熱分析技術(shù)是在溫度程序控制下研究材料的各種轉(zhuǎn)變和反應(yīng)，是一種十分重要的分析測(cè)試方法。常用的熱分析方法有：熱重法(TG)、差熱分析法（DTA）、差示掃描量熱法（DSC）。

熱重分析

熱重分析（Thermogravimetric Analysis，TG或TGA），是指在程序控制溫度下測(cè)量待測(cè)樣品的質(zhì)量與溫度變化關(guān)系的一種熱分析技術(shù)，用來(lái)研究材料的熱穩(wěn)定性和組份。TGA在研發(fā)和質(zhì)量控制方面都是比較常用的檢測(cè)手段。熱重分析在實(shí)際的材料分析中經(jīng)常與其他分析方法連用，進(jìn)行綜合熱分析，全面準(zhǔn)確分析材料。

原理

熱重分析指的是在溫度程序控制下，測(cè)量物質(zhì)質(zhì)量與溫度之間的關(guān)系的技術(shù)。這里值得一提的是，定義為質(zhì)量的變化而不是重量變化是基于在磁場(chǎng)作用下，強(qiáng)磁性材料當(dāng)達(dá)到居里點(diǎn)時(shí)，雖然無(wú)質(zhì)量變化，卻有表觀失重。而熱重分析則指觀測(cè)試樣在受熱過(guò)程中實(shí)質(zhì)上的質(zhì)量變化。熱重分析所用的儀器是熱天平，它的基本原理是，樣品重量變化所引起的天平位移量轉(zhuǎn)化成電磁量，這個(gè)微小的電量經(jīng)過(guò)放大器放大后，送入記錄儀記錄；而電量的大小正比于樣品的重量變化量。當(dāng)被測(cè)物質(zhì)在加熱過(guò)程中有升華、汽化、分解出氣體或失去結(jié)晶水時(shí)，被測(cè)的物質(zhì)質(zhì)量就會(huì)發(fā)生變化。這時(shí)熱重曲線就不是直線而是有所下降。通過(guò)分析熱重曲線，就可以知道被測(cè)物質(zhì)在多少度時(shí)產(chǎn)生變化，并且根據(jù)失重量，可以計(jì)算失去了多少物質(zhì)。TGA 可以得到樣品的熱變化所產(chǎn)生的熱物性方面的信息。

表征內(nèi)容

熱重分析通常可分為兩類：動(dòng)態(tài)法和靜態(tài)法。

1、靜態(tài)法：包括等壓質(zhì)量變化測(cè)定和等溫質(zhì)量變化測(cè)定。等壓質(zhì)量變化測(cè)定是指在程序控制溫度下，測(cè)量物質(zhì)在恒定揮發(fā)物分壓下平衡質(zhì)量與溫度關(guān)系的一種方法。等溫質(zhì)量變化測(cè)定是指在恒溫條件下測(cè)量物質(zhì)質(zhì)量與溫度關(guān)系的一種方法。這種方法準(zhǔn)確度高，費(fèi)時(shí)。

2、動(dòng)態(tài)法：就是我們常說(shuō)的熱重分析和微商熱重分析。微商熱重分析又稱導(dǎo)數(shù)熱重分析（Derivative Thermogravimetry，簡(jiǎn)稱DTG），它是TG曲線對(duì)溫度(或時(shí)間)的一階導(dǎo)數(shù)。以物質(zhì)的質(zhì)量變化速率（dm/dt） 對(duì)溫度T(或時(shí)間t)作圖，即得DTG曲線。

應(yīng)用

熱重分析法可以研究晶體性質(zhì)的變化，如熔化、蒸發(fā)、升華和吸附等物質(zhì)的物理現(xiàn)象；研究物質(zhì)的脫水、解離、氧化、還原等物質(zhì)的化學(xué)現(xiàn)象。熱重法的重要特點(diǎn)是定量性強(qiáng)，能準(zhǔn)確地測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量變化及變化的速率，可以說(shuō)，只要物質(zhì)受熱時(shí)發(fā)生重量的變化，就可以用熱重法來(lái)研究其變化過(guò)程。目前，熱重法已在下述諸方面得到應(yīng)用：

