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热分析技术及其在无机材料研究的运用

差热分析则主要是用于测量物质间产生的温度差与相对应的时间或温度的对应关系，下面是小编搜集整理的热分析技术及其在无机材料研究应用探究的论文范文，欢迎阅读参考。

1热分析技术概述

国际热分析协会(ICTA),在1977年给出定义:热分析技术,即在程序控制温度下,测量物质的物理性质与温度关系[1].程序控制温度是指升温或降温速率一定,物理性质是指温度、质量、热焓、尺寸、电学、机械及磁学性质等.

英国的Edgwood,在1786年首先发现明显的热失重(加热陶瓷粘土到暗红色时).法国的Lechatelier,在研究测试粘土类矿物的相应的热性能时,在1887年将热电偶投入使用用于测量温度,并且差热分析的相对应的最原始曲线也被第一次发表.英国的Roberts-Austen,第一次于1899年运用示差热电偶来进行测量并记录温度差,即试样与参比样间产生的,使得重复性获得了提高,灵敏度得到了增强.日本的本多光太郎在1915年发明了首台热天平[2].20世纪20年代,热分析主要用在粘土、矿物和硅酸盐的研究中,但应用并不广泛.它作为一种系统方法,建立和发展主要在20世纪50年代.热电偶直接用于测量差热分析实验中温度和差热信号的方法一直持续到1955年,但这种方法中的热电偶存在易被污染、老化的问题.直到1955年Boersma提出将试样或参比物置于坩埚内,避免与热电偶接触.这种方法一直沿用至今,并得到了商业化和微量化的应用.差示扫描量热的理论是由Watson和ONeill首次在1964年提出的,其毫克级别的量热仪并进一步被研制出来.20世纪70年代后期,热分析技术实现其快速飞跃的发展得益于计算机技术的应用,使其应用领域得到日益扩展.20世纪60年代,应用部门的要求也不仅仅需要单一测试技术.热分析技术的联用也于20世纪80年代初开始慢慢发展并日趋完善起来,并将数据处理慢慢地融于计算机,得到计算机化.

随着学科的不断深入,工业的迅速发展,这种热分析方法所涉及探讨的物质类型不断地扩展,由无机物材料不断发展到有机物质、空间技术等其他方方面面.目前所涉及的领域也不断地扩展,如各类化学学科分支、材料学、食品医药及物理学等等领域[3].

2热分析技术的分类及影响因素

热分析技术根据其测量过程中的物理量,如质量、温度等,可分为多种种类,热分析方法经由IC-TA归纳,共可分为9类17种.其中有三种热分析技术得到了最为广泛的应用:热重法(TG)、差热分析法(DTA)、差示扫描量热法(DSC)[4].

2.1热重法

热重法,使用最为广泛,是在程序控制下,测量质量的变化随温度(或时间)的变化的方法[5].热重法有两种实验类型:其一为静态热重法,包括等压和等温质量变化测定.等压静态热重法是指在程序控温下,挥发物分压恒定不变时,测量物质的平衡质量与温度的关系.等温法则是恒温条件下,测量质量与温度的关系;一般认为等温法比较准确,但比较费时,目前采用得较少.另一种是非等温(或动态)热重法,即在程序升温下测定物质质量变化与温度的关系.由于非等温法最为简便,因此得到了广泛应用.

热天平是热重法中测定质量变化最常采用的仪器,其原理[6]

可分为两种.其一为变位法,是根据天平梁所产生变化的倾斜度与待测物质所产生的质量变化具有一定对应的比例关系,来进行测量.

其二为零位法,它是通过测定天平梁的倾斜度,再去调整线圈的电流,通过线圈的转动从而使天平梁的倾斜得到还原,根据转动的力与待测物质的质量变化及电流的关系来进行测量.

热重仪主要由三部分组成,温度控制系统、检测系统和记录系统.热重法常称热重分析(TGA),记录的曲线称为热重TG曲线.随着热重法的发展,衍生出微商热重法(DerivativeThermogravime-try),是TG曲线对温度(或时间)的一阶导数.微商热重曲线上的各种峰与TG曲线上各重量变化阶段相对应.其中峰面积则与物质相应的质量变化之间成一定的比例.如图1,TG曲线中热重基线用对应的AB段表示,Ti为相应的起始温度,也即是相应的初始温度用B点表示,完全分解温度Tf表示于对应的C点,Tf~Ti之间的温度表示为反应的相应分解温度区间.曲线中Te表示为相应的外推起始温度,用D点表示.其DTG曲线上对应的峰数与TG曲线的台阶数相对应;其峰面积也与样品测试过程中的失重量成正比例关系,因此失重量可由此计算出来,也即是DTG能够用于样品的精确定量分析.热分析反应的各个反应阶段的特征温度,如Ti、Tf等,都可以通过DTG曲线反映出来.DTG曲线还可以用来分析一些DTA曲线不能赖以