材料测试与研究方法第六章热分析解读
热分析的原理与应用
热分析的原理与应用1. 热分析的基本原理热分析是一种通过对样品在不同温度或时间条件下的物理或化学变化进行分析的方法，其基本原理包括以下几个方面：•热重分析（TG）：热重分析通过测量样品在升温过程中的质量变化来分析样品的成分和性质。
样品在升温时，其质量会随温度的变化而发生变化，这是因为样品中存在着各种物质的热分解、氧化、化合物变化等反应过程。
通过对样品质量随时间或温度的变化进行监测和分析，可以得到样品的热分解特性和成分信息。
•热差示扫描量热法（DSC）：热差示扫描量热法是一种通过测量样品在升温或降温过程中与基准物质之间的温差来分析样品热性质的方法。
样品和基准物质在温度条件下可能会发生吸热或放热反应，从而产生温差。
通过测量样品和基准物质之间的温差，可以了解样品的热容量、热变化、相变等信息。
•差热分析（DTA）：差热分析是一种通过测量样品和参比物在升温或降温过程中的温差来分析样品的性质和反应的方法。
样品和参比物在升温或降温过程中可能会发生物理或化学变化，从而产生温差。
通过测量样品和参比物之间的温差，可以推断出样品的热性质和反应特性。
2. 热分析的应用领域热分析在各个领域中有着广泛的应用，以下列举了其中的几个应用领域：•材料科学与工程：热分析可以用于材料的性能测试和品质控制。
通过热分析可以了解材料的热固化过程、热稳定性、相变行为、热膨胀系数等性质，从而指导材料的设计、工艺优化和使用条件的确定。
•环境科学：热分析可以用于环境污染物的检测和分析。
通过热分析可以了解样品中的有机和无机物质的热稳定性、燃烧特性等。
例如，使用热分析可以对废物和大气污染物中的有机物进行检测和定性分析。
•药物研发：热分析可以用于药物的研发过程中的药物稳定性测试和相变行为研究。
通过热分析可以了解药物在不同温度和湿度条件下的稳定性、热分解特性等，从而指导药物的储存和使用条件的确定。
•食品科学：热分析可以用于食品中成分和品质的分析和检测。
通过热分析可以了解食品中的蛋白质、脂肪、糖等成分的热稳定性、降解特性，从而判断食品的品质和存储条件。
热分析 ppt
第二节 差热分析(DTA)
Differential Thermal Analysis
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。
参比物： 在测定条件下不产生任何热效应 的惰性物质
6.2.1 差热分析原理
热电偶与差热电偶
差热分析原理图
将差热电偶的一个热端插 在被测试样中，另一个热 端插在待测温度区间内不 发生热效应的参比物中， 试样和参比物同时升温， 测定升温过程中两者的温 度差。
——快速提供被研究物质的热稳定性、热分解产 物、热变化过程的焓变、各种类型的相变点、玻 璃化温度、软化点、比热、纯度、爆破温度和高 聚物的表征及结构性能等。
与其它技术的联用性
热分析只能给出试样的重量变化及吸热或放热情况， 解释曲线常常是困难的，特别是对多组分试样作的热 分析曲线尤其困难。目前，解释曲线最现实的办法就 是把热分析与其它仪器串接或间歇联用，常用气相色 谱仪、质谱仪、红外光谱仪、X光衍射仪等对逸出气 体和固体残留物进行连续的或间断的，在线的或离线 的分析，从而推断出反应机理。
加热速度快，峰尖而窄，形 状拉长，甚至相邻峰重叠。 加热速度慢，峰宽而矮，形 状扁平，热效应起始温度超 前。
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
——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。 ——气氛会影响差热曲线形态，一般采用动态气氛。
6.2.3 DTA曲线的解析
