《材料测试技术及方法》课程教学资源（实验指导）热分析实验指导书

热分析实验指导书 一、实验目的 1.掌握差热分析法的基本原理。 2.了解热分析仪的结构，掌握仪器的基本操作。 3.利用差热分析技术研究草酸钙的热分解过程。 二、实验原理 热分析是在程序控制温度下测量物质的物理性质与温度关系的一类技术。程 序控制温度一般是指线性升温或线性降温，也包括恒温、循环或非线性升温、降 温。物质性质包括质量、温度、热焓变化、尺寸、机械特性、声学特性、电学和 磁学特性等等。 在热分析技术中，热重法是指在程序控制温度下，测量物质质量与温度关系 的一种技术，被测参数为质量（通常为重量），检测装置为“热天平”，热重法测 试得到的曲线称为热重曲线(TG)。热重曲线以质量作为纵坐标，可以用重量、 总重量减少的百分数、重量剩余百分数或分解分数表示。曲线从上往下表示质量 减少，以温度（或时间）作横坐标，从左向右表示温度（或时间）增加，所得到 的重量变化对温度的关系曲线则称之为热重曲线。 热重法的主要特点是定量性强，能准确地测量物质质量变化及变化的速率。 在正常的情况下，热重曲线的水平部分看作是恒定重量的特征，变化最陡峭的部 分，可以给出重量变化的斜率，曲线的形状和解析取决于试验条件的稳定性。热 重曲线开始偏离水平部分的温度为反应的起始温度，测量物质的质量是在加热情 况下测量试样随温度的变化，如含水和化合物的脱水，无机和有机化合物的热分 解。物质在加热过程中与周围气氛的作用，固体或液体物质的升华和蒸发等，都 是在加热过程中伴随有重量的变化。 差热分析(DTA)是在程序控制温度下，测量物质与参比物之间的温度差与 温度函数关系的一种技术，只要被测物质在所用的温度范围内具有热活性，则热 效应联系着物理或化学变化，在所记录的差热曲线上呈现一系列的热效应峰，峰 的位置由物质的化学组成的晶体结构所决定，而峰的面积则与发生反应时所放出 的能量有关。差热分析曲线(DTA曲线)是描述样品与参比物之间的温度随时

热分析实验指导书 一、实验目的 1. 掌握差热分析法的基本原理。 2. 了解热分析仪的结构，掌握仪器的基本操作。 3. 利用差热分析技术研究草酸钙的热分解过程。 二、实验原理 热分析是在程序控制温度下测量物质的物理性质与温度关系的一类技术。程 序控制温度一般是指线性升温或线性降温，也包括恒温、循环或非线性升温、降 温。物质性质包括质量、温度、热焓变化、尺寸、机械特性、声学特性、电学和 磁学特性等等。 在热分析技术中，热重法是指在程序控制温度下，测量物质质量与温度关系 的一种技术，被测参数为质量（通常为重量），检测装置为“热天平”，热重法测 试得到的曲线称为热重曲线（TG）。热重曲线以质量作为纵坐标，可以用重量、 总重量减少的百分数、重量剩余百分数或分解分数表示。曲线从上往下表示质量 减少，以温度（或时间）作横坐标，从左向右表示温度（或时间）增加，所得到 的重量变化对温度的关系曲线则称之为热重曲线。 热重法的主要特点是定量性强，能准确地测量物质质量变化及变化的速率。 在正常的情况下，热重曲线的水平部分看作是恒定重量的特征，变化最陡峭的部 分，可以给出重量变化的斜率，曲线的形状和解析取决于试验条件的稳定性。热 重曲线开始偏离水平部分的温度为反应的起始温度，测量物质的质量是在加热情 况下测量试样随温度的变化，如含水和化合物的脱水，无机和有机化合物的热分 解。物质在加热过程中与周围气氛的作用，固体或液体物质的升华和蒸发等，都 是在加热过程中伴随有重量的变化。 差热分析（DTA）是在程序控制温度下，测量物质与参比物之间的温度差与 温度函数关系的一种技术，只要被测物质在所用的温度范围内具有热活性，则热 效应联系着物理或化学变化，在所记录的差热曲线上呈现一系列的热效应峰，峰 的位置由物质的化学组成的晶体结构所决定，而峰的面积则与发生反应时所放出 的能量有关。差热分析曲线（DTA 曲线）是描述样品与参比物之间的温度随时