(1) 無(wú)機(jī)物、有機(jī)物及聚合物的熱分解；  

(2) 液體的蒸餾和汽化；

(3) 煤、石油和木材的熱解過(guò)程；

(4) 含濕量、揮發(fā)物及灰分含量的測(cè)定；  

(5) 脫水和吸濕；

差熱分析

差熱分析 （Differential Thermal Analysis，DTA），是一種重要的熱分析方法，是指在程序控溫下，測(cè)量物質(zhì)和參比物的溫度差與溫度或者時(shí)間的關(guān)系的一種測(cè)試技術(shù)。該法廣泛應(yīng)用于測(cè)定物質(zhì)在熱反應(yīng)時(shí)的特征溫度及吸收或放出的熱量，包括物質(zhì)相變、分解、化合、凝固、脫水、蒸發(fā)等物理或化學(xué)反應(yīng)。廣泛應(yīng)用于無(wú)機(jī)、硅酸鹽等領(lǐng)域。

原理

差熱分析（Differential Thermal Analysis—DTA）法是一種重要的熱分析方法，是指在程序控溫下，測(cè)量物質(zhì)和參比物的溫度差與溫度或者時(shí)間的關(guān)系的一種測(cè)試技術(shù)。該法廣泛應(yīng)用于測(cè)定物質(zhì)在熱反應(yīng)時(shí)的特征溫度及吸收或放出的熱量，包括物質(zhì)相變、分解、化合、凝固、脫水、蒸發(fā)等物理或化學(xué)反應(yīng)。物質(zhì)在受熱或冷卻過(guò)程中，當(dāng)達(dá)到某一溫度時(shí)，往往會(huì)發(fā)生熔化、凝固、晶型轉(zhuǎn)變、分 解、化合、吸附、脫附等物理或化學(xué)變化，并伴隨有焓的改變，因而產(chǎn)生熱效應(yīng)，其表現(xiàn)為樣品與參比物之間有溫度差。記錄兩者溫度差與溫度或者時(shí)間之間的關(guān)系曲線就是差熱曲線（DTA曲線）。

表征內(nèi)容

從差熱圖上可清晰地看到差熱峰的數(shù)目、高度、位置、對(duì)稱性以及峰面積。峰的個(gè)數(shù)表示物質(zhì)發(fā)生物理化學(xué)變化的次數(shù)，峰的大小和方向代表熱效應(yīng)的大小和正負(fù)，峰的位置表示物質(zhì)發(fā)生變化的轉(zhuǎn)化溫度。在相同的測(cè)定條件下，許多物質(zhì)的熱譜圖具有特征性。因此，可通過(guò)與已知的熱譜圖的比較來(lái)鑒別樣品的種類。理論上講，可通過(guò)峰面積的測(cè)量對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定量分析，但因影響差熱分析的因素較多，定量難以準(zhǔn)確。

應(yīng)用

 凡是在加熱（或冷卻）過(guò)程中，因物理-化學(xué)變化 而產(chǎn)生吸熱或者放熱效應(yīng)的物質(zhì)，均可以用差熱分析法加以鑒定。其主要應(yīng)用范圍如下：

（1）含水化合物

對(duì)于含吸附水、結(jié)晶水或者結(jié)構(gòu)水的物質(zhì)，在加熱過(guò)程中失水時(shí)，發(fā)生吸熱作用，在差熱曲線上形成吸熱峰。

（2）高溫下有氣體放出的物質(zhì)

一些化學(xué)物質(zhì)，如碳酸鹽、硫酸鹽及硫化物等，在加熱過(guò)程中由于CO2、SO2等氣體的放出，而產(chǎn)生吸熱效應(yīng)，在差熱曲線上表現(xiàn)為吸熱谷。不同類物質(zhì)放出氣體的溫度不同，差熱曲線的形態(tài)也不同，利用這種特征就可以對(duì)不同類物質(zhì)進(jìn)行區(qū)分鑒定。

（3）礦物中含有變價(jià)元素

礦物中含有變價(jià)元素，在高溫下發(fā)生氧化，由低價(jià)元素變?yōu)楦邇r(jià)元素而放出熱量，在差熱曲線上表現(xiàn)為放熱峰。變價(jià)元素不同，以及在晶格結(jié)構(gòu)中的情況不同，則因氧化而產(chǎn)生放熱效應(yīng)的溫度也不同。如Fe²⁺在340~450℃變成Fe³⁺。

（4）非晶態(tài)物質(zhì)的重結(jié)晶

有些非晶態(tài)物質(zhì)在加熱過(guò)程中伴隨有重結(jié)晶的現(xiàn)象發(fā)生，放出熱量，在差熱曲線上形成放熱峰。此外，如果物質(zhì)在加熱過(guò)程中晶格結(jié)構(gòu)被破壞，變?yōu)榉蔷B(tài)物質(zhì)后發(fā)生晶格重構(gòu)，則也形成放熱峰。

