差热分析法

内蒙古师范大学本科生毕业论文

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差热分析原理及其在快淬态AB5型储氢合金中的应用

张涛（学号：2）

（物理与电子信息学院物理学专业2008级汉班，内蒙古呼和浩特010022）

指导教师：田晓

摘要：本文对差热分析的基本原理以及影响差热分析的因素进行了阐述与分析，并采用差热分析法

对快淬态AB5型储氢合金的结构进行了分析。

关键词：差热分析；快淬；AB5型储氢合金

1.引言

差热分析（DifferentialThermalAnalysis，DTA）是在程序控制温度下测定待测物质

和参比物之间的温度差和温度关系的一种技术。物质在加热或冷却过程中的某一特定温

度下往往会伴随吸热或放热效应的物理、化学变化，如晶型转换、沸腾、升华、蒸发、

融化等物理变化以及氧化还原、分解、脱水和解离等化学变化。另有一些物理变化如玻

璃化转变，虽无热效应发生，但热熔等某些物理性质也会发生改变。此时的物质不一定

改变，但是温度是必定会变化的。差热分析就是在物质这类性质基础上建立的一种技术。

差热分析法是对加热过程中所发生上述各种物理-化学现象做出精确的测定和记录[1]。因

此，被广泛应用于测定物质在热反应时的特征温度及吸收或放出的热量，也被广泛用于

地质、冶金、石油、建材、化工等各个部门的研究及生产中。本文首先阐述了差热分析

的基本原理，分析了影响差热分析的因素，然后利用差热分析法来研究快淬态AB

5

型合

金进行了分析。

2差热分析的基本原理

2.1基本原理

具有不同自由电子束和逸出功的两种金属接触会产生电动势。如图1所示，当A金

属丝和B金属丝焊接后组成闭合回路，如果两焊点的温度t

1

和t

2

不同就会产生温差电动

势，闭合回路有电流流动，检流计指针偏转。温差电动势的大小与t

1

、t

2

成正比。将两

根不同的金属丝A和金属丝B以一端相焊接，置于需测温部位；另一端置于冰水环境

中，并以导线与检流计相连，所得的温差电动势近似与热端的温度成正比，构成用于测

温的热电偶。将两个反极性的热电偶串联起来，就构成了可用于测定两个热源之间温差

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的温差热电偶。将温差热电偶的一个热端插在被测试样品中，另一端插在待测温度区间

