功能材料的动态机械

热分析实验报告

实验名称：粘弹性材料的动态机械热分析实验

姓 名：陈玉立

学 号：SX1101304

指导老师：沈星

一．    实验目的和要求

1）学会DMA的操作方法

2）了解材料粘弹性，贮存模量，损耗模量等基本概念

3）用DMA研究橡胶的低温动态力学性能

二．    实验材料、仪器

动态力学分析仪（DMA）一台，数字游标卡尺，形状规则的橡皮筋一根，计算机

三．    实验原理

（1）周期性的外力引起试样周期性的形变，其中一部分以位能的形式贮存在试样中，没有损耗。另一部分所做功，在形变时以热的形式消耗掉。

          Δ＝tanδ=E”/E’

tanδ：力学损耗因子，表示以热形式逸散的能量与储存能量之比，它表示材料在形变过程中本身损耗能量的能力；

E’----贮能模量，表示材料弹性大小；贮存模量E′ 与试样在每周期中贮存的最大弹性成正比， 反映材料粘弹性中的弹性成分， 表征材料抵抗变形能力的大小。模量愈大， 愈不容易变形， 表示材料刚度愈大。

E”----耗能模量，表示材料黏性大小。损耗模量E″ 与试样在每周期中以热的形式消耗的能量成正比，反映材料粘弹性中的粘性成分， 能够帮助预示材料的韧性。

（2）一定温度下，分子链段都有自己的最可几频率ω 。，当ω=ω。 时链段从不自由变为自由，此时链段摩擦力较大、 E“较大、 tan δ 达到最大，对应着材料的玻璃化转变温度。

（3）应力(σ)与应变(ε)关系曲线的斜率为材料的模量。对拉伸或弯曲试验，为杨氏模量(σ)；对剪切试验，为剪切模量 (G)。

（4）常用的测量模式主要有拉伸、剪切、压缩、双悬臂和三点弯曲5种。本实验主要采用常用的拉伸模式，其原理图和夹具图如图1所示：

             

图1：拉伸模式原理图与夹具图

四．    实验方法与过程

（1）对DMA分析仪进行初始化和参数校正，设定频率为5Hz，， 温度范围-120℃-25℃，升温速率为5℃/min， 振幅为5μ m。

（2）用游标卡尺测量橡皮筋的长宽高参数，并安拉伸模式安装夹具。

（3）测量温度对样品损耗角tanδ影响的曲线，求出玻璃化温度。

第二篇：差热分析实验报告 南京大学

南京大学物理系实验报告

题目  实验10.7 差热分析

姓名 朱瑛莺      2014年6月6日    学号 111120230

摘要

本实验报告阐述了差热分析实验的基本原理、实验及数据处理方法：以三氧化二铝（Al₂O₃）作为参照物,分别测量了五水合硫酸铜（CuSO₄?5H₂O）和锡（Sn）样品的差热曲线并对其进行了分析，最后对实验结果进行了讨论。

关键词：差热曲线 三氧化二铝 锡 五水合硫酸铜

一、引言

差热分析(DTA)是在程序控制下测量物质和参比物之间的温度差与温度(或时间)关系的一种技术。描述这种关系的曲线称为差热曲线或DTA曲线。由于试样和参比物之间的温度差主要取决于试样的温度变化，因此就其本质来说， 差热分析是一种主要与焓变测定有关并借此了解物质有关性质的技术。

二、实验目的

1、了解差热分析的基本原理和实验基本步骤。

2、测量五水硫酸铜和锡的差热曲线,并简单计算曲线峰的面积。

三、实验原理

3.1 差热曲线的形成及差热分析的一般特点

物质在加热或冷却过程中会发生物理变化或化学变化，与此同时，往往还伴随吸热或放热现象。伴随热效应的变化，有晶型转变、沸腾、升华、蒸发、熔融等物理变化，以及氧化还原、分解、脱水和离解等化学变化。另有一些物理变化，虽无热效应发生但比热容等某些物理性质也会发生改变，这类变化如玻璃化转变等。物质发生焓变时质量不一定改变，但温度是必定会变化的。差热分析正是在物质这类性质基础上建立的一种技术。

若将在实验温区内呈热稳定的已知物质(参比物)和试样一起放入加热系统中（图1），并以线性程序温度对它们加热。在试样没有发生吸热或放热变化且与程序温度间不存在温度滞后时，试样和参比物的温度与线性程序温度是一致的。若试样发生放热变化，由于热量不可能从试样瞬间导出，于是试样温度偏离线性升温线，且向高温方向移动。反之，在试样发生吸热变化时，由于试样不可能从环境瞬间吸取足够的热量，从而使试样温度低于程序温度。只有经历一个传热过程试样才能回复到与程序温度相同的温度。

