材料分析技术-热分析
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热分析的优点
可在宽广的温度范围内对样品进行研究； 可使用各种温度程序； 对样品的物理状态无特殊要求； 所需样品量很少（0.1g - 10mg）； 仪器灵敏度高（质量变化精确度达10-5）； 可与其他技术联用； 可获取多种信息。
16
热分析目录
热分析概述 差热分析 DTA（Differential Thermal Analysis） 差示扫描量热分析 DSC（Differential Scanning Calorimetry） 热重分析 TGA （Thermogravimetric Analysis ） 综合热分析
2
热分析定义
热分析是指在程序控制温度的条件下， 测量物质的物理性质随温度变化的函数 关系的技术。
根据物质的温度变化所引起的性能变化 来确定状态变化的方法统称为热分析。
3
热分析定义
热分析是指在程序控制温度的条件下，测量物 质的物理性质随温度变化的函数关系的技术。
“程序控制温度”指线性升温或降温，也包括 恒温、循环或非线性升温、降温。 “物质”指试样本身和(或)试样的反应产物， 包括中间产物 。 “物理性质”：温度、能量、质量、尺寸、力 学、声、光、热、电、磁等。
10
测定结构变化的方法
① 高温x-射线衍射法 利用x-射线衍射原理，测定试样加热过 程中随温度升高而伴随的晶体结构变化。 直接分析高温状态下物质的晶体结构、 物相随温度变化的方法。
11
测定结构变化的方法
② 热-力法 在加热过程中对试样进行力学测定的方法。
静态热-力法TMA：程序控温条件下，施加一定 负荷，测量温度变化过程中样品尺寸变化。 动态热-力法DMA：程序控温条件下，测量材料 的力学性质随温度、时间、频率、应力等的变 化。
8
测量质量变化的方法
② 微商热重法 DTG 热重曲线中m对t进行一次微商。 DTG曲线：表示质量随时间的变化率（失 重速率）与温度或时间的关系。
9
测定尺寸变化的方法
① 热膨胀法 在程序控温条件下，测定试样尺寸变化 与温度或时间的关系的方法。 热膨胀曲线：ΔL/L～T、t。
② 微商热膨胀法 热膨胀曲线对T或t进行一次微商。
对热分析来说，最基本和主要的参数是焓（ΔH）， 热力学的基本公式是：
ΔG=ΔH-TΔS
ΔG<0，ΔG=0，ΔG>0
常见的物理变化有：熔化、沸腾、升华、结晶转变 等；
常见的化学变化有：脱水、降解、分解、氧化，还 原，化合反应等。
物理化学变化，首先有焓变，同时常常也伴随着质 量、机械性能和力学性能的变化等。
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差热分析仪
由加热炉、温度控制系统、 差热系统、信号放大系统、记录系统组成。
20
加热炉
作用：加热试样 种类：
按炉温:普通、超高(2400℃)、低(150～250℃) 按结构:立式、卧式、小型、微型
发热体材料：根据使用温度及条件而不同
材 料 镍铬丝 铂铑丝 硅碳棒 钨丝 最高使用℃ 1100 1600 1400 2800
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测量能量变化的方法
差示扫描量热法 DSC 在程序控温条件下，测量输入到物质与 参比物的功率差与温度的关系的方法。 DSC曲线：dH/dt～T、t。 主要用于定量测量各种热力学、动力学 参数（热焓、比热、熵）。
7
测量质量变化的方法
① 热重法 TG 在程序控温条件下，测量物质的质量与 温度的关系的方法。 TG曲线：m～T、t。
12
测定试样加热中产生气体的方法
试样放在真空或惰性气体中，测定加热 时产生的气体，间接推知试样的变化。
检测气体的有无及含量：逸出气体检测仪、 热分解气体色谱分离法 产生气体的物理、化学性质：热传导检测器、 质谱仪
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热分析方法的种类
根据国际热分析协会(ICTA)的归纳和分类，目前 共分为9类17种，其中DTA、DSC 、TG应用最为 广泛。
21
差热系统
由均热板、试样坩埚、热电偶组成。
均热板：根据分析的使用温度，考虑热传导性和耐高 温性能，采用不同材料。 使用T<1300℃ 金属镍；T>1300℃刚玉 坩埚：承载试样的容器，石英、刚玉、镍、铂、钨等。 热电偶：兼具测温及传输温差电动势的功能，其精确 度直接影响差热分析的结果。
14
热分析发展的历史
