实验十三固体材料熔解特性研究

实验十三固体熔解特性研究【实验目的】1.了解固体材料熔解特性与材料的性质、组分等的关系。2.学会利用温度——时间冷却曲线分析和判断材料的类型。3.测量晶体材料的熔点。【实验仪器】HT-778数字熔点仪，铂电阻温度计。【基本原理】通常，在不同的温度和压力等状态下，物质呈现不同的聚集状态：气态、液态和固态，液态和固态统称为凝聚态。固体又分为晶体与非晶体两大类，若按结合力的性质，粉晶体可以分为四类：离子晶体（如氯化钠、硫化锌）、原子晶体或非极化晶体（如金刚石、硅）、金属（如铜、银）以及分子晶体（如低温下的固态氧、固态氩）。非晶体则常见于有机化合物、聚合物和玻璃等，特殊条件制备的合金也可能呈现非晶态。当固体材料受热升温向液态转变时，其熔解特性和材料的性质、组份等有着密切的关系。由于在大多数情况下材料均匀加热，常用固相→液相的熔解过程与均匀冷却的液相特性（步冷曲线）来分析和判断单质材料或二组份材料以至多组份材料的熔解特性。兹分述如下：1、晶体材料的熔解特性表征晶体材料的熔解特性的步冷曲线如图1所示。图1中曲线A曲线表示液态材料的冷却过程，B表示液态→固态转变的结晶过程，由于结晶时要放出热量，故样品温度保持不变，此时的温度fT即是“熔点”。当结晶完成后，已转变成晶体的该种材料，沿着图中曲线C继续降温。（特殊情形下也可能出现多组B线段和C线段，例如纯铁在冷却过程中就出现多次相变）图1晶体的步冷曲线2、非晶体材料的熔解特性。非晶体材料没有固定的熔点，在熔解过程中，随着温度的升高，它首先变软，然后逐渐由稠变稀，直至熔化为液态。3、二组份体系的熔解特性二组份的合金体系、水一盐体系或化合物体系的熔解特性与这些体系在熔解过程（冷却过程）中相的变化有着密切关系，图2给出了这种二组份体系最常见的表征熔解特性的步冷曲线。其中曲线A表示液态溶液的冷却线，冷却到达p点后开始有固相结晶物析出，曲线B表示这一冷却过程，到达f点时熔液组份已达最低共熔点，根据吉布斯相律，在熔液完全固化前温度将保持不变，故出现水平直线段，线段C与纵坐标的截距即为该体系的最低共熔点，曲线D为固相降温过程。图2所示的曲线也可能出现下列两种情形：（1）有多组曲线B和曲线C，这种情形最常见于铁碳合金（生铁或钢），这是因为铁、碳两种元素作用后形成一种化合物FeO，Fe——FeO熔解特性提供了冶金学的必备相图。（2）如图3所示，不出现曲线C，这种情形往往出现于两个纯组份不仅在液相中互熔，而且在固相中亦能完全互熔的体系。图3中的A线表示液态，曲线D表示固态，B线表示由液态向固态的转变，i称为冷点，f点称为熔点。三组份以上的体系超出了本仪器的基本原理描述范围，不再赘述。图2二组分体的步冷曲线图3固相完全互熔体系的步冷曲线综上所述，要正确地认识和检测材料的熔解特性，应能方便安全地提供给不同样品迅速加热，并在材料完全熔解能使样品均匀降温的条件，同时不同时刻的样品进行正确的温度测量。本仪器正是按此意图进行整机设计的。【实验装置】图4给出了LB-SMP型数字熔点仪的测量原理图。图4测量原理图熔化炉由六只圆柱形加热炉六点装有不同样品的透明样品室以及安全控制电路组成，一只经过严格标定的铂电阻（PT-100）置入真空样品室插孔内用以测量样品的温度。为了保证测量铂电阻的准确度，故将铂电阻与1支100Ω的标准电阻接于恒流源，用同一数字毫伏表分别测量铂电阻ptR的电压降ptV与标准电阻NR的电压降NV，则ptptNNVRRV(1)由于本仪器配置了0.01级的标准电阻，故铂电阻的测量精度也可达同一量级（每一支铂电阻的电阻——温度分度表随产品专门配发）。图5为熔化炉的示意图，将随机配送的1至6号真空样品室分别置放于熔化炉置放孔内，在炉顶部可以观察到样品的局部，真空样品室顶部配置了一支铂电阻温度计，当加热其中一支炉子时，铂电阻温度计必须插入该熔化炉样品室的计插孔内，这时才能正确检测出该熔化炉样品室的温度，即测量样品的温度。使用真空熔化炉可以有效地防止污染气体泄出方便教学实验，但真空样品炉法测熔解曲线与相律关于自由度的要求并不严格符合，考虑到一个大气压内，压力对熔点的影响很小，故一般可忽略不计。熔化炉的加热功率由面板上的调节旋钮控制（见图5），熔化炉的温度由数字电压表所测铂电阻毫伏数指示，当数字电压表所测铂电阻毫伏数2.47PtNVV时，关闭加热电源，此时只要打开计时单元，即可记录铂电阻电压降的时间响应特性，并通过方程（1）的换算查得铂电阻阻值的时间特性，再通过所附的铂电阻——温度分度表最终获得样品温度——时间特性曲线，此即步冷曲线。为方便实验时的数据记录，计时单元上设有报时时间间隔电路，（时间间隔20S）。图5熔化炉示意图【实验内容】仪器的使用与操作请参见数字熔点仪说明书1.