Термические характеристики материалов

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Введение. 4

2. Термические характеристики материалов. 7

1.1. Температура. 7

1.2. Измерение температуры.. 7

1.2.1. Термопары.. 8

1.2.1. Термометры сопротивления, терморезисторы.. 9

1.3. Теплопроводность и температуропроводность. 10

1.4. Теплоемкость. 11

1.5. Тепловое расширение. 11

1.6. Тепловые эффекты превращений. 11

1.7. Энергия активации. 12

3. Методы термического анализа. 14

1.8. Визуальный метод. 14

1.9. Метод кривых нагрева и охлаждения. 14

1.2.2 Дифференциальный термический анализ (ДТА) 14

1.10. Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) 16

1.11. Термогравиметрический анализ (ТГА) 17

1.12. Термомеханический анализ (ТМА), дилатометрия. 17

4. Устройства термогравиметрического и дифференциального термического анализа. 20

1.2.3. Прибор TMA/SDTA840. 20

1.2.4. Модуль TGA/SDTA851e. 23

1.2.5. Модуль DSC822e. 25

Введение

Термический анализ – одна из отраслей физико-химического анализа, которая в последнее время превратилась в высокочувствительный и совершенный экспериментальный метод.Термический – значит, связанный с теплом, тепловой энергией. Тепловая энергия вещества представляет собой кинетическую энергию теплового движения – непрерывного беспорядочного (хаотического) движения молекул. Закономерности тепловой энергии изучает термодинамика.

Термические свойства материалов отражают их поведение при теплообмене (подводе или отводе тепла), при котором происходит изменение температуры. Фактически термический анализ — это раздел материаловедения, изучающий изменение свойств материалов при изменении их температуры.

Большинство физических и химических процессов, химических реакций сопровождается тепловыми эффектами, т. е. поглощением или выделением тепла, поэтому методы термического анализа применимы к очень большому числу систем.

В основе всех методов термического анализа лежит наблюдение за материалом и измерение его характеристик в условиях программированного изменения температуры.

Для описания состояния системы (вещества, материала) в термодинамике используются четыре основные энергетические характеристики – термодинамические потенциалы: внутренняя энергия U, свободная энергия F = U - TS, энтальпия H = U + pV и потенциал Гиббса G = U – TS + pV.

Наибольший интерес для термического анализа из этой четверки представляет энтальпия. Энтальпия, иначе тепловая функция или теплосодержание —термодинамический потенциал, характеризующий состояние системы в термодинамическом равновесии при выборе в качестве независимых переменных давления, энтропии и числа частиц. На практике энтальпия — это та энергия, которая доступна для преобразования в теплоту при определенном постоянном давлении. Теплоты превращений или реакций, протекающих при постоянном давлении, и определяемые методами термического анализа, равны изменению энтальпии Δ Н в этих процессах.

В зависимости от того, какое свойство материала и как определяется, различают следующие методы термического анализа:

· Визуальный метод: появление или исчезновение видимых изменений в образце (изменение формы, появление окраски).

· Метод кривых нагрева и охлаждения (термический анализ в узком понимании): зависимость температуры от времени;

· Дифференциально-термический анализ (ДТА): разность температур образца и эталона;

· Дифференциально-сканирующая калориметрия (ДСК): теплота (энтальпия) превращения;

· Термогравиметрический анализ (ТГА): масса

· Термомеханический анализ (ТМА) и дилатометрия: линейный размер или объем;

· Динамический механический анализ (ДМА): упругие характеристики, затухание колебаний (внутреннее трение);

· Определение тепло- и температуропроводности;

· Анализ выделяемых газов (ГТА): газовые продукты разложения.

Кроме того, к методам термического анализа относят измерения оптических, электрических, магнитных и других свойств материалов в зависимости от температуры.

Совместное использование термогравиметрии (ТГА) и дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) одного и того же образца на одном инструменте называют синхронным термическим анализом (СТА). Полученная информация может быть еще более расширена при оснащении инструмента СТА системой анализа газовой фазы (ГТА) –инфракрасной спектроскопией или масс-спектрометрией.

Объединяющим признаком всех перечисленных методов является то, что отклик образца (его свойство) записывается в зависимости от температуры (и времени).

