Термический анализ

Термический анализ

Термический анализ — раздел материаловедения, изучающий изменение свойств материалов под воздействием температуры. Обычно выделяют несколько методов, отличающихся друг от друга тем, какое свойство материала измеряется:

• Дифференциально-термический анализ (ДТА): температура
• Дифференциально-сканирующая калориметрия (ДСК): теплота
• Термогравиметрический анализ (ТГА): масса
• Термомеханический анализ (ТМА): линейный размер
• Дилатометрия (Дил): объём
• Динамический механический анализ (ДМА): механическая жёсткость и амортизация
• Диэлектрический термический анализ (ДЭТА): диэлектрическая проницаемость и коэффициент потерь
• Анализ выделяемых газов (ГТА): газовые продукты разложения
• Термооптический анализ(ТОА): оптические свойства
• Визуально-политермический анализ (ВПА): форма
• Лазерный импульсный анализ (ЛПА): температурный профиль
• Термомагнитный анализ(ТМА): магнитные свойства

Под синхронным термическим анализом (СТА) обычно понимают совместное использование термогравиметрии (ТГА) идифференциально-сканирующей калориметрии (ДСК) одного и того же образца на одном инструменте.

В этом случае условия эксперимента практически одинаковы для обоих сигналов (атмосфера, скорость потока газа, давление насыщенного пара над образцом, скорость нагрева и охлаждения, термический контакт образца с тиглем и датчиком температуры, эффект излучения и т. д.).

Полученная информация может быть еще более расширена при оснащении инструмента СТА системой анализа газовой фазы (ГТА) — ИК-фурье спектроскопией (ИК-фурье) или масс-спектрометрией 

Несмотря на то, что основные принципы термического анализа известны уже в течении  многих лет, он начал использоваться в литейном производстве только в начале 60-х годов. С тех пор были выполнены миллионы успешных измерений. Распространению этого метода способствовали разработка надежных пор-тативных электронных регистрирующих приборов, принимающих и обрабатывающих первичные сигналы, а также низкая цена расходуемых кристаллизационных стаканчиков.  

          В настоящее время термический анализ является широко распространенным методом быстрого, точного и дешевого экспресс-анализа литейного чугуна, стали и цветных литейных сплавов, проводимым непосредственно на рабочей площадке плавильных агрегатов.  

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ 

     Термический анализ основан на интерпретации кривой охлаждения (зависимости температура-время) кристаллизующегося сплава с выявлением на ней характерных участков, соответствующих протекающим фазовым превращениям. Последние, в свою очередь, жестко связаны с  химическим составом сплава.     

     Термический анализ позволяет определять углеродный эквивалент (%CEL), содержание углерода (%С) и кремния (%Si) в литейных чугунах, эффективность их модифицирования и инокуляции, углеродный эквивалент стали, степень измельчения зерна и эффективность модифицирования алюминиевых литейных сплавов и многое другое, о чем будет сказано ниже в разделах 5, 6, 7 и 8.

Другие (менее распространенные) методы основаны на измерении звука или эмиссии света от образца, электрического разряда от диэлектрического материала или механической релаксации в нагруженном образце.

Объединяющей сущностью всех перечисленных методов является то, что отклик образца 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.

Атомно-силовая микроскопия использует тонкий зонд для отображения топологии и механических свойств поверхностей с высокой пространственной разрешающей способностью. Управляя температурой горячего зонда и/или образца можно реализовать метод термического анализа с пространственным разрешением.

Термический анализ также часто используется как один из основных методов изучения теплопередачи через структуры. Базовые данные для моделирования поведения и свойств таких систем получают измеряя теплоёмкость и теплопроводность

Термический анализ фармацевтических материалов

ДСК и ТГА часто используют для анализа фармацевтических материалов. ДСК позволяет исследовать изменения, происходящие при полиморфных превращениях при различных скоростях нагрева.

Таким образом, может быть определена скорость нагрева, необходимая для обеспечения полиморфоной чистоты продукта (иногда необходимо обеспечить скорость до 750 °C/мин).

