电气材料分析实验报告2.docx
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电气材料分析实验报告2
电气材料分析实验报告
——热导、热胀及热分析实验
姓名：
***
班级：
硕****班
学号：
**********
指导老师：
***
日期：
2013年11月7日
导热仪和热膨胀仪的原理及其应用
一实验目的
1.掌握LFA闪光导热仪的原理、方法及其应用
2.掌握L75热膨胀仪的原理、方法及其应用
二实验原理
1.闪光导热仪测量原理
闪光法直接测量的是材料的热扩散系数，其基本原理示意如下：
图1闪光法测量热扩散系数示意图
图中在一定的设定温度T（由炉体控制的恒温条件）下，由激光源或闪光氙灯在瞬间发射一束光脉冲，均匀照射在样品下表面，使其表层吸收光能后温度瞬时升高，并作为热端将量能以一维热传导方式向冷端（上表面）传播。
使用红外检测器连测续量样品上表面中心部位的相应温升过程，得到类似于下图的温度（检测器信号）升高对时间的关系曲线：
图2试样温升与时间的关系曲线
图中所示的半升温时间t50，定义为试样在接受光脉冲照射后，样品上表面温度检测器信号升高到最一半所需的时间，或称t1/2。
在理想情况下，光脉冲宽度接近于无限小，热量在样品内部的传导过程为理想的
上表面的一维传热、不存在横向热流，外部测量环境则为理想的绝热条件，不存在热损耗，此时试样上表面温度升高至图中的顶点后将保持恒定的水平线。
根据下式，可得到样品在温度T下的热扩散系数α。
α=0.1388*
/
（d:
样品的厚度）
对于实际测量过程中对理想条件的任何偏离（如边界热损耗、样品表面与径向的边界条件或非均匀照射导致的径向热流、样品透明／半透明而表面涂覆不够致密光能量透射或深层吸收、t50很短导致光脉冲宽度不可忽略等），需使用适当的计算修正。
由于导热系数（热导率）与热扩散系数存在着如下的换算关系：
λ（T）=α（T）*Cp（T）*ρ（T）
在已知温度T下的热扩散系数α、比热Cp与密度ρ的情况下便可计算得到导热系密度一般在室温下测量，其随温度的变化可使用材料的线膨胀系数表进行修正（品厚度随温度的变化），在测量温度不太高、样品尺寸变化不太大的情况下也可变。
比热可使用文献值、可使用差示扫描量热法（DSC）等其他方法测量，也可在器中使用比较法与热扩散系数同时测量得到。
对于比较法的原理简述如下：
使用一个与样品截面形状相同、厚度相近、热物性相近、表面结构（光滑程度）值已知的参比标样（以下简写为std），与待测样品（以下简写为sam）同时进行表保与样品具有相同的光能吸收比与红外发射率），并依次进行测量，在理想的绝得到如下的两条测试曲线：
此时根据比热定义：
Cp=Q/△T*m（Q：
样品吸收的能量；△T：
样品吸收能量后的温升；m：
样品质量）则：
C
/
=（
/
*
）/（
/
*
）
在光源照射能量相同、样品与标样下表面吸收面积与吸收比相同的情况下，
=
；在环境温度一定、样品与标样上表面检测面积一致、红外发射比相同的情况下△T与△U的换算因子固定，可将上式中的△T用检测器信号差值△U代替，则上式可转换为：
/
=（
*
）／（
*
）
其中
、
、
均为已知，△U（△T）在理想绝热条件下为不随时间而变的确定值，可由上图的曲线水平段直接读到。
则：
=
*（
*
）／（
*
）
需要指出的是，一般实际的测试条件均偏离绝热条件，样品受照射后在升温过程中即同伴时随着热损耗，由此非但△T（△U）在达到最大值后不能保持水平稳定，即使是△T～t实测曲线上的最高点
亦与绝热条件下的
