材料物相组成鉴定的热分析方法

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 材料物相组成鉴定的热分析方法,By：余益斌,第一节 概述,问题,1,：什么是热分析？,在程序控温下，测量物质的物理性质如温度、重量、体积等和温度关系的一类技术。,问题,2,：为什么热分析法可以用来分析物相组成？,物质加热后，有特定的热效应如能量变化、重量变化、体积变化等。,和X射线衍射有类似之处,第一节 概述,问题,3,：主要有哪些热分析方法？,热分析方法,重量变化：,热重法、微分热重法,能量变化：,差热分析法,、差示扫描量热法,尺寸变化：,热膨胀法、差示热膨胀法,其他：,逸出气体分析、热-力法等,几种,热分析方法,被测,物理量,典型曲线,第二节 物质的热效应,一、脱水,热效应：吸热,失重，体积收缩等。 材料结构不同，水的存在形态不同，那么脱水温度也不同，取决于水与物质的结合力。,类型,存在形态,结合力,脱水温度,举例,吸附水,宏观孔隙,吸附力,升,高,的,趋,势,孔隙水,层间水,层状结构层间,氢键,蒙脱石,沸石水,晶格孔穴,氢键、部分配位键,沸石,结晶水,以H,2,O的形态存在于晶格,配位键,（共价键）,CaSO,4,.,2H,2,O,结构水,以OH,-,或H,+,形态参加物质晶格,离子键,Al(OH),3,、NaOH,第二节 物质的热效应,二、分解,定义：物质由一种化合物变成两种以上的化合物。,热效应：吸热、失重有气体逸出时等。,如：CaCO3 CaO+CO2,Ca(OH)2 500-550 CaO+H2O,三、结晶,定义：物质由无定形态 晶态，即无序 有序。,热效应：结晶，内能减少，放出热量；结晶破坏，那么吸热。,如：高岭土的分解和结晶,第二节 物质的热效应,高岭土的分解和结晶,第二节 物质的热效应,四、同质多相转化,定义：,同一种化学成分,不同环境和条件,不同结构的晶体。,同质相变：,无配位数变化时，转变快，有,固定转变温度,，可逆；,有配位数变化时，转变很慢，不可逆。,前者有：,后者有：文石,390-420,方解石,金刚石、石墨也是同质异相,第二节 物质的热效应,五、氧化和复原,低价态元素氧化后价态升高，放出热量。,六、熔化与升华,固态物质加热升温，变成液态或气态，吸收热量。,七、化合、水化和溶解,水化放热：,生石灰 +热62.8kJ),建筑石膏 +热,水泥,溶解、化合放热,通过量热,鉴别物质,第三节 差热分析,差热分析Differential Thermal Analysis，DTA,一种重要的热分析方法，是指在程序控温下，测量物质和参比物的温度差与温度或者时间的关系的一种测试技术。,该法广泛应用于测定物质在热反响时的特征温度及吸收或放出的热量，包括物质相变、分解、化合、凝固、脱水、蒸发等物理或化学反响。广泛应用于无机、硅酸盐、陶瓷、矿物金属、航天耐温材料等领域，是无机、有机、特别是高分子聚合物、玻璃钢等方面热分析的重要仪器。,第三节 差热分析,一、差热分析原理,差热： 两种物质在一定温度范围内共同加热,两种物质均没有相变化，无热量差无差热；,有一种物质发生相变化，有热量差有差热。,参比样： 无相变化的物质，通常采用-Al2O3。,热电偶：量测热差温差的装置。,电势差,温差,A、B为两种不同的材料，如镍铝-镍铬，铂铑-铂,第三节 差热分析,二、差热分析仪构造原理,热电偶,样品池,炉体,控温系统,第三节 差热分析,DTA曲线,加热曲线：温度-时间,差热曲线：温差-温度,基线零线,放热峰、吸热谷,特征温度,第三节 差热分析,三、差热曲线的定量,定性分析：即样品中含有哪种物质；,定量分析：即样品中某种物质的含量。,定量分析的两个问题：,1、各相纯样的标准DTA曲线；,2、差热曲线峰或谷的面积计算。,A,与,M,成正比,第三节 差热分析,四、影响差热分析结果的因素,1、仪器因素,灵敏度、量程 小峰；,样品架对称性 基线；,热电偶接触情况、清洁度、温度、程序控制稳定性。,2、环境因素,防止震动、电磁干扰。