ТГА часто используется для измерения остатка растворителя и влажности, но также может быть применен для определения растворимости фармацевтических материалов в растворителях.

Термический анализ полимеров

Термопластические полимеры применяются в упаковочных материалах и хозяйственных товарах, и для исследования таких материалов, а именно влияния используемых в них добавок (включая стабилизаторы и цветовые добавки) и оптимизации процесса прессования или выдавливания используется метод ДСК.

Например — ДСК времени индукции окисления позволяет определить количество стабилизатора окисления, присутствующего в термопласте (обычно полиолефин). Анализ часто проводится синхронно с ТГА, который помогает разделить влияние наполнителей, полимерной смолы и других добавок.

ТГА может также дать информацию о температурной устойчивости полимера и оценить эффективность добавок (например, огнезащитных).

Термический анализ композиционных материалов

Космические компании часто используют эти анализаторы при повседневном контроле качества, чтобы гарантировать, что производимые изделия удовлетворяют заданным техническим условиям. У изготовителей гоночного автомобиля Формулы 1 также есть подобные потребности.

ДСК используется для определения утверждающих свойств смол, используемых в композиционных материалах, и может также подтвердить, может ли смола затвердеть и сколько теплоты выделится в процессе затвердевания. Применение анализа прогнозирующего кинетику может помочь настроить производственные процессы.

Другим примером может служить применение ТГА для измерения содержания волокон в композитах путем нагрева пробы до ухода из нее смолы и определения потери массы.

Литейный чугун является железо-углеродистым сплавом  , содержащим так-же Si, Mn, P, и S. углерода в нем должно быть достаточным для того, чтобы во время кристаллизации выделиться в виде графита (стабильная система) или цементита (метастабильная система)

     Двойная диаграмма Fe-C, показанная на рис. 4, не может быть использована для термического анализа нелегированного чугуна из-за сильного влияния Si и Р на положение точек С’ (C ) и Е’ (E) и линий ликвидуса и солидуса.

      Для нелегированного чугуна эвтектический состав не соответствует 4.3%  (как это следует из диаграммы Fe-C), а  сдвигается в более низкую область и  рассчитывается по эмпирическому уравнению:

                                         %С = 4.3 — 1/3 (%Si + %P).

     Влияние Si и Р может быть выражено в пересчете на на углеродный эквива-лент  по формуле:

                                      %CEV = %C + 1/3 (%Si + %P).

     Величина %SEV для чугуна дает представление о том, как сильно его состав отличается от эвтектического. Литейный чугун может быть классифицирован  как доэвтектический, эвтектический  и  заэвтектический  в  зависимости  от того,  как  его  %СEV  отличается  от 4.3%.

Как  уже отмечалось выше, классическая двойная диаграмма состояния Fe-C  не может быть использована для термического анализа чугуна. Для этого следует использовать четверную диаграмму Fe-C-Si-P. Однако из-за  её сложности  было предложено использовать прямые зависимости между температурой лик-видус и содержаниями C, Si и Р

           Первое практически важное корреляционное уравнение для нелегированного серого чугуна было предложено Humphreys (BCIRA) в следующем виде:

                               TL (°С) = 1669 — 124 (%C + %Si/4 + %P/2),

СEL  называют ликвидусным углеродным эквивалентом

Современные приборы для термических методов анализа. Принципы, устройство, фирмы-производители, (стр. 1 из 5)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

«МОГИЛЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени А.А. КУЛЕШОВА»

ФАКУЛЬТЕТ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

КАФЕДРА ХИМИИ

Реферативное сообщение:

“Современные приборы для термических методов анализа. Принципы, устройство, фирмы-производители, ноу-хау разных производителей”.

Подготовила:

Ильюшенко Ирина, 3«Х»

Преподаватель:

Пахоменко А.Н.

МОГИЛЕВ 2010

СОДЕРЖАНИЕ

— Термический анализ. Методы термического анализа.

— Современные приборы для термического анализа.