间或温度的变化关系。样品温度的变化是由于相转变或反应的吸热或放热效应引 起的，比如：相转变、熔化、结晶结构的转变、沸腾、升华、蒸发、脱氢反应、 断裂或分解反应、氧化或还原反应、晶格结构的破坏和其他化学反应。一般说来， 相转变、脱氢还原和一些分解反应产生吸热效应，而结晶、氧化和一些分解反 应产生放热效应。这些化学或物理变化过程所引起的温度变化可通过差示技术检 测。如果样品和参比物的温度分别为Ts和正，那么温度差(Ts-T)就是DTA 曲线的纵坐标。由于检测的是温差，所用的热电偶彼此是反向串接的，所以5 和下之间的微小差值可以通过适当的电压放大装置检测，也即可用少量样品进 行测试。 热分析仪器，主要由样品支持器、能量转变放大系统、程序温度控制系统、 记录显示系统，气氛控制系统及数据处理系统组成。由于电子技术的发展，集成 电路和微电子学，以及先进的热测量技术，大大提高了热分析仪器的灵敏度和重 现性，计算机的应用使热分析仪器的操作和数据处理完全自动化。 三、实验仪器与试剂 1.仪器 WCT2型热分析仪：电子天平；氧化铝坩埚：镊子：小勺。 2.试剂 待测样品CaC2O4H2O,差热参比物AhO3。 四、实验步骤 1.通水：接通冷却循环水 2.开机：依次打开热分析仪开关和控制计算机的开关。 3.称量：用电子天平称取草酸钙样品2mg-l0mg,调节参比物的质量，使得被测 物+坩埚的质量与参比物+坩埚的质量基本一致，要求误差5%以内。让试样和参 比物均匀铺在坩埚底部。 4.放样：按热分析仪面板控制按键，炉子升起，样品托板拨至炉子磁体端口。 为避免操作失误导致杂物调入加热炉中，在打开炉子操作时，一定要将样品托板 拨至热电偶下。用镊子将试样坩埚和参比物坩埚分别放置在样品测试台和参比台 上。 5.参数设定：进入操作软件界面，依次输入测量序号、样品名称、样品质量

间或温度的变化关系。样品温度的变化是由于相转变或反应的吸热或放热效应引 起的，比如：相转变、熔化、结晶结构的转变、沸腾、升华、蒸发、脱氢反应、 断裂或分解反应、氧化或还原反应、晶格结构的破坏和其他化学反应。一般说来， 相转变、脱氢还原和一些分解反应产生吸热效应，而结晶、氧化和 一些分解反 应产生放热效应。这些化学或物理变化过程所引起的温度变化可通过差示技术检 测。如果样品和参比物的温度分别为 Ts 和 Tr，那么温度差（Ts-Tr）就是 DTA 曲线的纵坐标。由于检测的是温差，所用的热电偶彼此是反向串接的，所以 Ts 和 Tr 之间的微小差值可以通过适当的电压放大装置检测，也即可用少量样品进 行测试。 热分析仪器，主要由样品支持器、能量转变放大系统、程序温度控制系统、 记录显示系统，气氛控制系统及数据处理系统组成。由于电子技术的发展，集成 电路和微电子学，以及先进的热测量技术，大大提高了热分析仪器的灵敏度和重 现性，计算机的应用使热分析仪器的操作和数据处理完全自动化。 三、实验仪器与试剂 1. 仪器 WCT-2 型热分析仪；电子天平；氧化铝坩埚；镊子；小勺。 2. 试剂 待测样品 CaC2O4·H2O，差热参比物 Al2O3。 四、实验步骤 1. 通水：接通冷却循环水。 2. 开机：依次打开热分析仪开关和控制计算机的开关。 3. 称量：用电子天平称取草酸钙样品 2mg-10mg，调节参比物的质量，使得被测 物+坩埚的质量与参比物+坩埚的质量基本一致，要求误差 5%以内。让试样和参 比物均匀铺在坩埚底部。 4. 放样：按热分析仪面板控制按键，炉子升起，将样品托板拨至炉子磁体端口。 为避免操作失误导致杂物调入加热炉中，在打开炉子操作时，一定要将样品托板 拨至热电偶下。用镊子将试样坩埚和参比物坩埚分别放置在样品测试台和参比台 上。 5. 参数设定：进入操作软件界面，依次输入测量序号、样品名称、样品质量

