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1、热分析实验报告一、实验目的1、了解STA449C合热分析仪的原理及仪器装置;2、学习使用TG-DSCg合热分析方法。二、实验内容1、对照仪器了解各步具体的操作及其目的。2、测定纯Al-TiO2升温过程中的DSC TG曲线，分析其热效应及其反应机理。3、运用分析工具标定热分析曲线上的反应起始温度、热焰值等数据。三、实验设备和材料四、实验原理热分析（Thermal Analysis TA ）技术是指在程序控温和一定气余下，测量 试样的物理性质随温度或时间变化的一种技术。根据被测量物质的物理性质不 同，常见的热分析方法有热重分析（Thermogravimetry TG）、差热分析 （Differen
2、ce Thermal Analysis , DTA卜差示扫描量热分析（Difference Scanning Claorimetry , DSC痔。其内涵有三个方面：试样要承受程序温控的作用，即以一定的速率等速升（降）温，该试样物质包括原始试样和在测量过程中因化学 变化产生的中间产物和最终产物；选择一种可观测的物理量，如热学的，或光学、力学、电学及磁学等； 观测的物理量随温度而变化。热分析技术主要用丁测量和分析试样物质在温度变化过程中的一些物理变 化（如晶型转变、相态转变及吸附等）、化学变化（分解、氧化、还原、脱水反 应等）及其力学特性的变化，通过这些变化的研究，可以认识试样物质的内部结 构，
3、获得相关的热力学和动力学数据，为材料的进一步研究提供理论依据。综合热分析,就是在相同的热条件下利用由多个单一的热分析仪组合在一起 形成综合热分析仪，见图1,对同一试样同时进行多种热分析的方法。图1综合热分析仪器（STA449。（1）、热重分析（TG）原理程序控制系统阳尼信号 入天平z_图2零位型熟天平的结构原理图热重法（TG）就是在程序控温下，测量物质的质量随温度变化的关系。 采用仪 器为日本人本多光太郎丁 1915年制作了零位型热天平（见图2）。其工作原理如 下：在加热过程中如果试样无质量变化, 热天平将保持初始的平衡状态，一旦样 品中有质量变化时，天平就失去平衡，并立即由传感器检测并输出天
4、平失衡信号。 这一信号经测重系统放大后,用以自动改变平衡复位器中的线圈电流, 使天平乂 回到初时的平衡状态，即天平恢复到零位。平衡复位器中的电流与样品质量的变 化成正比，因此，记录电流的变化就能得到试样质量在加热过程中连续变化的信 息，而试样温度或炉膛温度由热电偶测定并记录。这样就可得到试样质量随温度（或时间）变化的关系曲线即热重曲线。热天平中装有阻尼器，其作用是加速天平趋向稳定。天平摆动时，就有阻尼信号产生，经放大器放大后再反馈到阻尼器 中，促使天平快速停止摆动。(2) 、差热分析(DTA)原理Tw 口rCZ图3 DTA差熟分析结构原理图差热分析(DTA是指在程序控温下，测量试样物质(S)与
5、参比物(R)的温差 (?T)随温度或时间变化的一种技术(见图3 )。在所测温度范围内，参比物不发 生任何热效应，如a -AI2O3在01700C范围内无热效应产生，而试样却在某温 度区间内发生了热效应，如放热反应(氧化反应、爆炸、吸附等)或吸热反应(熔 融、蒸发、脱水等)，释放或吸收的热量会使试样的温度高丁或低丁参比物，从 而在试样与参比物之间产生温差,且温差的大小取决丁试样产生热效应的大小， 由X-Y记录仪记录下温差随温度 T或时间t变化的关系即为DTA曲线。(3) 、差小扫描量热分析(DSC)原理示扫描量程序温度 控制器1涵1 1 S RM55UflA代号-+4T)ATr 功率补偿放大器f
