| 词条 | 差热分析 |
| 释义 | § 基本原理 差热分析，也称差示热分析，是在温度程序控制下，测量物质与基准物(参比物)之间的温度差随温度变化的技术。试样在加热（冷却）过程中,凡有物理变化或化学变化发生时，就有吸热（或放热）效应发生，若以在实验温度范围内不发生物理变化和化学变化的惰性物质作参比物，试样和参比物之间就出现温度差，温度差随温度变化的曲线称差热曲线或 DTA曲线。差热分析是研究物质在加热（或冷却）过程中发生各种物理变化和化学变化的重要手段。它比热重量法能获得更多的信息。熔化、蒸发、升华、解吸、脱水为吸热效应；吸附、氧化、结晶等为放热效应。分解反应的热效应则视化合物性质而定。要弄清每一热效应的本质，需借助热重量法、X射线衍射、红外光谱、逸气分析、化学分析等。 § 简史 差热分析仪 1887年法国H.-L.勒夏忒列用热电偶测量试样在加热（或冷却）过程中的温度变化，得出热效应图谱,但很不灵敏。1899年美国W.C.罗伯茨采用差示法,得到最早的差热曲线，此法大大提高了灵敏度。现代差热分析仍然根据这一原理，每种物质都有特定的差热曲线图谱，用于矿物鉴定，收到良好效果。20世纪40年代以前，仪器主要是手动的，50年代以后，自动控制和自动记录技术在差热分析仪（见彩图）上得到应用，出现了商品仪器，差热分析与其他热分析的联用也开始发展起来。60年代高分子（见高分子化合物）材料的发展，使差热分析成了研究高分子材料结构与性能关系的重要手段，促使差热分析仪向小型化、微量化和低温方面发展。联用技术得到进一步发展后，出现与色谱法、质谱法等联用的仪器，联用技术保证相互间测试条件的一致，有利于结果的对比。70年代，又发展了差示扫描量热法。70年代后期先进的热分析仪都配备了微处理机，实现实验条件控制和数据处理的自动化。 § 原理 试样和参比物之间的温度差用差示热电偶测量（图1），差示热电偶由材料相同的两对热电偶组成，按相反方向串 接，将其热端分别与试样和参比物容器底部接触（或插入试样内），并使试样和参比物容器在炉子中处于相同受热位置。当试样没有热效应发生时,试样温度TS与参比物温度TR相等,TS－TR＝0。两对热电偶的热电势大小相等,方向相反,互相抵消,差示热电偶无信号输出,DTA曲线为一直线，称基线（由于试样和参比物热容和受热位置不完全相同，实际上基线略有偏移）。当试样有吸热效应发生时,ΔT＝TS－TR＜0(放热效应则TS－TR＞0),差示热电偶就有信号输出,DTA曲线会偏离基线，随着吸热效应速率的增加，温度差则增大，偏离基线也就更远，一直到吸热效应结束,曲线又回到基线为止,在DTA曲线上就形成一个峰,称吸热峰；放热效应中则峰的方向相反，称放热峰。 § 仪器构造 一般的差热分析装置由加热系统、温度控制系统、信号放大系统、差热系统和记录系统等组成。有些型号的产品也包括气氛控制系统和压力控制系统。现将各部分简介如下：差热分析仪构造 1、加热系统。加热系统提供测试所需的温度条件，根据炉温可分为低温炉（＜250℃）、普通炉、超高温炉（可达2400℃）；按结构形式可分为微型、小型，立式和卧式。系统中的加热元件及炉芯材料根据测试范围的不同而进行选择。 2、 温度控制系统。温度控制系统用于控制测试时的加热条件，如升温速率、温度测试范围等。它一般由定值装置、调节放大器、可控硅调节器（PID-SCR）、脉冲移相器等组成，随着自动化程度的不断提高，大多数已改为微电脑控制，提高的控温精度。 3、信号放大系统。通过直流放大器把差热电偶产生的微弱温差电动势放大、增幅、输出，使仪器能够更准确的记录测试信号。 4、差热系统。差热系统是整个装置的核心部分，由样品室、试样坩埚、热电偶等组成。其中热电偶是其中的关键性元件，即使测温工具，又是传输信号工具，可根据试验要求具体选择。 5、记录系统。记录系统早期采用双笔记录仪进行自动记录，目前已能使用微机进行自动控制和记录，并可对测试结果进行分析，为试验研究提供了很大方便。 6、气氛控制系统和压力控制系统。该系统能够为试验研究提供气氛条件和压力条件，增大了测试范围，目前已经在一些高端仪器中采用。 § DTA曲线 如图2 差热分析所示，纵坐标表示温度差ΔT,ΔT为正表示试样放热；ΔT为负表示试样吸热。横坐标表示温度。ABCA所包围的面积为峰面积，A′C′为峰宽，用温度区间或时间间隔来表示。BD为峰高,A点对应的温度Ti为仪器检测到的试样反应开始的温度,Ti受仪器灵敏度的影响,通常不能用作物质的特征温度。E点对应的温度Te为外延起始温度，国际热分析协会(ICTA)定为反应的起始温度。E点是由峰的前坡(图中 AB段)上斜率最大的一点作切线与外延基线的交点，称外延起始点。B点对应的温度Tp为峰顶温度,它受实验条件影响，通常也不能用作物质特征温度。 