· Динамические механические анализаторы

· Дифференциальные сканирующие калориметры

· Термогравиметрические анализаторы

· Термомеханические анализаторы

· Модульные макротермогравиметрические анализаторы TGA-1000, TGA-2000, TGA-3000

— Список использованных источников

Термический анализ. Методы термического анализа.

ТЕРМОГРАВИМЕТРИЯ — метод термического анализа, основанный на непрерывной регистрации изменения массы (взвешивании) образца в зависимости от его температуры в условиях программированного изменения температуры среды. Программы изменения температуры могут быть различны.

Наиболее традиционным является нагревание образца с постоянной скоростью.

Однако нередко используются методы в которых температура поддерживается постоянной (изотермические) или меняется в зависимости от скорости разложения образца (например метод постоянной скорости разложения).

Наиболее часто термогравиметрический метод используется при изучении реакций разложения или взаимодействия образца с газами, находящимися в печи прибора. Поэтому современный термогравиметрический анализ всегда включает в себя строгий контроль атмосферы образца с использованием встроенной в анализатор системы продува печи (контролируются как состав так и расход продувочного газа).

Обычно выделяют несколько методов, отличающихся друг от друга тем, какое свойство материала измеряется:

· Дифференциально-термический анализ (ДТА)- метод исследования, заключающийся в нагревании или охлаждении образца с определенной скоростью и записи временной зависимости разницы температур между исследуемым образцом и образцом сравнения (эталоном), не претерпевающим никаких изменений в рассматриваемом температурном интервале.

· Дифференциально-сканирующая калориметрия (ДСК): теплота

· Термогравиметрический анализ (ТГА)- метод термического анализа, при котором регистрируется изменение массы образца в зависимости от температуры.Этот метод анализа полагается на высокоточные измерения трех параметров: веса, температуры и изменения температуры.

· Термомеханический анализ (ТМА): линейный размер

· Дилатометрия (Дил): объём

· Динамический механический анализ (ДМА) : механическая жёсткость и амортизация

· Диэлектрический термический анализ (ДЭТА): диэлектрическая проницаемость и коэффициент потерь

· Анализ выделяемых газов (ГТА) : газовые продукты разложения

· Термооптический анализ(ТОА) : оптические свойства

· Визуально-политермический анализ (ВПА): форма

· Лазерный импульсный анализ (ЛПА): температурный профиль

· Термомагнитный анализ(ТМА) : магнитные свойства

Под синхронным термическим анализом (СТА) обычно понимают совместное использование термогравиметрии (ТГА) и дифференциально-сканирующей калориметрии (ДСК) одного и того же образца на одном инструменте.

В этом случае условия эксперимента практически одинаковы для обоих сигналов (атмосфера, скорость потока газа, давление насыщенного пара над образцом, скорость нагрева и охлаждения, термический контакт образца с тиглем и датчиком температуры, эффект излучения и т.д.).

Полученная информация может быть еще более расширена при оснащении инструмента СТА системой анализа газовой фазы (ГТА) — ИК-фурье спектроскопией (ИК-фурье) или масс-спектрометрией (МС).

Другие (менее распространенные) методы основаны на измерении звука или эмиссии света от образца, электрического разряда от диэлектрического материала или механической релаксации в нагруженном образце.

Объединяющей сущностью всех перечисленных методов является то, что отклик образца 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).

Также используется восстановительная или химически активная газовая среда, образцы помещаются в воду или другую жидкость.

Обращённая газовая хроматография является методикой, которая изучает взаимодействие газов и паров с поверхностью — измерения часто проводятся при различных температурах, так что они могут быть рассмотрены как одна из разновидностей термического анализа.

Атомно-силовая микроскопия использует тонкий зонд для отображения топологии и механических свойств поверхностей с высокой пространственной разрешающей способностью. Управляя температурой горячего зонда и/или образца можно реализовать метод термического анализа с пространственным разрешением.

Термический анализ также часто используется как один из основных методов изучения теплопередачи через структуры. Базовые данные для моделирования поведения и свойств таких систем получают измеряя теплоёмкость и теплопроводность.

