无机材料科学基础实验书

实验一淬冷法研究相平衡

一．实验目的

1.从热力学角度建立系统状态（物系中相的数目，相的组成及相的含量）和热力学条件（温度，压力，时间等）以及动力学条件（冷却速率等）之间的关系。

2.掌握静态法研究相平衡的实验方法之一──淬冷法研究相平衡的实验方法及其优缺点。

3.掌握浸油试片的制作方法及显微镜的使用，验证Na2O —SiO2系统相图。

二．基本原理

从热力学角度来看，任何物系都有其稳定存在的热力学条件，当外界条件发生变化时，物系的状态也随之发生变化。这种变化能否发生以及能否达到对应条件下的平衡结构状态，取决于物系的结构调整速率和加热或冷却速率以及保温时间的长短。

淬冷法的主要原理是将选定的不同组成的试样长时间地在一系列预定的温度下加热保温，使它们达到对应温度下的平衡结构状态，然后迅速冷却试样，由于相变来不及进行，冷却后的试样保持了高温下的平衡结构状态。用显微镜或X-射线物相分析，就可以确定物系相的数目、组成及含量随淬冷温度而改变的关系。将测试结果记入相图中相应点的位置，就可绘制出相图。

淬冷法是用同一组成的试样在不同温度下进行试验。将试样装入铂金坩埚中，在淬火炉内保持恒定的温度，当达到平衡后把试样以尽可能快的速度投入低温液体中（水浴，油浴或汞浴），以保持高温时的平衡结构状态，再在室温下用显微镜进行观察。这是可能出现三种情况：

（1）若淬冷样品中全为各向同性的玻璃相，则可以断定物系原来所处的温度（T1）在液相线以上。

（2）若在温度（T2）时，淬冷样品中既有玻璃相又有晶相，则液相线温度就处于T1和T2之间。

（3）若淬冷样品全为晶相，则物系原来所处的温度（T3）在固相线以下。

由于绝大多数硅酸盐熔融物粘度高，结晶慢，系统很难达到平衡。采用动态方法误差较大，因此，常采用淬冷法来研究高粘度系统的相平衡。本实验用淬冷法验证Na2O-SiO2系统相图，实验中样品的均匀性对试验结果的准确性影响较大，因此，常常将原料制成玻璃以得到组成均匀的样品。

三．仪器装置与药品

1．仪器：

（1）立管式电阻炉（2）可控硅温度控制器（3）热电偶（4）水浴盘（5）铂铑坩埚（6）铂金吊丝（7）偏光显微镜一套

2.装置：

3． 试样制备

按Na 2O ：2SiO 2摩尔组成计算Na 2O 和SiO 2的的重量百分数，以Na 2CO 3和SiO 2进行配料，混合均匀，将该原料制成玻璃以得到组成均匀的样品。

四．实验步骤

（1） 取少量的试样（0.01-0.02克Na 2O ：SiO 2=1∶2摩尔比）置入铂铑坩埚内，用铂金丝悬吊于炉膛内，上下均加盖。

（2） 水浴盘内盛上2/3的水，放至炉底，调整好显微镜。

（3） 接通电源，将高温炉升温至800℃，保温30分钟，使试样充分达到平衡状态。打开高温炉下盖，用镊子取下吊丝连同坩埚一并落入水浴盘中淬冷。

（4） 从铂铑坩埚内取出试样，在研钵内轻砸成粉末（注意不能研磨），制成油浸在偏光显微镜下观察有无晶体析出。

五．实验记录与处理

1. 用淬冷法研究相平衡有什么优缺点 ？

2. 用淬冷法如何确定相图中的液相线和固相线 ？

应用

在实际生产过程中，材料的烧成温度范围、升降温制度，材料的热处理等工艺参数的确定经常要用到专业相图。相图的制作是一项十分严谨且非常耗时的工作。淬冷法是静态条件下研究系统状态图（相图）最常用且最准确的方法之一。掌握该方法对材料工艺过程的管理及新材料的开发非常有用。

