材料的热学性能5-热分析方法

➢热分析的定义
定义:热分析是在程序控制温度下,测量物质的物理性 质与温度之间关系的一类技术。
这里所说的“程序控制温度”一般指线性升温或线 性降温，也包括恒温、循环或非线性升温、降温。 这里的“物质”指试样本身和(或)试样的反应产物， 包括中间产物 。
上述物理性质主要包括质量、温度、能量、尺寸、力学、 声、光、热、电等。根据物理性质的不同,建立了相对应的热 分析技术，例如: 热重分析（Thermogravimetry，TG）； 差热分析（Differential Thermal Analysis，DTA） 差示扫描量热分析（Differential Scanning Calorimetry， DSC）； 热机械分析（Thermomechanical Analysis，TMA） 逸出气体分析（Evolved Gas Analysis，EGA）； 热电学分析（Thermoelectrometry）； 热光学分析（Thermophotometry）等。
——电炉热容量小，便于调节升、降温速度； ——炉子的线圈无感应现象，避免对热电偶电流 干扰；
——炉子体积小、重量轻，便于操作和维修。 ——使用温度上限1100℃以上，最高可达1800 ℃。
（2）试样容器
——容纳粉末状样品。
——在耐高温条件下选择传导性好的材料。
——耐火材料:镍（<1300K）、刚玉（>1300K） 等。
3、热分析的起源
➢1887年,法（德）国人第一次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，大大提高了测定灵敏度，发明了差热分析 （DTA）技术的原始模型。
➢1915年，日本人在分析天平的基础上研制出热天平，开创了 热重分析(TG)技术。
热分析应用
一、绪论
1、热分析及其研究对象
热分析是一种很重要的分析方法。通常用毛细管测 定有机化合物的熔点和在坩埚中测定物质的冷却曲 线都属于热分析方法。随着科学技术的发展,这些简 单的热分析方法目前已逐步被现代精密的热分析仪 DSC、DTA和带程序控温装置的热台偏光显微镜所 取代。近年来，随着电子和计算机等高科技的飞速 发展，各种精密的热分析仪不断的改进和完善，热 分析技术已在科学技术的各个领域中得到了广泛的 应用。
• 热分析方法的种类是多种多样的,根据国际热分 析协会(ICTA)的归纳和分类，目前的热分析方 法共分为九类十七种，在这些热分析技术中， 热重法、差热分析、差示扫描量热法和热机械 分析应用得最为广泛。
物理性质 质量 温度 热量 尺寸
力学特性
热分析技术名称 热重分析法 差热分析
示差扫描量热法 热膨胀（收缩）法
动态力学分析
缩写 TG DTA DSC TD DMTA
2、热分析的主要优点
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（不同的升降温速率）； 对样品的物理状态无特殊要求； 所需样品量可以很少（0.1g - 10mg）； 仪器灵敏度高（质量变化的精确度达10-5）； 可与其他技术联用； 可获取多种信息。
铜-康铜（长期350℃ /短期500 ℃ ）、 铁-康铜（600/800 ℃ ）、镍铬-镍铝（1000/1300 ℃ ）、 铂-铂铑(1300/1600 ℃ )、铱-铱铑（1800/>2000 ℃ ）。
（4）温度控制系统
——以一定的程序来调节升温或降温的装置, ——1－100K/min，常用的为1－20K/min。
参比物: 在测定条件下不产生任何热效应 的惰性物质
1. 差热分析原理 • 热电偶与差热电偶
差热分析原理图
• 差热分析曲线
温差 温度
2. 差热分析仪
由加热炉、试样容器、热电偶、温度控制系统及 放大、记录系统等部分组成。
（1）加热炉
——炉内有均匀温度区,使试样均匀受热； ——程序控温，以一定速率均匀升（降）温，控 制精度高；
变化
测量样品的维度变 化、形变、粘弹性 、相转变、密度等
测量介电常数、 损耗因子、导电 性能、电阻率（ 离子粘度）、固 化指数（交联程
度）等
逸出气分析
(EGA – MS, FTIR)
二、差热分析
• 差热分析（Differential Thermal Analysis）,简 称DTA
——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。
热分析 (TA)
差热分析与差示扫 描量热法
(DTA, DSC)
百度文库
热重分析法
(TGA)
热机械分析法 (TMA)
热膨胀法 (DIL)
动态热机械分析法
介电分析法 导热系数仪
(DEA)
热流法
激光闪射法
测量物理与化学过 程（相转变,化学反 应等）产生的热效
应; 比热测量
测量由分解 、挥发、气 固反应等过 程造成的样 品质量随温 度／时间的
• 热分析四大支柱
差热分析、热重分析、
差示扫描量热分析、热机械分析
——用于研究物质的晶型转变、融化、升华、吸 附等物理现象以及脱水、分解、氧化、还原等化 学现象。 ——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。
——样品坩埚:陶瓷材料、石英质、刚玉质和钼、 铂、钨等。
（3）热电偶
——差热分析的关键元件。 ——产生较高温差电动势,随温度成线性关系的变 化； ——能测定较的温度，测温范围宽，长期使用无 物理、化学变化，高温下耐氧化、耐腐蚀； ——比电阻小、导热系数大； ——电阻温度系数和热容系数较小； ——足够的机械强度，价格适宜。
➢1940-1960年，热分析向自动化、定量化、微型化方向发展。
➢1964年，美国人在DTA技术的基础上发明了示差扫描量热法 (DSC), Perkin-Elmer公司率先研制了DSC-1型示差扫描量热仪。
• 热分析四大支柱
差热分析、热重分析、
差示扫描量热分析、热机械分析
——用于研究物质的晶型转变、融化、升华、吸 附等物理现象以及脱水、分解、氧化、还原等化 学现象。 ——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。