材料科学基础实验指导书

材工《材料科学基础》实验指导书湖北工业大学材料科学与工程学院

2013.3

实验1 淬冷法研究相平衡

目的意义

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。

本实验的目的：

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。

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。

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。

淬冷法是用同一组成的试样在不同温度下进行试验。样品的均匀性对试验结果的准确性影响较大。将试样装入铂金装料斗中，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。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。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。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。改变温度与组成，就可以准确地作出相图。

淬冷法测定相变温度的准确度相当高，但必须经过一系列的试验，先由温度间隔范围较宽作起，然后逐渐缩小温度间隔，从而得到精确的结果。除了同一组成的物质在不同温度下的试验外，还要以不同组成的物质在不同温度下反复进行试验，因此，测试工作量相当大。实验器材

1．相平衡测试仪

实验设备包括高温炉、温度控制器、铂装料斗及其熔断装置等，如图1-1所示。

熔断装置为把铂装料斗挂在一细铜丝上，铜丝接在连着电插头的个两铁钩之间，欲淬冷时，将电插头接触电源，使发生短路的铜丝熔断，样品掉入水浴中淬冷。

2．偏光显微镜一套，如图1-2所示。

测试步骤

1. 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。

2. 测试步骤

（1） 先将高温炉升温至750℃，恒温。

（2） 用细铜丝把两个铂金装料斗挂在熔断装置上（注意两挂钩不能相碰）。再把少量试样（0.01 ~ 0.02 g ）装入铂金装料斗内，然后把样品放入高温炉中，盖好高温炉上下盖子。

（3） 在750℃保温30 min 。将水浴杯放至炉底，打开高温炉下盖，把熔断装置的电插头接触电源（注意，稍一接触即可）使铜丝熔断，让样品掉入水中淬冷。

（4） 盖上电炉盖，升温至900℃，保温30 min ，重复上述步骤淬冷样品。 （5） 取出铂金坩埚，放在高温炉的盖上，利用炉体温度烘干样品。 （6） 取下试样，在捣碎器内砸成粉末（注意，不能研磨），作成浸油试片。 （7） 在偏光显微镜下观察有无晶体析出，并与相图（见图1-3）相比较。 （8） 记录观察结果，写出实验报告。

图1—1 仪器装置示意图

1- 高温炉电炉丝 2- 铬铝电偶 3- 熔断装置 4- 电插销5- 铂装料斗6- 电流表 7-温度控制器 8- 电炉底盖 9- 水浴杯 10- 高温炉 11-高温炉保温层

图1-2 偏光显微镜 放大倍数：40×～630× 可做单偏光观察、正交偏光观察、

锥光观察及显微摄影

思 考 题

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 ？

主要参考文献

[1] 孙庆凌、沈淑兰编，《硅酸盐物理化学》实验指导书，武汉工业大学，1992年。 [2] 浙江大学等编，《硅酸盐物理化学》，中国建筑工业出版社，1981年。 [3] 大连轻工业学院，《硅物化实验讲义》。

图1-3 Na 2O-SiO 2系统相图

实验2 固相反应

目的意义

固相反应是材料制备中一个重要的高温动力学过程，固体之间能否进行反应、反应完成的程度、反应过程的控制等直接影响材料的显微结构，并最终决定材料的性质，因此，研究固体之间反应的机理及动力学规律，对传统和新型无机非金属材料的生产有重要的意义。

本实验的目的：

1. 掌握TG法的原理，熟悉采用TG法研究固相反应的方法。

2. 通过Na2CO3 －SiO2系统的反应验证固相反应的动力学规律─杨德方程。

3. 通过作图计算出反应的速度常数和反应的表观活化能。

基本原理

固体材料在高温下加热时，因其中的某些组分分解逸出或固体与周围介质中的某些物质作用使固体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。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/或反应动力学规律。

固体物质中的质点，在高于绝对零度的温度下总是在其平衡位置附近作谐振动。温度升高时，振幅增大。当温度足够高时，晶格中的质点就会脱离晶格平衡位置，与周围其它质点产生换位作用，在单元系统中表现为烧结，在二元或多元系统则可能有新的化合物出现。这种没有液相或气相参与，由固体物质之间直接作用所发生的反应称为纯固相反应。实际生产过程中所发生的固相反应，往往有液相和/或气相参与，这就是所谓的广义固相反应，即由固体反应物出发，在高温下经过一系列物理化学变化而生成固体产物的过程。

固相反应属于非均相反应，描述其动力学规律的方程通常采用转化率G（已反应的反应物量与反应物原始重量的比值）与反应时间t之间的积分或微分关系来表示。

测量固相反应速率，可以通过TG法（适应于反应中有重量变化的系统）、量气法（适应于有气体产物逸出的系统）等方法来实现。本实验通过失重法来考察Na2CO3 －SiO2系统的固相反应，并对其动力学规律进行验证。

Na2CO3 －SiO2系统固相反应按下式进行：

Na2CO3 ＋SiO2 Na2SiO3 ＋CO2 ↑

恒温下通过测量不同时间t时失去的CO2的重量，可计算出Na2CO3的反应量，进而计算出其对应的转化率G，来验证杨德方程：

[ 1－（1－G）1 / 3 ] 2 = K j t

的正确性。式中，K j = Aexp（-Q / RT）为杨德方程的速度常数，Q为反应的表观活化能。改变反应温度，则可通过杨德方程计算出不同温度下的K j和Q。

实验器材

1.设备仪器

[1] 普通热天平（PRT-1型热天平）