Обычно изменение температуры осуществляется по заранее заданной программе — либо это непрерывное увеличение или уменьшение температуры с постоянной скоростью (линейный нагрев/охлаждение), либо серия измерений при различной температуре (ступенчатые изотермические измерения). Используются и более сложные температурные профили, использующие осциллирующую (обычно в виде синусоидальных или прямоугольных колебаний) скорость нагревания (термический анализ с модулированной температурой) или изменяющие скорость нагревания в ответ на изменение свойств системы (термический анализ, контролируемый образцом).

В дополнение к управлению температурой образца также важно управлять средой, в которой проводятся измерения (например, атмосферой). Измерения могут быть выполнены на воздухе или в среде инертного газа (например, аргона или гелия). Также используется восстановительная или химически активная газовая среда, образцы помещаются в воду или другую жидкость.

Практическое применение методов термического анализа почти не ограничено. Немногие методы инструментального анализа можно так многосторонне применять в научно-исследовательской работе и в промышленности, как термический анализ. За некоторыми исключениями каждое соединение под влиянием нагревания подвергается физическим и химическим превращениям, характерным для данного соединения. Набор количественных характеристик этих превращений можно считать своеобразным «паспортом» соединения и, следовательно, использовать его для качественного и количественного анализа.

 

Температура

Основной термодинамический параметр, связанный с тепловой энергией – температура. Об изменении температуры судят по изменению физических свойств тел, однозначно с ней связанных (так называемых термометрических свойств: объёма, давления, электрического сопротивления, ЭДС, интенсивности излучения и др.). На практике температура определяется указанием способа её измерения с помощью того или иного измерительного инструмента (термометра) и температурной шкалы.

В Международной системе величин температура выбрана в качестве одной из семи основных физических величин. В Международной системе единиц (СИ), основанной на Международной системе величин, единица температуры — кельвин — является одной из семи основных единиц. В системе СИ и на практике используется также температура Цельсия, её единицей является градус Цельсия (°С), по размеру равный кельвину^.

Передача тепла внутри твердых (внутренний теплообмен) происходит по механизму теплопроводности. Теплопроводность — способность материальных тел к переносу энергии (теплообмену) от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела, осуществляемому хаотически движущимися частицами тела. Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты существенно зависит от строения вещества.

Температура входит в четверку основных термодинамических параметров, которые определяют состояние термодинамической системы: температура Т, объем V, давление р, энтропия S. Произведение давления на изменение объема определяет работу, совершаемую системой:

,

а произведение температуры на изменение энтропии определяет количество теплоты, которым обменивается система с ее окружением:

Измерение температуры

Приборы для измерения температуры можно разделить на две группы:

– собственно термометры – применяемые для измерения температуры контактным методом, когда либо сам термометр, либо его чувствительная часть (термодатчик) погружен в измеряемую среду (вещество) и имеет одинаковую с ней температуру;

– пирометры – применяемые для измерения температуры бесконтактным методом, когда информация о температуре тела передается от него измерителю посредством электромагнитного излучения (видимого или инфракрасного). Чувствительным элементом в пирометрах служит обычно фотоэлектрический преобразователь, использующий явление фотоэффекта (внешнего или внутреннего).

К первой группе относятся:

· термометры расширения, основанные на явлении теплового расширения жидкости (жидкостные) или твердого тела (дилатометрические и биметаллические);

· манометрические термометры, использующие зависимость между температурой и давлением газа или паров жидкости в замкнутом сосуде;

· термометры сопротивления, использующие зависимость электрического сопротивления металлов или полупроводников от температуры;

· термоэлектрические термометры (термопары), использующие зависимость между термо-ЭДС, развиваемой термопарой (горячим спаем) из двух различных проводников, и разностью температур спая и свободных концов термопары.

Во вторую группу входят оптические и фотоэлектрические пирометры:

· о птические позволяют визуально определять температуру нагретого тела путём сравнения его свечения с яркостью или цветом свечения эталонной нити (яркостные и цветовые пирометры соответственно;

· радиационные (в том числе инфракрасные) пирометры измеряют температуру по тепловому электромагнитному излучению.

Кроме того, существуют пирометры флуоресцентные,интерферометрические,на основе растворов, меняющих цвет при температурном воздействии, а кустические.

Термопары

Если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников) А и В, соединив их между собой концами (рис. 1.), причем температуру 1 одного места соединения сделать отличной от температуры о другого, то в цепи появится ЭДС, называемая термоэлектродвижущей силой (термоЭДС), зависящая от разности температур. Подобная цепь называется термоэлектрическим преобразователем или иначе термопарой; проводники, составляющие термопару, - термоэлектродами, а места их соединения - спаями.