Современные приборы для термического анализа.

Динамические механические анализаторы

Динамический механический анализ — мощный инструмент для исследования вязкоупругих свойств материалов (модуля упругости) в зависимости от различных факторов, в первую очередь от температуры и частоты приложенной нагрузки.

Динамический механический анализатор

МЕТТЛЕР ТОЛЕДО создала уникальный динамический механический анализатор DMA861, технические возможности которого являются непревзойденными для приборов данного класса:

* — при трехточечном изгибе
** — при контролируемой скорости охлаждении

В отличие от приборов других производителей, динамический механический анализатор МЕТТЛЕР ТОЛЕДО оснащен не только датчиком смещения, но также и датчиком силы (пьезоэлектрический кристалл), который позволяет регистрировать реальный отклик по нагрузке.

Используя динамический механический анализатор DMA861, можно проводить измерения в следующих режимах:

— одночастотный режим

— многочастотный режим при одновременном наложении нескольких частот

— многочастотный режим при последовательном наложении нескольких частот

Дифференциальные сканирующие калориметры

Дифференциальная сканирующая калориметрия — метод, основанный на измерении разницы тепловых потоков, идущих от испытуемого образца и образца сравнения. Получаемая информация позволяет определять характер протекающих процессов и характеризовать свойства испытуемого материала. С июня 2007 года компания МЕТТЛЕР ТОЛЕДО выпускает новый дифференциальный сканирующий калориметр DSC1.

Уникальные особенности дифференциального сканирующего калориметра DSC1

Низкоинерционная ячейка дифференциального сканирующего калориметра DSC1

позволяет полностью реализовать все преимущества принципа измерения теплового потока. Материал печи – серебро, обеспечивающий высокую скорость передачи тепла от нагревательного элемента к датчику ДСК.

Дифференциальная термопара

В дифференциальных сканирующих калориметрах МЕТТЛЕР ТОЛЕДО придерживается концепции дифференциальной термопары, согласно которой увеличение количества спаев термопары увеличивает общую чувствительность измеряемого сигнала. На выбор предлагается два вида датчиков: стандартный датчик с 56 термопарами и датчик повышенной чувствительности со 120 термопарами.

Что такое термический анализ

Термический анализ – одна из отраслей физико-химического анализа, которая в последнее время превратилась в высокочувствительный и совершенный метод фазового анализа.

Фазовый анализ основан на определении по полученным термограммам характерных температур фазовых превращений, являющихся специфическими для тех или иных веществ.

Большинство физических и химических процессов сопровождается выделением или поглощением тепла и изменением массы образца.

В 1955 году был сконструирован аппарат для сложного термического анализа (авторы Ф. Паулик, И. Паулик, Л. Эрдеи), посредством которого внутри одной единственной пробы одновременно измеряются температура (кривая Т), вес (кривая ТГ), скорости изменений температуры и веса (кривые ДТА и ДТГ) вещества. Этот аппарат был назван дериватографом.

Исследуемый образец подвергается постепенному нагреванию с непрерывной регистрацией температуры, которая осуществляется при помощи трех термопар. Одна из них измеряет температуру 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.

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, гальванометр дает показания, соответствующие по направлениям величине разностям температур.

На кривой ДТА в этот момент появляется пик, направление которого указывает, является ли реакция эндотермической (пик вниз) или экзотермической (вверх).

Регистрация массы образца осуществляется при помощи аналитических весов, связанных с держателем тигля. При этом изменение массы навески анализируемого вещества записывается в виде термогравиметрической кривой (ТГ).

Аппарат измеряет также и скорость изменения веса с помощью катушки с большим числом витков, связанной с коромыслом весов и движущейся в однородном поле постоянного магнита. Индуцирующаяся при этом ЭДС пропорциональна скорости отклонения весов (скорости изменения веса образца – кривая ДТГ).

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.

