武汉理工大学 材料测试方法 热分析(热重分析)

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热天平的主要组成部分
（1）加热炉； （2）程序控温系统； (3）可连续称量样品质量的天平； (4）记录系统。
热天平
热天平一般是根据质量的变化引起 天平梁倾斜来测定的，而测量的方 法主要用零位法。
示意图
工作原理
测定时，试样的质量发生变化时，天平梁 的平衡状态被破坏，天平梁发生倾斜，光电检 测系统中的光电倍增管受到的光能量发生变 化，光电信号经电子放大后反馈到安装在天平 梁上的感应线圈，使天平梁又返回到原来的平 衡状态。同时这个信号也被记录仪所记录，表 明了质量变化的检测量。
分析技术名称 热膨胀法
热机械分析 动态热机械分析
(DMA) 热发声法 热声学法 热光学法 热电学法
热磁学法
热分析的研究领域
分解
挥发
热膨胀
氧化H, m 熔融m NhomakorabeaL
H
液体
H, Cp
软化
结晶
L
H, Cp
玻璃化转变
晶型转变
H, Cp 结晶
E, Cp 燃烧
H, m
热膨胀 L
固体
H, Cp 催化、吸附、氧化
H, m
应用1 草酸盐的脱水和分解反应
CaC2O4·H2O
MgC2O4·H2O
980℃
图（1）：CaC2O4·H2O的TG曲线
a: 温度在25～100℃之间曲线为一平 台，质量恒定，是化合物的原组 分。
Tc为反应的起始温度； Tf终止温度； Tc与Tf之间的间隔为反应的温度区 间。
四 TG曲线的影响因素
1 浮力的影响
TG的质量测定是在热天平上进行的。由于温度的 变化引起气体密度的变化，必然导致气体浮力的变 动。即使试样质量没有改变，在升温时似乎也在 “增重”，这种现象称为表观增重。
实验表明，温度小于200℃时增重速度最快，在 200℃至1000℃之间，ΔW与T基本上成线性关 系。
Tf:反应的终止温度； TcTf:反应的温度区间。
在曲线上:
（1）m不随T变化的水平线段ab与cd: 平台，它们分别相对应于固体A与固体 B稳定存在的温度区间。
（2）曲线斜率发生变化的bc部分: 表示已发生质量变化的反应，曲线的斜 率变化愈大，表明反应速度愈快。
（3）两个平台之间的垂直距离:
可以计算该反应所发生的质量变化量 或失重百分率，从而可以进行定量分析 或反应历程的判断。
四 热重曲线
由热重法所记录的曲线称为热重曲线或 TG曲线，它以质量m为纵坐标，以温度T 或时间t为横坐标，反映了在均匀升温或降 温过程中物质质量与温度或时间的函数关 系：
m = f (T) 或 f ( t )
例如：某固体的热分解（或脱水）反应为：
A(固)
B(固) + C(气)
其TG曲线如下:
Tc:反应的起始温度；
4 粒度的影响:
粒度对热传导及气体扩散有较大的影响。不同的 试样粒度可导致气体产物扩散作用的较大差异，引起 反应速度及TG曲线形状的变化。
粒度愈小反应速度愈快，TG曲线Tc和Tf都下降，反 应区间变窄;
颗粒大时往往得不到较理想的TG曲线。 因此，适当的粒度与均匀的试样是TG分析的必要 条件。
五应用
第四章 热分析
4.1 热分析概述 4.2 热重分析(TG) 4.3 差热分析(DTA) 4.4 差示扫描量热分析(DSC) 4.5 综合热分析
4.1 热分析概述
一 热分析技术定义
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。
程序控制温度： 以固定的速率进行加热或冷却。
物理性质： 包括物质的质量、温度、热焓、
H： 热焓变化 m： 质量变化 L： 尺寸变化 E： 模量变化 Cp ：比热变化
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热分析的研究目标
通过测量材料受热过程中的物理或化学变 化，探讨材料的组成、结构转变、化学反 应。
• 相变（反应）的 温度/时间 • 相变（反应）的 类型 • 相变（反应）的 机理 • 相变（反应）的 动力学过程
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三 热分析方法的特点
只要物质受热时发生质量的变化，都可以用热重 法来研究其变化过程。
（１）测定结晶水的脱除、脱水量； （２）研究在生成挥发性物质的同时所进行的热 分解反应、固相反应所需要的温度及反应过程； （３）利用热分解或蒸发、升华等，进行混合物 的定性、定量分析； （４）判别多种材料如高聚物、合金、建筑材料 及填充料等适用的温度范围等。
4.2 热重分析
一 定义
热重分析（TG） （Thermogravimetry Analysis）
——在程序控制温度下测量 物质的质量与温度或时间关系 的一种技术。
——定量性强 。
二 基本原理
对试样的质量随以恒定速度变化的温 度或在等温条件下随时间变化而发生的 改变量进行测量的一种动态技术。
利用加热或冷却过程中物质质量变化 的特点，可以区别和鉴定不同的物质。
◆ 温度的变化是受程序控制的,可使用各种温度程 序（不同的升、降温速率）；且可在宽广的温度 范围内对样品进行研究；
◆ 所需样品量可以很少（0.1g ～20mg）； ◆ 仪器灵敏度高（质量变化的精确度达10-5g）； ◆ 可实现联用技术，获取多种信息； ◆ 是一种很简便地测定因温度变化而引起材料物
性改变的方法，通常不涉及复杂的光谱仪或其他 手段。
三 热重分析仪(热天平)
热重法的仪器是热天平，它既 可以加热样品，又可连续记录质 量与温度间的函数关系。
热重分析仪（TG）原理图
在程序温度（升／
降／恒温及其组合） Furnac e
过程中，由天平连续 测量样品质量的变化, 并将数据传递到计算 机中对时间(或)温度 进行作图，即得到热 重曲线。
Sample
2 升温速度的影响:
通常随着升温速度的减慢，TG曲线所 反映出来的分解温度也有所降低。同时 升温速度的减慢及记录速度的加快有 利于反应所产生的中间化合物的鉴定。
常用升温速度: 5℃/min； 10℃/min； 15℃/min； 20℃/min。
3 试样用量的影响:
在仪器的灵敏度范围内，试 样的用量应尽可能的少，因为 样量多时会使热传导变差而影 响分析结果。
尺寸、机械、光学、声学、电学及 磁学性质等。
二 热分析技术分类(9大类17种)
物理性质 质量
温度 焓
分析技术名称 热重法（TG）
等压质量变化测定
逸出气体分析 放射热分析 热微粒分析 加热曲线测定 差热分析（DTA） 差示扫描量热法
（DSC）
物理性质 尺寸
力学特性
声学特性 光学特性 电学特性 磁学特性