热分析-1

实验一 差热分析一、目的意义差热分析(DTA ，differentialthermal analysis)是研究相平衡与相变的动态方法中的一种，利用差热曲线的数据，工艺上可以确定材料的烧成制度及玻璃的转变与受控结晶等工艺参数，还可以对矿物进行定性、定量分析。

本实验的目的：1．了解差热分析的基本原理及仪器装置；2．学习使用差热分析方祛鉴定未知矿物。

二、基本原理差热分析的基本原理是：在程序控制温度下；将试样与参比物质在相同条件下加热或冷却，测量试样与参比物之间的温差与温度的关系，从而给出材料结构变化的相关信息。

物质在加热过程中，由于脱水，分解或相变等物理化学变化，经常会产生吸热或放热效应。

差热分析就是通过精确测定物质加热(或冷却)过程中伴随物理化学变化的同时产生热效应的大小以及产生热效应时所对应的温度，来达到对物质进行定性和／或定量分析的目的。

差热分析是把试样与参比物质(参比物质在整个实验温度范围内不应该有任何热效应，其导热系数，比热等物理参数尽可能与试样相同，亦称惰性物质或标准物质或中性物质)置于差热电偶的热端所对应的两个样品座内，在同一温度场中加热。

当试样加热过程中产生吸热或放热效应时，试样的温度就会低于或高于参比物质的温度，差热电偶的冷端就会输出相应的差热电势。

如果试样加热过程这中无热效应产生，则差热电势为零。

通过检流计偏转与否来检测差热电势的正负，就可推知是吸热或放热效应。

在与参比物质对应的热电偶的冷端连接上温度指示装置，就可检测出物质发生物理化学变化时所对应的温度．不同的物质，产生热效应的温度范围不同，差热曲线的形状亦不相同(如图16-2所示)。