（2）试样的颗粒度 ——试样颗粒越大，峰形趋于扁而宽。反之，颗 粒越小，热效应温度偏低，峰形变小。 ——颗粒度要求：100目-300目（0.04-0.15mm）
（3）试样的用量 ——试样用量多，热效应大，峰顶温度滞后，容 易掩盖邻近小峰谷。 ——以少为原则。 ——硅酸盐试样用量：0.2－0.3克
第六章 热分析法
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6.1 差热分析法（DTA）
6.1.3 DTA曲线
横坐标：时间或温度 纵坐标：温度差ΔT 基线：ΔT 近似等于0 的区段 峰：吸热峰↓，放热峰↑ 外延始点：峰的起始边陡峭部 分的切线与外延基线的交点， 如F。
6.1.5 影响DTA曲线的主要因素
6.1 差热分析法（DTA）
仪器因素：炉子的结构与尺寸、坩埚材料与形状、热电偶性
能等。 操作因素： a 、试样的结晶度、纯度、颗粒度、用量及装填密度：影响峰 形和峰值
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6.1.5 影响DTA曲线的主要因素
操作因素：
b、参比物与样品的对称性：包括用量、密度、粒度、比热容 及热传导等，两者都应尽可能一致，否则可能出现基线偏移、 弯曲，甚至造成缓慢变化的假峰； c、炉内气氛： 静态气氛，一般为封闭系统，随着反应的进行，样品分 解出来的气体逐渐增加，使反应速度减慢，反应温度向 高温方向偏移。 动态气氛，气氛流经试样和参比物，分解产物所产生的 气体不断被动态气氛带走，控制好气体的流量就能获得 重现性好的实验结果。 d、记录纸速：不同的纸速使DTA峰形不同。 e、升温速率：影响峰形与峰位。
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6.2.3 DSC的应用
5、共聚物结构的研究
双酚A型聚砜-聚氧化丙烯多嵌段共聚物的差示扫描量热曲线
各样品软段相转变温度均高于软段预聚的转变温度（206℃）。
2018/10/12~Hale Waihona Puke 406.3 热重分析（TG）
热重分析（Thermogravimetry，TG或TGA）是在程序控制
热分析技术的应用和原理
热分析技术的应用和原理简介热分析技术是一种广泛应用于材料科学、化学工程和环境科学等领域的实验方法。
它通过对材料在不同温度条件下的热行为进行研究，揭示了材料的性质和结构信息，为材料设计、加工和性能评价提供了重要依据。
本文将介绍热分析技术的应用和原理，并重点讨论热重分析和差示扫描量热分析两种常用的热分析方法。
应用热分析技术在许多领域都有广泛的应用，以下是热分析技术的一些典型应用：1.材料性能研究：热分析技术可以用于研究材料的热稳定性、热分解特性以及热变形行为。
通过分析材料在不同温度条件下的质量变化、热吸放能量以及尺寸变化等参数，可以评估材料的热稳定性和热稳定温度范围，为材料的应用提供参考。
2.陶瓷和玻璃制备：热分析技术可以用于研究陶瓷和玻璃材料的烧结行为、相变特性以及热膨胀性能。
通过对材料在升温和降温过程中的质量变化以及热吸放能量进行分析，可以确定陶瓷和玻璃材料的烧结温度范围、烧结速率以及热膨胀系数等关键参数。
3.化学反应动力学研究：热分析技术可以用于研究化学反应的动力学特性。
通过对反应物的热分解过程进行研究，可以确定反应的起始温度、反应速率以及反应的放热或吸热特性。
这些信息对于了解反应机理和优化反应条件具有重要意义。
4.环境污染的监测与控制：热分析技术可以用于监测和分析环境样品中的有机物和无机物。
例如，热重分析可以用于测定大气颗粒物中的有机物和无机物的含量分布和热解特性，从而评估空气中的污染程度并制定相应的治理措施。
原理热分析技术的原理主要基于材料在不同温度条件下的热行为。
根据热量传递的方式不同，热分析技术可分为热重分析和差示扫描量热分析两种常见方法。
