样品器皿的重量，在计算机里进行采样设置后，按下调零结束。

2.2加样将预测样品放入样品坩埚内。样品加入量要适当，加入后电压显示应小于 5.00V（一般～4.50V）。

3．温控设置

3.1根据具体的试样设计合适的温度曲线根据材料中所含有具体物质的性质，物质的相变条件以及相互之间可能发生反应所需的具体温度等，设计出预温度曲线。

温度曲线的程序编排统一采用温度-时间-温度-时间------格式。其定义为：从当前段设置温度，经过该段设置的时间到达下一温度。温度单位为℃，时间为分钟。（加热速率一般为10～20℃/min，高温区一般为20℃/min，防止因加热过慢，Pt电阻丝高温区蒸发。）

3.2升温升温前，设置温度sv显示必须为“STOP”，然后按“∨”运行/暂停键，sv显示为“run”时松键，开始进行程序升温。

注意：开始运行后，若sv显示值到2后，电炉的电压表不指向零点，则立即按“∨”运行/暂停键暂停，sv 显示“hold”,仪表进入放电等待。

当电压降回零伏后，再按“∨”运行/暂停键运行，sv显示“run”时松键，此时进入程序升温，按下电炉电源绿键（开）。

3.3关电炉升温结束后，先按“Λ”（STOP键）终止运行，再按下电炉电源红键（关）。

4.取样