Факторы, влияющие на процесс термического разложения и на вид характеристических кривых

Протекание превращений определяется в основном тремя факторами: теплопроводностью испытуемых веществ, их теплоемкостью и равновесием химических реакций. Влияние остальных факторов либо незначительно, как, например, каталитическое действие посторонних ионов, либо может сводится к вышеуказанным трем факторам (влияние скорости нагрева и т.д.).

Термические реакции, например, реакции разложения, должны были бы происходить при определенной температуре моментально и полностью, как только соединению сообщена энергия, достаточная для разрыва валентных связей (естественно, подразумевая малую теплоемкость и бесконечно большую теплопроводность пробы).

При таких идеальных условиях реакции пики на кривых ДТА и ДТГ проявились бы в виде игольчато-острых максимумов.

Известно также, что термические реакции приводят к равновесию, и скорость их зависит в значительной мере от температуры. Подавляющее большинство реакций происходит между различными фазами: например, твердой и газообразной.

Реакции, связанные с выделением газа, начинаются медленно и заканчиваются лишь при значительном повышении температуры. Упругость газообразного компонента достигает атмосферного давления с начала разложения постепенно, обычно при температуре на несколько сот градусов выше.

В связи с этим, максимумы на кривых ДТА и ДТГ таких реакций получаются, вместо идеальных игольчатых, расширенными с растянутым главным периодом.

При термических исследованиях часто встречаются соединения, разлагающиеся на твердые и газообразные фазы, поэтому будет целесообразно обсудить вопрос о влиянии условий опыта на характеристические температуры и на весь ход реакции.

Термическое разложение упомянутых соединений происходит постепенно, при этом каждой температуре принадлежит определенное давление газа, называемое давлением разложения. С практической точки зрения это приводит к тому, что при проветривании печи дериватографа разложение продукта начинается раньше (кривые ДТГ служат тому доказательством).

Протекание термического разложения соединений, диссоциирующих на твердые и газообразные компоненты, подвергнуто значительному влиянию опытных условий: затрудненное удаление газообразного побочного продукта, вследствие более закрытой формы сосуда для пробы, уплотненность или увеличивающееся количество высвобождающего газа (большая навеска) способствуют образованию большего парциального давления внутри пробы, что косвенным путем приводит к смещению разложения в сторону более высоких температур.

Расхождение между характеристическими температурами может возникнуть и в случаях, когда сосуд для пробы будет наполнен полностью или до половины (в первом случае высвобождающийся газ или воздух, движущийся ему навстречу, проходят через слой образца большей величины; ошибка будет исключена, если сосуд сделать шире, при этом факторы, влияющие на концентрацию газа, изменяется пропорционально).

Кривые, снятые при различных скоростях нагрева, ясно иллюстрируют, что при быстром повышении температуры печи максимумы отдельных процессов разложения значительно расширены, и их характеристические температуры смещены в сторону более высоких.

Это объясняется тем, что, с одной стороны, при более высоком повышении температуры освобождающиеся газообразные продукты успевают больше накопляться внутри пробы, а с другой – внутри пробы образуется более высокий перепад температур, чем при медленном нагреве.

На практике исходят из того, что с одной стороны ставится цель большего увеличения роста температуры (иначе максимумы превращений могут перекрывать друг друга – отрицательное явление), с другой стороны, важно более быстрое проведение испытания.

На значение температурных характеристик важную роль оказывают и посторонние ионы, сопутствующие испытуемому веществу: так загрязнения могут значительно снизить температуру разложения соединений.

Характеристические температуры превращений зависят от кристаллической структуры испытуемого соединения, которая, из-за условий осаждения, может быть не вполне упорядоченной или же загрязненной; такие решетки разрушаются, естественно, при более низкой температуре.

Практическое применение термического анализа

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 и, следовательно, используемым обыкновенно для качественного и количественного анализа.

Термограмма с индивидуального вещества является документом, отлично характеризующим его физико-химические свойства. Температуры таких фазовых превращений, как плавление и кипение, позволяют судить о степени чистоты и наличии или отсутствии твердых растворов в веществе.