把试样的差热曲线与相同实验条件下的已知物质的差热曲线作比较，就可以定性地确定试洋的矿物组成。

差热曲线的峰(谷)面积的大小与热效应的大小相对应，根据热效应的大小，可对试样作定量估计。

三．仪器设备与装置差热分析所用的设备主要由加热炉，差热电偶，样品座及差热信号和温度的显示仪表等所组成。

实验五 聚合物差热热重同时热分析法差热分析是在温度程序控制下测量试样与参比物之间的温度差随温度变化的一种技术。

简称DTA(Differential Thermal Analysis)。

在DTA 基础上发展起来的另一种技术是差示扫描量热法。

差示扫描量热法是在温度程序控制下测量试样相对于参比物的热流速度随温度变化的一种技术。

简称DSC （Differential Scanning Calorimetry ）。

试样在受热或冷却过程中，由于发生物理变化或化学变化而产生热效应，这些热效应均可用DTA 、DSC 进行检测。

DTA 、DSC 在高分子方面的应用特别广泛。

它们的主要用途是：①研究聚合物的相转变，测定结晶温度T c 、熔点T m 、结晶度X D 、等温结晶动力学参数。

②测定玻璃化转变温度T g 。

③研究聚合、固化、交联、氧化、分解等反应，测定反应温度或反应温区、反应热、反应动力学参数。

图1 是聚合物DTA 曲线或DSC 曲线的模式图。

当温度达到玻璃化转变温度T g 时，试样的热容增大就需要吸收更多的热量，使基线发生位移。

假如试样是能结晶的，并且处于过冷的非晶状态，那么在T g 以上可以进行结晶，同时放出大量的结晶热而产生一个放热峰。

进一步升温，结晶熔融吸热，出现吸热峰。

再进一步升温，试样可能发生氧化、交联反应而放热，出现放热峰，最后试样则发生分解，吸热，出现吸热峰。

当然并不是所有的聚合物试样都存在上述全部物理变化和化学变化。

通常按图2 a 的方法确定T g ：由玻璃化转变前后的直线部分取切线，再在实验曲线上取一点，使其平分两切线间的距离∆，这一点所对应温度即为T g 。

T m 的确定对低分子纯物质来说，象苯甲酸，如图2 b 所示，由峰的前部斜率最大处作切线与基线延长线相交，此点所对应的温度取作为T m 。

对聚合物来说，如图2 c 所示，由峰的两边斜率最大处引切线，相交点所对应的温度取作为T m 。

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铸铁炉前快速热分析技术是以铸铁组织形成过程的凝固温度曲线为被测对象，对凝固温度曲线进行数学分析，得到不同成分下曲线的特征点，根据预先确认后的数学模型计算出铁液的碳当量（CE%）、碳含量（C%）、硅含量（Si%）等指标的铸铁炉前快速分析技术，测量精度可以达到CE 0.10%、C 0.05%、Si 0.10%，是铸铁生产中炉前使用的简洁、快速、准确的仪器。

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随着近几年国内铸造市场的快速发展，热分析仪在独资，合资和生产出口铸件的工厂得到迅速的普及，并取得很好的经济效益和社会效益。

综合热分析仪ZCT-11. 使用说明综合热分析仪ZCT-1--------------润联机械2. 综合热分析仪ZCT-1产品图片--------------润联机械3. 综合热分析仪ZCT-1产品介绍--------------润联机械4. 综合热分析仪ZCT-1产品参数--------------润联机械5. 综合热分析仪ZCT-1使用案例--------------润联机械6. 综合热分析仪ZCT-1使用范围--------------润联机械7. 综合热分析仪ZCT-1功能比较--------------润联机械8. 综合热分析仪ZCT-1产品特点--------------润联机械产品描述说明综合热分析仪Simultaneous Thermal Analysis(STA)综合热分析仪系统将DTA和TG结合，可在完全相同的测试条件下，研究样品的质量变化和温度变化。

综合热分析仪应用于大多数材料领域，包括塑料、橡胶、合成树脂、纤维、涂料、油脂陶瓷、水泥、玻璃、耐火材料、燃料、医药、食品、耐火材料等。

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*DTA分析计算：外推起始温度、峰顶温度、反应峰面积计算、K值、热焓等。

*TG失重百分比计算：失重始温、终温、失重最大点温度计算。

*TG 曲线的任意点的温度显示、任意点的失重百分比值的显示。

*动力学数据处理包括Ozawa 和Kissinger方法以及极值法。

其中Ozawa方法可以用三种以上升温曲线拟合方法求得。

*原始采样曲线可以用文本文件存盘，以后放在Excel、Word、记事本或Origin软件下调用作图。

常用热分析技术：差示扫描量热法（DSC）、差热分析（DTA）、热重分析（TAG）物质的物理状态和化学状态发生变化（如升华、氧化、聚合、固化、硫化、脱水、结晶、熔融、晶格改变或发生化学反应）时，往往伴随着热力学性质（如热焓、比热、导热系数等）的变化，故可通过测定其热力学性能的变化，来了解物质物理或化学变化的过程。

