1、材料熱力學(xué)實驗報告姓名：XXX 學(xué)號：201401049 時間：2014.12.25實驗題目：Al-Si合金DSC-TG及熱膨脹分析一、實驗?zāi)康?. 掌握DSC（差示掃描量熱）（功率補償型）、TGA（熱重分析）和TMA實驗原理及測量方法；2. 學(xué)會使用上述三種實驗儀器，并能夠繪制樣品的DSC、TGA曲線、計算實驗材料線膨脹系數(shù)；3. 掌握實驗結(jié)果的處理方法，并能夠?qū)ψV圖進(jìn)行分析。二、實驗儀器及實驗樣品同步熱分析儀 型號：NETZSCH STA 409PC/PG 制造廠家：德國耐弛公司 熱機(jī)械分析儀 型號：TMA/SDTA840 制造廠家：瑞士梅特勒-托利多公司樣品：Al-Si合金三、實驗原理1

2、.DSC原理差示掃描量熱儀DSC是在程序控溫下，測量物質(zhì)和參比物之間的能量差隨溫度變化關(guān)系的一種技術(shù)。根據(jù)測量方法的不同，又分為功率補償型DSC和熱流型DSC兩種類型。常用的功率補償DSC是在程序控溫下，使試樣和參比物的溫度相等，測量每單位時間輸給兩者的熱能功率差與溫度的關(guān)系的一種方法。DSC是在控制溫度變化情況下，以溫度(或時間)為橫坐標(biāo)，以樣品與參比物間溫差為零所需供給的熱量為縱坐標(biāo)所得的掃描曲線。當(dāng)試樣在加熱過程中由于熱效應(yīng)與參比物之間出現(xiàn)溫差T時，通過差熱放大電路和差動熱量補償放大器，使流入補償電熱絲的電流發(fā)生變化，當(dāng)試樣吸熱時，補償放大器使試樣一邊的電流立即增大；反之，當(dāng)試樣放熱時則

3、使參比物一邊的電流增大，直到兩邊熱量平衡，溫差T消失為止。換句話說，試樣在熱反應(yīng)時發(fā)生的熱量變化，由于及時輸入電功率而得到補償，所以實際記錄的是試樣和參比物下面兩只電熱補償?shù)臒峁β手铍S時間t的變化的關(guān)系。2.TGA原理是指在程序控制溫度下測量待測樣品的質(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手段。熱重分析在實際的材料分析中經(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。3. 同步熱分析（TG-DSC）將熱重分析與示差熱分析結(jié)合測量。4. 熱膨脹原理物體的體積或長度隨溫度的變化而發(fā)生相對變化的現(xiàn)象稱為熱膨脹；本質(zhì)是

4、晶體點陣結(jié)構(gòu)間的平均距離隨溫度變化而變化。 一般的普通材料，通常所說膨脹系數(shù)是指線膨脹系數(shù)，其意義是溫度升高1時單位長度上所增加的長度，單位為厘米/厘米·度。假設(shè)物體原來的長度 為L0，溫度升高后長度的增加量為DL，它們之間存在如下關(guān)系：DLL0a1Dt  （1）  式中，a1稱為線膨脹系數(shù)，也就是溫度每升高1時，物體的相對伸長。當(dāng)物體的溫度從T1上升到T2時，其體積也從V1變化為V2，則該物體在T1至T2的溫度范圍內(nèi)，溫度每上升一個單位，單位體積物體的平均增長量為b=(V1V2）V1（T1T2） （2）    式中，b為平均體膨脹系

5、數(shù)。從測試技術(shù)來說，測體膨脹系數(shù)較為復(fù)雜。因此，在討論材料的熱膨脹系數(shù)時，常常采用線膨脹系數(shù)：a（L1L2）L1（T1T2）  (3) 式中：a試樣的平均線膨脹系數(shù)；L1在溫度為T1時試樣的長度； L2在溫度為T2時試樣的長度；必須指出，由于膨脹系數(shù)實際上并不是一個恒定的值，而是隨溫度變化的，所以上述膨脹系數(shù)都是具有在一定溫度范圍Dt內(nèi)的平均值的概念，因此使用時要注意它適用的溫度范圍，如：a ( 0300 ) = 5.7×10-7 / k。本實驗主要測量材料的平均線膨脹系數(shù)。四、實驗參