有一定偏差。
如下图所示：
因此在进行比热计算前，需对
进行热损耗修正，使用修正后的
进行比热计算。
另外，若对标样与样品测试所使用的光脉冲能量不同，需在上面的计算式的Q一项中引入相应的比例系数；若信号放大倍数不同还须在△U一项中引入比例系数，此为具体技术节枝，相应换算由软件自动完成，此处不再赘述。
2.热膨胀仪测量原理
L75热膨胀仪作为一套完整的测量系统可以精确测量样品在温控环境下的膨胀与收缩量。
热膨胀仪是一套以线性可变位移传感器为基础的设备，它通过高精度位移传感器对样品位移的测量来获得样品的膨胀率。
它由以下三个部分组成：
晶闸管、膨胀仪以及专用电脑组成，其中膨胀仪结构如下图所示：
图3膨胀仪结构示意图
三实验仪器
1.LFA闪光导热仪
性能指标
样品尺寸：
圆形Ф12.7mm，正方形10mm×10mm；
样品厚度：
不大于3mm；
温度范围：
25℃~300℃；
热扩散系数范围：
0.001cm2/s~10cm2/s；
导热系数范围：
0.1~2000W/m·K
2.L75热膨胀仪
性能指标
样品尺寸：
直径6mm，长度不大于50mm，直径6mm×20mm尺寸最佳；
测量范围：
100~5000μm；
加热制冷速率：
0~50K/min；
测量模式：
单杆进样；
支架：
刚玉，石英
四实验步骤
1.LFA闪光导热仪
热扩散系数测试要点：
1.样品须为端面平行而光滑的片状固体材料，内部材质均匀。
2.选择合适的样品形状与尺寸
可选形状一般包括圆片与方片，相对而言圆形样品较为标准，水平各方向上边界条件一致，径向热流较均匀，较易修正。
样品直径（边长）不宜太小，越小越偏离无限平面、一维热传的理想情况，边界条件的影响将增大。
但尺寸选择同时也应考虑现有样品托盘尺寸、加条工件等其他因素。
3.根据不同的样品材料选择合适的样品厚度。
一般的建议值如下：
高导热材料，热扩散系数>50mm2/s（如金属单质、石墨、部分高导热陶瓷等）：
建厚议度2～4mm。
中等导热材料，热扩散系数在1～50mm2/s之间（如大部分陶瓷、合金等）：
建议1～厚度2mm。
低导热系数，热扩散系数<1mm2/s（如塑料、橡胶、玻璃等）：
建议厚度0.1～1mm。
以上各范围只是个大致值，掌握其总体原则（高导热样品制的厚一些，低导热样品制得一薄些）即可，不必恪守其具体范围值。
其原则为使光能的透过时间（或t50）保持在一个合理的范围，因透过时间太长（如低导热材料制样太厚），过程中热损耗严重，将影响实验；精度透过时间太短（如高导热材料制样太薄），表面石墨涂覆层的影响将增大，所测热扩散系数可能偏低，若t50小至接近于仪器的采样时钟频率的数量级，t50的数据精度将降低，进而将影响热扩散系数的测试精度。
另根据热扩散系数计算公式α=0.1388×d2/t50，厚度值准确与否对热扩散系数计算精度影响极大（平方级关系），因此样品端面必须平行（厚度均匀一致），且必须使用千分精尺进行确测量，保证厚度数据的可靠性。
4.表面涂覆
除了少数深色不透明、表面色泽均匀、反射率低的样品外，对于一般的样品均需进行表涂面覆，涂覆材料通常使用石墨，目的是增加样品表面对光能的吸收比与红外发射率，且对明透/半透明样品使光能仅在表层吸收并进行表层检测，避免透射/深层吸收/深层检测现象。
石墨涂层的厚度应适度，既能保证材料表面的均匀有效遮覆，同时又不能太厚，否则最样终品将类似于石墨-样品-石墨的三层复合材料，尤其在样品本身较薄、热扩散系数又较高的情况下，石墨层与界面层的热阻不可忽略，将导致测得的热扩散系数偏低。