Один из спаев термопары помещается в исследуемую среду (вещество), а второй поддерживается при известной постоянной температуре. На практике чаще всего используется сосуд Дьюара со смесью воды и льда (0 °С).

Выход термопары подключается к достаточно чувствительному электроизмерительному прибору, так как термоЭДС обычных термопар не превышает нескольких десятков милливольт.

Диапазон измеряемых с их помощью температур, от -200 до 2200 градусов, и определяется используемыми в них материалами. Например, термопары из неблагородных металлов используются для измерений до 1100 °С (термопара хромель – алюмель), термопары из благородных металлов – до 1600 градусов (термопара платина – платинородий). Если необходимо произвести замеры температур свыше этого, используются жаростойкие сплавы (основой служит вольфрам).

Теплоемкость

В молекулярно-кинетической теории показывается, что температура пропорциональна средней кинетической энергии частиц вещества. Отсюда следует, что для увеличения температуры тела необходимо к нему подвести некоторое количество энергии, пропорциональное количеству вещества в этом теле и разности конечной и исходной температур Δ Т:

. (3)

Если в этой формуле m – масса тела, то коэффициент с называется удельной теплоемкостью вещества. Удельная теплоемкость равна количеству теплоты, необходимой для нагревания единицы массы вещества на 1 К. Размерность удельной теплоемкости – Дж/кг·К.

Если в качестве единицы количества вещества используется моль, то коэффициент в формуле (3) называют молярной теплоемкостью. Молярная теплоемкость равна количеству теплоты, необходимой для нагревания 1 моль вещества на 1 К. Размерность молярной теплоемкости – Дж/моль·К.

Тепловое расширение

При нагревании твердые тела и жидкости, как правило, увеличиваются в объеме. Изменение объема и линейных размеров твердых тел при нагревании обычно записывают в виде

, (4)

, (5)

где V ₀ и L ₀ – объем или линейный размер образца при начальной температуре, Δ V и Δ V – изменение этих величин при изменении темперfтуры на Δ Т. Коэффициенты k_V и k_L называются коэффициентами соответственно объемного и линейного расширения вещества (материала).

Формулы (4) и (5) применимы лишь в том случае, когда изменение температуры Δ Т не слишком велико, так как коэффициенты теплового расширения обычно зависят от температуры. Если необходимо знать эту зависимость, то эксперименты проводят при достаточно малых значениях Δ Т.

Энергия активации

Многие физические и химические процессы связаны с переходом атомов или молекул из одного равновесного положения в другое. Например, образование вакансии в кристалле происходит благодаря переходу атома из положения в узле кристаллической решетки в междоузлие. При этом атом проходит некоторое промежуточное положении, в котором его энергия больше, чем в исходном состоянии. Для того, чтобы проскочить это положение, атом должен иметь дополнительную энергию, равную разноси его энергий в промежуточном и исходном состояниях. Эта энергия называется энергией активации.

В химии энергией активации называют минимальное количество энергии, которое требуется сообщить системе, чтобы произошла реакция. Процессы, характеризующиеся наличием энергии активации, называют термически активируемыми. Энергия активации Е входит в уравнение Аррениуса, описывающее температурную зависимость кинетических характеристик термически активируемых процессов:

, (6)

где k – какая-либо кинетическая характеристика (скорость реакции, количество атомов, перешедших из одного положения в другое за единицу времени и т. п.), A – константа (предэкспоненциальный множитель), R – универсальная газовая постоянная, T – абсолютная температура.

Величина энергии активации определяется природой веществ и характером протекающего процесса.

Размерность энергии активации в уравнении Аррениуса – Дж/моль.

 

Методы термического анализа

Визуальный метод

Визуальный метод термического анализа состоит в наблюдении появления или исчезновения видимых изменений в образце (изменение формы, появление окраски). В химии часто определяют температуры первого появления (исчезновения) неоднородности в прозрачном веществе (например, выпадения кристаллов, исчезновения мути в системе двух несмешивающихся жидкостей) в изучаемом веществе при его охлаждении или нагревании.