6、數(shù)DSC-TGA 參數(shù): 溫度范圍：40-740 加熱速率：20K/min 吹掃氣體：氬氣 20mL/min 坩堝：DSC/TG pan Al2O3 樣品量：15.434mg熱膨脹參數(shù)： 鋁硅合金材料厚度為2.6342mm 溫度范圍：30-300 升溫速率：10/min五、實驗步驟1、 DSC-TGA實驗a.開機(jī) 打開恒溫水浴、STA449C主機(jī)、TASC414/4控制器與計算機(jī)電源。一般在水浴與熱天平打開4小時后，可以開始測試。如果配有低溫系統(tǒng)，打開冷卻控制器CC200L電源。打開Proteus測試軟件。b.進(jìn)行抽真空 進(jìn)行3次以上抽真空操作，確保氧氣排除干凈，然后在通入惰性氣體保護(hù)。c.基

7、線測試（若已有原先做好的基線文件，可跳過此步驟）d.樣品測試 先將空坩堝放在天平上稱重，隨后將樣品加入坩堝中，稱取樣品重量，本實驗中樣品重量為15.434mg。將裝有樣品的坩堝放入爐體內(nèi)，關(guān)閉爐體，點擊“編輯”菜單下的“測量向?qū)А保趶棾龅摹癝TA449C測量向?qū)А睂υ捒蛑羞x擇測量模式為“樣品+修正”，輸入樣品名稱、編號與樣品質(zhì)量，設(shè)定完成后點擊“繼續(xù)”，打開溫度校正文件，打開靈敏度校正文件，編輯設(shè)定溫度程序，本實驗溫度范圍為40740。設(shè)定測量文件名，點擊“初始化工作條件”，軟件將根據(jù)實驗設(shè)置自動打開各路氣體。轉(zhuǎn)動流量計上的旋鈕，調(diào)節(jié)各路氣體流量。本實驗所用吹掃氣體為氬氣，流速為20ml/m

8、in。隨后點擊“診斷”菜單下的“爐體溫度”與“查看信號”，調(diào)出相應(yīng)的顯示框，點擊“清零”，對天平進(jìn)行清零。隨后觀察儀器狀態(tài)滿足如下條件：1）爐體溫度、樣品溫度、TG信號及DSC信號處于穩(wěn)定狀態(tài)；2）樣品溫度與設(shè)定起始溫度相吻合。即可點擊“開始”開始測量。2、熱膨脹實驗a.開機(jī)啟動TMA系統(tǒng)，進(jìn)入主程序；b.設(shè)置起始溫度、終止溫度、升溫速率，輸入新建文件名開始運行；c.達(dá)到預(yù)定溫度后，打開爐子，歸零，抬PROBE，加入樣品，放PROBE，再次歸零，得到長度，本次實驗材料的長度為2.6342mm；ADJUST XU旋轉(zhuǎn)爐子使POS位于0%，對中，按OK確認(rèn)；d.回到編輯程序處：開始實驗；終止實驗。

9、六、實驗分析及結(jié)果1.DSC-TGA實驗從上圖中觀察到由548.7開始至562.8時的吸熱峰，峰面積為19.05J/g，初步分析是由于鋁硅合金的亞共晶轉(zhuǎn)變形成的相變潛熱。因為在鋁硅相圖中，共晶轉(zhuǎn)變是發(fā)生在5771，而此時的562.8還未達(dá)到共晶轉(zhuǎn)變溫度，但實驗用材料的成分不確定，合金中可能存在其他影響共晶轉(zhuǎn)變溫度變化的成分，所以推測在此溫度下是發(fā)生了亞共晶轉(zhuǎn)變的吸熱過程。從上圖中觀察到由618.3開始的至642.0時出現(xiàn)了很強(qiáng)的吸熱峰，峰面積為187.6J/g，初步分析是由于鋁硅合金的熔融產(chǎn)生的。理論中鋁的熔點為660.4，硅的熔點更高，而任何合金的熔點都是小于合金中任意成分的熔點，所以由此推