主要方法有：▪差热分析-DTA；▪差示扫描量热法-DSC；▪热重分析-TGA。

▪1. TG的基本原理TG：可调速的加热或冷却环境中，以被测物重量作为时间或温度的函数进行记录的方法。

DTG：微商热重曲线，热重曲线对时间或温度的一阶微商的方法获得的曲线。

2. 分析方法：升温法和恒温法升温法：样品在真空或其他任何气体中进行等速加温，样品将温度的升高发生物理变化和化学变化使原样品失重—动态法。

原理：在某特定的温度下，会发生重量的突变，以确定样品的特性。

恒温法：在恒温下，记录样品的重量变化作为时间的函数的方法。

3. 影响TGA数据的因素（1）气体的浮力和对流浮力的影响：样品周围的气体因温度的升高而膨胀，比重减小，则样品的TGA值增加。

对流的影响：对流的产生使得测量出现起伏。

（2）挥发物的再凝聚凝聚物的影响：物质分解产生的挥发物质可能凝聚在与称重皿相连而又较冷的部位上，影响失重的测定结果。

（3）样品与称量皿的反应反应的影响：某些物质在高温下会与称量皿发生化学反应而影响测定结果。

（4）升温速率的影响升温速率的影响：升温速率太快，TGA曲线会向高温移动；速度太慢，实验效率降低。

（5）样品用量和粒度用量和粒度影响：样品用量大，挥发物不易逸出，影响曲线比那话的清晰度；样品细，反应会提前影响曲线低温移动。

（6）环境气氛环境气氛对热失重曲线的影响4. 热重分析的应用热重分析主要研究在空气或惰性气氛材料的热稳定性、热分解作用和氧化分解等物理化学变化；也广泛用于涉及质量变化的所有物理过程。

根据热失重曲线可获得材料热分解过程的活化能和反应级数：k = dm/dt= A·mn·e-E/RT；ln(dm/dt) = lnA + nlnm- E/RT；获得n和E的方法：a. 示差法；b. 不同升温速率法；ln(d m/d t) = lnA + n ln m- E/RT；ln k= 0时，有：E/RT0= lnA + n ln m；T0—反应速度的对数为零时的温度；1. DSC的工作原理差示扫描量热法(DSC)是在程序控制温度条件下，测量输入给样品与参比物的功率差与温度关系的一种热分析方法。

热分析热分析是一项重要的实验技术，广泛应用于许多科学领域，包括材料科学、化学、物理学等。

对于研究热性质、物质相变、化学反应等问题具有重要意义。

本文将对热分析技术进行详细介绍，包括其原理、仪器设备以及应用领域等方面。

热分析是一种基于样品在特定温度下受热后物理和化学性质的变化来研究物质性质的实验方法。

根据不同的分析需求和性质变化参数，常见的热分析技术包括热重分析（TG）、差示扫描量热法（DSC）、热膨胀分析（TMA）等。

热重分析是通过测量物质在升温过程中失去或增加的质量来分析样品的物理和化学性质。

该技术可以用于研究材料的热稳定性、热解过程、水分含量等。

热重分析仪的主要部件是电子天平和加热炉。

通过记录样品质量随温度变化的曲线，可以获得样品质量变化的信息。

差示扫描量热法是一种通过测量物质在升温过程中吸收或释放的热量来研究样品性质的方法。

它可以用于研究材料的热性质、相变行为、化学反应等。

差示扫描量热仪的主要部件是样品室、参比室以及两个温度控制系统。

通过比较样品室和参比室的温度差异以及吸收或释放的热量来得到样品的热性质信息。

热膨胀分析是一种通过测量物质在升温过程中尺寸变化来研究样品性质的方法。

它可以用于研究材料的热膨胀性质、玻璃转化温度、热膨胀系数等。

热膨胀分析仪的主要部件是样品仓和位移传感器。

通过测量样品长度、体积随温度的变化曲线，可以得到样品的热膨胀性质的信息。

除了以上介绍的常见热分析技术，还有一些其他的热分析方法，如差示热膨胀（Dilatometry）、热导率分析（Thermal Conductivity Analysis）、等温流动镜面反射（Isothermal Flowing Mirror Reflectometry）等。

