综合热分析讲义教材课件.ppt
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1、第第三三章章 差热分析差热分析Differential Thermal Analysis,DTA3.1定义及术语定义及术语 简称简称 DTA,是在程序控制温度下,是在程序控制温度下,建立被测量物质与参比物之间的温度差建立被测量物质与参比物之间的温度差与温度关系的一种技术与温度关系的一种技术。差热分析差热分析(Differential Thermal Analysis)数学表达式为:数学表达式为:TTsTrf(T)或或 T u(t)式中,式中,Ts、Tr分别代表试样及参比物温度,分别代表试样及参比物温度,T是程序温度,是程序温度,t是时间。是时间。试样升温曲线与试样升温曲线与DTA曲线曲线ABA
2、BCC温度温度 T(Ts Tr)温度温度 Ts时间时间差热曲线差热曲线 由由差热分析差热分析得到的实验曲线。亦称得到的实验曲线。亦称DTA曲线。曲线。纵坐标为试样与参比物的温度差纵坐标为试样与参比物的温度差(T),向上表示放热,向下表示吸热。横坐标为向上表示放热,向下表示吸热。横坐标为T或或t,从左向右为增长方向。从左向右为增长方向。温度温度 C典型的典型的DTA曲线曲线+T -T吸热峰吸热峰放热峰放热峰吸热吸热放热放热ABCDE基线基线基线基线温差温差To 实际上,实际上,DTA曲线的曲线的纵坐标往往不纵坐标往往不是直接用温度差是直接用温度差T来表示,而是用电动来表示,而是用电动势电压单位势
3、电压单位 V 或或 V 来代替。来代替。注意注意DTA-50 型差热分析仪上做的型差热分析仪上做的DTA曲线(曲线(T-V )试样试样 被测定的物质,无论稀释与否。被测定的物质,无论稀释与否。参比物参比物 在测量温度范围内不发生任何热效在测量温度范围内不发生任何热效应的物质,应的物质,亦称基准物、中性体。如亦称基准物、中性体。如-Al2O3、MgO等。等。样品样品 试样与参比物的总称。试样与参比物的总称。试样支持器试样支持器 放试样的容器或支架。放试样的容器或支架。参比物支持器参比物支持器 放放参比物参比物的容器或支架。的容器或支架。样品支持器组合样品支持器组合 放置样品的整套组合。当热源或冷
4、源放置样品的整套组合。当热源或冷源与支持器合为一体时,则此热源或冷源亦与支持器合为一体时,则此热源或冷源亦视为组合的一部分。视为组合的一部分。均温块均温块 样品或样品支持器同质量较大的材料样品或样品支持器同质量较大的材料紧密接触的一种样品支持器组合。紧密接触的一种样品支持器组合。温差热电偶温差热电偶 测量温度差用的热电偶系统,即测量温度差用的热电偶系统,即T热电偶热电偶。测温热电偶测温热电偶 测量温度用的热电偶系统,即测量温度用的热电偶系统,即T热电热电偶偶。基线基线 DTA曲线上相应曲线上相应T近似于零的部分。近似于零的部分。如图中的如图中的AB和和DE。对单峰对单峰DTA曲线:曲线:峰峰
5、DTA曲线上先离开而后又回到基线曲线上先离开而后又回到基线零的零的部分。如图中的部分。如图中的BCD。吸热峰或吸热吸热峰或吸热 DTA曲线上,试样温度低于参比物温曲线上,试样温度低于参比物温度的峰,即度的峰,即T为负值。为负值。放热峰或放热放热峰或放热 试样温度高于参比物温度的峰,即试样温度高于参比物温度的峰,即T为正值。为正值。典型的吸热典型的吸热DTA曲线曲线BABCDDEGFT或或tT+0-T=0峰宽峰宽 DTA曲线上,离开基线的点至回到基曲线上,离开基线的点至回到基线的点之间的温度或时间间隔,线的点之间的温度或时间间隔,如图中的如图中的BD。峰高峰高 垂直温度轴或时间轴的峰顶(垂直温度