10、測是隨著溫度逐漸升高，鋁硅合金達(dá)到熔點，熔融時需要吸收大量的熱，從而引起明顯的吸熱峰。由上面兩個圖中還能觀察到除上面分析的兩個峰外，DSC曲線整體還有明顯的下降趨勢，初步分析是由于儀器本身的原因?qū)е碌摹?.熱重實驗分析由上圖中可觀察到TGA曲線有小幅度的上升，質(zhì)量增重為1.09，初步分析是由于在測量過程中鋁硅合金被氧氣氧化引起的；雖然在實驗開始前已經(jīng)進(jìn)行三次抽真空，但是不排除有氧氣混入。3.線膨脹實驗分析熱（線）膨脹系數(shù)：=斜率/材料厚度（單位：m）由擬合圖像得 斜率B=0.05971 m/ 長度=2.6342mm=2634.2m 計算得到Al-Si合金的熱膨脹系數(shù)為2.27×10-

11、5/。七、誤差分析1、影響DSC結(jié)果的因素a、樣品量 樣品的分辨率高，但靈敏度下降，一般根據(jù)樣品熱效應(yīng)大小調(diào)節(jié)樣品量，一般35mg。另一方面樣品量多少對所測轉(zhuǎn)變溫度也有影響，隨樣品量的增加，峰起始溫度基本不變，但峰頂溫度增加，峰結(jié)束溫度也提高，因此如同類樣品要相互比較差異，最好量相同。b、升溫速率 通常升溫速率范圍在520/min。升溫速率越快，靈敏度提高，分辯率下降。靈敏度和分辨率是一對矛盾，一般選擇較慢的升溫速率以保持好的分辨率，而適當(dāng)增加樣品量來提高靈敏度。隨著升溫速率的增加。融化峰起始溫度變化不大，而峰頂和峰結(jié)束溫度提高。峰型變寬。c、氣氛 一般使用惰性氣體，如氮氣、氬氣、氦氣等，就不

12、會產(chǎn)生氧化反應(yīng)峰，同時又減少試樣揮發(fā)對監(jiān)測器的腐蝕。氣流流速必須恒定，否則會引起基線波動。氣體性質(zhì)對測定有顯著影響，要根據(jù)不同氣體的熱導(dǎo)率和所做的實驗合理選擇。有時可通過比較氮氣和氧氣中DSC曲線，來解釋一些氧化反應(yīng)。2、影響TG的因素儀器影響 a、浮力的影響 熱天平在熱區(qū)中，其部件在升溫過程中排開空氣的重量不斷減小，即浮力在減小，會產(chǎn)生試樣表觀增重。 熱天平試樣周圍氣氛受熱變輕會上升，形成向上熱氣流，作用在熱天平上相當(dāng)于減重。 b、坩堝影響 熱分析作用的坩堝材質(zhì)，要求對試樣、中間產(chǎn)物、最終產(chǎn)物和氣氛都是惰性的，其幾何形狀和重量對熱分析也有影響。 c、揮發(fā)物再冷卻的影響 實樣熱分析過程溢出的揮發(fā)物有可能在熱天平其他部分再冷凝，這會污染儀器、使測的的失重量偏低，待溫度進(jìn)一步上升，這些冷凝物可能再次揮發(fā)產(chǎn)生假失重，使曲線變形，使測定不準(zhǔn)，也不能重復(fù)。為了解決這個問題可適當(dāng)向熱天平通適量氣體。操作條件的影響 a、升溫速率的影響 升溫速率越大溫度滯后越嚴(yán)重，開始分解溫度Ti及終止分解溫度Tf都高，溫度區(qū)間寬。 一般熱重法測定不要采用太高的升溫速率，對傳熱差的高分子試樣一般用510K/min，對傳熱好的無機(jī)物、金屬試樣可用1020K/min，對作用動力學(xué)分析還要低一些。 b、氣氛的影響 熱天平周圍氣氛的改變對TG曲線的影響也非常顯著。在流動氣氛中進(jìn)行TG測定時，流速大小、氣氛純度、