另对于高透明度的样品，若石墨涂层不足以有效阻挡光透射，可考虑将样品表面镀金。
镀但金后的样品仍需喷涂石墨，以提高光能的吸收比与吸收均匀性。
5.遮光片的放置
样品放入托盘后，上方需放置配套的遮光片，其孔径应比样品直径为小，以屏蔽样品（边偏界离理想一维传热）与托盘本身的传热信号，使检测器仅检测到样品中心区域（接近一热维）传的温升。
6.测试参数设定（LFA447）
对于LFA447，一次测试的总采样点数为2000点，其中baseline（基线）的采样点数建议设为300点，以使分析软件能够使用linear类型基线拟合出由于环境温度不够稳定造成的检测信号的“基线漂移”并加以扣除；duration（采样时间）应控制在使脉冲线之后的曲线总长度为t50的10～16倍左右（较标准的取15倍），若太短，软件用于进行热损耗计算的信息量不够；若太长，包含关键信息的曲线部分点数变“稀”，将影响计算精度。
另调节合适的放大器增益，使曲线最高点（△U）在1V～10V之间（信号超出10V将溢出，低于1V则信号太弱）。
7.计算模型的选择
一般选Cowan+脉冲修正进行热损耗修正，在较高温度（如800℃以上）、样品较厚情况应选Cape-Lehman+脉冲修正以对径向辐射热损耗进行附加修正，对于透明／半透明样品若涂覆不够致密、存在透射或深层吸收现象，在脉冲照射后样品起始升温的区域存在基线的“跃迁”（温度的突升）应，选择辐射模型+脉冲修正，“绝热模型”不进行热损耗修正，一般不建议使用。
2.L75热膨胀仪
试样测量：
1）打开仪器，电脑及冷却开关（0.5L/min）；
2）将膨胀仪操作台上的LIFT健打到↑，启动熔炉；
3）将放大器ZERO按钮打到↓来收回推杆；
4）将试样放入试样管，如果试样可能会黏住试样管，则应在试样底部与顶部各放上垫片；
5）按放大器ZERO按钮↑直到样品接触试样管顶部；
6）启动软件DILMEASUREMENT；
7）首先进行熔炉设定（CONTROLLER），通过主菜单上的TEMPERATUREPROFILE来设定升温速度，恒温时间及冷却速度。
（如果最高温度超过100℃，冷却速度不应超过30K/min）；
8）检查熔炉温度CURRENTVALUE为室温；
9）输入试样名称，终止温度，持续时间等试验参数；
10）输入样品长度；
11）当样品负载改变时，打开OPTIONS→SAMPLEPRESSURE，将需要的样品负载参数通过SETVALUE输入。
如果负载需要恒定则在ON上打钩；
12）打开OPTIONS→SETUPDILATOMETER→ADJUSTZEROPOINT，按下AUTOZEROPOINTADJUSTMENT来进行零点校正；
13）按膨胀仪操作台上LIFT键向↓来关闭熔炉。
14）按下START开始测量；
15）观察试验中的实时电流值；
16）当温度低于150℃时关闭冷却液。
五实验数据处理及分析
1.LFA闪光导热仪
温度设置：
起始温度25℃，温度增量25℃，段数6，闪射数3
试样名称
直径/mm
厚度/mm
参考密度/（kg/
）
参考温度（℃）
聚酰亚胺标样VESPEL
12.66
2
1.43
25
高老师试样1
12.55
2.015
1.258
25
高老师试样2
12.72
1.732
1.224
25
实验结果：
聚酰亚胺标样
闪射点数
温度
热扩散系数/（
/s）
导热率/（W/（m*K））
比热/（J/g/K）
1,2,3
24.7
0.253
0.388
1.073
4,5,6
49.9
0.244
0.403
1.158
7,8,9
74.9
0.232
0.409
1.237
