热分析技术及仪器发展的概况综述

热分析技术及仪器发展概况综述

蔡晓军，陈冠峰，陈瑞恒，陈泽鹏，陈镇杉，邓光亮，邓振威，杜婷，陈燕珊，傅凯琳

材料学院无机非金属专业08无机班

摘要本文综述了热分析技术及仪器主要的历史及现状，由此预测热分析的进一步发展前景。

关键词热分析;热分析技术;热分析仪器

Abstract History of thermal analysis is briefly reviewed and some trends are pointed out, directions of future progress in thermal analysis are anticipated for its sound development.

Keywords thermal analysis; thermal analysis techniques; thermal analysis instruments

1 引言

热分析的定义是在1977 年在日本京都召开的国际热分析协会（ＩＣＴＡ）第七次会议上诞生的，当时给热分析下定义：热分析是在程序控制温度下，测量物质的物理性质与温度的关系的一类技术。因此许多与热物理性质有关的分析方法都归属的热分析方法当中。

热分析是一种通过分析热力学参数随温度变化的关系对物质进行分析并揭示物质特性的方法。近年来,计算机技术和智能化数据处理技术的快速发展,将这些先进技术与热分析仪器的开发相结合,促进了热分析仪器实现快速、准确、便捷地测量,也使得热分析仪器的应用前景更加广泛。在新型热分析仪器的研制中,利用虚拟仪器技术

进行了系统硬件和系统软件的集成、系统模块化设计、智能PID算法、数据处理、图像显示等,并通过网络通信接口实现信息传递。所开发的热分析仪器控温系统能通过动态改变PID修正因子,及时改善控制

器系统对温度变化的敏感度;数据分析系统不仅能进行差热分析(DTA ) 、差示扫描量热分析(DSC) 、热重分析( TGA) 、微分热重分析(DTG) 、逸出气分析( EGA)等热分析实验,还能准确测量试样温度曲线上特征点的搜索,动态显示温度、差热(DTA) 、热重( TG)以及热重微分(DTG)的采样曲线。【1】

现在，热分析技术已渗透到物理、化学、化工、石油、冶金、地质、建材、纤维、塑料、橡胶、有机、无机、低分子、高分子、食品、地球化学、生物化学等各个领域。【2】

2 热分析的历史发展

热分析的起源可以追溯到１９世纪末。第一次使用的热分析测量方法是热电偶测量法，1887年法国勒·撒特尔第一次使用热电偶测温的方法研究粘土矿物在升温过程中热性质的变化。1899年英国人罗伯茨—奥斯坦进行了仪器改良，制成目前被广泛应用的差热分析仪的原始模型。由于Chatelier只用一根热电偶，因而，严格说不算是真正的差热分析而是热分析。直到1889年，英国人Robert和Austen采用两个热电偶反相连接，一个热电偶插入样品中，另一个插入参比物内，通过一镜式检流剂显示输出信号，直接记录样品和参比物之间的温差随时间的变化规律，这才是差热分析的真正含义。1915年，日本人本观多太郎研制出第一台热天平。二十年代，差热分析在粘土、矿物和硅

酸盐的研究中比较普遍。由于工业生产和科学技术的不断发展，热分析在五十年代得以较快的发展。【3】1949年ＶＯＩＤ研制出全自动记录的差示量热计。１９５１－１９５２年ＷＩｔｔｅｌ和Ｓｔｏｎｅ分别设计制造了高灵敏度差热分析仪和动态差热分析仪。1955年以前，在差热分析实验中，一般都是将热电偶的接点直接插入试样和参比物，1955年Boersma指出这种做法的弊病，并且开始把热电偶的接点埋入具有两个孔穴的镍钧匀块中，样品和参比物分别放在两个孔穴中，直到今日，差热分析仍用这种方法。１９５５年Ｂｏｅｒｓｍａ提出了差热分析理论和新的测量方法。１９５７年Ｇａｒｎ等把差热分析应用于化学分析。１９５８年Ｆｒｅｅｍａｎ－Ｇａｒｒａｌｌ用热重法进行动力学方面的研究工作。１９６０年Ｎｅｗｋｒｉｋｃ对热重法作了研究和评论。【3】60年代由于塑料、化学纤维的迅速发展, 尤其是航天技术的兴起, 需要一种有效的方法评估高分子材料的热稳定性和使用寿命等; 另一方面, 热分析技术的日臻成熟和热分析仪的商品化为实验的开展提供了条件, 1964年Wattson和ONeill 等人第一次提出了“差示扫描量热法”的概念，后来被Perkin-Elmer公司采用，研制了差示扫描仪DSC，由于DSC仪能直接测量物质在程序控温下所发生的热量变化，而且定量性和重复性都很好，于是受到人们的普遍重视，现在差示扫描量热仪的品种及差示扫描量热法的应用都很快。现在DSC仪器从设计原理上看可分为两大类：一类称“功率补偿示DSC”，另一类称“热流式DSC”，后者属于定量型DTA现代热分析仪。【4】同时主要的动力学方法在六十年代亦已建立起。【5】

热分析仪进一步向微型化方向发展有了很大的突破，灵敏度有着较大的提高。七十年代，热分析在自动化、微量化方面更为完善。1971年一种可把装有试样盘自动入炉膛的热天平问世，使热天平技术完全自动化。新型热分析联用技术亦发展较快，研制出的各种类型热分析仪有EGA、TMA、DMA、TG-DTA、TC-EGA、TG-MSC（质谱）、TG-（气相色谱）、DTA-MS等等。七十年代后期，由于计算机技术的迅速发展，使热分析从选择实验条件到数据处理全部有微处理机控制。这样，热分析仪达到了高度自动化并获得精确的实验结果。近年来,计算机技术和智能化数据处理技术的快速发展,将这些先进技术与热分析仪器的开发相结合,促进了热分析仪器实现快速、准确、便捷地测量,也使得热分析仪器的应用前景更加广泛。【6】在新型热分析仪器的研制中,利用虚拟仪器技术进行了系统硬件和系统软件的集成、系统模块化设计、智能PID算法、数据处理、图像显示等,并通过网络通信接口实现信息传递。所开发的热分析仪器控温系统能通过动态改变PID修正因子,及时改善控制器系统对温度变化的敏感度;数据分析系统不仅能进行差热分析(DTA ) 、差示扫描量热分析(DSC) 、热重分析( TGA) 、微分热重分析(DTG) 、逸出气分析( EGA)等热分析实验,还能准确测量试样温度曲线上特征点的搜索,动态显示温度、差热(DTA) 、热重( TG)以及热重微分(DTG)的采样曲线。【6】在上述发展的基础上，热分析已成为一门跨越许多科学技术领域的边缘学科。1965年召开了第一次国际热分析会议，并成立了国际热分析协会（ＩＣＴＡ）。为了热分析技术在国际上的交流，促进热分