实验一实验一 差热分析差热分析一实验目的 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法鉴定未知矿物及分析被测试样的结构变化等相关信息。 二基本原理差热分析(DTA，differential thermal analysis)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。自然界的大多数矿物在加热和冷却过程中均有热效应产生。产生热效应的原因是由于 物系中某种晶体发生晶型转变、或者分解、脱水、熔化、析晶等物理化学变化，从而会产 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 1-1 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。 图 1-1 差热分析曲线三差热分析仪与药品 （一）差热分析仪 1仪器组成： 差热分析仪主要由加热炉，试样支撑-测量系统（它主要包括差热电偶、试样容器、均热板（或块）及 支撑杆等部件） 、信号放大系统、记录系统组成。加热炉依据测量的温度范围不同有低温型(800-1000以下)，中温型 1200以下)，C0C0高温型(1400-1600以下)。 C0差热电偶是把材质相同的两个热电偶的相同极连接在一起，另外两个极作为差热电偶 的输出极输出差热电势。差热分析装置示意图 1-2 如所示。信号放大显示记录数据处理1-加热炉； 2-试样； 3-参比物； 4-测温热电偶； 15-温差热电偶 6-测温元件 7-温控元件23差热分析装置示意图温度控制器7465图 1-2 差热分析装置示意图 2差热测量系统：本仪器采用哑铃型平板式差热电偶，它检测到的微伏级信号送入差热放 大器进行放大。差热放大器为直流放大器，它将微伏级的差热信号放大后，送入记录仪进 行采样测量纪录。 3.温度测量系统：测温热电偶输出的热电势，先经过热电偶冷端补偿器，补偿器的热敏电 阻装在差热仪主机内。经过冷端补偿的测温电偶热点势经过放大处理后，送入记录仪进行 采样测量纪录。（二）药品：1.对药品的要求： （1）参比物：应符合如下要求： （1）整个测温范围内无热效应； （2）比热和导热性能与试样相近； （3）粒度与试样相近（通过 100-300 目筛的粉末） 。 常用的参比物为 -Al2O3(经 1720k(1447)煅烧过的高纯氧化铝粉，全部是 型 氧化铝晶体)。 （2）试样： 粉末试样的粒度均通过 100-300 目筛；聚合物应切成碎块或薄片； 纤维状试样应切成小段或制成球粒状；金属试样应加工成小圆片或小块等。（3）试样装填要求：试样量一般不超过坩埚容积的五分之四，对于加热时发泡试样不超过坩埚的二分之一 或更少，或用氧化铝粉末稀释，以防止发泡时溢出坩埚，污染热电偶。坩埚装样后，可在 桌面上轻蹾几下，使试样与参比物尽量装填密度相同。一般情况下，10/min 的升温速度。2本实验采用的参比物为 -Al2O3；被测试样为氢氧化镁，或可根据情况自选药品。四、实验步骤 1开启电源及水源，整机预热 30 分钟。 2抬起炉体，装参比物样品及被测样品于热偶板上，放下炉体，开启冷却水注意操作 时动作要轻，以免损伤主机及支承杆。 3差热量程置所需量程档，一般常用100V 档。之后置 DTA 调零键，此时调零指 示灯灭，差热放大器进入测量状态。 4开启记录仪电源，将温度记录单元输入开关置调零位置，旋转调零旋钮，使温度记 录笔置于记录纸右端线，此端线即为初始端。之后将输入开关至于测量为止，温度笔 将向左侧移一段距离（表示室温） 。旋转差热记录单元调零旋钮，设置差热记录笔初始 位置。 5根据不同的升温速度选择记录仪走纸速度。一般情况下，10/min 的升温速度可选 6cm/h 档，可根据不同要求选择合适的走纸速度。 6置所需调温速度，一般情况下，选择 10/min 的升温速度。之后置升温键，置加热 键，加热指示灯亮，加热炉开始加热，实验开始。 7实验结束之后，先抬起两只记录笔；关断加热；关断记录仪电源；差热量程置1000V 档；置差热调零键。抬起加热炉，当加热炉的温度自然降下之后可以放下加 热炉，关断水源及电源。 五曲线温度读取方法 以图为例，温度读取方法加以说明： 1测笔距：记录仪走纸开关置“STOP”位置，用记录仪调零纽分别将温度笔、差热笔 各画一条线段，测温度笔与差热笔线段的距离。2过差热峰尖 M 作一水平直线交 T 曲线于 N3将直线 MN向逆走纸方向平移一个温度笔与差热笔笔距交 T 曲线于 N 点，读取 N点的毫伏数，查铂铑10铂热电偶分度表即得 Tm。走纸方向温度笔差热笔差热笔距TDTANMN六数据记录与处理 1数据记录样品名称参比物升温速率 （/min）出峰起始温度 （）峰顶温度 （） Mg(OH)2-Al2O32.数据处理及分析讨论 对差热曲线用外推法确定试样热效应的起始温度及峰顶温度。并进行热分析。思考题思考题 1差热分析中的参比物起什么作用？对它有哪些要求？ 2和静态方法相比较，差热分析这种动态方法有什么优缺点?应用应用差热分析是研究相平衡与相变的动态方法中的一种。由差热曲线上峰的数目、位置、方 向和峰面积的大小，可以确定在测定温度范围内试样发生物理、化学变化的次数、温度、 热效应的吸热放热和大小，因此可用来分析物质的变化规律。许多物质的热谱图具有特征 性，因此通过试样与已知物的标准热谱图进行对比，再结合其它手段如失重分析、X-射线 物相分析等，可用于鉴别物质的种类；可对被测物质进行动力学、热力学的研究；可进行 结构与物理性能关系的研究。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。所以，差热分析被广泛的应用于材料科学 研究中。实验二实验二 淬冷法研究相平衡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：温度控制器123456图 2-1 淬冷法研究相平衡装置 3 试样制备 按 Na2O ：2SiO2摩尔组成计算 Na2O 和 SiO2的的重量百分数，以 Na2CO3和 SiO2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 Na2O ：SiO2=12 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 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。思考题思考题 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 ？应用应用 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。图 2-2 Na2O-SiO2系统相图实验三实验三 热重分析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