记录偏光显微镜下观察到的结果，并与相图（见下图2-2）相比较。

写出实验报告。

图2-2 Na 2O-SiO 2系统相图

思考题

实验二热重分析

一．实验目的

1.掌握热重分析的原理及实验方法。

2.熟悉本实验所用仪器设备的性能，操作方法。

3.学习使用热重分析方法分析被测物质。

二．基本原理

许多物质在加热或冷却过程中因其中的某些组分分解逸出或物质与周围介质中的某些物质作用使物系的重量发生变化，如盐类的分解、含水矿物的脱水、有机质的燃烧等会使物系重量减轻，高温氧化、反应烧结等则会使物系重量增加。质量变化的大小及出现的温度与物质的化学组成和结构密切相关。因此，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。这种方法就叫热重分析法。热重分析法（thermogravimetry，简称TG法）及微商热重法（derivative thermogravimetry，简称DTG法）就是在程序控制温度下测量物质的重量（质量）与温度关系的一种分析技术。所得到的曲线称为TG曲线（即热重曲线），TG曲线以质量为纵坐标，以温度或时间为横坐标。微商热重法所记录的是TG曲线对温度或时间的一阶导数，所得的曲线称为DTG曲线。现在的热重分析仪常与微分装置联用，可同时得到TG - DTG曲线。通过测量物系质量随温度或时间的变化来揭示或间接揭示固体物系反应的机理和反应动力学规律。

热重分析通常有两种方法，即静法和动法，静法是把试样在各给定的温度下加热至恒重，然后按质量温度变化作图。动法是在加热过程中连续升温和称重，按质量温度变化作图。静法的优点是精读较高，能记录微小的失重变化；缺点是操作繁复，时间较长。动法的优点是可与差热分析法紧密配合，有利于对比分析。缺点是对微小的质量变化灵敏度较低。

本实验只做TG曲线。

三．仪器装置与药品

1．仪器

（1）立式管状高温炉（2）精密扭力天平（3）变压器（4）电位差计（5）热电偶（6）铂金坩埚（7）铂金吊丝（8）补偿导线（9）热电偶冷端补偿器（10）电流表

2．装置

3.药品：

本试样采用石灰石或碱式碳酸镁（分析纯），试样需要的要应预先磨细，过100-300目筛及干燥。

四．实验步骤

1．用铂金丝将坩埚悬挂于精密扭力天平钩上，精确称出吊丝和坩埚的重量。

2．取下坩埚，加入300mg左右的试样，再称出其重量。

3．接通电源，选择炉子以10℃/min升温。

4．每隔5分钟称量一次，并记录相应的温度，试样开始失重时，每隔1分钟记录一次，注意记录失重开始和失重结束时的重量及对应的温度。

5．实验完毕，切断电源，请教师验收坩埚及吊丝。

五．数据记录与处理

1．数据记录

吊丝及坩埚重量：mg

空白实验曲线

空白实验室对空坩埚或装有焙烧过的惰性物质再热天平正常运行状态下加热做出的TG 曲线。因该过程不发生质量变化，故从理论上讲TG曲线应当为水平线。事实上由于设备的固有误差，TG曲线并不是一条水平线，而是呈现出虚假的重量变化。这种变化称为视在重量变化。或叫做TG基线漂移。TG基线的漂移给TG曲线的数据处理带来很大困难，使人难以弄清楚试样究竟在什么温度发生了变化，也难以确定物质的变化量以及变化速度，通常采取试样的余重量减去视在重量变化作为试样的真实余重。

2．数据处理及分析讨论

（1）绘制温度—累计余重曲线。

（2）分析失重温度范围，并以标准热重曲线对比进行讨论；本实验中失重规律怎样？请给予解释。

影响热重曲线的因素

（1）浮力的变化和对流的影响

浮力和对流会引起热重曲线的基线漂移。浮力影响：573K时浮力约为常温的1/2，1173K 时为1/4左右。热天平内外温差造成的对流会影响称量的精确度。

解决方案：空白曲线、热屏板、冷却水等。

（2）挥发物冷凝的影响

解决方案：热屏板

（3）温度测量的影响

解决方案：利用具特征分解温度的高纯化合物或具特征居里点温度的强磁性材料进行温度标定。