1887年，法国人用热电偶测温的方法研究粘土矿 物在升温过程中的热性质的变化。 1891年，英国人使用示差热电偶和参比物，记录 样品与参照物间存在的温度差，发明了DTA技术的 原始模型.。 1915年，日本人研制出热天平，开创了TG技术。 1940-1960年，热分析向自动化、定量化、微型化 发展。 1964年，美国人发明了DSC, Perkin-Elmer公司率 先研制了DSC-1型示差扫描量热仪。 我国起步在20世纪50年代末，60年代初，才开始 有热分析仪器的生产。
4
热分析分类根据测定物理量 随温度变化
加热
温度能量变化
DTA DSC
重பைடு நூலகம்变化
TG DTG
物质 冷却
长度变化 粘弹性变化
气体发生 热传导
TMA （热机械分析） DMA（动态机械分析） EGA （逸出气分析）
其他
5
测量温度变化的方法
差热分析 DTA 在程序控温条件下，测量物质与参比物 的温度差与温度的关系的方法。 参比物：热中性体，基准物。测量温度 范围内不发生热效应的物质。 1450℃以上煅烧2-3小时的氧化铝粉。 DTA曲线：ΔT～T、t。
热分析
热分析概述 差热分析 DTA（Differential Thermal Analysis） 差示扫描量热分析 DSC（Differential Scanning Calorimetry） 热重分析 TGA （Thermogravimetric Analysis ） 综合热分析 热像分析
背景
在不同温度下，物质有三态：固、液、气，固态物 质又有不同的结晶形式。
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差热分析 DTA
在程序控温条件下，测量物质与参比物 的ΔT与T、t关系的一种热分析方法。
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基本原理
试样在加热或冷却过程中的热变化导致 试样和参比物间产生ΔT ，由置于两者中 的热电偶反映出来。 差热电偶的闭合回路中便有温差电动势 产生，其大小决定于试样本身热特性， 与ΔT成正比。 通过信号放大系统和记录仪得到ΔT～T、 t曲线，反应出试样本身特性。
热分析的优点
可在宽广的温度范围内对样品进行研究； 可使用各种温度程序； 对样品的物理状态无特殊要求； 所需样品量很少（0.1g - 10mg）； 仪器灵敏度高（质量变化精确度达10-5）； 可与其他技术联用； 可获取多种信息。
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热分析目录
热分析概述 差热分析 DTA（Differential Thermal Analysis） 差示扫描量热分析 DSC（Differential Scanning Calorimetry） 热重分析 TGA （Thermogravimetric Analysis ） 综合热分析
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热分析定义
热分析是指在程序控制温度的条件下， 测量物质的物理性质随温度变化的函数 关系的技术。
根据物质的温度变化所引起的性能变化 来确定状态变化的方法统称为热分析。
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热分析定义
热分析是指在程序控制温度的条件下，测量物 质的物理性质随温度变化的函数关系的技术。
“程序控制温度”指线性升温或降温，也包括 恒温、循环或非线性升温、降温。 “物质”指试样本身和(或)试样的反应产物， 包括中间产物 。 “物理性质”：温度、能量、质量、尺寸、力 学、声、光、热、电、磁等。
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测定结构变化的方法
① 高温x-射线衍射法 利用x-射线衍射原理，测定试样加热过 程中随温度升高而伴随的晶体结构变化。 直接分析高温状态下物质的晶体结构、 物相随温度变化的方法。
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测定结构变化的方法
② 热-力法 在加热过程中对试样进行力学测定的方法。
静态热-力法TMA：程序控温条件下，施加一定 负荷，测量温度变化过程中样品尺寸变化。 动态热-力法DMA：程序控温条件下，测量材料 的力学性质随温度、时间、频率、应力等的变 化。
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测量质量变化的方法
② 微商热重法 DTG 热重曲线中m对t进行一次微商。 DTG曲线：表示质量随时间的变化率（失 重速率）与温度或时间的关系。
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测定尺寸变化的方法