这些技术在不同的领域有着广泛的应用，可以用于材料研究、药物开发、环境监测等。

热分析技术在材料科学中有着重要的应用。

通过研究材料的热性质，可以了解材料在不同温度下的稳定性、相变行为以及热膨胀性质等。

第三节 热重分析（TG ）一、基本原理热重法是在程序控温下，测量物质的质量随温度(或时间)的变化关系的一种技术，简称TG 。

如熔融、结晶和玻璃化转变之类的热行为，试样确无质量变化，而分解、升华、还原、解吸附、吸附、蒸发等伴有质量改变的热变化可用TG 来测。

如果在程序升温的条件下不断记录试样的重量的变化，即可得到TG 曲线。

如图1所示。

一般可以观察到二到三个台阶，第一个失重台阶W 0—W 2多数发生在100℃以下，这多半是由于试样的吸附水或试样内残留的溶剂挥发所致。

第二个台阶往往是试样内添加的小分子助剂，如高聚物增塑剂、抗老剂和其他助剂的挥发（如纯物质试样则无此部分）。

第三个台阶发生在高温是属于试样本体的分解。

为了清楚地观察到每阶段失重最快的温度。

经常用微分热重曲线DTG （如图1b ）。

这种/dW dt 曲线可以利用电子微分电路在绘制TG 曲线的同时绘出。

对于分解不完全的物质常常留下残留物W R 。

在某种特殊的情况下还会发生增重现象，这可能是物质与环境气体（如空气中的氧）进行了反应所致。

另外目前又出现了一种等温TG 曲线。

这是在某一定温度条件下，观察试样的重量随时间的变化，所以又称“等温热失重法”即：W=f （t ）（温度为定值）W 0 W 1 W 2 W 3重量图1 热重分析曲线（a ）与微商热重曲线（b ）炉子它能提供很多有用的信息，如在某温度下物体的分解速度或某成分的挥发速度等。

二、基本结构热重法的仪器称为热天平，给出的曲线为热重曲线。

热重曲线以时间t 或炉温T 为横坐标，以试样的质量变化（损失）为纵坐标。

热天平的基本单元是微量天平、炉子、温度程序器、气氛控制器以及同时记录这些输出的仪器。

热天平的示意图如图2-1所示。

通常是先由计算机存储一系列质量和温度与时间关系的数据完成测量后，再由时间转换成温度。

三、影响因素虽然由于技术的进步，在设计TG 仪器时进行了周密的考虑，尽量减少各种因素的影响，但是客观上这些因素还不同程度在存在着，为了数据的可靠性，有必要分述如下：1.坩埚的影响坩埚是用来盛装试样的，坩埚具有各种尺寸、形状并由不同材质制成。

热分析热分析分稳态和瞬态。

稳态的材料性能仅包括导热系数。

求解时需要加上温度的边界条件。

求解类型为static.瞬态分析包括导热系数，材料的密度，比热容。

求解时需要加上初始条件。

求解类型为transient.并需要在求解步骤控制中进行各种定义。

1.Solution/time/time-time step2. Solution/time/time intergration 中激活 Timini为on3. Solution/output Ctrls/DB-results Files进行选择后处理中:1.可以根据时间选取看结果2.可以通过Utility Plot Ctrls制作动画3.可以通过Post26后处理定义某点的温度为变量然后用曲线画出随时间的变换。

例1稳态热分析有一空心钢球，内半径与外半径分别为0．1m、0．5m，钢的导热系数为70W／m·℃1。

现在钢球的外表面施加均匀温度载荷50℃，假设钢球内表面温度为20℃，试求钢球内部的温度场分布。

分析：该问题属于稳态热力学问题。

根据问题的对称性，在求解过程中取过球心的某一裁面建立有限元计算模型，如图。

例2一个半径为10mm，温度为90℃的钢球突然放入盛满了水的、完全绝热的边长为100mm 的水箱中，水温度为20℃。

求解0．5小时之后铁球与水的的温度场分布。

材料性能参数：密度：水1000kg／m3，钢7800kg／m3导热系数：水k＝0．6W／(m·℃)，铁＝70W／(m·℃)比热容：水C ＝4185J／(kg·℃)，铁＝448J(kg·℃)分析：该问题属于瞬态热力学问题。

根据问题的对称性，在求解过程中取实物中心纵截面四分之一建立有限元计算模型，如图所示。

热应力分析有一截面为圆环形的输暖管道，如图内外管道半径分别为200mm、800mm，管道内水的温度为80℃，管外表层温度为10℃，求管道内的热应力分布(假设管道内充满水)材料参数：弹性模量量＝120Gpa泊松比＝0．3线膨胀系数α＝1．3×10—6m/m·℃导热系数K=l．2W／m·℃分析：该问题属于轴对称问题。