熱分析儀器

所謂熱分析，是研究溫度或熱與其它物理化學性質的相互關係的分析方法，可以按照所測定的物理量，可以測量諸如質量、尺寸以及各種力、熱、聲、光、電、磁等物理性質與熱或者溫度的關係。

基本介紹

• 中文名：熱分析儀器
• 外文名：Thermal Analysis Instruments
• 類型：物理分析方法
• 常用方法：差示掃描量法等
• 套用：差示掃描量法

熱分析法

差示掃描量法（DSC - Differential Scanning calorimeters），分為功率補償式和熱流式。功率補償式DSC可以進行定量熱量，能夠從測量曲線峰面積中獲得試樣放熱或吸熱量。

熱重分析法(TG-Thermogravimetric Analyzers) ，可以測試在加溫過程中被測試的試樣質量的變化，並可以通過質量變化曲線分析物質特性改變的溫度點，和物性改變中的吸熱或放熱，以研究試樣的的熱特性。

差熱分析法(DTA-Microcumputer Differential Thermal Analyzers)，是套用最為廣泛的一種熱分析技術。將被測樣品與參考樣品同時放在相同的環境中同時升溫，測試被測樣品的溫度變化，並將測試樣品與參考樣品的溫度差記錄下來，繪製成溫度差曲線，以分析被測試樣的熱性能。

除了以上三種常用的熱分析方法，還有熱機械測量法、熱膨脹測量法等方法。這些熱分析方法已經廣泛套用於金屬、陶瓷、複合材料、塗層材料、耐火材料、高分子材料等的科研、生產領域。

氣密性問題及檢漏方法

熱分析實驗中儀器的氣密性好壞是影響測試結果客觀性和準確性的重要因素之一，但在實際測試中卻往往被忽視。

熱分析儀器氣路流程

圖1和圖2分別是SDT Q600差熱－熱重同步測定儀（簡稱Q600 SDT）和Q50 熱重分析儀（簡稱Q50TGA）的氣路流程模組示意圖。為方便實驗氣氛的切換和調整，兩類儀器均設定了A 和B2個進氣口，一般情況下，A口連線高氮，B口連線空氣。

圖1

對於Q600SDT，由氣體切換器C選擇其中一路氣體進入質量流量計D，限定流量後從天平室後側的底部吹入天平室E，擴散後再從天平室前側中間出口吹向加熱爐。

對於Q50TGA，從A口進入儀器的高氮被分成兩路，一路經質量流量計D₂限定流量後進入天平室E，擴散後再向下吹入加熱爐F；另一路則和空氣一起作為實驗氣氛，等待氣體切換器C的選擇，通過質量流量計D₁定量後進入加熱爐。

圖2

熱分析儀器氣密性分析

從Q600SDT氣體流經的路線來分析，可能影響測試結果的空氣（氧氣）來源可以分為以下兩類：

（1）儀器氣密性不佳導致外部空氣滲入。爐子與天平室接觸的端面、天平室蓋子安裝面是實驗和維修（更換或調整熱電偶）時經常運動或必須涉及到的地方，也是比較容易發生漏氣的地方。一旦存在漏氣問題，漏氣量將比較恆定，不會被氮氣稀釋除淨，對測試結果的影響是長久且恆定的。而氣體切換器、質量流量計等集合在儀器主機內部，不為使用者所接觸，漏氣的機率非常小。

（2）儀器內部殘餘空氣的影響。當實驗氣氛由空氣切換到氮氣時，天平室內的空氣不能立即排淨，只會隨著氮氣的流入而逐漸稀釋。另外，實驗之初爐腔內也有一些殘餘的空氣，它們對實驗的影響是臨時的且逐漸減弱的，到一定時候就會消除。與Q600SDT相比，Q50TGA 的氣密性情況要好得多。因為在日常維修中不需要打開天平室，氣路設計上又專門有保護氣體（高純氮氣）固定吹掃天平室，不受實驗氣氛切換的影響，因而排除了天平室殘留空氣的可能性，也不存在天平室方面漏氣的問題。需要關注的地方主要就是爐子與天平室接觸的連線埠。