热重分析（Thermogravimetric Analysis, TGA）热重分析是一种通过测量材料在升温过程中的质量变化来研究材料热行为的方法。
其原理基于样品在升温过程中发生物理变化或化学反应时，会引起样品质量的变化。
通过测量样品质量变化与温度的关系，可以揭示样品的热分解特性、相变行为以及热稳定性。
热分析方法
热分析方法热分析是科研表征中常见的手段。
所谓热分析，指通过控制样品温度的改变，来分析其相应物理化学性质的改变。
今天我们就只讲最为常见的热分析手段有三种热重分析（TG）、差热分析（DTA）和差示扫描量热法（DSC）。
首先我们来看怎么正确选择热分析的方法。
1、热分析方法的选择三种热分析方法各有所长，可以单独使用、也可以联合使用。
具体如何选择，我们首先从定义出发，了解这些表征手段。
TG：在程序控温下，测量样品的质量（m）随温度的变化。
如果你需要知道，样品在升温或者降温过程中，样品质量的变化（比如吸附、脱附、分解等），请选择TG。
比如工业催化剂中常会有积碳现象，通过TG表征可以确定积碳量。
DTA：在程序控制温度下，测量参比物和样品温差（△T）随温度（T）的变化。
DTA与TG的区别在于测量值从质量变为温差。
之所选择测试温差，是因为升温过程中发生的很多物理化学变化（比如融化、相变、结晶等）并不产生质量的变化，而是表现为热量的释放或吸收，从而导致样品与参比物之间产生温差。
DTA 能够发现样品的熔点、晶型转变温度、玻璃化温度等等信息。
DSC: 在程序控制温度下，测量给于参比物和给予样品的能量之差（△Q）随温度（T）的变化。
在整个测试过程中，样品和参比物温差控制在极小的范围内。
当样品发生物理或者化学变化时，控温装置将输入一定功率能量，以保持温度平衡。
可以简单的将DSC看成是DTA的升级版。
DSC也确实是从DTA发展而来。
传统的DTA仪器因为样品池材质的关系，只能测温差，无法准备测量热和焓的变化。
后期通过改变材质和结构，使得从温差转变为能量差成为可能（热流型）。
最后又出现一种直接测量输入热量差的DSC(功率补偿型)。
DSC的优点在于灵敏度高、可以定量测量焓、比热容等物理量。
2. 数据如何分析？TG：典型的TG图如下图1所示：其中最重要的信息是失重的温度点和失重的比例。
根据你所测试材料的性质和这些温度点、失重比例，可以推测所发生的物理化学变化。
矿物材料现代测试技术6热分析技术
矿物材料现代测试技术6热分析技术矿物材料是指地球内含有矿物质的岩石和矿石，它们在矿业、建筑材料、冶金等行业中具有重要的应用价值。
为了充分发挥矿物材料的特性和性能，对其进行测试和分析是必不可少的。
热分析技术是矿物材料测试中的一种重要方法，通过对矿物材料在不同温度下的物理和化学性质的变化进行分析，可以了解其熔点、热稳定性、相变、晶体结构等方面的信息。
下面将详细介绍热分析技术以及在矿物材料测试中的应用。
热分析技术主要包括热重分析（TGA）、差示扫描量热（DSC）和热机械分析（TMA）等方法。
热重分析是通过对样品在不同温度下质量的变化进行监测，以推断样品的组成和性质；差示扫描量热则是通过测量样品在加热或冷却过程中与参比物的热量差异，来研究样品的热性质；而热机械分析则是通过测量样品在加热或冷却过程中的尺寸变化，来分析样品的热膨胀性质。
热重分析可以用于测定矿物材料的热稳定性和组成。
矿物材料的热稳定性是指在高温下是否会发生分解、氧化或其它化学变化。
通过热重分析，可以计算出样品的热重损失曲线（TG曲线），从而了解其热稳定性。
同时，热重分析还可以定量测定样品中的水分、有机物和无机盐等成分的含量。
差示扫描量热则可以用于测定矿物材料的热性质和相变。
矿物材料在加热或冷却过程中会发生相变，如熔化、结晶、晶体转变等。
差示扫描量热可以通过测量样品与参比物之间的温度差异，来推断样品的热性质和相变温度。