Дифференциальный термический анализ (ДТА)

Наиболее точен дифференциальный метод термического анализа, по которому нагревание (охлаждение) исследуемого объекта ведут вместе и в одних и тех же условиях с веществом – эталоном, которое в условиях опыта не имеет превращений. Регистрация температуры в этом методе осуществляется при помощи трех термопар. Одна из них измеряет температуру образца (или печи), две другие включены по, так называемой, “дифференциальной схеме” навстречу друг другу. Они погружаются в сосуды с исследуемым веществом и веществом-эталоном и одновременно помещаются в отверстие блока-держателя пробы по возможности в тождественных условиях. Тождественность условий означает идентичность размеров, формы и массы эталона и образца, плотность их упаковки, положение спаев термопар в образце и эталоне, симметричность расположения в гнездах блока-держателя, который нагревается с помощью электрической печи.

Рисунок

Если температуру печи равномерно увеличивать во времени, то по такому же режиму повышается температура как пробы (что регистрируется кривой Т), так и инертного вещества, при этом токи двух термопар компенсируют друг друга, пока в испытуемом образце не начнется реакция. С этого времени прекращается равномерное повышение температуры испытуемого образца. В соответствии с этим разность потенциалов между полюсами первой термопары (термопары с образцом) остается неизменной или же начнет повышаться более быстрыми темпами. Так как эта разность уже не может компенсироваться равномерно увеличивающимся напряжением второй пары, измерительный прибор дает показания, соответствующие величине разности температур. В результате на кривой ДТА появляется пик, направление которого указывает, является ли реакция эндотермической (пик вниз) или экзотермической (вверх).

Рисунок

Так как разность температур обычно существенно меньше максимальной температуры образца, то для её измерения можно использовать более чувствительные измерительные приборы. Именно это и обеспечивает более высокую чувствительность (и точность) дифференциального метода. О характере превращений судят по виду простой кривой нагревания (охлаждения), а по дифференциальной кривой более точно определяют температуру превращения.

Метод ДТА позволяет получить кроме температур превращений и другие количественные характеристики этих превращений (например, фазовый состав, теплота реакций). Термический анализ широко применяется при изучении сплавов, минералов и других геологических пород. Именно в приложении к минералам и горным породам термический анализ впервые был применен французским учёным А. Л. Ле Шателье (1886).

Математические соотношения между площадью пика на кривой ДТА и параметрами прибора и образца позволяют определять теплоту превращения, энергию активации, некоторые кинетические константы, проводить полуколичественный анализ смесей (если известны DH соответствующих реакций). ДТА применяют для построения фазовых диаграмм состояния многокомпонентных систем (см. Раздел «Диаграммы состояния»), для качественной оценки образцов, например, при сравнении разных партий сырья.

Определение точной величины теплового эффекта процесса по кривой ДТА затруднено из-за влияния различных побочных факторов на ход кривой. Основной недостаток ДТА заключается в зависимости полу­чаемых результатов от конструкции приборов, условий подготовки образцов, что затрудняет количественное описание процессов.

ДТА предложил В. Робертс-Остен в 1891.

Термогравиметрический анализ (ТГА)

Термогравиметрия – метод исследования и анализа, основанный на регистрации изменения массы образца в зависимости от его температуры в условиях программированного изменения температуры среды. Естественно, что этим методом можно исследовать только такие процессы, в которых образуются газообразные вещества, легко удаляемые из исследуемого материала. ТГ-анализ широко используется в исследовательской практике для определения температуры деградации полимеров, влажности материалов, доли органических и неорганических компонентов, входящих в состав исследуемого вещества, точки разложения взрывчатых веществ и сухого остатка растворенных веществ.

Термоанализатор состоит из высокоточных весов с тиглями (как правило, платиновыми), которые размещаются в камере небольшой электропечи. В непосредственной близости от образца, например, под донышком тигля, находится контрольная термопара, с высокой точностью измеряющая температуру. Камера печи может заполняться инертным газом для предотвращения окисления или иных нежелательных реакций. Для управления измеряющей аппаратурой и снятия показаний используется компьютер.

Возможны два способа проведения термогравиметрического эксперимента: изотермический, т.е. при постоянной температуре печи, и наиболее распространенный – динамический, т.е. при изменении температуры печи во времени (обычно при постоянной скорости нагрева). В результате получают кривые зависимости изменения массы Dm образца (термогравиметрическая кривая) либо скорости изменения массы (дифференциальная термогравиметрическая кривая) от времени или от температуры.

