熱分析技術(shù)是在溫度程序控制下研究材料的各種轉(zhuǎn)變和反應(yīng)，是一種十分重要的分析測(cè)試方法。常用的熱分析方法有：熱重法(TG/TGA)、差熱分析法（DTA）、差示掃描量熱法（DSC）。

1

熱重分析法

熱重分析：TG或TGA

是指在程序控制溫度下測(cè)量待測(cè)樣品的質(zhì)量與溫度變化關(guān)系的一種熱分析技術(shù)，用來研究材料的熱穩(wěn)定性和組份。

TGA在研發(fā)和質(zhì)量控制方面都是比較常用的檢測(cè)手段。熱重分析在實(shí)際的材料分析中經(jīng)常與其他分析方法連用，進(jìn)行綜合熱分析，全面準(zhǔn)確分析材料。

原理

在溫度程序控制下，測(cè)量物質(zhì)質(zhì)量與溫度之間的關(guān)系的技術(shù)。這里值得一提的是，定義為質(zhì)量的變化而不是重量變化是基于在磁場(chǎng)作用下，強(qiáng)磁性材料當(dāng)達(dá)到居里點(diǎn)時(shí)，雖然無質(zhì)量變化，卻有表觀失重。而熱重分析則指觀測(cè)試樣在受熱過程中實(shí)質(zhì)上的質(zhì)量變化。

熱重分析所用的儀器是熱天平，它的基本原理是，樣品重量變化所引起的天平位移量轉(zhuǎn)化成電磁量，這個(gè)微小的電量經(jīng)過放大器放大后，送入記錄儀記錄；而電量的大小正比于樣品的重量變化量。

當(dāng)被測(cè)物質(zhì)在加熱過程中有升華、汽化、分解出氣體或失去結(jié)晶水時(shí)，被測(cè)的物質(zhì)質(zhì)量就會(huì)發(fā)生變化。這時(shí)熱重曲線就不是直線而是有所下降。通過分析熱重曲線，就可以知道被測(cè)物質(zhì)在多少度時(shí)產(chǎn)生變化，并且根據(jù)失重量，可以計(jì)算失去了多少物質(zhì)。

TGA 可以得到樣品的熱變化所產(chǎn)生的熱物性方面的信息。

表征內(nèi)容丨

熱重分析通常可分為兩類：動(dòng)態(tài)法和靜態(tài)法。

丨靜態(tài)法：包括等壓質(zhì)量變化測(cè)定和等溫質(zhì)量變化測(cè)定。等壓質(zhì)量變化測(cè)定是指在程序控制溫度下，測(cè)量物質(zhì)在恒定揮發(fā)物分壓下平衡質(zhì)量與溫度關(guān)系的一種方法。等溫質(zhì)量變化測(cè)定是指在恒溫條件下測(cè)量物質(zhì)質(zhì)量與溫度關(guān)系的一種方法。

丨動(dòng)態(tài)法：就是我們常說的熱重分析和微商熱重分析。微商熱重分析又稱導(dǎo)數(shù)熱重分析（Derivative Thermogravimetry，簡(jiǎn)稱DTG），它是TG曲線對(duì)溫度(或時(shí)間)的一階導(dǎo)數(shù)。以物質(zhì)的質(zhì)量變化速率（dm/dt） 對(duì)溫度T(或時(shí)間t)作圖，即得DTG曲線。

技術(shù)應(yīng)用

熱重分析法可以研究晶體性質(zhì)的變化，如熔化、蒸發(fā)、升華和吸附等物質(zhì)的物理現(xiàn)象；研究物質(zhì)的脫水、解離、氧化、還原等物質(zhì)的化學(xué)現(xiàn)象。 熱重法的重要特點(diǎn)是定量性強(qiáng)，能準(zhǔn)確地測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量變化及變化的速率。 目前，熱重法已在下述諸方面得到應(yīng)用： (1)無機(jī)物、有機(jī)物及聚合物的熱分解； (2)液體的蒸餾和汽化； (3)煤、石油和木材的熱解過程； (4)含濕量、揮發(fā)物及灰分含量的測(cè)定； (5)脫水和吸濕；

2

差熱分析法

差熱分析法：DTA

一種重要的熱分析方法，是指在程序控溫下，測(cè)量物質(zhì)和參比物的溫度差與溫度或者時(shí)間的關(guān)系的一種測(cè)試技術(shù)。該法廣泛應(yīng)用于測(cè)定物質(zhì)在熱反應(yīng)時(shí)的特征溫度及吸收或放出的熱量，包括物質(zhì)相變、分解、化合、凝固、脫水、蒸發(fā)等物理或化學(xué)反應(yīng)。廣泛應(yīng)用于無機(jī)、硅酸鹽等領(lǐng)域。