6、放大器图4功率补偿式DSC的原理图热(DSC)是指在程序控温下，测量单位时间内输入到样品和参比物之间的能量差(或功率差)随温度变化的一种技术。按测量方法的不同，DSCB可分为功率补偿式和热流式两种。图4即为功率补偿式示差示扫描量热仪原理示意图。 样品和参比物分别具有 独立的加热器和传感器，整个仪器有两条控制电路，一条用于控制温度，使样品 和参照物在预定的速率下升温或降温； 另一条用于控制功率补偿器，给样品补充 热量或减少热量以维持样品和参比物之间的温差为零。当样品发生热效应时，如放热效应,样品温度将高于参比物,在样品与参比物之间出现温差,该温差信号 被转化为温差电势，再经差热放大器放大后送入功
7、率补偿器，使样品加热器的电流Is减小，而参比物的加热器电流IR增加，从而使样品温度降低，参比物温度 升高，最终导致两者温差乂趋于零。因此，只要记录样品的放热速度或吸热速度（即功率），即记录下补偿给样品和参比物的功率差随温度T或时间t变化的关系，就可获得试样的DSC曲线。五、实验步骤（一）、操作条件：1、环境安静，尽量避免人员走动。2、保护气体（protective ）: Ar、H8 N2等。目的用于操作过程中对仪器和天 平进行保护，以防止受到样品在受热时产生的蠹性及腐蚀性气体的侵害。压力： 0.05MPa,流速30ml/min, 一股为15ml/min ,该开关始终为开启状态。3、吹扫气体（p
8、urge1/purge2 ）：在样品测试过程中用作气余或反应气，一般为惰性气体，也可氧化性气体（空气、氧气等），或还原性气体（H2、Cg）。但 对氧化性或还原性气体应慎重选择，特别士还原性气体会缩短机架的使用寿命， 腐蚀仪器的零部件。压力：0.05MPa,流速100ml/min , 一股为20ml/min。4、 恒温水浴：保证天平在恒温下工作，一般调整为比环境温度高23C。5、空气泵：保证测量空间具有一定的真空度，可以反复进行，一般抽三次即可。（二）、样品准备1、检查并核实样品及其分解产物不会与给锅、支架、热电偶或吹扫气体进行反 应。2、对测量所用的土甘锅及参比土甘锅预先进行高于测量温度的热处
9、理，以提高测量 精度。3、试样可以是液体、固体、粉体等形态，但须保证试样与土甘锅底部的接触良好， 样品适量。甘锅1/3或15mg,以减小样品中的温度梯度，确保测量精度。4、对热反应激烈的试样或会产生气泡的试样，应减少用量。同时土甘锅加盖，以 防飞溅，损伤仪器。5、 用仪器内部天平称量是，需等天平稳定，及出现mg字样时，读数方可精确。6、测试必须样品温度达到室温及天平稳定后才能开始。（三）、开机1、 开机过程无先后顺序。为保证仪器稳定精确的测试， STA449C的天平主机应 一直处丁带电开机状态，除长期不使用外，应避免频繁开关机。包温水浴及其他 仪器应至少提前1h打开。2、开机后，首先调整保护气
10、体及吹扫气体的输出压力和流量大小至合理值，并 等其稳定。（四）、样品的称重1、击weigh进入称重窗口，待TG稳定后钦Tare。2、称重窗口中的Crucible mass 栏变为0.000mg。3、打开装置，将样品置入试样土甘锅。4、将土甘锅置入支架，关闭装置。5、称重窗口中将显示样品质量。6、待质量稳定后，按store将样品质量存入。7、点击OK退出称重窗口。（五）、基线的测量过程：打开电脑t进入 STA449C 工具栏 t 新建t 修整编号t继续t 206599-* 点击t 206599t打开t勾上 吹扫气2和保护气t设定升 温参数：终点温度，升温速率， 等T结束T设定等待参数： 等待温度