Оценивая результаты термографических испытаний, нужно иметь в виду, что протекание реакций в пробе зависит от многочисленных факторов, которыми в итоге определяются химические и физические превращения, а их влияние может быть настолько различным, что выделение тождественности встречает затруднения.

Термомеханический анализ (ТМА), дилатометрия

Термическое (тепловое) расширение изменение линейных размеров и формы тела при изменении его температуры. Основной закон теплового расширения гласит, что тело с линейным размером L {\displaystyle L} в соответствующем измерении при увеличении его температуры на {\displaystyle \Delta T} Δ Т расширяется на величину Δ L {\displaystyle \Delta L}, равную:

Δ L = αL Δ T,

где α — так называемый коэффициент линейного теплового расширения

.

Тепловое расширение жидкостей и газов при постоянном давлении характеризуется изобарным коэффициентом расширения (объёмным коэффициентом теплового расширения)

.

Раздел физики изучающий данное свойство, называется дилатометрией.

Тепловое расширение тел учитывается при конструировании всех установок, приборов и машин, работающих в переменных температурных условиях.

{\displaystyle \Delta L=\alpha L\Delta T}В общем случае анизотропных тел

х, у, z определяется симметрией кристалла. Для кристаллов кубической системы и для изотропных тел

У ряда твердых материалов (кварц, инвар и другие) коэффициент α мал и практически постоянен в широком интервале температур.

При T → 0 коэффициент α → 0.

 

Рис.? Зависимость потенциальной энергии межатомного вз-ствия U (r) от межъядерного расстояния r. Е – глубина потенциальной ямы, r ₀ – равновесное межатомное расстояние.

 

Для пары атомов зависимость потенциальной энергии их взаимодействия от расстояния атомами в общем случае имеет вид, представленный на рис?. Устойчивое состояние этой пары возникает при сближении атомов на определённое расстояние r ₀, отвечающее минимуму потенциальной энергии.

В твердых телах (в том числе кристаллах) атомы находятся в постоянном тепловом движении, сводящемся преимущественно к колебаниям около положений равновесия. В результате полная энергия атомов будет больше потенциальной энергии их взаимодействия на величину кинетической энергии их колебаний (штриховая линия на рис.?). При этом из-за несимметричности кривой U (r) среднее расстояние между атомами окажется несколько больше r ₀. Чем выше температура, тем больше энергия колебаний, тем больше межатомное расстояние, что и обусловливает тепловое расширение твердых тел.

 

Прибор TMA/SDTA840

В системе S TA Reдля термомеханического анализа материалов используется модуль TMA/SDTA840.

Прибор устанавливается на три резьбовые ножки. Регулируя эти ножки по высоте можно установить прибор точно горизонтально.

Кожух прибора состоит из трех частей: левой и правой передней, а также задней части блока электроники.

В приборе имеются два блока питания: электроники и печи. Блок питания печи автоматически подстраивает свое рабочее напряжение под напряжение блока питания электроники.

Печь размещается сверху на левом кожухе. Справа от печи находится защитная крышка регулировочного груза. Если открыть печь, то видны держатель образца и измерительный датчик. Под левым передним кожухом помещается термостатируемый корпус ячейки. Внутри находятся датчик высоты и генератор нагрузки.

На правой передней панели кожуха находятся жидкокристаллический дисплей и клавиатура.. На жидкокристаллическом дисплее отображаются сообщения о статусе прибора, измеряемые параметры и сообщения оператору. Клавиатура используется для управления прибором и вывода информации на дисплей.

В передней части прибора справа расположены три штуцера: для ввода защитного газа, для ввода реакционного газа и для ввода газа продувки.

Печь открывают кнопкой FURNACE. Камера печи ограничена и изолирована рубашкой с водяным охлаждением и фланцем печи. Фланец печи и прокладки охлаждаются. Прокладки между фланцем печи и охлаждаемой рубашкой обеспечивают поддержание в печи заданной газовой атмосферы. Печь герметична.

 

Внутри водоохлаждаемой рубашки находятся корпус печи и отражательные трубки с двойными стенками. Отражательные трубки окружают корпус печи и отражают тепловое излучение печи.

