材料測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

姓名：學(xué)號(hào)：XRD物相分析差熱分析DTA姓名：學(xué)號(hào)：XRD物相分析差熱分析DTA材料測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告熱分析實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、掌握兩種常用的熱分析方法─差熱分析法和熱重法的基本原理和分析方法；2、了解差熱分析和熱重分析儀器的基本結(jié)構(gòu)和基本操作。二、熱分析的定義及分類：熱分析（Thermalanalysis）是在程序控制溫度下測(cè)量物質(zhì)的物理性質(zhì)（如質(zhì)量）與溫度關(guān)系的一類技術(shù)，其中差熱分析和熱重法是目前常用的兩種熱分析方法。三、差熱分析（DTA）的基本原理：差熱分析是在程序控溫下測(cè)量樣品和參比物的溫度差與溫度（或時(shí)間）相互關(guān)系的一種技術(shù)。物質(zhì)在加熱或冷卻過程中會(huì)發(fā)生物理或化學(xué)變化，同時(shí)產(chǎn)生放熱或吸熱的熱效應(yīng)，從而導(dǎo)致樣品溫度發(fā)生變化。因此差熱分析是一種通過熱焓變化測(cè)量來了解物質(zhì)相關(guān)性質(zhì)的技術(shù)。樣品和熱惰性的參比物分別放在加熱爐中的兩個(gè)坩堝中，以某一恒定的速率加熱時(shí)，樣品和參比物的溫度線性升高；如樣品沒有產(chǎn)生焓變，則樣品與參比物的溫度是一致的（假設(shè)沒有溫度滯后），即樣品與參比物的溫差DT=0；如樣品發(fā)生吸熱變化，樣品將從外部環(huán)境吸收熱量，該過程不可能瞬間完成，樣品溫度偏離線性升溫線，向低溫方向移動(dòng)，樣品與參比物的溫差DT<0；反之，如樣品發(fā)生放熱變化，由于熱量不可能從樣品瞬間逸出，樣品溫度偏離線性升溫線，向高溫方向變化，溫差DT>0。上述溫差DT（稱為DTA信號(hào)）經(jīng)檢測(cè)和放大以峰形曲線記錄下來。經(jīng)過一個(gè)傳熱過程，樣品才會(huì)回復(fù)到與參比物相同的溫度。在差熱分析時(shí)，樣品和參比物的溫度分別是通過熱電偶測(cè)量的，將兩支相同的熱電偶同極串聯(lián)構(gòu)成差熱電偶測(cè)定溫度差。當(dāng)樣品和參比物溫差DT=0，兩支熱電偶熱電勢(shì)大小相同，方向相反，差熱電偶記錄的信號(hào)為水平線；當(dāng)溫差DT≠0，差熱電偶的電勢(shì)信號(hào)經(jīng)放大和A/D轉(zhuǎn)換，被記錄為峰形曲線，通常峰向上為放熱，峰向下為吸熱。差熱曲線直接提供的信息主要有峰的位置、峰的面積、峰的形狀和個(gè)數(shù)，通過它們可以對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性和定量分析，并研究變化過程的動(dòng)力學(xué)。峰的位置是由導(dǎo)致熱效應(yīng)變化的溫度和熱效應(yīng)種類（吸熱或放熱）決定的,前者體現(xiàn)在峰的起始溫度上，后者體現(xiàn)在峰的方向上。不同物質(zhì)的熱性質(zhì)是不同的，相應(yīng)的差熱曲線上的峰位置、峰個(gè)數(shù)和形狀也不一樣，這是差熱分析進(jìn)行定性分析的依據(jù)。分析DTA曲線時(shí)通常需要知道樣品發(fā)生熱效應(yīng)的起始溫度，根據(jù)國際熱分析協(xié)會(huì)（ICTA）的規(guī)定，該起始溫度應(yīng)為峰前緣斜率最大處的切線與外推基線的交線所對(duì)應(yīng)的溫度T(如圖2)，該溫度與其它方法測(cè)得的熱效應(yīng)起始溫度較一致。DTA峰的峰溫Tp雖然比較容易測(cè)定，但它既不反映變化速率到達(dá)最大值時(shí)的溫度，也與放熱或吸熱結(jié)束時(shí)的溫度無關(guān)，其物理意義并不明確。此外，峰的面積與焓變有關(guān)。四、實(shí)驗(yàn)儀器與試劑1、PEDTA-16002、待測(cè)樣品TiCu基合金，差熱參比物Y2O3。3、氧化鋁坩堝2只，鑷子，小勺五、實(shí)驗(yàn)步驟：1、打開氣體鋼瓶（保護(hù)氣體通常為高純氬氣，也可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要選擇氣體），打開冷卻水，約十分鐘。2、依次打開專用變壓器開關(guān)，DTA-1600開關(guān)，工作站開關(guān)。3、將儀器左側(cè)流量控制鈕旋至50ml/min。4、樣品稱重后放入坩堝，在另一只坩堝內(nèi)放入?yún)⒈任铮碊TA-1600控制面板鍵，爐子升起，將試樣坩堝放在檢測(cè)支持器右皿，將參比物坩堝放在左皿，按鍵放下爐子。