Кроме того, по термограмме легко определять температурные интервалы устойчивости той или иной фазы, например, различных кристаллогидратов, полиморфных форм и т.д.

Одновременно термография позволяет устанавливать характер разложения или дегидратации, степень влияния различных добавок на фазовые превращения, происходящие в веществе при нагревании, кинетику того или иного процесса.

Само фазовое превращение также может служить объектом исследования. В этом отношении интересным примером является проведенное И.С.Рассонской и Н.К.Семендяевой изучение фазового превращения сульфата натрия в интервале температур около 230-260(C. Оказалось, что в зависимости от условий кристаллизации удается получить различные модификации, обладающие различными температурными превращениями.

Тем самым стало ясно, почему на кривых нагревания наблюдается один эндотермический эффект, протекающий притом в некотором интервале температур, в то время как на кривых охлаждения превращение характеризуется двумя ступенями. Влияние примесей на температуры полиморфных превращений позволяет с достаточной чувствительностью устанавливать изоморфизм решеток исследуемой фазы и вводимой примеси.

Способность нестабильных структур при некоторых температурах переходить в устойчивые формы с выделением тепла позволяет применить метод термографии к характеристике и оценке активности многих катализаторов, так как последние в большинстве случаев высокодисперсны и дают на термограммах ясно выраженные экзотермические эффекты. Величина этих эффектов характеризует активность катализаторов.

Довольно широкое использование получила термографическая характеристика каменных углей, антрацитов, полуоксов и процессов пиролиза твердых топлив. При этом термографический анализ каменных углей подтвердил представление о взаимосвязи между началом термического разложения углей и свойствами, характерными для различных стадий метаморфизма.

Установлено также, что тепловые эффекты процесса коксования углей вызываются окислительными процессами и отгонкой летучих веществ, но эффекты минеральной части топлива даже при малом ее содержании проявляются довольно резко и вносят некоторые усложнения в расшифровку термограмм.

Использование метода термографии для исследования процессов гидратации цементов позволило достаточно точно охарактеризовать как кинетику процессов гидратации различных цементов, так и влияние минералогического состава цементов на течение процессов гидратации.

Переход из неустойчивого состояния в устойчивое является одним из ценных свойств для характеристики многих веществ или процессов.

Самопроизвольный распад твердых растворов в металлических системах открывает широкие возможности для изучения процессов старения сплавов, а также условий отжига и закалки. Термограмма позволяет выяснить «предысторию» получения данного образца.

Можно, например, установить, какой термообработке был подвергнут сплав, не был ли сплав перегрет при закалке. Такие термограммы в ряде случаев могут пригодиться в экспертизе для выяснения причин поломок изделий.

Несмотря на то что термография начинает все более широко применяться в самых разнообразных областях науки и техники, необходимо иметь в виду, что не всегда термографический метод дает положительные результаты, поскольку и он, разумеется, имеет пределы возможного применения.

Дифференциально-термический анализ

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ и СВОЙСТВ ПОЛИМЕРОВ

ДТА основан на определении температуры, при которой на­греваемый образец претерпевает какие-либо превращения (физиче­ские или химические), сопровождающиеся тепловым эффектом (вы-; делением или поглощением теплоты). Так, при окислении теплота будет выделяться, при термическом разрушении — поглощаться.

Существует много различных приборов для ДТА, различаю­щихся устройством нагревательного элемента, регистрирующих при­боров и т. п. Однако принцип действия этих приборов, в общем, один и тот же.

Если подвергнуть одновременному нагреванию два образца, в одном из которых (испытуемом) происходят изменения, а в другом (эталонном) изменений не происходит, то тепловые потоки, а следо­вательно, и температуры образцов будут различными.

Разность в тем­пературах в исследуемом образце и эталоне характеризует интенсив­ность процесса, а температура, при которой наблюдается экстремаль­ная разность, указывает условия протекания процесса.

Поэтому во всех конструкциях приборов предусмотрена воз­можность одновременного нагревания двух или более одинаковых по форме и размерам ячеек для образцов (рис. 15.2).