Корпус печи состоит из внутренней трубки, крышки печи и изолирующего кожуха. Внутренняя трубка изготовлена из оксида алюминия. На поверхности трубки сделаны углубления, где находятся нагревательные элементы. Нагревательные элементы проволочного типа фиксируются на внутренней трубке с помощью керамического изолирующего кожуха. Камера печи ограничена и изолирована рубашкой с водяным охлаждением и фланцем печи. Фланец печи и прокладки охлаждаются.

Датчик температуры печи – термопара R-типа – располагается непосредственно под образцом для обеспечения максимальной чувствительности. Датчик температуры образца обеспечивает регистрацию сигнала ДТА, который представляет собой разницу между фактической температурой образца и программно рассчитываемой температурой инертного эталона.

При деформации образца, находящегося на держателе, изменяется положение датчика высоты образца. Это положение измеряется с помощью линейного переменного дифференциального трансформатора. Датчик высоты непосредственно соединен с сердечником трансформатора, поэтому любое изменение высоты образца приводит к изменению положения сердечника относительно обмотки трансформатора. В результате возникает электрический сигнал, пропорциональный перемещению.

Датчик высоты находится в термостатируемом корпусе. Небольшие рефлекторы защищают корпус ячейки от нагрева, вызванного конвекцией и излучением.

К охлаждаемой рубашке с помощью зажима крепится газоотводная трубка с краном. Через эту трубку из прибора выводятся все газы, подаваемые в ячейку (реакционный, продувочный, защитный) и выделяемые образцом в ходе эксперимента. Вместо газоотводной трубки к прибору можно подсоединить ИК-Фурье или масс-спектрометр с помощью специального переходника.

Стандартные держатель образца и измерительный датчик изготавливаются из кварцевого стекла с высокой термической стабильностью и очень маленьким коэффициентом термического расширения.

Для точных измерений термического коэффициента линейного расширения требуется использовать бланковую кривую, которая записывается на пустом приборе без образца с помощью такого же метода, что и при последующем измерении образца. Для коррекции результатов измерений бланковую кривую вычитают из соответствующей кривой образца с помощью S TA R e.

На жидкокристаллическом дисплее (ЖКД) отображаются сообщения о статусе прибора, измеряемые параметры и сообщения оператору.

ЖКД имеет две информационные строки. В первой строке отображается информация о ходе выполняемого эксперимента. Отображаемые в первой строке сообщения модуля дублируются в окне управления модулем программы S TA Re. Клавиатура используется для управления прибором и вывода информации на дисплей.

Модуль TGA/SDTA851e

Для проведения т ермо г равиметрического а нализа предназначен модуль TGA/SDTA851e.

В передней правой части модуля находятся индикатор уровня, жидкокристаллический дисплей и клавиатура. Указатель уровня предназначен для выравнивания модуля в горизонтальной плоскости. Модуль установлен горизонтально, если пузырек воздуха находится в центре указателя. На дисплее отображаются измеренные значения, а также сообщения модуля и информация о его состоянии. С помощью клавиатуры происходит управляете модулем и выводится информация на дисплей.

Слева в передней части модуля имеется отверстие. Оно предназначено для открывания печи. Защитный кожух предохраняет оператора от касания горячей поверхности, когда печь открыта. Отверстие для внесения образца позволяет помещать тигель с образцом в печь вручную. Наклонная подставка для руки рядом с отверстием облегчает внесение образца.

В передней части модуля справа расположены три штуцера: для ввода защитного газа, реакционного газа и для ввода газа продувки и подсоединения к вакууму. Блок весов всегда должен продуваться защитным газом. Газ продувки позволяет продувать камеру печи целиком. Реакционный газ подается непосредственно к образцу.

В измерительную ячейку TGA/SDTA851eвходят герметичная печь и микровесы. Эти весы можно использовать для взвешивания тигля и образца.

 

 

Печи всех типов имеют горизонтальную конструкцию, ч то позволяет минимизировать влияние потока газа на результаты измерения. Камера печи расположена в кожухе из плавленого кварца.

Держатель образца соединен с весами и не перемещается, когда открывается печь. На конце держателя расположена подставка для образца. Тигель с образцом помещается на эту подставку.

Непосредственно под подставкой расположен датчик температуры образца. Датчик обеспечивает точное измерение температуры образца и сигнала ДТА. Сигнал ДТА представляет собой разность между температурой образца и расчетным значением температуры эталона.

Когда печь закрыта, держатель с подставкой для образца находятся внутри корпуса печи.