10,11,12
100
0.224
0.418
1.309
13,14,15
125.1
0.214
0.422
1.376
高老师试样1
闪射点数
温度
热扩散系数/（
/s）
导热率/（W/（m*K））
比热/（J/g/K）
1,2,3
25.1
0.140
0.262
1.499
4,5,6
50.1
0.134
0.263
1.554
7,8,9
75
0.129
0.274
1.689
10,11,12
100
0.123
0.273
1.761
13,14,15
125
0.118
0.286
1.934
高老师试样2
闪射点数
温度
热扩散系数/（
/s）
导热率/（W/（m*K））
比热/（J/g/K）
1,2,3
25.2
0.153
0.288
1.539
4,5,6
50
0.146
0.285
1.574
7,8,9
75
0.14
0.301
1.747
10,11,12
100
0.135
0.305
1.847
13,14,15
125
0.129
0.319
2.031
2.L75热膨胀仪
图4试样的绝对伸长量、相对伸长量和热膨胀系数随温度变化情况
图4中重合的两根线是红色的绝对伸长长量和淡绿色的相对伸长量，而深绿色表示材料的热膨胀系数。
从图中可以看出，材料的热膨胀率在25℃到35℃之间略有下降，之后缓慢上升，温度在140℃到160℃之间材料的热膨胀系数增加较快。
由于热膨胀系数的改变，材料的绝对伸长量和相对伸长量都随着温度的升高而增加，在35℃到140℃之间，由于热膨胀率变化不大，材料的伸长量增加类似线性，140℃之后由于材料热膨胀率增加较快，材料伸长量也出现了较快的增加。
六注意事项
1.LFA闪光导热仪
1）仪器需要每4小时加一此液氮；
2）仪器需要预热1~2小时；
3）试样选择尽量选择圆片；
4）热扩散系数不大或者试样不厚时，密度可作为常数；
5）喷涂石墨需要1、2分钟干透；
2.L75热膨胀仪
1）标样是直径6mm×20mm的圆柱体，它可以计算出系统误差；
2）试样的端面要平行；
3）做此实验前必须清楚样品在所测温度范围内是否会产生熔融，是否会放出一些有害气体，以免对试样支架和腔体造成损坏；
4）高分子材料的升温速率一般定为3~5℃/min；
5）仪器对环境的要求很高，实际使用时应该先不进行控温，让仪器运行3~5min看仪器的状态稳不稳定，只要变化在0.1之内即认为仪器可以正常工作
6）等待炉温恢复室温后方可打开炉腔取出样品。
TGA热重分析仪的应用
一．实验目的
1.了解TGA热重分析仪的原理和使用方法；
2.学习使用热重分析仪对聚乙烯（PE）进行热学分析；
3.掌握对热重分析仪热分析实验结果（试验曲线）的判断与分析方法。
二．实验原理简介
热重分析仪（ThermoGravimetricAnalyzer）是一种利用热重法检测物质温度-质量变化关系的仪器。
热重法是在程序控温下，测量物质的质量随温度（或时间）的变化关系。
当被测物质在加热过程中有升华、汽化、分解出气体或失去结晶水时，被测的物质质量就会发生变化。
这时热重曲线就不是直线而是有所下降。
通过分析热重曲线，就可以知道被测物质在多少度时产生变化，并且根据失重量，可以计算失去了多少物质，（如CuSO4·5H2O中的结晶水）。
从热重曲线上我们就可以知道CuSO4·5H2O中的5个结晶水是分三步脱去的。
通过TGA实验有助于研究晶体性质的变化，如熔化、蒸发、升华和吸附等物质的物理现象；也有助于研究物质的脱水、解离、氧化、还原等物质的化学现象。
热重分析通常可分为两类：
