材料热力学实验报告

材料热力学实验报告姓名：XXX学号：201401049时间：2014.12.25实验题目：Al-Si合金DSC-TG及热膨胀分析一、实验目的1.掌握DSC（差示扫描量热）（功率补偿型）、TGA（热重分析）和TMA实验原理及测量方法；2.学会使用上述三种实验仪器，并能够绘制样品的DSC、TGA曲线、计算实验材料线膨胀系数；3.掌握实验结果的处理方法，并能够对谱图进行分析。二、实验仪器及实验样品同步热分析仪型号：NETZSCHSTA409PC/PG制造厂家：德国耐弛公司热机械分析仪型号：TMA/SDTA840制造厂家：瑞士梅特勒-托利多公司样品：Al-Si合金三、实验原理1.DSC原理差示扫描量热仪DSC是在程序控温下，测量物质和参比物之间的能量差随温度变化关系的一种技术。根据测量方法的不同，又分为功率补偿型DSC和热流型DSC两种类型。常用的功率补偿DSC是在程序控温下，使试样和参比物的温度相等，测量每单位时间输给两者的热能功率差与温度的关系的一种方法。DSC是在控制温度变化情况下，以温度(或时间)为横坐标，以样品与参比物间温差为零所需供给的热量为纵坐标所得的扫描曲线。当试样在加热过程中由于热效应与参比物之间出现温差ΔT时，通过差热放大电路和差动热量补偿放大器，使流入补偿电热丝的电流发生变化，当试样吸热时，补偿放大器使试样一边的电流立即增大；反之，当试样放热时则使参比物一边的电流增大，直到两边热量平衡，温差ΔT消失为止。换句话说，试样在热反应时发生的热量变化，由于及时输入电功率而得到补偿，所以实际记录的是试样和参比物下面两只电热补偿的热功率之差随时间t的变化的关系。2.TGA原理是指在程序控制温度下测量待测样品的质量与温度变化关系的一种热分析技术，用来研究材料的热稳定性和组份。TGA在研发和质量控制方面都是比较常用的检测手段。热重分析在实际的材料分析中经常与其他分析方法连用，进行综合热分析，全面准确分析材料。3.同步热分析（TG-DSC）将热重分析与示差热分析结合测量。4.热膨胀原理物体的体积或长度随温度的变化而发生相对变化的现象称为热膨胀；本质是晶体点阵结构间的平均距离随温度变化而变化。一般的普通材料，通常所说膨胀系数是指线膨胀系数，其意义是温度升高1℃时单位长度上所增加的长度，单位为厘米/厘米·度。假设物体原来的长度为L0，温度升高后长度的增加量为L，它们之间存在如下关系：L╱L0＝1t（1）式中，1称为线膨胀系数，也就是温度每升高1℃时，物体的相对伸长。当物体的温度从T1上升到T2时，其体积也从V1变化为V2，则该物体在T1至T2的温度范围内，温度每上升一个单位，单位体积物体的平均增长量为=(V1－V2）╱V1（T1－T2）（2）式中，为平均体膨胀系数。从测试技术来说，测体膨胀系数较为复杂。因此，在讨论材料的热膨胀系数时，常常采用线膨胀系数：＝（L1－L2）╱L1（T1－T2）(3)式中：―试样的平均线膨胀系数；L1―在温度为T1时试样的长度；L2―在温度为T2时试样的长度；必须指出，由于膨胀系数实际上并不是一个恒定的值，而是随温度变化的，所以上述膨胀系数都是具有在一定温度范围t内的平均值的概念，因此使用时要注意它适用的温度范围，如：(0～300)=5.7×10-7/k。本实验主要测量材料的平均线膨胀系数。四、实验参数DSC-TGA参数:温度范围：40-740℃加热速率：20K/min吹扫气体：氩气20mL/min坩埚：DSC/TGpanAl2O3样品量：15.434mg热膨胀参数：铝硅合金材料厚度为2.6342mm温度范围：30-300℃升温速率：10℃/min五、实验步骤1、DSC-TGA实验a.开机打开恒温水浴、STA449C主机、TASC414/4控制器与计算机电源。一般在水浴与热天平打开4小时后，可以开始测试。如果配有低温系统，打开冷却控制器CC200L电源。打开Proteus测试软件。b.进行抽真空进行3次以上抽真空操作，确保氧气排除干净，然后在通入惰性气体保护。c.基线测试（若已有原先做好的基线文件，可跳过此步骤）d.样品测试先将空坩埚放在天平上称重，随后将样品加入坩埚中，称取样品重量，本实验中样品重量为15.434mg。将装有样品的坩埚放入炉体内，关闭炉体，点击“编辑”菜单下的“测量向导”，在弹出的“STA449C测量向导”对话框中选择测量模式为“样品+修正”，输入样品名称、编号与样品质量，设定完成后点击“继续”，打开温度校正文件，打开灵敏度校正文件，编辑设定温度程序，本实验温度范围为40~740℃。设定测量文件名，点击“初始化工作条件”，软件将根据实验设置自动打开各路气体。转动流量计上的旋钮，调节各路气体流量。本实验所用吹扫气体为氩气，流速为20ml/min。