6、轴或时间轴的峰顶(C)至至内插基线的距离,内插基线的距离,如图中的如图中的CF。TeiTefTpT0 或或 V=0TeTfDTA曲线图中的几种温度曲线图中的几种温度Te 反应起反应起始点温度;始点温度;Tf 反应终点温度;反应终点温度;Te i 外推起始温度;外推起始温度;Te f 外推终止温度;外推终止温度;Tp峰温峰温峰面积峰面积 峰和内插基线间所包围的面积,峰和内插基线间所包围的面积,如图中如图中的的BCDB。外推起始点外推起始点 在峰的前沿最大斜率点的切线与外推基在峰的前沿最大斜率点的切线与外推基线的交点,线的交点,如图中的如图中的G点点。外推终点外推终点 在峰的后沿最大斜率点的切线与
7、外推基在峰的后沿最大斜率点的切线与外推基线的交点线的交点。热容热容 对一定量的物质,单位温升所吸收的热对一定量的物质,单位温升所吸收的热量,亦称为热容量。量,亦称为热容量。3.2 差热分析仪差热分析仪用于差热分析的仪器装置称为差热分析用于差热分析的仪器装置称为差热分析仪。仪。它是使用加热炉中的试样及参比物支它是使用加热炉中的试样及参比物支持器间的持器间的温差热电偶温差热电偶,把温差信号变为电,把温差信号变为电信号(通常是电压),然后经放大记录。信号(通常是电压),然后经放大记录。仪器组成仪器组成测量系统测量系统温差热电偶温差热电偶测温热电偶测温热电偶其它均相同。其它均相同。热电偶热电偶镍铬镍铝
8、热电偶镍铬镍铝热电偶铂铂铑热电偶铂铂铑热电偶1000;温差热电;温差热电动势高,灵敏度高。动势高,灵敏度高。可达可达1500 1700;温差热电动势低,灵温差热电动势低,灵敏度低。敏度低。基本原理基本原理差热分析仪的简图如图差热分析仪的简图如图A、图图B所示。所示。1-1-参比物参比物 2-2-试样试样3-3-均温块均温块 4-4-加热器加热器5-5-均温块热电偶均温块热电偶6-6-冰冷联结冰冷联结7-7-温度程控温度程控8-8-参比热电偶参比热电偶9-9-试样热电偶试样热电偶10-10-放大器放大器11-x-y记录仪记录仪图图A 差热分析仪简图差热分析仪简图A3程序温度控温器程序温度控温器加
9、热炉加热炉图图B 差热分析仪简图差热分析仪简图B1测量系统测量系统24TT1-1-测量系统测量系统2-2-加热炉加热炉3-3-程序温度控温器程序温度控温器4-4-记录仪记录仪记录仪记录仪 处在加热炉和均温块内的试样和参比物在处在加热炉和均温块内的试样和参比物在相同的条件下加热或冷却。炉温的程序控制由相同的条件下加热或冷却。炉温的程序控制由控温热电偶监控。试样和参比物之间的温度差控温热电偶监控。试样和参比物之间的温度差通常用对接的两支热电偶进行测定。热电偶的通常用对接的两支热电偶进行测定。热电偶的两个接点分别与盛装试样和参比物的坩埚底部两个接点分别与盛装试样和参比物的坩埚底部接触,或者分别直接插
10、入试样和参比物中。接触,或者分别直接插入试样和参比物中。由于热电偶的电动势与试样和参比物之间由于热电偶的电动势与试样和参比物之间的温差成的温差成 正比,温差电动势经放大后由正比,温差电动势经放大后由X-YX-Y记记录仪直接把试样和参比物之间的温差录仪直接把试样和参比物之间的温差 T 记录记录下来。下来。为了保证试样测与参比物侧尽量对称,要为了保证试样测与参比物侧尽量对称,要求试样支持器和参比物支持器,尤其两者的相求试样支持器和参比物支持器,尤其两者的相应热电偶要尽量一样(包括材质,接点大小,应热电偶要尽量一样(包括材质,接点大小,安装位置等),两个坩埚在炉中相对位置也要安装位置等),两个坩埚在
11、炉中相对位置也要尽量一致。炉子的均温区尽可能大些,升温速尽量一致。炉子的均温区尽可能大些,升温速率要均匀,恒温控制误差要小。这样,率要均匀,恒温控制误差要小。这样,DTA曲曲线的基线才能稳定,有利于提高差热分析的灵线的基线才能稳定,有利于提高差热分析的灵敏度。敏度。岛津岛津DTA50型差热分析仪型差热分析仪差热分析仪的温度校正差热分析仪的温度校正同热重分析仪一样,差热分析在进行热同热重分析仪一样,差热分析在进行热分析时,也必须对其进行温度校正,以获的分析时,也必须对其进行温度校正,以获的准确的结果。准确的结果。用于差热分析仪温度校正的物质见表。用于差热分析仪温度校正的物质见表。可用于可用于DT