坩埚质量、操作者姓名等。设定初始温度、终止温度和升温速率，采样速率 6.测量：在对话界面，点击开始测试。 7.关机：待炉温降下来后再依次关闭热分析仪开关、电脑开关，关闭冷却水。 为了保护仪器，炉温在500℃以上时不得关闭仪器主机电源。 8.数据分析：将取得的测试数据导入origin软件绘图，对原始TG和DTA记录 曲线进行适当处理。选定每个台阶或峰的起止位置，算出各个反应阶段的TG失 重百分比、失重始温、终温、失重速率最大点温度等。DTA又可选择项目进行 分析，如切线求反应外推起始点、峰值、峰高、峰面积等。 CaC2O4HO的TG和DTA曲线 五、注意事项 1.差热分析是一种动态技术，吸热和放热曲线峰的形状、位置、数目是重要的。 改善实验条件，如升温速率或炉子气氛，不但峰的位置会改变，也许峰的数目也 会改变。 2.试样用量、粒度、气氛、容器、装样的紧密程度对热分析实验结果的影响。 六、数据处理 L.由所测DTA曲线，求出各峰的起始温度，将数据列表记录，求出所测样品的 失重率。 CaC2O4~H2O的热分析过程： 第一阶段脱水：CaC204H0(固)→CaC2H4(固)+H0(气) 第二阶段脱C0:CaC2H4→CaC03(固)+C0(气)+O2 第三阶段脱C02:CaC0:→Ca0(固)+C02(气)

坩埚质量、操作者姓名等。设定初始温度、终止温度和升温速率，采样速率。 6. 测量：在对话界面，点击开始测试。 7. 关机：待炉温降下来后再依次关闭热分析仪开关、电脑开关，关闭冷却水。 为了保护仪器，炉温在 500℃以上时不得关闭仪器主机电源。 8. 数据分析：将取得的测试数据导入 origin 软件绘图，对原始 TG 和 DTA 记录 曲线进行适当处理。选定每个台阶或峰的起止位置，算出各个反应阶段的 TG 失 重百分比、失重始温、终温、失重速率最大点温度等。DTA 又可选择项目进行 分析，如切线求反应外推起始点、峰值、峰高、峰面积等。 CaC2O4·H2O 的 TG 和 DTA 曲线 五、注意事项 1. 差热分析是一种动态技术，吸热和放热曲线峰的形状、位置、数目是重要的。 改善实验条件，如升温速率或炉子气氛，不但峰的位置会改变，也许峰的数目也 会改变。 2. 试样用量、粒度、气氛、容器、装样的紧密程度对热分析实验结果的影响。 六、数据处理 1. 由所测 DTA 曲线，求出各峰的起始温度，将数据列表记录，求出所测样品的 失重率。 CaC2O4·H2O 的热分析过程： 第一阶段 脱水： CaC2O4·H2O（固）→ CaC2H4（固）+ H2O（气） 第二阶段 脱 CO： CaC2H4 → CaCO3（固）+ CO（气）+ O2 第三阶段 脱 CO2： CaCO3 → CaO（固）+ CO2（气）

①失重量 9%=18x10%=123% 146 ②草酸钙分解%：瓷×10%=192% 目碳酸钙分解%铭×10%=30% 总失重∑w%=61.6% 2.依据所测TG和DTG曲线，由失重百分比推断反应方程式。 七、问题与讨论 1.影响差热分析结果的主要因素有哪些？ 2.用CaC2044H0化学式量计算理论失重率，与实测值比较。如有差异，试讨 论原因

① 失重量 w%= 146 18 × 100%=12.3% ② 草酸钙分解 w%= 146 28 × 100%=19.2% ③ 碳酸钙分解 w%= 146 44 × 100%= 30.1% 总失重∑ w% =61.6% 2. 依据所测 TG 和 DTG 曲线，由失重百分比推断反应方程式。 七、问题与讨论 1. 影响差热分析结果的主要因素有哪些？ 2. 用 CaC2O44H2O 化学式量计算理论失重率，与实测值比较。如有差异，试讨 论原因