动态（升温）和静态（恒温）。
热重法试验得到的曲线称为热重曲线（TG曲线），TG曲线以质量作纵坐标，从上向下表示质量减少；以温度（或时间）作横坐标，自左至右表示温度（或时间）增加。
热重分析仪主要由天平、炉子、程序控温系统、记录系统等几个部分构成。
最常用的测量的原理有两种，即变位法和零位法。
所谓变位法，是根据天平梁倾斜度与质量变化成比例的关系，用差动变压器等检知倾斜度，并自动记录。
零位法是采用差动变压器法、光学法测定天平梁的倾斜度，然后去调整安装在天平系统和磁场中线圈的电流，使线圈转动恢复天平梁的倾斜，即所谓零位法。
由于线圈转动所施加的力与质量变化成比例，这个力又与线圈中的电流成比例，因此只需测量并记录电流的变化，便可得到质量变化的曲线。
三．TGA/SDTA851型热重分析仪
1.用途：
用于材料的热重分析；
2.性能指标：
温度范围
25-1600℃
样品测量范围
0-1000mg
温度准确度
±0.25℃
灵敏度
0.1ug
温度重复性
±0.15℃
样品最大容量
100uL
升温速率（室温-最高温）
10分钟（LF1600）
分辨率
0.005℃
冷却速率
25分钟（LF1600）
量热准确度
±5%
冷却方式
恒温水浴
信号采集速率
最大10个值/S
3.试验准备与操作规程
a.打开稳压电源开关（因为经常使用的关系，实验室貌似是常开的）；
b.按顺序打开恒温水浴的电源、制冷、循环三个开关，等待恒温水浴槽的温度达到22℃；
c.称量坩埚；
d.试样放入坩埚内称量，并读取试样重量；
e.保证恒温水浴的温度达到22℃后，打开氮气阀门，调好气体流量；
f.打开热分析主机电源，等待主机自检和校准完成；
g.打开计算机电源，双击”start”图标进入操作系统；
h.选择或键入试验程序，键入样品名称、重量，发送试样程序；
i.观察操作实验界面左下方的提示要求进行操作，在放样前先进行清零，再打开仪器放样处，放好样品坩埚并关闭放样处；
j.将试样坩埚放进主机的放样处，点击OK，仪器进入试验阶段；
k.实时观察试验进行情况。
试验完成后，点击OK；
l.必须在显示器温度小于500℃以后，根据操作界面左下方的提示要求取出样品时，才能打开放样处取出样品坩埚；
m.进入图形编辑和数据处理软件，对图形进行优化和编辑处理及保存实验结果等；
n.试验完成后，关闭并退出试验程序。
DSC动态差热分析仪的应用
一．实验目的
1.了解DSC动态差热分析仪的原理和使用方法；
2.学习使用动态差热分析仪对聚酯进行热学分析；
3.掌握对动态差热分析仪热分析实验结果（试验曲线）的判断与分析方法。
二．实验原理
差热分析（DifferentialThermalAnalysis）是在温度程序控制下测量试样与参比物之间的温度差随温度变的一种技术，简称DTA。
在DTA基础上发展起来的是差示扫描量热法（DifferentialScanningCalorimetry），简称DSC。
差示扫描量热法是在温度程序控制下，测量试样与参比物在单位时间内能量差随温度变化的一种技术。
DTA，DSC在高分子方面的应用特别广泛，试样在受热或冷却过程中，由于发生物理变化或化学变化而产生热效应，在差热曲线眩耀会出现吸热或放热峰。
试样发生力学状态变化时（例如由玻璃态转变为高弹态），虽无吸热或放热现象，但比热有突变，表现在差热曲线上是基线的突然变动。
试样内部这些热效应均可用DTA，DSC进行检测，发生的热效应大致可归纳为：
（1）吸热反应。
如结晶、蒸发、升华、化学吸附、脱结晶水、二次相变（如高聚物的玻璃化转变）、气态还原等。
（2）放热反应。