原理

物質(zhì)在受熱或冷卻過程中，當(dāng)達(dá)到某一溫度時(shí)，往往會(huì)發(fā)生熔化、凝固、晶型轉(zhuǎn)變、分解、化合、吸附、脫附等物理或化學(xué)變化，并伴隨有焓的改變，因而產(chǎn)生熱效應(yīng)，其表現(xiàn)為樣品與參比物之間有溫度差。

記錄兩者溫度差與溫度或者時(shí)間之間的關(guān)系曲線就是差熱曲線（DTA曲線）。

表征內(nèi)容丨

從差熱圖上可清晰地看到差熱峰的數(shù)目、高度、位置、對(duì)稱性以及峰面積。

峰的個(gè)數(shù)表示物質(zhì)發(fā)生物理化學(xué)變化的次數(shù)，峰的大小和方向代表熱效應(yīng)的大小和正負(fù)，峰的位置表示物質(zhì)發(fā)生變化的轉(zhuǎn)化溫度。

在相同的測(cè)定條件下，許多物質(zhì)的熱譜圖具有特征性。因此，可通過與已知的熱譜圖的比較來鑒別樣品的種類。理論上講，可通過峰面積的測(cè)量對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定量分析，但因影響差熱分析的因素較多，定量難以準(zhǔn)確。

技術(shù)應(yīng)用

凡是在加熱（或冷卻）過程中，因物理-化學(xué)變化 而產(chǎn)生吸熱或者放熱效應(yīng)的物質(zhì)，均可以用差熱分析法加以鑒定。其主要應(yīng)用范圍如下： （1）含水化合物 對(duì)于含吸附水、結(jié)晶水或者結(jié)構(gòu)水的物質(zhì)，在加熱過程中失水時(shí)，發(fā)生吸熱作用，在差熱曲線上形成吸熱峰。 （2）高溫下有氣體放出的物質(zhì) 一些化學(xué)物質(zhì)，如碳酸鹽、硫酸鹽及硫化物等，在加熱過程中由于CO2、SO2等氣體的放出，而產(chǎn)生吸熱效應(yīng)，在差熱曲線上表現(xiàn)為吸熱谷。不同類物質(zhì)放出氣體的溫度不同，差熱曲線的形態(tài)也不同，利用這種特征就可以對(duì)不同類物質(zhì)進(jìn)行區(qū)分鑒定。 （3）礦物中含有變價(jià)元素 礦物中含有變價(jià)元素，在高溫下發(fā)生氧化，由低價(jià)元素變?yōu)楦邇r(jià)元素而放出熱量，在差熱曲線上表現(xiàn)為放熱峰。變價(jià)元素不同，以及在晶格結(jié)構(gòu)中的情況不同，則因氧化而產(chǎn)生放熱效應(yīng)的溫度也不同。如Fe2+在340~450℃變成Fe3+。 （4）非晶態(tài)物質(zhì)的重結(jié)晶 有些非晶態(tài)物質(zhì)在加熱過程中伴隨有重結(jié)晶的現(xiàn)象發(fā)生，放出熱量，在差熱曲線上形成放熱峰。此外，如果物質(zhì)在加熱過程中晶格結(jié)構(gòu)被破壞，變?yōu)榉蔷B(tài)物質(zhì)后發(fā)生晶格重構(gòu)，則也形成放熱峰。

3

差示掃描量熱法

差示掃描量熱法：DSC

現(xiàn)代熱分析是指在程序控溫下，測(cè)量物質(zhì)的物理性質(zhì)隨溫度變化的一類技術(shù)。人們通過檢測(cè)樣品本身的熱物理性質(zhì)隨溫度或時(shí)間的變化，來研究物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、分子運(yùn)動(dòng)的變化測(cè)定材料的固液相線等。

原理

DSC是研究在溫度程序控制下物質(zhì)隨溫度的變化其物理量（ΔQ和ΔH）的變化，即通過程序控制溫度的變化，在溫度變化的同時(shí)，測(cè)量試樣和參比物的功率差（熱流率）與溫度的關(guān)系。 應(yīng)用最多的熱分析儀器是功率補(bǔ)償型DSC、熱流型DSC、差熱式DTA、熱重TG等。

技術(shù)應(yīng)用

差示掃描量熱曲線(DSC曲線)是在差示掃描量熱測(cè)量中記錄的以熱流率dH/dt為縱坐標(biāo)、以溫度或時(shí)間為橫坐標(biāo)的關(guān)系曲線。 由非晶合金的DSC曲線可以得到下列的一些信息：(1)玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg；(2)晶化溫度Tx；(3)結(jié)構(gòu)弛豫峰，并由結(jié)構(gòu)弛豫峰可獲得低溫結(jié)構(gòu)弛豫和高溫結(jié)構(gòu)弛豫，以及它們的弛豫激活能的值；(4)晶化過程以及結(jié)晶焓變△Hx；(5)晶化過程中各種亞穩(wěn)相的信息。

審核編輯 ：李倩