材料研究与测试方法热分析方法

材料研究与测试方法热分析方法材料研究与测试方法热分析方法 第四章热分析方法授课教师谢睿Email xierui1511 163 引言材料性 能与温度密切相关 电学 力学122 磁学122 尺寸形状 光学1122 声 学等在陶瓷材料领域中的主要应用 了解原料在加热时的变化特征 鉴定其物相组成 研究矿化剂的效能 研究固相反应机理 确定熔融 结晶的温度 研究与制定烧成制度与烧成曲线 根据热分析曲线 研究新工艺 新配方 克服产品缺陷 4 1概述4 1 1热分析的历史与发展 热分析一词是1905年由德国Tamm ann提出的 热重法是所有热分析技术中发明最早的 公元前25世纪古埃及壁画中就有火与天平的图案 14世纪时 欧洲人将热重法原理用于黄金的冶炼 1780年英国人Higgins在研究石灰粘结剂和生石灰的过程中第一次 用天平测量了试样受热时所产生的重量变化 6年之后 同是英国人的Wedgwood在研究黏土时测得了第一条热重 曲线 发现黏土加热到暗红时出现明显失重 最初设计热天平的是日本东北大学的本多光太郎 1915年他把化学 天平的一端秤盘用电炉围起来制成第一台热天平 并使用了 热天 平 一词 但由于测定时间长 还不能达到普及 第一台商品化热天平是1945年在Chevenard等工作的基础上设计制 作的 Cahn和Schultz于1963年将电子天平引入现代自动热天平中 使仪 器的灵敏度达到0 1ug 质量变化精度达10 5 我国第一台商业天平是1960年代初由北京光学仪器厂制造的 公认的差热分析的奠基人是法国的Le Charlier 1887年用铂 铂 10 铑热电偶测定了黏土加热时其在升 降温环境条件下 试样与环境温度的差别 从而观察是否发生吸热 与放热反应 研究了加热速率随时间的变化 这与19世纪末采用热电偶 电阻温度计和光学高温计精确测量温度 方法在欧洲的建立这一背景分不开 在1899年英国人Roberts Austen采用差示热电偶和参比物首次制得了真正意义上的DTA 并获 得了电解铁的DTA曲线 20世纪初 人们在参比物中放入第二个热电偶 从而测得样品和参 比物间的温差 Kurnakov于1904年发明了转鼓式照相记录仪 制作了初始的DTA仪 器 接下来的几十年里 不断对试样和参比物的配置 热电偶的形式 记录方法 控温方式等进行改进 1948年 人们已经认识到差热峰面积表示样品变化过程中所放出或 吸收的热量 Kerr等还对差热峰面积和形状提出了理论解释 1951年 Stone在DTA仪器中引入可控动态气氛 1955年 Boersma对热电偶直接插入样品中的方式进行了改进 而 将热电偶的接点埋入具有两个空穴的镍均块中 样品和参比分别放 在两个空穴中 避免了样品与热电偶间可能的化学反应 1964年 Watson和O Neill等提出差示扫描量热法的原理及设计方 案 被Perkin Elmer公司所采用 研制成功了功率补偿式差示扫描量热计 DSC 由于DSC能在全程范围内给出准确的热量变化 定量性和重复性好 因此得到了迅速发展 Dupont公司等不久开发出自己特色的热流式DSC仪 4 1 2热分析技术的定义与分类热分析 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 指物质的质量 温度 热量 尺寸 机械特征 声学特征 光学特 征 电学特征及磁学特征的任何一种指线性升温 线性降温 恒温 等指试样本身 也可指试样的反应产物热分析的定义其数学表达式 为P f 程序控温就是把温度看做时间的函数 t 式中 t为时 间 则P f 或t 热分析法的核心是研究物质在加热或冷却过程中的 物理性质变化来研究物质性质及其变化 或者对物质进行分析鉴别 的一种技术 热分析的分类质量温度热量尺寸力学声学光学电学磁学热重法差热 分析差示扫描量热法热膨胀法热机械分析热分析的分类4 1 3报道热 分析数据的一些具体要求 以确切的名称 化学式或相同的组成数据 标明所有物质 说明所有物质的 化学纯度和其他有关数据 在 所测温度范围的升温速率 标明试样气氛的压力 组成和纯度 标明横坐标的温度或时间单位 精确