Весы размещаются под правой передней крышкой модуля. Печь от весов отделяет фланец печи, который охлаждается, чтобы предотвратить помехи работе весов, создаваемые печью.

Обязательным условием надежной и точной работы модулей TMA/SDTA840 и TGA/SDTA851e, обеспечения воспроизводимости сигнала является термостатирование камеры весов. В качестве хладагента в термостате используют воду.

Модуль DSC822e

В состав б азового модуля DSC822e(Рис. 1) входят измерительная ячейка с керамическим сенсором и электронный блок управления.

Базовый модуль снабжен блоком питания мощностью 200 Вт и используется для измерений в интервале температур от комнатной до 500 °C максимальной скоростью нагрева 20 K/мин (при 500 °C). Охлаждение жидким азотом позволяет расширить рабочий диапазон DSC822eв область низких температур до -150 °C.

Корпус модуля DSC822eсостоит из трех частей (рис.?): блока управления (впереди слева), блока печи (впереди справа) и блока электроники (сзади).

 

 

На верхней панели модуля DSC822e имеется голубая поверхность, предназначенная для горячих предметов (например, чашек).

Измерительная ячейка ДСК расположена под передней левой панелью. Ячейка открывается и закрывается вручную с помощью неавтоматической крышки. Для удобства в открытом положении крышка помещается на подставку.

На правой передней панели расположен жидкокристалли-ческий дисплей (ЖКД), сигнализирующий о рабочем статусе модуля.

Модуль DSC822eподключается через интерфейс RS232 к порту COM1 или COM2 управляющего компьютера.

Встроенная панель управления позволяет задавать простые команды с клавиатуры. Ответные сообщения модуля, отображаются на жидкокристаллическом дисплее.

Низкоинерционная ячейка ДСК включает датчик теплового потока FRS5 с последовательностью из 56 золото-палладиевых термопар. Разрешение сигнала лучше 0.04 мкВт. 24-х битный аналогово-цифровой преобразователь обеспечивает цифровое разрешение более 16 миллионов точек.

Печь ДСК изготовлена из чистого серебра. Для измерения температуры печи используется датчик Pt100. Датчик ДСК смонтирован на керамическом диске, находящемся в непосредственном термическом контакте с нагревательной пластиной серебряной печи. Съем тепла с печи осуществляется через круглое термическое сопротивление по тепловоду.

Когда печь открывается, двигатель печи перемещает монтажную стойку. На монтажной стойке крепится фланец печи. Фланец печи отделяет печь от весов. Отверстие между печью и весами изолируется с помощью прокладок. Дефлекторы защищают весы от нагрева, вызываемого конвекцией и излучением. Фланец печи охлаждается, чтобы предотвратить помехи работе весов, создаваемые печью. Одновременно охлаждаются прокладки

В ходе эксперимента измеренные результаты непрерывно передаются из модуля DSC822eв компьютер. Записываемая экспериментальная кривая отображается также в окне Module Control.

 

 

Общий анализ кривых

Экспериментальные данные, получаемые практически любыми методами термического анализа, представляются в виде линий (обычно их называют кривыми вне зависимости от конкретного их вида), построенных в соответствующих координатах – графиков. Задача экспериментатора – получить из этих графиков информацию о состоянии исследуемого материала, процессах, которые в нем происходят. Для этого необходимо провести анализ полученных линий (кривых).

Анализ начинается с визуальной оценки вида линий по методике обычного математического анализа. По оси абсцисс (обычно ее называют горизонтальной осью) откладывается независимый параметр (аргумент), т.е. параметр, который в эксперименте изменяется по усмотрению экспериментатора. В ходе термического анализа в качестве аргумента чаще всего выбирают время или температуру. По оси ординат откладывается функция (измеряемая физическая величина), т.е. величина, каким-либо образом зависящая от аргумента в силу естественных причин, как правило, в силу физических или химических процессов, протекающих в материале.

Последовательность анализа можно представить в виде следующего алгоритма.

1. Определяем вид линии: прямая (линейная функция) или кривая (нелинейная).

1.1. Прямая линия может быть параллельна оси абсцисс (горизонтальна) или наклонена к ней.

1.1.1. Горизонтальная линия означает, что измеряемая физическая величина не зависит от выбранного аргумента (времени или температуры). Следовательно, состояние материала в ходе эксперимента не изменяется.