11、，升温速率，最长等 待时间等T点击进入降温 参数设定T提交T继续T保 存设定T完成T进行基线测 定。（六）、样品的测试过程：进入基线T选样品+修正T测量程序T测试完成时自动记录所测文 件。导出图元文件和数据即可。(七) 、结果分析1、TG曲线结果分析点击工具栏上的“ masschange”按钮，进入TG分析状态，并在屏幕上出现 两条竖线。根据一次微分曲线和 DSC(or DTA)曲线确定出质量开始变化的起点和 终点，用鼠标分别拖动该两条竖线，确定出 TG曲线的质量变化区间，然后点击 “apply”按钮，电脑自动算出该区间质量变化率；如果试样在整过测试温度区 间有多个质量变化的分区问，依次重复上
12、述步骤进行操作，直至全部算出各个质 量变化区间的质量变化率，然后点击“ OK按钮，即完成TG分析。2、DTA DSC线分析 反应开始温度分析点击工具栏中的“ onset”按钮，进入分析状态，并在屏幕上显示两条竖线。 根据一次微分曲线和DSC(orDTA：线，确定出曲线开始偏离基线的点和峰值点， 用鼠标分别拖动该两条竖线，至确定的两条曲线上，点击“ apply”按钮，自动 算出反应的开始温度，质量开始变化的起点和终点，然后点击“ OK按钮，即完 成分析操作。 峰值温度分析点击工具栏中的“ peak”按钮，进入分析状态，并在屏幕上显示两条竖线。 根据一次微分曲线和DSC(or DTA)tt线，确定
13、出曲线的热反应峰点，用鼠标分别 拖动该两条竖线，至曲线上峰点的两侧，确定的两条曲线上，点击“ apply”按 钮，自动标出峰值温度，然后点击“ OK按钮，完成操作分析。 热水含分析点击工具栏中的“ aera”按钮，进入分析状态，并在屏幕上显示两条竖线。 根据一次微分曲线和DSC曲线，确定出曲线的热反应峰及其曲线开始偏离基线的 点和反应结束后回到基线的点，用鼠标分别拖动该两条竖线至曲线上两个确定的 点上，点击“apply ”按钮，自动算出反应热焰，然后点击“ OK按钮，完成分 析操作。完成以上全部内容后，打印输出，测试分析操作结束。六、DSC曲线DSO线、不同初始条件下的DSC曲线下图所示。图中
14、可以直观地看出，随 着反应的进行，样品与参比物之间的能量差(或功率差)随温度的变化，从而活 楚反应的进程。曲线的上升代表着吸热反应，曲线的下降代表着正在进行放热反应， 所以最 开始一般要吸收热量进行反应，之后放热，当曲线的纵坐标和初始高度差不多高 时，表示反应基本完成了。七、实验注意事项1、注意环境的安静，否则影响曲线的质量；2、样品的用量尽量一致；3、合理选择保护气余。八、思考题（1）、比较DSC DTA TG之间的区别与联系。热重法（TG）就是在程序控温下，测量物质的质量随温度变化的关系。 得到试 样质量随温度（或时间）变化的关系曲线即热重曲线。差热分析（DTA是指在程序控温下，测量试样物
15、质（S）与参比物（R）的温差 （?T）随温度或时间变化的一种技术。在所测温度范围内，参比物不发生任何热效 应。由X-Y记录仪记录下温差随温度 T或时间t变化的关系即为DTA曲线。差示扫描量热（DSC是指在程序控温下，测量单位时间内输入到样品和参 比物之间的能量差（或功率差）随温度变化的一种技术。只要记录样品的放热速 度或吸热速度（即功率），即记录下补偿给样品和参比物的功率差随温度 T或时 问t变化的关系，就可获得试样的DSC曲线。区别： 曲线的纵坐标含义不同，测量对象也不同。TG试样的质量；DTA试样与参比物的温差；DSC热流量。 DSC勺定量水平高于DTA试样的热效应可直接通过DSC#线的放热 峰或吸热峰与基线所包围的面积来度量，不过由于试样和参比物与补偿加热丝之 间总存在热阻，使补偿的热量或多或少产生损耗，因此峰面积得乘以一修正常数（乂称仪器常数）方为热效应值。仪器常数可通过标准样品来测定，即为标准样 品的焰变与仪器测得的峰面积之比， 它不随温度、操作条件而变化，是一个恒定 值。 DSC分析方法的灵敏度和分辨率均高于 DTA DSC中曲线是以热流或功率 差直接表征热效应的，而 D