5、電腦屏幕上進(jìn)入DTA-1600Collect界面，點(diǎn)擊DTA-1600，點(diǎn)擊Measure，進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，輸入升溫速率、終止溫度等等；進(jìn)入PIDParameters，確定P：10；I：10；D：10；進(jìn)入SamplingParameters，確定Samplingtime：10；進(jìn)入FileInformation，依次輸入測(cè)量序號(hào)、樣品名稱、重量、分子量、坩堝名稱、氣氛、氣體流速、操作者姓名，回到Measure，點(diǎn)擊Sart，測(cè)量開始。當(dāng)試樣達(dá)到預(yù)設(shè)的終止溫度時(shí)，測(cè)量自動(dòng)停止。等爐溫降下來再關(guān)機(jī)，關(guān)冷卻水，關(guān)氣瓶（為保護(hù)儀器，注意爐溫在500C以上不得關(guān)閉DTA-50主機(jī)電源）。6、進(jìn)入分析界面（Analysis），打開所做測(cè)量文件，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，選擇感興趣的分析項(xiàng)目如Tangent（切線），Peak（峰），PeakHeight（峰高），Heat（峰面積）等等進(jìn)行分析。最后數(shù)據(jù)存盤，導(dǎo)出TXT格式文件。六、結(jié)果分析：如圖（1），所示，以TiCu基的合金物質(zhì)Aluminiumoxid在加熱加熱過程中熱焓的峰形向下，即DT<0，那么此物質(zhì)在加熱過程吸熱。XRD物相分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.掌握X射線衍射儀進(jìn)行定性相分析的基本原理。2.學(xué)會(huì)用PDF卡片及索引對(duì)多相物質(zhì)進(jìn)行相分析的方法和步驟。二、實(shí)驗(yàn)原理1、原理任何一種結(jié)晶物質(zhì)都具有特定的晶體結(jié)構(gòu)。在一定波長的X射線照射下，每種晶體物質(zhì)都產(chǎn)生自己特有的衍射花樣。每一種物質(zhì)與它的衍射花樣都是一一對(duì)應(yīng)的，不可能有兩種物質(zhì)給出完全柑同的衍射花樣。如果試樣中存在兩種以上不同結(jié)構(gòu)的物質(zhì)時(shí)，每種物質(zhì)所特有的衍射花樣不變，多相試樣的衍射花樣只是由它所含各物質(zhì)的衍射花樣機(jī)械疊加而成。在進(jìn)行相分析時(shí)，為了便于對(duì)比和存貯，通常用面間距d和相對(duì)強(qiáng)度I的數(shù)據(jù)組代表衍射花樣。這就是說：用dI數(shù)據(jù)組作為定性相分析的基本判據(jù)。其中又以d值為主要判據(jù)，I值為輔助判據(jù)。定性相分析的方法，就是將由試樣測(cè)得的dI數(shù)據(jù)組(即衍射花樣)與已知結(jié)構(gòu)物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)dI數(shù)據(jù)組(即標(biāo)準(zhǔn)衍射花樣)進(jìn)行對(duì)比，從而鑒定出試樣中存在的物相。這種標(biāo)準(zhǔn)dI數(shù)據(jù)組是由“粉末衍射標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合委員會(huì)”，簡稱JCPDS的國際性組織負(fù)責(zé)編輯出版，將每種物質(zhì)的衍射數(shù)據(jù)和它的晶體學(xué)參數(shù)一起制成一張卡片，稱為PDF卡片。2、PDF卡片及其索引每張PDF卡片代表一種物相，標(biāo)有自己的順序號(hào)?？ㄆ械膬?nèi)容包括兩個(gè)部分：(1)作為查尋依據(jù)的三強(qiáng)線dI數(shù)值以及衍射花樣中各衍射線的dI數(shù)據(jù)；(2)物相名稱，化學(xué)式，晶體學(xué)參數(shù)，光學(xué)性質(zhì)和實(shí)驗(yàn)條件等。三、實(shí)驗(yàn)儀器：PhilipX’PertdiffractometerwithCu-Karadiationsource(=1.54056?)at40Kv。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1.衍射花樣測(cè)試衍射花樣測(cè)試可以采用德拜照相法、透射聚焦照相法和衍射儀法，其中最常用的是衍射儀法。在選定實(shí)驗(yàn)條件時(shí)，要注意到定性相分析的基本要求。