,3、测温电偶校核,用恒温热效应的纯物质校核，如：-石英,第三节 差热分析,四、影响差热分析结果的因素,4、操作的影响,1试样的处理：粒度,2加热速率：10/min为宜,第三节 差热分析,四、影响差热分析结果的因素,4、操作的影响,3试样所处气氛,4装样松紧、试样重量,5参比样的选择：和被测样的比热和传热性质相近，,硅酸盐矿物，一般选 -Al2O3；,有时根据试验分析要求选取。水泥,中石膏影响，选取熟料为参照样,碳的氧化,第三节 差热分析,五、用差热分析进行建筑材料物相研究举例,1、矿物及相组成鉴定,1粘土矿物,生产陶瓷、水泥、砖瓦等的,原材料，,成分：SiO2、Al2O3、,铁、碱金属化合物,如：水泥中过量MgO，体积安定性不良,第三节 差热分析,五、用差热分析进行建筑材料物相研究举例,1、矿物及相组成鉴定,2碳酸盐矿物,生产水泥、生石灰的,原材料。,主要成分Ca,Mg,(CO,3,),2,，两次分解,先分解成FeO、CO,2,； FeO再氧化成Fe,2,O,3,第三节 差热分析,五、用差热分析进行建筑材料物相研究举例,1、矿物及相组成鉴定,3水泥水化物,C-S-H 、 Ca(OH)2,AFt 三硫型水化硫铝酸钙,AFm 单硫型水化硫铝酸钙,随时间的变化,第三节 差热分析,五、用差热分析进行,建筑材料物相研究举例,1、矿物及相组成鉴定,3水泥水化物,主要成分：C-S-H、 Ca(OH)2、,AFt、AFm。,碳酸钙分解吸热,第三节 差热分析,五、用差热分析进行建筑材料物相研究举例,1、矿物及相组成鉴定,3水泥水化物,AFt,Ca(OH)2,C-S-H,AFm,第三节 差热分析,五、用差热分析进行建筑材料物相研究举例,1、矿物及相组成鉴定,3水泥水化物：石膏的影响,不加石膏：水化生成水化铝酸三钙、C-S-H、 Ca(OH)2 ；,掺入石膏：前期水化生成AFt、 Ca(OH)2,第三节 差热分析,五、用差热分析进行建筑材料物相研究举例,1、矿物及相组成鉴定,4压蒸硅酸钙制品,水热条件,原料CaO/SiO2,原料细度,外加剂,第三节 差热分析,五、用差热分析进行建筑材料物相研究举例,1、矿物及相组成鉴定,5铝铁相水化物：C3A、C4AF 无石膏情况下水化生成水化铝酸钙、水化铁酸钙。,立方相,六方相,第三节 差热分析,五、用差热分析进行建筑材料物相研究举例,1、矿物及相组成鉴定,5铝铁相水化物：C3A、C4AF 有石膏情况下水化生成水化硫铝酸钙、水化硫铁酸钙。,单硫型AFm,三硫型AFt,第三节 差热分析,五、用差热分析进行建筑材料物相研究举例,2、外加剂的作用,1木质素磺酸盐对C3A水化的影响,木质素磺酸盐延缓C,3,A水化物六方相向立方相转化,第三节 差热分析,五、用差热分析进行建筑材料物相研究举例,2、外加剂的作用,2木质素磺酸盐对,参加石膏、石灰的,C3A浆体水化的影响,可用于确定外加剂,最正确掺量,3 C3A-石膏浆体,参加蔗糖明显,抑制AFt生成,木质素磺酸盐延缓六方相向立方相转化，而使其与石膏反响生成AFt,第三节 差热分析,五、用差热分析进行建筑材料物相研究举例,3、用DTA定量测定水泥中的AFt生成量,AFt 水泥膨胀机理；,结晶度差 XRD较难定量；,消除C-S-H脱水吸热峰的干扰。,1AFt的DTA峰面积计算方法；,在参比样中参加等量的水化熟料无石膏、相同龄期,第三节 差热分析,五、用差热分析进行,建筑材料物相研究举例,3、用DTA定量测定水泥中的AFt生成量,2 把纯AFt的DTA峰面积作为100%；,3 试样重-峰面积曲线；,第三节 差热分析,五、用差热分析进行建筑材料物相研究举例,3、用DTA定量测定水泥中的AFt生成量,4DTA定量。,含有无水CaSO,4,第三节 差热分析,五、用差热分析进行建筑材料物相研究举例,4、白云石分解和再生的分析,主要成分：CaMg(CO,3,),2,第三节 差热分析,五、用差热分析进行,建筑材料物相研究举例,5、压蒸灰砂制品反响产物的测定,Ca(OH)2分解、-石英多形转化,CaCO3分解,凝胶结构脱水,水化硅酸钙再结晶,用于优化灰砂制品配方,总结,热分析方法是利用热学原理对物质的物理性能或成分进行分析的总称，是在程序控制温度下，测量物质的物理性质随温度变化的一类技术。,差热分析法DTA是一种重要的热分析方法 ，是指在程序控温下，测量物质和参比物的温度差与温度关系的一种测试技术。广泛应用于无机、硅酸盐、陶瓷、矿物金属、航天耐温材料等领域 。,谢谢!,