差示掃描量熱法

差示掃描量熱法（differential scanning calorimetry）這項(xiàng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于一系列應(yīng)用，它既是一種例行的質(zhì)量測(cè)試和作為一個(gè)研究工具。該設(shè)備易于校準(zhǔn)，使用熔點(diǎn)低，是一種快速和可靠的熱分析方法。差示掃描量熱法(DSC)是在程序控制溫度下，測(cè)量輸給物質(zhì)和參比物的功率差與溫度關(guān)系的一種技術(shù)。

基本原理

物質(zhì)在溫度變化過(guò)程中，往往伴隨著微觀結(jié)構(gòu)和宏觀物理，化學(xué)等性質(zhì)的變化。宏觀上的物理，化學(xué)性質(zhì)的變化通常與物質(zhì)的組成和微觀結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)。通過(guò)測(cè)量和分析物質(zhì)在加熱或冷卻過(guò)程中的物理、化學(xué)性質(zhì)的變化，可以對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性，定量分析，以幫助我們進(jìn)行物質(zhì)的鑒定，為新材料的研究和開發(fā)提供熱性能數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)信息。在差熱分析中當(dāng)試樣發(fā)生熱效應(yīng)時(shí)，試樣本身的升溫速度是非線性的。以吸熱反應(yīng)為例，試樣開始反應(yīng)后的升溫速度會(huì)大幅度落后于程序控制的升溫速度，甚至發(fā)生不升溫或降溫的現(xiàn)象；待反應(yīng)結(jié)束時(shí)，試樣升溫速度又會(huì)高于程序控制的升溫速度，逐漸跟上程序控制溫度，升溫速度始終處于變化中。而且在發(fā)生熱效應(yīng)時(shí)，試樣與參比物及試樣周圍的環(huán)境有較大的溫差，它們之間會(huì)進(jìn)行熱傳遞，降低了熱效應(yīng)測(cè)量的靈敏度和精確度。因此，到目前為止的大部分差熱分析技術(shù)還不能進(jìn)行定量分析工作，只能進(jìn)行定性或半定量的分析工作，難以獲得變化過(guò)程中的試樣溫度和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的數(shù)據(jù)。DSC分析與差熱分析相比，可以對(duì)熱量作出更為準(zhǔn)確的定量測(cè)量測(cè)試，具有比較敏感和需要樣品量少等特點(diǎn)。

主要用途

DSC分析主要用于研究金屬玻璃的顯微結(jié)構(gòu)中亞穩(wěn)相的轉(zhuǎn)變溫度以及轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)的特征分析。差示掃描量熱儀在程序溫度控制下測(cè)量加載樣品和參比物之間的單位時(shí)間的能量差(功率差)隨溫度的變化，記錄所得的曲線為DSC曲線。非晶合金中原子是混亂排列的，樣品處在亞穩(wěn)態(tài)。當(dāng)溫度升高時(shí)，在熱激活的作用下，非晶樣品結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，并伴隨著放熱和吸熱現(xiàn)象。差示掃描量熱曲線(DSC曲線)是在差示掃描量熱測(cè)量中記錄的以熱流率dH/dt為縱坐標(biāo)、以溫度或時(shí)間為橫坐標(biāo)的關(guān)系曲線。由非晶合金的DSC曲線可以得到下列的一些信息：(1)玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg；(2)晶化溫度Tx；(3)結(jié)構(gòu)弛豫峰，并由結(jié)構(gòu)弛豫峰可獲得低溫結(jié)構(gòu)弛豫和高溫結(jié)構(gòu)弛豫，以及它們的弛豫激活能的值；(4)晶化過(guò)程以及結(jié)晶焓變△Hx；(5)晶化過(guò)程中各種亞穩(wěn)相的信息。

在操作中，通過(guò)單獨(dú)的加熱器補(bǔ)償樣品在加熱過(guò)程中發(fā)生的熱量變化，以保持樣品和參比物的溫差為零。這種補(bǔ)償能量(即樣品吸收或放出的熱量)所得的曲線稱DSC曲線。是以樣品吸熱或放熱的速率，即熱流量dQ/dt(單位mJ/s)為縱坐標(biāo)，以時(shí)間t或溫度T為橫坐標(biāo)。曲線離開基線的位移，代表樣品吸熱或放熱的速率；曲線中的峰或谷所包圍的面積，代表熱量的變化。可測(cè)定多種熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)，如比熱容、焓變、反應(yīng)熱、相圖、反應(yīng)速率、結(jié)晶速率、高聚物結(jié)晶度、樣品線度等。使用溫度范圍為－175～725℃，適用于無(wú)機(jī)及有機(jī)化合物和藥物分析。并可用做定性分析的指紋技術(shù)。

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