如气体吸附、氧化降解、气态氧化（燃烧）、爆炸、再结晶等。
（3）可能发生的放热或吸热反应。
结晶形态的转变、化学分解、氧化还原反应、固态反应等。
DTA、DSC在高分子方面的主要用途是：
一是研究聚合物的相转变过程，测定结晶温度Tc、熔点Tm、结晶度Xc、等温结晶动力学参数；二是测定玻璃化转变温度Tg；三是研究聚合、固化、交联、氧化、分解等反应，测定反应温度或反应温区、反应热、反应动力学参数等。
DSC又分为功率补偿式DSC和和流式DSC、热通量式DSC。
后两种在原理上和DTA相同，只是在仪器结构上作了很大改进。
当试样发生热效应时，如放热，试样温度高于参比物温度，放置在它们下面的一组差示热电偶产生温差电势，经差热放大器放大后送入功率补偿放大器，功率补偿放大器自动调节补偿加热丝的电流，使试样下面的电流减小，参比物下面的电流增大。
降低试样的温度，增高参比物的温度，使试样与参比物之间的温差ΔT趋与零。
上述热量补偿能及时、迅速完成，使试样和参比物的温度始终维持相同。
功率补偿式DSC和和流式DSC结构示意图如下：
功率补偿式DSC示意图
1.温度程序控制器；2.气氛控制；3.差热放大器；4.功率补偿放大器；5.记录仪
热流式DSC结构图
三．DSC822型动态差热分析仪
1.用途
用于材料的热分析（如玻璃化转变、比热等）
2.性能指标
温度范围
-150-700℃
用氮气和液氮冷却
最高升温速率
100K/min
At700℃
测试频率
50Hz
测量传感器时间常数
3s
3.外观及基本模块
1校准螺钉2进气口3右前室4模块室5放置热物体平面
6左前室7手动炉盖8运行状态指示器
4.操作规程
试样准备：
a.称量坩埚；
b.试样放入坩埚内进行称量，并读取试样重量；
c.试样坩埚盖盖，并检查盖盖完好；
d.可以对纯铝坩埚的盖上进行扎空（以便排气）；
e.用镊子将试样坩埚放进主机的放样处，确保放样正确无误。
参比坩埚放置正确无误；
f.检查线路正确无误。
测量：
a.打开稳压电源，再打开热分析仪主机电源；
b.打开计算机电源，双击”start”图标进入操作系统；
c.首先选择试样程序，键入确定好的试验程序，键入样品名称、重量。
d.发送试样进行试验，并检查是否发送成功；
e.确保试样放置正确并观察显示温度，当温度达到试验要求的开始温度时，进入试验阶段；
f.实时观察试验进行的情况，试验完成后，点击OK；
g.进入图形编辑和数据处理软件，对图形进行优化和编辑处理及保存试验结果等；
h.试验完成后，高温试验后的炉温降至100~300℃之间时移开炉盖降温，当显示炉温至100℃以下时，关闭试验窗口，退出操作系统。
四．利用动态差热分析仪进行热学分析
一般DSC曲线及一般分析
下图是某高聚物的DTA或DSC曲线：
高聚物的DTA或DSC曲线示意图
一般分析：
上图是聚合物DTA曲线或DSC曲线的模式图。
当温度升高，达到玻璃化转变温度Tg时，试样的热容由于局部链节移动而发生变化，一般为增大，所以相对于参比物，试样要维持与参比物相同温度就需要加大试样的加热电流。
由于玻璃化温度不是相变化，曲线只产生阶梯状位移，温度继续升高，试样发生结晶则会释放大量结晶热而出现吸热峰。
再进一步升温，试样可能发生氧化、交联反应而放热，出现放热峰，最后试样则发生分解、吸热、出现吸热峰。
并不是所有的聚合物试样都存在上述全部物理变化和化学变化。
另外，可以通过软件对曲线处理，从而直接求出高聚物的玻璃化转变温度Tg。
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