例如，通过差示扫描量热可以确定矿物材料的熔点、玻璃转变温度等关键参数。
热机械分析主要用于测定矿物材料的热膨胀性质。
矿物材料在加热或冷却过程中会发生尺寸变化，如膨胀或收缩。
热机械分析可以通过测量样品在加热或冷却过程中的尺寸变化，来研究样品的热膨胀性质。
这对于矿物材料在高温下的工程应用具有重要意义，可以帮助减少因热膨胀引起的破裂和变形。
热分析技术在矿物材料测试中的应用非常广泛。
首先，热分析可以帮助确定矿物材料的组成和纯度。
例如，通过热重分析可以计算出样品中杂质的含量，从而判断矿石的品质。
热分析方法-TG
三.热重曲线的分析和计算方法
-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。例如固体的热分解反应为:
其热重曲线如图2-3所示。
a A□□口
UBaDDd
Ti Tf T °C
-硫酸铜生成。根据热重曲线上的各步失重量 可以很
简便地计算出各步的失重百分数，从而 判断试样的热
分解机理和各步的分解产物。从 热重曲线
-可看出热稳定性温度区、反应区、反应所产 生的中 间体和最终产物。该曲线也适合于化学 量的计算。 -在热重曲线中，水平部分表示重量是恒定的， 曲线 斜率发生变化的部分表示重量的变化，因 此从热重曲 线可求算出微商热重曲线。新型热 重分析仪都有重量 微商单元。通过重量微商线 路可直接记录微商热重曲 线。
9
-实验条件一一升温速率、气氛等； -试样 的影响一一试样质量、粒度等。
1.仪器因素
1.仪器因素 (1)浮力的影响 由于气体的密度在不同的温度下有所不同，所以随 着温度的
上升试样周围的气体密度发生变化，造成浮力的变 动。 在
300°C时浮力为常温时的1/2左右，在900°C时大约为 1/4。可见，在试样重量没有变化的情况下，由于升温， 似乎试样在增重，这种现象通常称之为表观增重。表观 增重可用下列公式迂算：
-图2-5中DTG曲线所记录的三个峰是与
CaC2O4 - H2O三步失重过程相对应的。根据这 三个
DTG的峰面积，同样可算出CaC2O4 - H2O 各个热分解 过程的失重量或失重百分数。
-在热重法中，DTG曲线比TG曲线更为 有 用，因为它与DTA曲线相类似，可在 相同 的温度范围进行对比和分析而获得有 价值 的资料。 -实际测定的TG和DTG曲线与实验条件，
材料科学研究方法-热分析
F=f（T）或f（）
2
概述
物质的热效应 一 晶体中水的存在形式 1毛吸细附管水内：，H失2O水；温不度参1加00晶-1格3；0o存。在于表面或 2与结其晶他水单：元H形2成O参化加学晶键格；；失存水在物于相结变构化中；，温度不
100-300o。 3 结构水：OH-形式参加晶格；存在于结构中，
测定方法是用精确已知热效应的标准物质进行差热分 析，由差热分析求出面积，标出单位面积相当的热量， 即比例系数。由于物质的热性质与温度有关，所以比 例系数也随温度而改变，故要求标定的温度范围必须 和实验测量的温度范围相同。
标定通常用高纯物质的熔化热焓来进行，可避免化学 反应放出的分解产物可能引起的复杂行为，应当指出 用熔化吸热和冷凝放热的平均峰面积比用单独的熔化 吸热峰的峰面积更可靠。
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图1 差热分析仪结构示意图 1-参比物；2-样品；3-加热块；4-加热器；5-加热块热电
偶；6-冰冷联结；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
8
TAS-100型热分析仪
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第一节 差热分析
三、差热曲线