12、A温度和热焓标定的物质温度和热焓标定的物质(续)可用于(续)可用于DTA温度和热焓标定的物质温度和热焓标定的物质3.3 差热曲线方程差热曲线方程在差热分析时,把试样(在差热分析时,把试样(s)和参比物和参比物(r)分别放置于加热的均温块(分别放置于加热的均温块(w)中,中,使它们处于相同的加热条件下。并作如下假使它们处于相同的加热条件下。并作如下假设:设:试样和参比物内部不存在温度分布,试样和试样和参比物内部不存在温度分布,试样和参比物与各自的容器温度都相等参比物与各自的容器温度都相等。一、三条假设及传热方程一、三条假设及传热方程试样试样参比物参比物电热丝电热丝热电偶热电偶均温块均温块TrTs
13、TwDTA原理图原理图试样和参比物与均温块之间的热传导与温试样和参比物与均温块之间的热传导与温差成正比,比例系数(传热系数)差成正比,比例系数(传热系数)K K不随温度而不随温度而变化。变化。设设Tw、Ts、Tr分别为均温块温度(炉分别为均温块温度(炉温)、试样温度温)、试样温度和参比物温度;和参比物温度;Cs、Cr分别为试样和参比物热容分别为试样和参比物热容。试样的热容试样的热容Cs,参比物的热容参比物的热容Cr,均不随温均不随温度而变化。度而变化。T=Ts Tr温度温度 T升温曲线与升温曲线与DTA曲线曲线时间时间 tTwTrTsTsTwTsTr升温后,未发生反应时,升温后,未发生反应时,
14、为升温速率(为升温速率(K/min或或/min )在未加热时,在未加热时,TwTsTr试样的传热方程为:试样的传热方程为:参比物的传热方程为:参比物的传热方程为:在无热效应时:在无热效应时:(3-3)将将(3-1)式式 (3-2)式并由式并由(3-3)式得:式得:即:即:Cp称之为热容差。称之为热容差。式中,式中,二、基线方程二、基线方程 设设 ,开始升温后,炉子以,开始升温后,炉子以速率升温,由于有热阻,参比物和试样会有速率升温,由于有热阻,参比物和试样会有不同程度的热滞后,经过不同的一段时间才不同程度的热滞后,经过不同的一段时间才会以相同的会以相同的速率速率升温。升温。由于试样与参比物热容
15、不同,即:由于试样与参比物热容不同,即:Cs Cr,在热源传热相同时,试样和参比在热源传热相同时,试样和参比物温度也不等,即:物温度也不等,即:TsTr。吸热吸热 T 放热放热cdaDTA吸热转变曲线吸热转变曲线a.反应起始点;b.峰顶;c.反应终点;d.曲线终点指数衰减(T)a(T)b(T)cbt 假设:假设:Cs Cr则则:Ts Tw-Tr传热方程分别为:传热方程分别为:Qs=K(Tw-Ts)Qr=K(Tw-Tr)导致导致 Qs Qr,即热容大的试样温度低、即热容大的试样温度低、传热温差就大、传热量也大,造成试样升传热温差就大、传热量也大,造成试样升温比参比物慢。温比参比物慢。一段时间后,
16、一段时间后,试样和参比物都以试样和参比物都以的的速率升温了,基线就直了速率升温了,基线就直了。开始升温这一。开始升温这一段时间的段时间的DAT曲线可以用下式描述:曲线可以用下式描述:(1)当当 t=0 时,时,(2)当当 t时,时,则则根据方程式(根据方程式(3-63-6)可得出如下结论:)可得出如下结论:基线的基线的(T)a与程序升温速率与程序升温速率成正比,成正比,升温速率升温速率越小,越小,(T)a也越小。也越小。基线的基线的(T)a与热容差与热容差Cp成正比。成正比。CsCs和和CrCr越相近,越相近,(T)a 越小。因此,试样和参比越小。因此,试样和参比物应选化学上相似的物质。物应选
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