以衍射儀法為例，一般情況下應(yīng)選用：(1)利用濾波片或晶體單色器消除Kb衍射線；(2)衍射花樣測(cè)量范圍應(yīng)為2q<90°的全部Ka衍射線；(3)利用連續(xù)掃描測(cè)量方法，采用中等掃描速度(例如2°/min)；(4)選用中等尺寸的狹縫光闌，例如，0.31°的發(fā)散狹縫和0.050.15°的接收狹縫；(5)在設(shè)備條件允許的情況下，應(yīng)選用盡可能高的管電壓和管電流。例如，對(duì)2kW功率的銅靶X射線管可選用35kV，40mA。這樣有利于顯示低含量相的衍射信息。2.計(jì)算面間距d值和測(cè)定相對(duì)強(qiáng)度Ir(PDF卡片中用I／I1表示)定性相分析以2q<90°的衍射線為主要依據(jù)。2q角的測(cè)量精度應(yīng)達(dá)到0.01°。由2q角計(jì)算得到的d值精度，隨著d值的變化而各異，例如d＝1、2、3、4，其相應(yīng)的精度應(yīng)達(dá)到±d＝0.001、0.002、0.003、0.005。在測(cè)量和計(jì)算時(shí)，要求2q角和d值分別給出0.01和0.001位有效數(shù)字。衍射強(qiáng)度Ii測(cè)量是扣除背底后的凈峰高強(qiáng)度值。相對(duì)強(qiáng)度Ir(或I／I1)等于各衍射線的峰高強(qiáng)度Ii被衍射花樣中最強(qiáng)線的峰高強(qiáng)度Imax除，再乘100后取整，即Ir＝[(Ii/Imax)×100]取整。3.檢索PDF卡片(1)單相分析：如果試樣中只含一個(gè)相，對(duì)計(jì)算得到的d值給出適當(dāng)?shù)恼`差，然后用三強(qiáng)線的dIr值在PDF卡片數(shù)值索引中的相應(yīng)d(±Dd)值組中查尋被鑒定相的對(duì)應(yīng)條目。當(dāng)二強(qiáng)線的dIr值與索引條目中的dI/I1值符合時(shí)，再將該條目中八強(qiáng)線的dI/I1值與被鑒定相衍射花樣中各衍射線的dI,值核對(duì)。如果八強(qiáng)線都能找到各自的對(duì)應(yīng)值，則根據(jù)該條目指出的PDF卡片編號(hào)取出PDF卡片，將其中的全部dI/I1值與被鑒定相衍射花樣中的dIr值核對(duì)，如果兩者的dI數(shù)據(jù)全部吻合，則相分析結(jié)束。從檢索得到的PDF卡片便可知道被鑒定相的名稱、化學(xué)式和各種晶體學(xué)參數(shù)。(2)多相分析：如果試樣中含有多個(gè)物相，檢索手續(xù)就會(huì)變得復(fù)雜。因?yàn)閷?duì)這種情況同樣要一個(gè)相一個(gè)相地逐個(gè)進(jìn)行鑒定。其主要麻煩是被測(cè)衍射花樣中的三強(qiáng)線不一定屬于同一個(gè)相。要想找到某個(gè)相的試檢索。只有找到某個(gè)相的三強(qiáng)線，才能按上述單相檢索程序查尋到與該相對(duì)應(yīng)的PDF卡片。當(dāng)檢索出一個(gè)相之后，要將除去已鑒定相之外的剩余衍射線的強(qiáng)度重新進(jìn)行歸一化處理，即在剩余衍射線中重新用其中的最強(qiáng)線峰高強(qiáng)度去除各衍射線的峰高強(qiáng)度，得到重新歸一化的相對(duì)強(qiáng)度Ir＝[(Ii/Imax)×100]取整。然后在新的基礎(chǔ)上，再作三強(qiáng)線的多種搭配進(jìn)行多次嘗試檢索。以此類推，直到試樣中所含相的PDF卡片全部被檢索出為止。在進(jìn)行多相分析時(shí)，如果預(yù)先知道被測(cè)試樣中可能存在的相，可先利用已知相英文名稱在字母索引中檢索，查尋出相應(yīng)的PDF卡片，與被測(cè)試樣衍射花樣核對(duì)，從中確定所含的已知相，剩下的未知相再用數(shù)值索引按上述方法檢索。如果能用字母索引先確認(rèn)12個(gè)已知相，那將會(huì)大大簡化未知相的檢索程序。多相分析是一項(xiàng)相當(dāng)復(fù)雜而繁瑣的工作?，F(xiàn)代X射線衍射儀都配備有物相定性分析的計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢索軟件。4.最后判定物相分析的最后判定無論是對(duì)人工檢索還是計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢索都是十分重要的。因?yàn)橛袝r(shí)經(jīng)檢索后會(huì)給出數(shù)張乃至更多張可能的候選卡片，難以確定唯一的最終結(jié)果。例如，TiC、TiN、TiO都屬于面心立方結(jié)構(gòu)，點(diǎn)陣常數(shù)也接近，因此dI值都很接近。在類似這種情況下，如果單憑檢索的衍射數(shù)據(jù)判別就可能給