在试样和参比物的比热容、导热系数和质量等相同的理想情况，用图1装置测得的试样和参比物的温度及它们之间的温度差随时间的变化如图2所示。图中参比物的温度始终与程序温度一致，试样温度则随吸热和放热过程的发生而偏离程序温度线。当T_s­-T_R=ΔT为零时，因中参比物与试样温度一致，两温度线重合，在ΔT曲线则为一条水平基线。

图1                              图2

试样吸热时ΔT<0，在ΔT曲线上是一个向下的吸热峰。当试样放热时ΔT>0，在ΔT曲线上是一个向上的放热峰。由于是线性升温，通过了T-t关系可将ΔT-t图转换成ΔT-T图。ΔT- t(或T) 图即是差热曲线，表示试样和参比物之间的温度差随时间或温度变化的关系。

差热曲线直接提供的信息有峰的位置、峰的面积、峰的形状和个数。由它们不仅可以对物质进行定性和定量分析，而且还可以研究变化过程的动力学。

曲线上峰的起始温度只是实验条件下仪器能够检测到的开始偏离基线的温度。根据的规定，该起始温度应是峰前缘斜率最大处的切线与外推基线的交点所对应的温度。若不考虑不同仪器的灵敏度不同等因素，外推起始温度比峰温更接近于热力学平衡温度。

由差热曲线获得的重要信息之一是它的峰面积。根据经验，峰面积和变化过程的热效应有着直接联系，而热效应的大小又取决于活性物质的质量。Speil 指出峰面积与相应过程的焓变成正比：

式中，A是差热曲线上的峰面积，由实验测得的差热峰直接得到，K是系数。在A和K值已知后，即能求得待测物质的热效应Q_P和焓变ΔH。

3.2 实验仪器

1、计算机一台，差热分析仪一台

2、三氧化二铝（Al₂O₃）样品，五水合硫酸铜（CuSO₄?5H₂O）样品，锡（Sn）样品

四、实验内容

1、启动计算机,打开差热分析程序。

2、将三氧化二铝和五水硫酸铜样品放进炉子,降下炉体,点击开始试验。

3、将温差△T置零，升温速率设为10℃/min，程序开始自动测量温度和温差的变化,观察屏幕上的差热曲线，最后保存实验数据。

4、当差热曲线出现3个峰以后，停止实验。将升温炉升起，取出五水硫酸铜。

5、当炉内温度降后，放入锡样品，再将炉子放下，按照前面的步骤开始试验。

6、在锡的一个峰出来之后的适当位置停止试验并取出样品。

7、关闭仪器和电脑，整理。

五、实验结果与分析

5.1 五水硫酸铜差热曲线

五水硫酸铜数据作图如图3：

图3 五水硫酸铜差热曲线          图4 基线校准后的差热曲线

  图中可以明显看出有三个峰，其中第一个与第二个峰交叠。由于基线漂移和较零的问题，差热曲线的基线并不为零。这里我们先用origin软件对曲线进行基线校准，校准后的图如图4。

  继续用origin对曲线进行多峰拟合，拟合图像如图5，拟合函数参数见表1，参数A即为峰的面积。

图5 多峰拟合函数图

表1 多峰拟合函数参数表

  三个峰的特征温度，可以利用切线计算特征温度，切线法如图6所示：

图6 切线法求特征温度示意图

  由图中可以得到特征温度 ，峰面积。

5.2 锡的差热曲线

   同样，用软件画出锡的差热曲线（图7），并校正基线（图8）：

图7 锡差热曲线                图8 校正基线后的差热曲线

图9 拟合后的差热曲线

  图9 为用高斯函数拟合后的函数图像。拟合函数具体参数见表2。

  由图中可以看出，锡的差热曲线只有一个峰，用切线法计（图10）算特征温度为：

  峰面积为：

图10 切线法求特征温度示意图

表2 锡峰拟合函数参数表

5.3 焓值计算

查表得ΔH_Sn=7.2kJ/mol，由于实验中用的参照样品三氧化二铝物质的量始终保持不变，所以Speil公式中的系数K不变，五水合硫酸铜在脱水过程中的焓变

计算得

5.4 结果讨论

查阅资料[1]（图11）：当五水硫酸铜分三步失水的时候，三个特征温度分别为：48℃、115℃和245℃。和本实验结果65.5℃、102.8℃和224.7℃吻合较好，但是有一定误差（具体讨论见误差分析部分）。比如第二个特征温度102.8℃，极有可能是图11中第一步的反应b，而115℃的峰由于靠得太近，所以没能出图像中表现出来。

