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材料结构的表征

第三章

材料的表征

材料的设计、制备和表征是材料研究的三个组

成部分，材料设计的重要依据来源于材料的结构分

析。材料制备的实际效果必须通过材料结构分析的

检验。因此可以说，材料科学的进展极大的依赖于

对材料结构分析表征的水平。

材料表征的主要手段：

热分析技术

显微技术

X射线衍射技术

波谱技术

材料的表征就其任务来说主要有三个：成分

分析、结构测定、形貌观察。

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材料组成：化学分析、X射线能谱仪材料结构：1)晶体结构：单晶（X射线单晶衍射仪）

粉末材料（X射线粉末衍射）2)材料显微：光学显微镜（OM）（0.8~150um）

透射电子显微镜（TEM）(0.001~5um)(0.1~0.2nm)扫描电子显微镜（SEM）3)材料谱学：谱学结果可以反映材料中的组成元素原子的成键、价态及性能。材料性能：热学、力学、电学、光学、磁学、化学、生物医学等性能。1）热学：TG、DSC、TM2）电学：电导、电阻、温度系数、半导体的禁带宽度、电化学、光电化学3）光学：荧光（化学发光）4）磁性：

第一节热分析技术热分析：在程序控制温度条件下，测量材料物

理性质与温度之间关系的一种技术。从宏观性能的测试来判断材料结构的方法。程序控制温度：指用固定的速率加热或冷却。

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热分析技术被广泛用于固态科学中，凡是与热现象有关的任何物理和化学变化都可以采取热分析方法进行研究。如材料的固相转变、熔融、分解甚至材料的制备等。同时，这些变化还能被定量的描绘，可以直接测量出这些变化过程中所吸收或放出的热量，如熔融热、结晶热、反应热、分解热、吸附或解吸热、比热容、活化能、转变熵、固态转变能等。

热分析技术中，热重法(TG)、差热分析（DTA）和差示扫描量热法（DSC）应用的最为广泛。

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一、热重法(TG)在程序控制温度条件下，测量物质的质量与温度

关系的一种热分析方法。

热重法通常有下列两种类型：

等温热重法—在恒温下测量物质质量变化与时间的关系

非等温热重法—在程序升温下测量物质质量变化与温度的关系

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进行热重分析的基本仪器为热天平，它包括天平、炉子、程序控温系统、记录系统等几个部分。

由热重法记录的质量变化对温度的关系曲线称为热重曲线(TG曲线)。TG曲线以质量为纵坐标，从上到下表示减少，以温度或时间作横坐标，从左自右增加。如图。

1—热重曲线

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2—微分热重曲线8

热重曲线显示了试样的绝对质量(W)随温度的恒定升高而发生的一系列变化，如图中从质量W0到W1，从W1到W2，从W2到0是三个明显的失重阶段，它们表征了试样在不同的温度范围内发生的挥发性组分的挥发以及发生的分解产物的挥发，从而可以得到试样的组成、热稳定性、热分解温度、热分解产物和热分解动力学等有关数据。

同时还可获得试样的质量变化率与温度关系曲线，即微分热重曲线(DTG曲线)，它是TG曲线对温度的一阶导数。以物质的质量变化速率dm/dt对温度T作图，所得的曲线。

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DTG曲线的峰顶即失重速率的最大值，它与TG曲

线的拐点相对应，即样品失重在TG曲线形成的每一个

拐点，在DTG曲线上都有对应的峰。并且DTG曲线上的

峰数目和TG曲线的台阶数目相等。由于DTG曲线上的

峰面积与样品的失重成正比，因此可以从DTG的峰面

积计算出样品的失重量。

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应用：

1.材料成分测定

热重法测定材料成分是极为方便的，通过热重曲线可以把材料尤其是高聚物的含量、含碳量和灰分测定出来。

例如测定添加无机填料的聚苯醚的成分时，试样先在氮气流中加热，达到聚苯醚的分解温度后，聚苯醚样品开始分解。在TG曲线的455.7-522.7℃温度范围内，出现一个失重台阶。该台阶对应着聚苯醚的分解失重量为65.31%。

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随后根据压力信号的变化，自动气体转换开关会立即与空气气流接通，此时因聚苯醚分解产生的短链碳化合物立即氧化成CO2，在TG曲线中出现第二个失重台阶，对应的失重量约为29.50%。

最后在712.4℃以上温度获得以稳定的平台，说

明剩余的残渣为惰性的无机填料或灰分，其质量含

量约为5.44%。因此由热重法测定获得的分析结果为：

聚苯醚65.31%，含碳量29.50%，残渣含量5.44%。

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2.材料中挥发性物质的测定

在材料尤其是塑料加工过程中溢出的挥发性物质，即使极少量的水分、单体或溶剂都会产生小的气泡，从而使产品的外观和性能受到影响。热重法能有效地检测出在加工前塑料所含有的挥发性物质的总量。

如：聚氯乙烯(PVC)中增塑剂邻苯二辛酯(DOP)的测定。如图所示：

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在测定聚氯乙烯中增塑剂含量的过程中，先以每分钟160℃的升温速度加热，达到200℃后等温