基线(Baseline)，AB和DE段； 峰(Peak)，BCD段； 吸热峰(Endotherm)，T<0 放热峰(Exotherm)， T>0 峰宽(Peak Width)，BD或B’D’ 峰高(Peak height)，CF段 峰面积(Peak area)，BCDFB 起始转变温度(Initial Ttrans)，TB 外推起点(Extrapolated onset)，G 峰的位置和形状 BC峰的前沿，CD峰的后沿
热分析——
材料测试 热重分析TG
DTA DSC
TG DTG
（微分热重分析）
TMA （热机械分析）
DMA（动态机械分析）
EGA （逸出气分析）
➢ 应用最广泛的方法是热重（thermogravimetry, TG）和差 热分析（differential thermal analysis, DTA），其次是差 示扫描量热法（differential scanning calorimetry, DSC）， 这三者构成了热分析的三大支柱，占到热分析总应用的75％ 以上。
量为W1； 平台EF和GH分别代表一个稳定的组成。
DE和FG分别代表第二、三次失重，总
失重率(W0-W3)／W0 ×100％，即失水 百分数。固体余重量为W3
根据失重量，可以计算失去了多少物质。
结晶硫酸铜分三阶段脱水：
CuSO4·5H2O → CuSO4·3H2O＋ 2H2O↑ CuSO4·3H2O → CuSO4·H2O ＋ 2H2O↑ CuSO4·H2O → CuSO4＋H2O↑
iii. 挥发物再冷凝的影响
试样热分析过程逸出的挥发物有可能在热天平其它 部分再冷凝，这不但污染了仪器，而且还使测得的失重 量偏低，待温度进一步上升后，这些冷凝物可能再次挥 发产生假失重，使TG曲线变形，使测定不准，也不能重 复。为解决这个问题可适当向热天平通适量气体。
B. 操作条件的影响
i. 升温速率的影响---TG测定影响最大的因素
6.2.2热重图谱解析
Weight Loss [%]
➢TG曲线表示加热过程中样
140
120
100
80
水分
60
TG
40
20
0
可
燃
烧 物
DTG
热重分析TG讲解
梯度曲线
曲线的纵坐标为质量 mg 或剩余百分数%表 示；
横坐标T为温度。用热 力学温度（K）或摄氏 温度（℃）。
曲线陡降处为样品失重区，平台区为样品的热稳定区。
6.3 TG实验技术
1. 试样量和试样皿 试样量：5-10mg 试样皿：铝、三氧化二铝或铂金
注意事项：
•对于膨胀型的材料适量减少试样量； •试样量过多，传质阻力大，使试样温度偏离线性程 序升温，TG曲线发生变化； •试样粒度越小越好，尽可能平铺； •＜600℃采用铝皿， ＞600℃采用三氧化二铝皿； •碱性样品不能采用铝皿。
注意事项：
• 热天平周围气氛的改变对TG曲线影响显著。
4. TG失重曲线的处理和计算
TG-5% TG-10%
起始分解温度
外延起始温度 TG-50% 终止温度 外延终止温度
5. 微商曲线(DTG)表示和意义
重量的变化率与温度或时间的函数关系，是TG曲线对 温度或时间的一阶导数。DTG曲线是一个热失重速率 的峰形曲线。
转变与反应。
6.2 TG基本原理
热重法又称热失重法（Thermogravimetry,TG)
在程序控温下，测量物质的质量随温度（或时间）的变化 关系。对于材料的热稳定性、组成以及热反应变化进行有 效表征。
微量热 天平
铂金样 品盘
加 热 器
热重分析通常可分为两类：动态(升温)和静态(恒温)。
谱图表示方法：样品的重量或重量分数随温度或时间的变化曲线
2. 升温速率
1-20℃/min
常用：10-20℃/min
注意事项：
•升温速度越快，温度滞后越严重； •升温速度快，使曲线的分辨力下降，会丢失某些中间 产物的信息，如对含水化合物慢升温可以检出分步失水 的一些中间物； •同系列样品比较，在没有特殊要求下最好采用相同升 温速率。