В одну из них (пла­тиновый тигель) помещают навеску полимера 1 (желательно в виде мелкодисперсного порошка), а в другую — примерно такой же объем эталонного вещества 2 (оксида алюминия).

Тигли устанавливают в прибор на торцы вертикально стоящих фарфоровых трубок.

Дисками программного управления задают начальное напря­жение, скорость повышения температуры (обычно 5 град/мин) и ко­нечную температуру (около 300 °С).

Испытания проводят при постоянном подъеме температур, записы­вая разность температур на диаграммной бумаге как функцию темпе­ратуры. В результате получают кривую ДТА (рис. 15.3).

При обработке результатов эксперимента горизонтальную ось градуируют по температуре, пользуясь записанной линейной зависи­мостью Т(т). По положению пика эндотермического процесса можно найти температурный интервал плавления кристаллической фазы по­лимера. Экзотермический процесс обычно связывают с окислением полимера, при котором начинается потеря массы образца.

Определение точной величины теплового эффекта процесса по кривой ДТА затруднено из-за влияния различных побочных факторов [на ход кривой.

Поэтому метод оказывается удобным для сравнения различных образцов полимеров на качественном уровне, для исследо­вания смесей кристаллизующихся и некристаллизующихся полиме­ров.

Для сравнения кристаллизуемости полимеров измеряют площади пиков эндотермического процесса либо с помощью планиметра, либо путем взвешивания на аналитических весах вырезанных участков диа­грамм, соответствующих эндотермическим пикам.

Особенно часто с помощью ДТА исследуют температурный интервал и температуру плавления полимеров. Начало плавления определяют по началу резко­го отклонения дифференциальной кривой, а температурой плавления считают температуру, соответствующую максимуму пика.

Основной недостаток ДТА заключается в зависимости полу­чаемых результатов от конструкции приборов, условий подготовки образцов, что затрудняет количественное описание процессов.

Чаще всего пользуются оптическими или радиоизотопными методами. Оптические методы предполагают исследование тонких плёнок, приготовленных из композиции. В образцах, которые обяза­тельно должны быть прозрачными, оценивается число частиц серы, однако этот метод …

Безроторные реометры

В безроторных реометрах поведение резиновой смеси в про­цессе вулканизации оценивается в колеблющейся полуформе. Крутя­щий момент, передаваемый через образец, измеряют датчиками в дру­гой полуформе, а непосредственное использование нагретых полу­форм сокращает продолжительность …

Исследование вулканизатов

Деструктивные процессы в вулканизационных сетках, проте­кающие при термоокислительном воздействии в поле механических нагрузок, обусловливают необратимую статическую и динамическую ползучесть (крип). Для эластомерных систем предлагается [36] новый метод ТМА, основанный на …

План:

Введение
• 1 Термический анализ фармацевтических материалов
• 2 Термический анализ полимеров
• 3 Термический анализ композиционных материалов
• 4 Термический анализ металлов
• 5 Термический анализ еды
• 6 Термический анализ печатных плат
• 7 Внешние ссылки

Источники

Термический анализ — раздел материаловедения, изучающий изменение свойств материалов под воздействием температуры. Обычно выделяют несколько методов, отличающихся друг от друга тем, какое свойство материала измеряется:

• Дифференциально-термический анализ (ДТА): температура
• Дифференциально-сканирующая калориметрия (ДСК): теплота
• Термогравиметрический анализ (ТГА): масса
• Термомеханический анализ (ТМА): линейный размер
• Дилатометрия (Дил): объём
• Динамический механический анализ (ДМА) : механическая жёсткость и амортизация
• Диэлектрический термический анализ (ДЭТА): диэлектрическая проницаемость и коэффициент потерь
• Анализ выделяемых газов (ГТА) : газовые продукты разложения
• Термооптический анализ(ТОА) : оптические свойства
• Визуально-политермический анализ (ВПА): форма
• Лазерный импульсный анализ (ЛПА): температурный профиль
• Термомагнитный анализ(ТМА) : магнитные свойства

Под синхронным термическим анализом (СТА) обычно понимают совместное использование термогравиметрии (ТГА) и дифференциально-сканирующей калориметрии (ДСК) одного и того же образца на одном инструменте.