① 热膨胀法 在程序控温条件下，测定试样尺寸变化 与温度或时间的关系的方法。 热膨胀曲线：ΔL/L～T、t。
② 微商热膨胀法 热膨胀曲线对T或t进行一次微商。
对热分析来说，最基本和主要的参数是焓（ΔH）， 热力学的基本公式是：
ΔG=ΔH-TΔS
ΔG<0，ΔG=0，ΔG>0
常见的物理变化有：熔化、沸腾、升华、结晶转变 等；
常见的化学变化有：脱水、降解、分解、氧化，还 原，化合反应等。
物理化学变化，首先有焓变，同时常常也伴随着质 量、机械性能和力学性能的变化等。
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差热分析仪
由加热炉、温度控制系统、 差热系统、信号放大系统、记录系统组成。
20
加热炉
作用：加热试样 种类：
按炉温:普通、超高(2400℃)、低(150～250℃) 按结构:立式、卧式、小型、微型
发热体材料：根据使用温度及条件而不同
材 料 镍铬丝 铂铑丝 硅碳棒 钨丝 最高使用℃ 1100 1600 1400 2800
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测量能量变化的方法
差示扫描量热法 DSC 在程序控温条件下，测量输入到物质与 参比物的功率差与温度的关系的方法。 DSC曲线：dH/dt～T、t。 主要用于定量测量各种热力学、动力学 参数（热焓、比热、熵）。
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测量质量变化的方法
① 热重法 TG 在程序控温条件下，测量物质的质量与 温度的关系的方法。 TG曲线：m～T、t。
12
测定试样加热中产生气体的方法
试样放在真空或惰性气体中，测定加热 时产生的气体，间接推知试样的变化。
检测气体的有无及含量：逸出气体检测仪、 热分解气体色谱分离法 产生气体的物理、化学性质：热传导检测器、 质谱仪
13
热分析方法的种类
根据国际热分析协会(ICTA)的归纳和分类，目前 共分为9类17种，其中DTA、DSC 、TG应用最为 广泛。
21
差热系统
由均热板、试样坩埚、热电偶组成。
均热板：根据分析的使用温度，考虑热传导性和耐高 温性能，采用不同材料。 使用T<1300℃ 金属镍；T>1300℃刚玉 坩埚：承载试样的容器，石英、刚玉、镍、铂、钨等。 热电偶：兼具测温及传输温差电动势的功能，其精确 度直接影响差热分析的结果。
14
热分析发展的历史
1887年，法国人用热电偶测温的方法研究粘土矿 物在升温过程中的热性质的变化。 1891年，英国人使用示差热电偶和参比物，记录 样品与参照物间存在的温度差，发明了DTA技术的 原始模型.。 1915年，日本人研制出热天平，开创了TG技术。 1940-1960年，热分析向自动化、定量化、微型化 发展。 1964年，美国人发明了DSC, Perkin-Elmer公司率 先研制了DSC-1型示差扫描量热仪。 我国起步在20世纪50年代末，60年代初，才开始 有热分析仪器的生产。
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热分析分类根据测定物理量 随温度变化
加热
温度能量变化
DTA DSC
重பைடு நூலகம்变化
TG DTG
物质 冷却
长度变化 粘弹性变化
气体发生 热传导
TMA （热机械分析） DMA（动态机械分析） EGA （逸出气分析）
其他
5
测量温度变化的方法
差热分析 DTA 在程序控温条件下，测量物质与参比物 的温度差与温度的关系的方法。 参比物：热中性体，基准物。测量温度 范围内不发生热效应的物质。 1450℃以上煅烧2-3小时的氧化铝粉。 DTA曲线：ΔT～T、t。
热分析
热分析概述 差热分析 DTA（Differential Thermal Analysis） 差示扫描量热分析 DSC（Differential Scanning Calorimetry） 热重分析 TGA （Thermogravimetric Analysis ） 综合热分析 热像分析
背景
在不同温度下，物质有三态：固、液、气，固态物 质又有不同的结晶形式。
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差热分析 DTA
在程序控温条件下，测量物质与参比物 的ΔT与T、t关系的一种热分析方法。
18
基本原理
试样在加热或冷却过程中的热变化导致 试样和参比物间产生ΔT ，由置于两者中 的热电偶反映出来。 差热电偶的闭合回路中便有温差电动势 产生，其大小决定于试样本身热特性， 与ΔT成正比。 通过信号放大系统和记录仪得到ΔT～T、 t曲线，反应出试样本身特性。