随后点击“诊断”菜单下的“炉体温度”与“查看信号”，调出相应的显示框，点击“清零”，对天平进行清零。随后观察仪器状态满足如下条件：1）炉体温度、样品温度、TG信号及DSC信号处于稳定状态；2）样品温度与设定起始温度相吻合。即可点击“开始”开始测量。2、热膨胀实验a.开机启动TMA系统，进入主程序；b.设置起始温度、终止温度、升温速率，输入新建文件名开始运行；c.达到预定温度后，打开炉子，归零，抬PROBE，加入样品，放PROBE，再次归零，得到长度，本次实验材料的长度为2.6342mm；ADJUSTXU旋转炉子使POS位于0%，对中，按OK确认；d.回到编辑程序处：开始实验；终止实验。六、实验分析及结果1.DSC-TGA实验从上图中观察到由548.7℃开始至562.8℃时的吸热峰，峰面积为19.05J/g，初步分析是由于铝硅合金的亚共晶转变形成的相变潜热。因为在铝硅相图中，共晶转变是发生在5771℃，而此时的562.8℃还未达到共晶转变温度，但实验用材料的成分不确定，合金中可能存在其他影响共晶转变温度变化的成分，所以推测在此温度下是发生了亚共晶转变的吸热过程。从上图中观察到由618.3℃开始的至642.0℃时出现了很强的吸热峰，峰面积为187.6J/g，初步分析是由于铝硅合金的熔融产生的。理论中铝的熔点为660.4℃，硅的熔点更高，而任何合金的熔点都是小于合金中任意成分的熔点，所以由此推测是随着温度逐渐升高，铝硅合金达到熔点，熔融时需要吸收大量的热，从而引起明显的吸热峰。由上面两个图中还能观察到除上面分析的两个峰外，DSC曲线整体还有明显的下降趋势，初步分析是由于仪器本身的原因导致的。2.热重实验分析由上图中可观察到TGA曲线有小幅度的上升，质量增重为1.09％，初步分析是由于在测量过程中铝硅合金被氧气氧化引起的；虽然在实验开始前已经进行三次抽真空，但是不排除有氧气混入。3.线膨胀实验分析热（线）膨胀系数：α=斜率/材料厚度（单位：μm）由拟合图像得斜率B=0.05971μm/℃长度=2.6342mm=2634.2μm℃℃/1027.22.263405971.05mm计算得到Al-Si合金的热膨胀系数为2.27×10-5/℃。七、误差分析1、影响DSC结果的因素a、样品量样品的分辨率高，但灵敏度下降，一般根据样品热效应大小调节样品量，一般3～5mg。另一方面样品量多少对所测转变温度也有影响，随样品量的增加，峰起始温度基本不变，但峰顶温度增加，峰结束温度也提高，因此如同类样品要相互比较差异，最好量相同。b、升温速率通常升温速率范围在5～20℃/min。升温速率越快，灵敏度提高，分辩率下降。灵敏度和分辨率是一对矛盾，一般选择较慢的升温速率以保持好的分辨率，而适当增加样品量来提高灵敏度。随着升温速率的增加。融化峰起始温度变化不大，而峰顶和峰结束温度提高。峰型变宽。c、气氛一般使用惰性气体，如氮气、氩气、氦气等，就不会产生氧化反应峰，同时又减少试样挥发对监测器的腐蚀。气流流速必须恒定，否则会引起基线波动。气体性质对测定有显著影响，要根据不同气体的热导率和所做的实验合理选择。有时可通过比较氮气和氧气中DSC曲线，来解释一些氧化反应。2、影响TG的因素仪器影响a、浮力的影响热天平在热区中，其部件在升温过程中排开空气的重量不断减小，即浮力在减小，会产生试样表观增重。热天平试样周围气氛受热变轻会上升，形成向上热气流，作用在热天平上相当于减重。b、坩埚影响热分析作用的坩埚材质，要求对试样、中间产物、最终产物和气氛都是惰性的，其几何形状和重量对热分析也有影响。c、挥发物再冷却的影响实样热分析过程溢出的挥发物有可能在热天平其他部分再冷凝，这会污染仪器、使测的的失重量偏低，待温度进一步上升，这些冷凝物可能再次挥发产生假失重，使曲线变形，使测定不准，也不能重复。为了解决这个问题可适当向热天平通适量气体。操作条件的影响a、升温速率的影响升温速率越大温度滞后越严重，开始分解温度Ti及终止分解温度Tf都高，温度区间宽。一般热重法测定不要采用太高的升温速率，对传热差的高分子试样一般用5～10K/min，对传热好的无机物、金属试样可用10～20K/min，对作用动力学分析还要低一些。b、气氛的影响热天平周围气氛的改变对TG曲线的影响也非常显著。在流动气氛中进行TG测定时，流速大小、气氛纯度、进气温度等是否稳定，对TG曲线都有影响。一般，气流速度大小，对传热和溢出气体扩散都有利。使热分解温度降低。对于真空和高压热天平，气氛压力对TG也有很大影响。c、试样用量、粒度和装填情况的影响试样用量多时，要过较长时间内部才能达到分解温度。试样粒度与用量对TG影响相似，粒度越小、反映面积越大，反映越容易进行，使TG曲线的Ti和Tf都低，反应区间也窄。试样装填情况首先要求颗粒均匀，必要时要过筛。