差热分析仪工作原理

差热分析仪原理及其应用

差热分析仪是通过加热过程中的吸热和放热的行为以及材料的重量变化来研究材料加热时所发生的物理化学变化过程。通常差热分析仪是材料科学方面的最基本的设备之一。

差热分析仪的组成

一般的差热分析仪由加热系统、温度控制系统、信号放大系统、差热系统和记录系统等组成。有些型号的产品也包括气氛控制系统和压力控制系统。现将各部分简介如下：

差热分析仪构造

差热分析的测定原理

差热分析是利用差热电偶来测定热中性体与被测试样在加热过程中的温差将差热电偶的两个热端分别插在热中性体和被测试样中，在均匀加热过程中，若试样不发生物理化学变化，没有热效应产生，则试样与热中性体之间无温差，差热电偶两端的热电势互相抵消，若试样发生了物理化学变化，有热效应产生，试样与热中性体之问就有温差产生，差热电偶就会产生温差电势。将测得的试样与热中性体问的温差对时间(或温度)作图，就得到差热曲线(DTA曲线)。在试样没有热效应时，由于温差是零，差热曲线为水平线；在有热效应时，曲线上便会出现峰或谷。曲线开始转折的地方代表试样物理化学变化的开始，峰或谷的顶点表示试样变化最剧烈的温度，热效应越大，则峰或谷越高，面积越大。

差热分析仪主要由温度控制系统和差热信号测量系统组成，辅之以气氛和冷却水通道，测量结果由记录仪或计算机数据处理系统处理。

1.差热分析仪温度控制系统

该系统由程序温度控制单元、控温热电耦及加热炉组成。程序温度控制单元可编程序模拟复杂的温度曲线，给出毫伏信号。当控温热电

耦的热电势与该毫伏值有偏差时，说明炉温偏离给定值，由偏差信号调整加热炉功率，使炉温很好地跟踪设定值，产生理想的温度曲线。

2.差热分析仪差热信号测量系统

该系统由差热传感器、差热放大单元等组成。

差热传感器即样品支架，由一对差接的点状热电耦和四孔氧化铝杆等装配而成，测定时将试样与参比物（常用α-Al2O3）分别放在两只坩埚中，置于样品杆的托盘上，然后使加热炉按一定速度升温（如1 0℃·min-1）。如果试样在升温过程中没有热反应（吸热或放热），则其与参比物之间的温差ΔT＝0；如果试样产生相变或气化则吸热，产生氧化分解则放热，从而产生温差ΔT，将ΔT所对应的电势差（电位）放大并记录，便得到差热曲线。各种物质因物理特性不同，因此表现出其特有的差热曲线。

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的函数关系的仪器。由程序控制部件、炉体和记录仪组成，可电脑控制，打印试验报告。

1差热分析在确定水泥水化产物中的应用

不同品种的水泥在水化过程中得到的水化产物是不同的，即使是同种水泥，由于生产或水化过程的环境、条件不同，得到的水化产物的品种及数量也不尽相同。不同的水化产物在加热过程中脱水、分解的温度各不相同，体现在DTA曲线上就会在不同温度下出现不同的峰和谷。对某普通硅酸盐水泥水化28d的DTA曲线研究可以看出，D TA曲线上的103℃、123℃、140℃、464℃、710℃和25℃处都出现了吸热峰。在103℃出现吸热峰的同时伴随有1.31％的失重，这是水化试样脱去游离水的过程。继续加热，在123℃、140℃、464℃、71 0℃出现的吸热峰则分别是C—S—H凝胶脱水、水化硫铝酸钙(Art)脱

水、氢氧化钙脱水和碳酸钙分解的吸热峰，这些过程都伴随有不同程度的失重。725℃的吸热峰应是日一C：S发生晶型转变的吸热峰，晶型转变时没有重量变化。在这些吸热峰中又以水化硅酸钙脱水、氢氧化钙脱水和碳酸钙分解的吸热峰最为明显。

2差热分析在研究水化速度及进程上的应用

各种熟料单矿物和水泥的水化速度可以用结合水、水化热或水化深度等方法测定，差热分析也是一种相当有效的方法。图5是C2S和C3S两种单矿物水化3d的DTA曲线。比较两条曲线可以看出C2S和C3S水化后的DTA曲线上都有水化硅酸钙的脱水吸热峰和CaCO3的分解吸热峰，但C2S的DTA曲线上的峰较弱，而cs的DTA曲线上的峰较宽、较深，且具有明显的Ca(OH)2的脱水吸热峰，这说明C3S 的水化速度比C2S快、水化产物数量多。

3差热分析在玻璃研究中的应用

差热分析可以用于玻璃科学研究的很多方面，包括微晶玻璃晶化工艺、玻璃析晶动力学、玻璃分相等。在玻璃工业节能方面，差热分析也有重要的应用。此外，根据差热分析测试结果，可以获得玻璃的特征温度，根据这些特征温度计算出各种指标，可从不同的角度和不同的指标判定玻璃的稳定性。

差热分析是研究微晶玻璃晶化工艺行之有效的方法。由差热分析结果可判断出玻璃的析晶活化能，同时还可准确快速的确定最佳热处理温度。通过差热分析曲线的形状还可大致了解玻璃的结晶能力和热处理过程的软化变形情况。

利用差热分析确定微晶玻璃最佳处理工艺热处理工艺对微晶玻璃晶化后材料的性能具有重要影响。根据差热分析曲线上的放热峰位置，可先固定生长温度，在不同的成核温度保温，研究成核速度随温

度的变化规律并确定最佳成核温度。还可以通过改变成核的生长温度，找出生长速度随温度变化规律，确定最佳成核的生长温度。此外，在晶化温度停留的时间也可由差热分析曲线得出。通过实验不断延长玻璃晶化时间并作差热分析，相应于结晶相的放热结晶峰，晶化程度较差时，差热分析曲线上放热峰峰值会有所减弱，峰强度会有所降低；反之，当玻璃达到较高的微晶化后，则不发生上述现象。

4差热分析在硅酸盐工业节能方面的应用

硅酸盐工业是高能耗的产业，节约能源、提高能源的利用率，符合可持续发展

战略的工业生产要求，且有利于改善环境，保护资源，促进经济稳定可持续发展。硅酸盐工业使用的原料种类较多，由于其化学成分、矿物组成及成岩机理的不同，在生产硅酸盐产品时消耗的能耗存在较大的差异，当原料确定后，其地质岩相组成决定着物料的易烧性和能耗高低。利用DTA技术可以判断原料的易烧性或易熔性，为硅酸盐工业优化选择原料，提供参考依据，达到节能之目的。在生产水泥的配合生料中，石灰石占80%左右，石灰石分解温度的高低是决定水泥烧成的热耗高低和生料的易烧性的主要因素，前者与石灰石中Ca O含量有关，而后者与其地质成因相关。图6表示不同品位石灰石的差热曲线，从曲线上可知，石灰石的CaO含量不同，其分解温度差在200℃左右，随CaO含量降低，分解温度降低，因此在满足配合生料成分的前提下，选择合适品位的石灰石匹配有利于节约能耗。浙江诸暨应店街水泥厂、云石水泥厂、墨城水泥厂用CaO含量为46%和Ca O为38%～42%石灰石搭配煅烧，兆山水泥厂用平均含量为44%的石灰石煅烧，热耗都在3745.28kJ/kg-Clinker，其能耗水平以国家专业标准ZBQ01002-90《水泥能耗等级定额》对照，达到机立窑国家一级和国家二级之间。在硅酸盐玻璃中，选择能加快石英熔融并降低石英熔