Материал: LS-Sb87538

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ” им. В. И. Ульянова (Ленина)»

Кафедра физической химии

В. И. АЛЬМЯШЕВ С. А. КИРИЛЛОВА В. В. ГУСАРОВ

Методы термического анализа материалов

Электронное учебное пособие

Факультет информационно-измерительных и биотехнических систем Направление подготовки магистров: Биомедицинская инженерия

Образовательная программа магистратуры: Биосовместимые материалы

Курс: Физико-химические и структурные методы исследования материалов

Санкт-Петербург

2011

УДК 543.57(075)

ББК Ж.с3-1с36я7: 24.46

А57

Альмяшев В. И., Кириллова С. А., Гусаров В. В.

А57 Методы термического анализа материалов: эл. учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011. 48 с.

ISBN 978-5-7629-1156-6

Содержит сведения о физико-химических основах и истории развития

методов термического анализа веществ и материалов. Приводится описание устройства и принципа работы установки синхронного термического анализа. Рассматриваются перспективы развития термического анализа как метода исследования высокотемпературных процессов и материалов.

Предназначено для магистрантов первого курса, обучающихся по на-

правлению «Биомедицинская инженерия», а также для студентов технических

вузов, специализирующихся в области физико-химических методов анализа процессов и материалов, экологии и защиты окружающей среды. Кроме того, может быть полезно научным и инженерно-техническим работникам, связанным с физико-химическим анализом.

Рецензенты: кафедра физической химии химического факультета Уральского федерального университета; зав. кафедрой технологии стекла и общей технологии силикатов Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета), чл.-корр. РАН, д-р хим. наук, проф. В. А. Жабрев.

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве электронного учебного пособия

ВВЕДЕНИЕ

Методы термического анализа служат для исследования химических реакций, фазовых и других физико-химических превращений, происходящих под влиянием тепла в химических соединениях или (в случае многокомпонентных

систем) между отдельными соединениями, а также в материалах на их основе. Термические процессы, будь то химические реакции, изменение состояния или

превращение фазы, сопровождаются всегда более или менее значительным изменением внутреннего теплосодержания системы. Превращение влечет за собой поглощение тепла – эндотермическое превращение – либо выделе-

ние тепла – экзотермическое превращение. Эти тепловые эффекты могут быть обнаружены методами термического анализа (ТА), дифференциаль- но-термического анализа (ДТА) или дифференциально-сканирующей калориметрии (ДСК).

Превращения во многих случаях связаны также с изменением массы образца, которое может быть, в свою очередь, с большой точностью определено

при помощи термогравиметрического метода (ТГ). Эти классические тер-

моаналитические методы успешно применяются в науке уже более ста лет.

В последние годы наряду с повышением аналитической точности и уровня автоматизации установки термического анализа оснащаются дополнительными информационными каналами (масс-спектрометрия, Фурье-ИК-спектроскопия, рентгеновская дифрактометрия и др.), позволяющими значительно расширить аналитические возможности методов термического анализа веществ

и материалов.

Важным источником информации в термическом анализе является визу-

альное наблюдение за образцом в процессе проведения эксперимента. Со-

вмещение методов визуально-политермического анализа с методами ДТА и ТГ может быть очень перспективным как при изучении фазовых и химических превращений в системах конденсированных веществ, так и при определении осо-

бенностей поведения материалов при нагревании.

Следует отметить, что определяющая роль экспериментального иссле-

дования термических превращений в физико-химическом анализе иллюстрируется тем фактом, что основатель физико-химического анализа, профессор

Электротехнического института Н. С. Курнаков (организатор и первый заве-

3

дующий физико-химической лабораторией), начал свои основополагающие для физической химии материалов работы с создания так называемого пирометра

Курнакова – одного из первых приборов, ориентированных на изучение термических превращений.

4

1. ИСТОРИЯ ПОЯВЛЕНИЯ И РАЗВИТИЯ МЕТОДА ТЕРМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ВЕЩЕСТВА

Впервые принцип термического анализа для исследования материалов был применен А. Ле Шателье в 1887 г. при изучении глинистых минералов. Не-

большое количество глины с равномерной скоростью быстро нагревалось до температуры 1300 К, в то время как А. Ле Шателье с помощью вложенной в

пробу термопары и подключенного к ее клеммам гальванометра наблюдал за тем, в какой степени температура пробы следует темпу нагревания. Результаты измерения были зарегистрированы фотографированием через равномерные

промежутки времени узкой световой полосы, отраженной на фотопластинку от зеркала гальванометра.

Известно, что каолинит (Al4[Si4O10](OH)6) – минерал, из которого состоит

белая глина, – теряет воду при температуре около 900 К. Данный процесс является эндотермическим. Полученные при разложении аморфные продукты кристаллизуются с выделением тепла при температуре около 1200 К.

b1

б T

Рис. 1. Сравнение фотопластинки Ле Шателье (а) и современной термограммы (б): T – температура в печи; T – разница температуры между пробой и печью

Согласно указанным превращениям на фотопластинке Ле Шателье

(рис. 1, а) в случае, когда ничто не оказывало влияния на равномерное повышение температуры пробы, были получены линии, расположенные на одинако-

вом расстоянии друг от друга. Однако при потере каолинитом структурной воды

5