高分子研究方法热分析
偏光显微镜（POM）
观察高分子材料在升降温过程中的结晶形态和 熔融行为。
DSC分析
通过测量高分子材料在升降温过程中的热量变化，研究其结晶度、熔融温度和 熔融焓等。
交联度及固化反应动力学研究
凝胶含量测定
通过测量高分子材料在溶剂中不溶部分的质量分数，评价其交联度。
动态热机械分析法原理及设备
测量材料的动态力学响应。
产生交变应力或应变。
DMA设备主要由以下几部 分组成
设备
传感器 振荡器
动态热机械分析法原理及设备
温控系统
控制测试温度。
数据采集与处理系统
记录并分析测试结果。
动态热机械曲线解析与实例
曲线解析
DMA测试得到的曲线主要包括储能模量-温度曲线、损耗模量-温度曲线和损耗因子-温 度曲线。通过这些曲线，可以分析材料的玻璃化转变、结晶、交联等结构变化以及分子
通过热重分析可以确定聚合物的热稳定性， 了解其在不同温度下的分解行为，为聚合物 的加工和使用提供指导。
利用热重分析可以研究聚合物共混物的相容 性，通过比较不同组分的热失重行为，判断 共混物中各组分之间的相互作用。
聚合物老化研究
添加剂对聚合物性能的影响
热重分析可用于研究聚合物材料的老化行为， 通过比较老化前后样品的热失重曲线，了解 老化对聚合物结构和性能的影响。
氧化诱导期测定
要点一
氧化诱导时间（OIT）
通过测量高分子材料在特定温度和氧气压力下开始发生自动 催化氧化反应的时间，评价其抗氧化性能。
要点二
氧化诱导温度（OIT）
在恒定氧气压力下，测量高分子材料开始发生自动催化氧化 反应的温度，用于评价其在不同温度下的氧化稳定性。
热分析法PPT课件
04
热分析法在材料科学中的应用
材料热稳定性的研究
热重分析（TGA）
通过测量材料在升温过程中的质 量变化，研究其热分解、氧化等 反应，评估材料的热稳定性。
差热分析（DTA）
记录材料在升温或降温过程中的 热量变化，分析材料的热效应， 判断其热稳定性。
要点二
原理
物质在加热过程中会伴随质量的变化 ，这种变化是由于物质的分解、挥发 、升华等物理或化学过程引起的。通 过测量物质质量随温度的变化，可以 得到物质的热稳定性、热分解温度、 热分解过程等信息。
要点三
应用
热重分析广泛应用于无机物、有机物 及聚合物的热分解研究，以及固体物 质的成分分析等领域。
差热分析
热机械分析（
TMA）
测量材料在温度变化过程中的形 变和应力，研究材料的热膨胀、 收缩等性能，评估其热稳定性。
材料相变过程的探究
差示扫描量热法（DSC）
测量材料在升温或降温过程中的热量变化，研究材料的熔融、结 晶、固化等相变过程。
热光分析
通过观察材料在加热过程中的光学性质变化，研究材料的相变过程 和机理。
生物医学
用于研究生物组织的热性质、生物大分子的 热稳定性以及药物的热分析。
环境科学
用于研究环境污染物的热性质、热分解以及 环境样品的热分析。
热分析法的发展历程
早期阶段
热分析法的起源可以追溯到18世纪，当时人们开始使用天平测量物质在加热过程中的质 量变化。
发展阶段
19世纪末至20世纪初，随着热力学和物理化学的发展，热分析法逐渐成为一种重要的分 析方法，出现了多种热分析方法，如差热分析（DTA）、热重分析（TGA）等。
热分析法
热分析法摘要：热分析技术能快速准确地测定物质的晶型转变、熔融、升华、吸附、脱水、分解等变化，对无机、有机及高分子材料的物理及化学性能方面，是重要的测试手段。
热分析技术在物理、化学、化工、冶金、地质、建材、燃料、轻纺、食品、生物等领域得到广泛应用。