使用過程中應注意的問題

1 幾種爐前鐵水管理的對比

爐前採用經驗管理，不使用任何檢測儀器的鑄造生產廠家：爐前鐵水管理僅僅依靠經驗，憑老工人的熟練程度、責任心、工作態度是早應被淘汰的。鐵水的成份波動，人工很難控制在要求的相應範圍內。在我們的服務企業中，年產300 噸的一些小廠，一年的材質廢品損失便是數套熱分析儀器的價格，更不用說相應的能耗浪費、工時損耗、市場信譽等等價值損失。有化學和光譜等成分分析儀器，不再使用熱分析儀器的廠家：性狀判定是熱分析儀器的獨特地方，任何其它成分分析方法都不能代替。快速的特點也是光譜分析、化學分析不能相比的優勢。儀器使用方便，套用於現場，日常使用費用和維護費用與其他成分分析方法比較起來更低。使用和維護等綜合費用也是熱分析儀器應該在鑄造工廠推廣的原因之一。

2 樣杯的使用問題

a) 對於成分分析，一定取未孕育的原鐵水澆入樣杯

b) 注入鐵水溫度最好高於初晶溫度50℃，溫度低則不能測定出初晶溫度，溫度太高則容易熔斷熱電偶絲。

c) 注入鐵水量要求充滿樣杯體積的90%－100%，太少則溫度平台變陡，不能識別出正確的特徵點，太多時鐵水溢出使成分及性能測定樣杯中的添加劑丟失，不能發揮作用。在球化率測定中鐵水量還引起樣杯的熱容量變化。

d) 一次測量完成後，儘快取下用過的樣杯，避免樣杯座溫度升高，影響以後測量精度。

3 冷卻曲線異常的問題

a) 冷卻曲線T_L明顯，但共晶溫度出現回升，Ts測試失敗，見圖3。

圖3

原因：1）樣杯中少T_e或無T_e；

2）鐵水中微量元素干擾（T_i）;

3）孕育後鐵水，強烈的孕育作用抵消了白口化元素的作用。

b) 冷卻曲線無TL點，但Ts平台存在，見圖4。

圖4

原因：1）澆注溫度低於初晶溫度；

2）鐵水碳當量太高或太低，超出儀器的測量範圍。

c) 初晶平台出現過冷，見圖5。

原因：一些合金元素在初晶階段放出大量結晶潛熱。高Cr 鑄鐵發生此現象的情況多。

圖5

4 儀器的接地問題

在大功率的電氣設備附近使用熱分析儀器，曲線的形狀有時出現鋸齒狀或共晶平台處出現溫度漂移，造成測量失敗。此時，補償導線及儀器的禁止是關鍵問題，一定要單獨做地線，保證絕緣電阻小於1歐姆。

5 合金鑄鐵問題

特殊的合金鑄鐵，由於合金元素的含量偏大，合金元素對冷卻曲線的影響程度要大於金屬液體中的碳、矽對曲線的影響。雖然CE%、C%、Si%都在儀器的測量範圍之內，但也不能很準確測量該種鐵水的相應成分。上海、廣州、秦皇島等都有這一情況的發生。

6 其它

a) 高磷鑄鐵問題:高磷鑄鐵中，磷的作用相當於1/3的矽，對矽的成份分析有很大的影響，使用時需進行特殊處理。

b) 沖天爐熔煉時，偶爾的共晶再輝，除少數白口元素丟失或鐵水倒多白口化元素作用減弱外，大多數客戶是由於爐料中微量元素的偶然變化所造成。

c) 一些孕育後的鐵水，也能直接用白口化樣杯進行測量，但當使用強烈孕育效果的孕

育劑後，可能又不能測量了，需要改在孕育前使用。