锡的熔点为231.9℃，而实验中测得为182.0℃，相差较远。猜测是因为锡的样品在坩埚内的摆放并不均匀造成（见误差分析第5条）。

图11 五水硫酸铜特征温度文献资料

六、误差分析

1、实验中实验仪器存在系统误差。实验仪器并不能完全保温，仪器与外界仍然有一定的热交换；

2、计算过程中产生的误差；

3、五水硫酸铜已经变质，部分失水；

4、样品颗粒的大小和密度关系影响失水过程：

在加热速率缓慢、晶体颗粒较小的条件下，加热的过程近似于平衡状态，无水硫酸铜的失水过程分四步进行，失去水分子的顺序为2，1，1，1.。在不同条件下，失水过程可能是分两步、三步或者四步进行，不同的反应有不同的特征温度。所以实际情况下，某温度的五水硫酸铜，可能不同的失水过程同时进行，导致特征温度在于一定范围之内都有可能[2]；

5、装填样品的密度和空隙也会影响峰高，本次实验的锡样品不像五水硫酸铜样品一样是粉末状的，所以填装的时候在坩埚内密度不均，由此可能影响测量结果。

6、无论是五水硫酸铜还是锡，在差热曲线的末端，基线都向上漂移。表明反应后热容增大，也有可能是热导率在实验前后发生了变化。

七、思考题

1、为什么差热峰有时向上，有时向下？

答：差热峰的方向和两个因素有关，首先，差热分析中是以参比物还是试样为基准来算差值（即T_S-T_R=ΔT还是T_R-T_S =ΔT）；其次，发生的反应本身是吸热还是放热的。若以参比物为基准，则放热时ΔT<0，峰向上，吸热时ΔT>0，峰向下；而以试样为基准则是吸热时ΔT>0，峰向上，放热时ΔT<0，峰向下。在本次实验中以试样为基准，由于是吸热反应，因此差热峰向上。

2、克服基线漂移，可以采取哪些措施？

答：（1）要使基线不发生漂移，要求参比物和试样的热性质、质量、密度等完全相同时才能在试样无任何类型能量变化的相应温区内保持=O。参比物的导热系数受比热容、密度、温度和装填方式等多种因素的影响，这些因素的变化均能引起差热曲线基线的偏移。即使同一试样用不同参比物实验，引起的基线偏移也不一样。为减小试样和参比物在热性质上的明显差异造成的基线漂移，可用试样和参比物均匀混合( 即稀释试样)后使用的方法来减小。用厚约O.5mm的参比物覆盖试样，也可以减小试样和参比物与环境热交换上的差别，从而提高测量结果的可靠性。我们在实验过程中要求比较慢的升温速率，最好不超过15度/分钟，另外也可以减少试样的用量。

（2）较慢的升温速率，使体系接近平衡条件，基线漂移小。 

（3）试样量小，差热曲线出峰明显、分辨率高，基线漂移也小

3、影响峰高度和峰面积的因素有哪些？

答：试样的导热系数增加，峰高下降。由于试样装填后的导热能力是由颗粒试样和装填空隙中的气体共同决定的，因此，随着试样容重的改变，装填密度的变化，试样的导热系数也将发生改变。如果粒度改变引起装填空隙减小，而装填空隙中充满的是导热能力较差的空气时，试样的导热能力将随变大而增大。从而峰高下降，峰面积也下降。

对于有气体参加或有气体产物的反应，因粒度改变而使气体的扩散阻力增大时，这不仅阻碍反应进行，而且还会加大气体产物在试样周围的局部分压，导致分解压加大而使分解困难。这时，易使峰高下降、峰宽加大。

在线性升温时，较快的升温速率通常导致向高温移动和峰面积增加。这是因为若仅考虑升温速率，试样在单位时间内发生转变或反应的量随升温速率增大而增加，从而使转变速率增加。由于差热曲线从峰返回基线的温度是由时间和试样与参比物间的温度差决定的，所以升温速率增加，曲线返回基线时或热效应结束时的温度均向高温方向移动。

八、参考文献

1、黄润生等，近代物理实验(第二版)，南京大学出版社。

2、王晓菊，五水硫酸铜的热分析，长春师院学报，1997.

3、潘云翔，差热分析法研究五水硫酸铜的失水过程，无机化学报，1988.

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[1] 王晓菊，五水硫酸铜的热分析，长春师院学报，1997.

[2] 潘云翔，差热分析法研究五水硫酸铜的失水过程，无机化学报，1988.