В этом случае условия эксперимента практически одинаковы для обоих сигналов (атмосфера, скорость потока газа, давление насыщенного пара над образцом, скорость нагрева и охлаждения, термический контакт образца с тиглем и датчиком температуры, эффект излучения и т. д.).

Другие (менее распространенные) методы основаны на измерении звука или эмиссии света от образца, электрического разряда от диэлектрического материала или механической релаксации в нагруженном образце.

Объединяющей сущностью всех перечисленных методов является то, что отклик образца 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).

Также используется восстановительная или химически активная газовая среда, образцы помещаются в воду или другую жидкость.

Обращённая газовая хроматография является методикой, которая изучает взаимодействие газов и паров с поверхностью — измерения часто проводятся при различных температурах, так что они могут быть рассмотрены как одна из разновидностей термического анализа.

Атомно-силовая микроскопия использует тонкий зонд для отображения топологии и механических свойств поверхностей с высокой пространственной разрешающей способностью. Управляя температурой горячего зонда и/или образца можно реализовать метод термического анализа с пространственным разрешением.

Термический анализ также часто используется как один из основных методов изучения теплопередачи через структуры. Базовые данные для моделирования поведения и свойств таких систем получают измеряя теплоёмкость и теплопроводность.

1. Термический анализ фармацевтических материалов

ДСК и ТГА часто используют для анализа фармацевтических материалов. ДСК позволяет исследовать изменения, происходящие при полиморфных превращениях при различных скоростях нагрева.

Таким образом, может быть определена скорость нагрева, необходимая для обеспечения полиморфоной чистоты продукта (иногда необходимо обеспечить скорость до 750 °C/мин).

ТГА часто используется для измерения остатка растворителя и влажности, но также может быть применен для определения растворимости фармацевтических материалов в растворителях.

2. Термический анализ полимеров

Термопластические полимеры применяются в упаковочных материалах и хозяйственных товарах, и для исследования таких материалов, а именно влияния используемых в них добавок (включая стабилизаторы и цветовые добавки) и оптимизации процесса прессования или выдавливания используется метод ДСК.

Например — ДСК времени индукции окисления позволяет определить количество стабилизатора окисления, присутствующего в термопласте (обычно полиолефин). Анализ часто проводится синхронно с ТГА, который помогает разделить влияние наполнителей, полимерной смолы и других добавок.

ТГА может также дать информацию о температурной устойчивости полимера и оценить эффективность добавок (например, огнезащитных).

3. Термический анализ композиционных материалов

Композиционные материалы, таких как углеродные волокна или стеклянные эпоксидные композиты часто исследуются методом ДМА, позволяющим измерить жесткость материалов, определить модуль деформации и демпфирования (абсорбцию энергии).

Космические компании часто используют эти анализаторы при повседневном контроле качества, чтобы гарантировать, что производимые изделия удовлетворяют заданным техническим условиям. У изготовителей гоночного автомобиля Формулы 1 также есть подобные потребности.

Другим примером может служить применение ТГА для измерение содержания волокон в композитах путем нагрева пробы до ухода из нее смолы и определения потери массы.

7. Внешние ссылки

• Thermal Analysis
• Thermal Analysis, Cambridge University
• International Confederation for Thermal Analysis and Calorimetry (ICTAC)

Источники

1. Инструменты СТА фирмы NETZSCH-Gerätebau

скачать
Данный реферат составлен на основе статьи из русской Википедии. Синхронизация выполнена 14.07.11 15:17:35
Похожие рефераты: Дифференциальный термический анализ, Термический залив, Термический крекинг, Электрический ракетный двигатель термический, ДНК-анализ, GAP-анализ, Анализ на ВИЧ, XYZ-анализ, Анализ.

Категории: Материаловедение.

Текст доступен по лицензии Creative Commons Attribution-ShareA.