DTA曲线受到多种因素的影响,在仪器方面有炉子形状、试样容器和试样支架的材料和形状、热电偶粗细和结点大小及其在炉子中的位置、记录仪的灵敏度和响应速度等；实验条件方面有走纸速度、加热速度、气氛性质、稀释剂等；试样方面有试样制备条件、粒度大小、用量多少、填装紧密程度等。这些因素不仅影响峰的位置和形状，有的因素还影响峰的数目，甚至峰的方向。 § 影响因素 差热分析操作简单，但在实际工作中往往发现同一试样在不同仪器上测量，或不同的人在同一仪器上测量，所得到的差热曲线结果有差异。峰的最高温度、形状、面积和峰值大小都会发生一定变化。其主要原因是因为热量与许多因素有关，传热情况比较复杂所造成的。一般说来，一是仪器，二是样品。虽然影响因素很多，但只要严格控制某种条件，仍可获得较好的重现性。 1、气氛和压力的选择。气氛和压力可以影响样品化学反应和物理变化的平衡温度、峰形。因此，必须根据样品的性质选择适当的气氛和压力，有的样品易氧化，可以通入N2、Ne等惰性气体。 2、升温速率的影响和选择 升温速率不仅影响峰温的位置，而且影响峰面积的大小，一般来说，在较快的升温速率下峰面积变大，峰变尖锐。但是快的升温速率使试样分解偏离平衡条件的程度也大，因而易使基线漂移。更主要的可能导致相邻两个峰重叠，分辨力下降。较慢的升温速率，基线漂移小，使体系接近平衡条件，得到宽而浅的峰，也能使相邻两峰更好地分离，因而分辨力高。但测定时间长，需要仪器的灵敏度高。一般情况下选择8度•min-1～12度•min-1为宜。 3、试样的预处理及用量。试样用量大，易使相邻两峰重叠，降低了分辨力。一般尽可能减少用量，最多大至毫克。样品的颗粒度在100目～200目左右，颗粒小可以改善导热条件，但太细可能会破坏样品的结晶度。对易分解产生气体的样品，颗粒应大一些。参比物的颗粒、装填情况及紧密程度应与试样一致，以减少基线的漂移。 4、参比物的选择。要获得平稳的基线，参比物的选择很重要。要求参比物在加热或冷却过程中不发生任何变化，在整个升温过程中参比物的比热、导热系数、粒度尽可能与试样一致或相近。 常用α-三氧化二铝（Al2O3)或煅烧过的氧化镁（MgO）或石英砂作参比物。如分析试样为金属，也可以用金属镍粉作参比物。如果试样与参比物的热性质相差很远，则可用稀释试样的方法解决，主要是减少反应剧烈程度；如果试样加热过程中有气体产生时，可以减少气体大量出现，以免使试样冲出。选择的稀释剂不能与试样有任何化学反应或催化反应，常用的稀释剂有SiC、铁粉、Fe2O3、玻璃珠Al2O3等。 5、纸速的选择。在相同的实验条件下，同一试样如走纸速度快，峰的面积大，但峰的形状平坦，误差小;走纸速率小，峰面积小。因此，要根据不同样品选择适当的走纸速度。不同条件的选择都会影响差热曲线，除上述外还有许多因素，诸如样品管的材料、大小和形状、热电偶的材质以及热电偶插在试样和参比物中的位置等。市售的差热仪，以上因素都已固定，但自己装配的差热仪就要考虑这些因素。 § 应用 用于测定熔点、凝固点、熔化热、气化热、纯度、沸点、蒸气压、多晶转变、液晶相变、玻璃化温度、居里点，进行定性和定量分析；还可用于制作相图，研究固相反应、脱水反应、热分解反应、异构化反应、催化剂性能、高聚物性能和反应动力学等。 差热曲线的峰面积与热量的比值随温度而变化，给热量定量测定带来困难，差示扫描量热法则弥补了这一缺陷。差热分析的主要应用领域有以下几方面：水泥水合反应DTA曲线 1、含水化合物。对于含吸附水、结晶水或者结构水的物质，在加热过程中失水时，发生吸热作用，在差热曲线上形成吸热峰。 2、高温下有气体放出的物质。一些化学物质，如碳酸盐、硫酸盐及硫化物等，在加热过程中由于CO2、SO2等气体的放出，而产生吸热效应，在差热曲线上表现为吸热谷。不同类物质放出气体的温度不同，差热曲线的形态也不同，利用这种特征就可以对不同类物质进行区分鉴定。 3、矿物中含有变价元素。矿物中含有变价元素，在高温下发生氧化，由低价元素变为高价元素而放出热量，在差热曲线上表现为吸热峰。变价元素不同，以及在晶格结构中的情况不同，则因氧化而产生放热效应的温度也不同。如Fe2+在340~450℃变成Fe3+。 4、非晶态物质的重结晶。有些非晶态物质在加热过程中伴随有重结晶的现象发生，放出热量，在差热曲线上形成放热峰。此外，如果物质在加热过程中晶格结构被破坏，变为非晶态物质后发生晶格重构，则也形成放热峰。 5、晶型转变。有些物质在加热过程中由于晶型转变而吸收热量，在差热曲线上形成吸热谷。因而适合对金属或者合金、一些无机矿物进行分析鉴定。 |
| 随便看 |
百科全书收录594082条中文百科知识，基本涵盖了大多数领域的百科知识，是一部内容开放、自由的电子版百科全书。