材料解析测试技术实验指导书.docVIP

材料分析测试技术 序号 实验项目 学时数 内容与要求 实验属性 必开 选开 1 热重分析和综合热分析 2 了解热重分析的仪器装置及实验技术； 熟悉综合热分析的特点，掌握综合热曲线的分析方法 验证 √ 谷亦杰 2 材料的X射线物相鉴定 4 了解粉晶衍射仪法的基本原理；学会样品的制备且会用衍射图及衍射数据鉴定物相组成； 验证 √ 张智慧 3 材料薄片的制备 2 认识常见的磨料及抛光材料； 学会材料薄片的磨抛方法； 验证 √ 张智慧 4 扫描电镜及试样的显微电子图像观察 4 了解扫描电镜的工作原理及样品制备； 学会在扫描电镜下分析材料物相组成及显微结构的方法； 综合 √ 汪静 实验一 热重分析与综合热分析 一、实验目的与任务 1．了解热重分析的仪器装置及实验技术。 2．熟悉综合热分析的特点，掌握综合热曲线的分析方法。 3．测绘矿物的热重曲线和综合热曲线，解释曲线变化的原因。 二、热重分析的仪器结构和分析方法 热重分析法是在程序控制温度下，测量物质的质量随温度变化的一种实验技术。 热重分析通常有静态法和动态法两种类型。 静态法又称等温热重法，是在恒温下测定物质质量变化与温度的关系，通常把试样在各给定温度加热至恒重。该法比较准确，常用来研究固相物质热分解的反应速率和测定反应速度常数。 动态法又称非等温热重法，是在程序升温下测定物质质量变化与温度的关系，采用连续升温连续称重的方式。该法简便，易于与其他热分析法组合在一起，实际中采用较多。 热重分析仪的基本结构由精密天平、加热炉及温控单元组成。图8 －14 示出了上海天平仪器厂生产的 PRT －1 型普通热天平结构原理图；加热炉由温控加热单元按给定速度升温，并由温度读数表记录温度，炉中试样质量变化可由人工开启天平并记录。自动化程度高的热天平由磁心和差动变压器组成的位移传感器检测和输出试样质量变化引起天平失衡的信号，经放大后由记录仪记录。 图1 PRT－1型热天平结构原理图 由热重分析记录的质量变化对温度的关系曲线称热重曲线（TG曲线）。曲线的纵坐标为质量，横坐标为温度。例如固体热分解反应 A （固）一 B （固） + C （气）的典型热重曲线如图2所示。图中 Ti 为起始温度，即累积质量变化达到热天平可以检测时的温度。Tf 为终止温度，即累积质量变化达到最大值时的温度。热重曲线上质量基本不变的部分称为基线或平台，如图2中 ab 、cd部分。若试样初始质量为W0，失重后试样质量为 W1 ，则失重百分数为（W0一 W1 ) ／W0 x 10 ％。 图2 固体热分解反应的热重曲线 图3 CaC2O4·H2O的热重曲线 许多物质在加热过程中会在某温度发生分解、脱水、氧化、还原和升华等物理化学变化而出现质量变化，发生质量变化的温度及质量变化百分数随着物质的结构及组成而异，因而可以用物质的热重曲线来研究物质的热变化过程，如试样的组成、热稳定性、热分解温度、热分解产物和热分解动力学等。例如含有一个结晶水的草酸钙的热重曲线如图3 , CaC2O4·H2O 在 100 ℃ 以前没有失重现象，其热重曲线呈水平状，为TG曲线的第一个平台。在 100 ℃ 和 200 ℃ 之间失重并开始出现第二个平台。这一步的失重量占试样总质量的 12 . 3 % ，正好相当于每 mol CaC2O4·H2O 失掉 1mol H2O ，因此这一步的热分解应按下式进行。CaC2O4·H2O—— CaC2O4+H2O （100~200℃）。 在 400 ℃ 和 500 ℃ 之间失重并开始呈现第三个平台，其失重量占试样总质量的 18.5 % ，相当于mol CaC2O4分解出 1mol CO ，因此这一步的热分解应按 CaC2O4·H2O——CaCO3 + CO 进行。在600 ℃ 和 800 ℃ 之间失重并出现第四个平台，其失重量占试样总质量的 30 % ，正好相当于每 mo1 CaCO3分解出 1molCO2 ，因此这一步的热分解应按 CaC2O4——CaO+ CO2进行。 可见借助热重曲线可推断反应机理和产物。γ- Al2O3 化合成莫来石3Al2O3·2SiO2结晶所致。 图 4 粘土的综合热曲线 1－加热曲线；2－差热曲线；3－热重曲线；4－收缩曲线 在综合热分析技术中， DTA 一 TG 组合是最普通最常用的一种，DSC 一TG组合也常用。根据试样物理或化学过程中所产生的质量与能量的变化情况， DTA ( DSC ）和TG对反应的过程可作出大致的判断，如表2所示。表中“ + ”表示有，“一”表示无，在进行综合热曲线分析时可作为参考。 表2 DTA(DSC)和TG对反应过程的判断 五、实验和数据处理 1 ．选择 DTA 、 DSC 实验中测试的同种矿物，用静态法或动态法测绘TG曲线。采