测量晶体材料的步冷曲线，获得晶体材料的熔点，检测材料的熔解特性。2.测量非晶体材料的步冷曲线，检测材料的熔解特性。3.测量二组分体系的步冷曲线，检测材料的熔解特性。【数据处理】1．求出对应时间的铂电阻电阻值。2．查出对应电阻值的温度值T。3．画出温度（T）—时间（t）响应曲线，按实验要求分析结果。【注意事项】1．铂电阻一定要轻轻插入待加热的玻璃样品炉中。2．真空样品室易碎，需小心操作。3．两针接口电缆线一定要连接好，否则不能自动控制温度。4．不要使炉温超过400℃。加热时由小到大逐步调节温控旋钮（由左至右）让样品室逐步升高，不可升温太猛损坏真空样品室。5．当熔化炉开始加热时，会预热一定时间（常温下约一分钟左右），对应炉号的指示灯会闪烁直至点亮；当自动控温电路关闭熔化炉后，铂电阻电压的显示会继续有一定的升高，待电压表显示读数稳定下降时记录数据。6．一次实验过程结束后，需关闭控制箱开关约3分钟，再重复实验。附录一实验数据记录与处理（以锡100为例）：恒流I=0.22mA标准电阻NR=100的电压降21.9NVmV铂电阻压降2.4754.1PtNVVmVT时间（S）铂电阻压降PtV（mV）铂电阻阻值PtR温度（0C）053.8245.663962053.0242.013854052.3238.813766051.5235.163668050.7231.5135510050.0228.3134612049.4225.5733814048.8222.8333116048.2220.0932518047.5216.9031420047.0214.6130722046.4211.8730024045.9209.5929326045.4207.3128728044.8204.5727930044.3202.2827332043.8200.0026634043.4198.1726136042.9195.8925538042.5194.0625040042.1192.2424542041.7190.4124044041.3188.5823546041.3188.5823548041.3188.5823550041.3188.5823552041.3188.5823554041.3188.5823556041.3188.5823558041.3188.5823560041.3188.5823562041.2188.1323464041.1187.6723266040.9186.7623068040.7185.8422770040.5184.9322572040.3184.0222274040.0182.6521976039.6180.8221478039.2179.0020980038.9177.6320582038.6176.2620184038.2174.4319686037.8172.6019188037.5171.2318790037.1169.4118392036.8168.0417994036.5166.6717596036.1164.8417098035.8163.47167100035.5162.10163102035.2160.73159104034.9159.36155106034.7158.45153108034.4157.08149110034.2156.16147112033.9154.79143114033.7153.88141116033.5152.97138118033.3152.05136120033.0150.68132122032.8149.77130124032.7149.32129126032.3147.49124128032.1146.58121130032.0146.12120132031.8145.21118134031.6144.29115136031.5143.84114138031.3142.92112140031.1142.01109142031.0141.55108144030.8140.64106146030.8140.64106148030.7140.18104150030.5139.27102152030.4138.81101154030.3138.36100156030.2137.9098158030.1137.4497步冷曲线的绘制以及实验结果的分析：由上图可见该组分（锡100）的熔点fT235OC，锡的标准熔点值实验误差：235232100%1.29%232fTTT标准值标准值锡100的步冷曲线图01002003004005000500100015002000时间(秒)温度(度)235232oTC标准值