关键词：热分析法测定高分子材料应用一、热分析的起源及发展✧大约公元前五万年前，人类学会使用火；✧公元前2500年，古埃及人留下了带有火与天平的壁画；✧公元前332-330年，古埃及人提炼金时，学会了热重分析方法；✧14世纪时，欧洲人将热重法原理应用于黄金的冶炼；✧1780年，英国人Higgins研究石灰黏结剂和生石灰第一次用天平测量了试样受热时重量变化；✧1786年，Wedgwood测得粘土加热到暗红时（500-600℃）的失重曲线；✧1899年英国Roberts-Austen第一次使用了差示热电偶和参比物，大大提高了测定的灵敏度。
正式发明了差热分析（DTA）技术；✧1905年，德国人Tammann于在《应用与无机化学学报》发表的论文中首次提出“热分析”术语，后来法国人也研究了热天平技术；✧1915年日本东北大学本多光太郎，在分析天平的基础上研制了“热天平”即热重法（TG）；✧1964年美国瓦特逊（Watson）和奥尼尔（O’Neill）在DTA技术的基础上发明了差示扫描量热法（DSC），美国P－E公司最先生产了差示扫描量热仪，为热分析热量的定量作出了贡献；✧1965年英国麦肯才（Mackinzie）和瑞德弗(Redfern)等人发起，在苏格兰亚伯丁召开了第一次国际热分析大会，并成立了国际热分析协会。
二、热分析法原理物质在加热或冷却过程中会发生一定的物理化学变化，如融化、凝固、氧化、分解、化合、吸附和脱吸附等，在这些变化过程中必然会伴有一些吸热、放热或重量变化等现象，热分析法就是将这些变化作为温度的函数来进行研究和测定的方法。
物质的物理性质的变化，即状态的变化，总是用温度T这个状态函数来量度的。
热分析的定义与技术分类
导热性较差时，更是如此。这时所测得的TG曲线就不能确切表
征随温度变化时反应进展的客观规律。因此，在实际测试中。 在仪器灵敏度允许的范围内，一般都应采用尽可能少的试样量
来进行实验。
3、试样形状、粒度和填装情况的影响
试样的形状和颗粒度大小的不同，对气体产物扩散的 影响也不同，它改变了反应速度，进而改变了TG曲线的 形状。一般来讲，大片状试样的分解温度比颗粒状的要高， 粗颗粒的试样比细颗粒的分解温度要高。此外，某些大晶 粒试样在加热过程产生烧爆现象，致使TG曲线上出现突 然失重，这种情况应加以避免。 试样的装填情况对TG曲线也有影响。一般试样填装 越紧密，试样颗粒间接触好，热传导性越好，因而温度滞 后现象越小。但是，这不利于气氛与试样颗粒间的接触， 或者是阻碍了分解气体的扩散和逸出。因此通常把试样放 入坩埚后，轻轻地敲一敲，铺成均匀的薄层，这样可以获 得重现性较好的TG曲线。
Temperature(oC)
3、热重分析的应用
热重分析主要研究试样在空气或惰性气体中的热稳
定性、热分解作用和氧化降解等化学变化。广泛用于
研究涉及质量变化的所有物理过程，可测定物料中的
水分、挥发物和残渣，也可测定试样对某种气体的吸
附和解吸。
TG的应用：材料的成分测定、材料中挥发性物质
的测定、材料的热稳定性和热老化寿命的研究、材料
3、差热分析的应用： 用DTA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）和化学变化（脱水、 分解和氧化还原等）所产生的吸热或放热峰。 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，但它们像“指纹” 一样表征着材料的种类。 DTA应用：材料相态结构的变化、玻璃微晶化热
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2020/11/16
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DTG曲线
2020/11/16
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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