材料测试与研究方法第六章热分析解读

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DTG曲线
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TG特点
➢ 定量性强，能准确地测量物质的质量变化及变 化的速率，不管引起这种变化的是化学的还是 物理的。
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2.1 基本原理
➢ TG与DTG的测量都要依靠热天平，主要介绍 热天平及热重测量的原理。
➢ 热天平是实现热重测量技术而制作的仪器， 它是在普通分析天平基础上发展起来的，具有 一些特殊要求的精密仪器：（1）程序控温系 统及加热炉，炉子的热辐射和磁场对热重测量 的影响尽可能小；（2）高精度的重量与温度 测量及记录系统；（3）能满足在各种气氛和 真空中进行测量的要求；（4）能与其它热分 析方法联用。
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1. 热分析概述
定义
热分析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类技术。 国际热分析协会ICTA （International Confederation for
) Thermal Analysis
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、电学 及磁学性质等。
“物质”指试样本身和（或）试样的反应产物，包括 中间产物。2020来自11/164发展史
➢ 热 分 析 起 始 于 1887 午 ， 德 国 人 H.Lechatelier用一个热电偶插入受热粘土 试样中，测量粘土的热变化；所记录的数据 并不是试样和参比物之间的温度差。
➢ 1899年，英国人Roberts和Austen改良了 Lechatelier装置，采用两个热电偶反相连 接，采用差热分析的方法研究钢铁等金属材 料。直接记录样品和参比物之间的温差随时 间变化规律；首次采用示差热电偶记录试样 与参比物间产生的温度差．这即目前广泛应 用的差热分析法的原始模型。
EGD 5.力学特性 11)热机械分析
TMA
EGA
12)动态热机械分析 DMA
6.声学特性 13)热发声法
14)热声学法
7.光学特性 15)热光学法
DTA 8.电学特性 16)热电学法
9.磁学特性 17)热磁学法
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应用
➢ 在上述热分析技术中，热重法、差热分析以及 差示扫描量热法应用的最为广泛。
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➢ 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（热重分析）；测 定了MnSO4.4H2O等无机化合物的热分解反应。
➢ 二十年代，差热分析在粘土、矿物和硅酸盐的研 究中使用得比较普遍。从热分析总的发展来看， 四十年代以前是比较缓慢的．例如热天平直到四 十年代后期才用于无机重量分析和广泛应用于煤 炭高温裂解反应。
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ICTA对热分析技术的分类
物理 性质
分析技术名称
1.质量 1）热重法
2）等压质量变化 测定
简称 物理性质
TG 3.热焓 4.尺寸
分析技术名称
9)差示扫描量热法 10)热膨胀法
简称 DSC
3)逸出气体检测 4)逸出气体分析 5)放射热分析 6)热微粒分析 2.温度 7)加热曲线测定 8)差热分析
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判定某种有关热学方面的技术是否属于热分 析技术应该具备以下三个条件：
➢ 测量的参数必须是一种“物理性质”，包括质量、温 度、热焓变化、尺寸、机械特性、声学特性、电学及 磁学特性等。
➢ 测量参数必须直接或者间接表示成温度的函数关系。
➢ 测量必须在程序控制的温度下进行，程序控制温度一 般指线性升温或者线性降温，也包括恒温、非线性升、 降温。
➢ 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 ， Watson 和 O’Neill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。
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分类
➢ 热分析方法的种类是多种多样的，根据ICTA 的归纳和分类，目前的热分析方法共分为9类 17种。
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热分析的应用类型
4.材料质量测定：如纯度测定、物质的玻璃 化转变和居里点、材料的使用寿命测定。 5.材料的力学性质测定：抗冲击性能、粘弹 性、弹性模量、损耗指数和剪切模量等的测 定。 6.环境监测：研究蒸汽压、沸点、易燃性等。
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2. 热重法
（Thermogravimetry TG )
定义：在程序控制温度下，测量物质质量与 温度关系的一种技术。
m = f(T)
是使用最多、最广泛的热分析技术。 类型： 两种 ✓ 1.等温（或静态）热重法：恒温 ✓ 2.非等温（或动态）热重法：程序升温
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热重曲线（TG曲线）
✓ 由TG实验获得的曲线。记录质量变化对温度的关 系曲线。
✓ 纵坐标是质量（从上向下表示质量减少） ，横坐 标为温度或时间。
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微商热重曲线（DTG曲线）
✓从 热 重 法 可 派 生 出 微 商 热 重 （Derivative Thermogravimetry ）, 它是TG曲线对温度（或时间）的一阶 导数。
✓纵坐标为dW/dt ✓ 横坐标为温度或时间
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热分析的应用类型
1.成份分析：无机物、有机物、药物和高聚 物的鉴别和分析以及它们的相图研究。 2.稳定性测定：物质的热稳定性、抗氧化性 能的测定等。 3.化学反应的研究：比如固-气反应研究、 催化性能测定、反应动力学研究、反应热测 定、相变和结晶过程研究。
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➢ 研究物理变化（如晶型转变、熔融、升华、吸 附等）和化学变化（脱水、分解、氧化和还原 等）。
➢ 范围：无机物（金属、矿物、陶瓷材料等）→ 有机物、高聚物、药物、络合物、液晶和生物 高分子等。
➢ 应用领域：化学化工、冶金、地质、物理、陶 瓷、建材、生物化学、药物、地球化学、航天、 石油、煤炭、环保、考古、食品等。
第 六 1.热分析概述 章 2.热重分析
3.差热分析
热 分
4.差示扫描量热法
析 5.热分析联用技术
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主要参考书目
❖ 热分析，李余增，清华大学出版社
❖ 现代仪器分析，杜廷发，国防科技大 学出版社
❖ 热分析及其应用，陈镜泓，科学出版 社
❖ 材料结构表征及应用，吴刚，化学工 业出版社