不发生热效应的参比物中，将式样和参比物同时升温，测定升温过程中两者的温度差，

这就是差热分析的基本原理[2]。

图1(a,b)热电偶和温差热偶示意图

差热分析是在程序控制温度下，测量物质与参比物之间的温度差与温度关系的一种

技术。差热分析曲线是描述样品与参比物之间的温差(T)随温度或时间的变化关系。在

差热分析试验中，样品温度的变化是由于相转变或反应的吸热或放热效应引起的。差热

分析的基本原理如图2所示。

图2差热分析的基本原理示意图

将试样和参比物分别放入坩埚，置于炉中以一定速率

dt

dT

V进行程序升温，以T

S

、

T

r

表示各自的温度，设试样和参比物(包括容器、温差电偶等)的热容量

S

C、

r

C

不随温

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度而变。则它们的升温曲线如图3所示。

图3试样和参比物的升温曲线

2.2差热分析的仪器结构简介

图4为典型的差热分析装置示意图。基本由以下几部分组成：

图4典型差热分析装置的框块示意图

(1)温度程序控制单元

使炉温按给定的程序方式(升温、降温、恒温、循环)以一定速度上升、下降或恒定。

(2)差热放大单元

用以放大温差电势，由于记录仪量程为毫伏级，而差热分析中温差信号很小，一般

只有几微伏到几十微伏，因此差热信号须经放大后再送入记录仪中记录。

(3)记录单元

由双笔自动记录仪将测温信号和温差信号同时记录下来。例如锡在加热熔化时的差

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热图如图5所示。

图5锡加热时的差热图

在进行差热分析过程中，如果升温时试样没有热效应，则温差电势应为常数，差热

曲线为一直线，称为基线。但是由于两个热电偶的热电势和热容量以及坩埚形态、位置

等不可能完全对称，在温度变化时仍有不对称电势产生。此电势随温度升高而变化，造

成基线不直，这时可以用斜率调整线路加以调整。方法是：坩埚内不放参比物和样品，

将差热放大量程置于100μV，升温速度置于10℃/min，用移位旋钮使温差记录笔处于

记录纸中部，这时记录笔应画出一条直线。在升温过程中如果基线偏离原来的位置，则

主要是由于热电偶不对称电势引起基线漂移。待炉温升到750度时，通过斜率调整旋钮

校正到原来位置即可。此外，基线漂移还和样品杆的位置、坩埚位置、坩埚的几何尺寸

等因素有关。

2.3差热分析曲线起止点温度和面积的测量

以

rS

TTT对t作图，所得差热分析曲线如图6所示。在0-a区间，T大体上是

一致的，形成差热分析曲线的基线。随着温度的增加，试样产生了热效应(例如相转变)，

则与参比物间的温差变大，在差热分析曲线中表现为峰。显然，温差越大，峰也越大，

试样发生变化的次数多，峰的数目也多，所以各种吸热和放热峰的个数、形状和位置与

相应的温度可用来定性地鉴定所研究的物质，而峰面积与热量的变化有关。DTA曲线所

包围的面积S可用下式表示：

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S

m

gC

Tdt

m

gC

Ht

t1

2

式中m

，

H是反应热，g是仪器的几何形态常数，C是样品的热传导率T是温差，

1

t

是差热分析曲线的积分限。这是一种最简单的表达式，它是通过运用比例或近似常数g

和C来说明样品反应热与峰面积的关系。这里忽略了微分项和样品的温度梯度，并假设

峰面积与样品的比热无关，所以它是一个近似关系式。

图6差热分析吸热转变曲线

差热分析曲线的峰面积为反应前后基线所包围的面积，可用以下方法对进行其测

量：

（1）使用积分仪，可以直接读数或自动记录下差热峰的面积；

（2）剪纸称重法，若记录纸厚薄均匀，可将差热峰剪下来，在分析天平上称其质量，

其数值可以代表峰面积。

对于反应前后基线没有偏移的情况，只要联结基线就可求得峰面积，这是不言而喻

的。对于基线有偏移的情况，下面两种方法是经常采用的：

（1）分别作反应开始前和反应终止后的基线延长线，它们离开基线的点分别是

a

T和

f

T，联结

a

T、

p

T、

f

T各点，便得峰面积，这就是ICTA(国际热分析协会)所规定的方法

见图3(1)。

（2）由基线延长线和通过峰顶

p

T作垂线，与DTA曲线的两个半侧所构成的两个近

似三角形面积

1

S,

2

S(图7(2)中以阴影表示)之和

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SSS

表示峰面积，这种求面积的方法是认为在

1

S中丢掉的部分与

2

S中多余的部分可以得

到一定程度的抵消。

图7峰面积求法

2.4影响差热分析的主要因素

差热分析操作简单，但在实际工作中往往发现同一试样在不同仪器上测量，或不同

的人在同一仪器上测量，所得到的差热曲线结果有差异。峰的最高温度、形状、面积和

峰值大小都会发生一定变化。其主要原因是因为热量与许多因素有关，传热情况比较复

杂所造成的。一般说来，一是仪器，二是样品。虽然影响因素很多，但只要严格控制某

种条件，仍可获得较好的重现性。

(1)气氛和压力的选择

气氛和压力可以影响样品化学反应和物理变化的平衡温度、峰形。因此，必须根据

样品的性质选择适当的气氛和压力，有的样品易氧化，可以通入N

2

、Ne等惰性气体。

(2)升温速率的影响和选择

升温速率不仅影响峰温的位置，而且影响峰面积的大小，一般来说，在较快的升温

速率下峰面积变大，峰变尖锐。但是快的升温速率使试样分解偏离平衡条件的程度也大，

因而易使基线漂移。更主要的可能导致相邻两个峰重叠，分辨力下降。较慢的升温速率，

基线漂移小，使体系接近平衡条件，得到宽而浅的峰，也能使相邻两峰更好地分离，因

而分辨力高。但测定时间长，需要仪器的灵敏度高。一般情况下选择8℃/min～12℃/min

为宜。

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(3)试样的预处理及用量

试样用量大，易使相邻两峰重叠，降低了分辨力。一般尽可能减少用量，最多大至

毫克。样品的颗粒度在100目～200目左右，颗粒小可以改善导热条件，但太细可能会

破坏样品的结晶度。对易分解产生气体的样品，颗粒应大一些。参比物的颗粒、装填情

况及紧密程度应与试样一致，以减少基线的漂移[3]。

(4)参比物的选择

要获得平稳的基线，参比物的选择很重要。要求参比物在加热或冷却过程中不发生

任何变化，在整个升温过程中参比物的比热、导热系数、粒度尽可能与试样一致或相近。

常用-Al

2

O

3

或煅烧过的氧化镁（MgO）或石英砂作参比物。如分析试样为金属，也

可以用金属镍粉作参比物。如果试样与参比物的热性质相差很远，则可用稀释试样的方

法解决，主要是减少反应剧烈程度；如果试样加热过程中有气体产生时，可以减少气体

大量出现，以免使试样冲出。选择的稀释剂不能与试样有任何化学反应或催化反应，常

用的稀释剂有SiC、铁粉、Fe

2

O

3

、玻璃珠Al

2

O等。

(5)纸速的选择

在相同的实验条件下，同一试样如走纸速度快，峰的面积大，但峰的形状平坦，误

差小；走纸速率小，峰面积小。因此，要根据不同样品选择适当的走纸速度。不同条件

的选择都会影响差热曲线，除上述外还有许多因素，诸如样品管的材料、大小和形状、

热电偶的材质以及热电偶插在试样和参比物中的位置等。市售的差热仪，以上因素都已

固定，但自己装配的差热仪则需要考虑这些因素。

3.快淬态AB

5

型储氢合金的差热分析

3.1实验方法

铸态AB

5

型储氢母合金LaNi

3.55

Co

0.75

Mn

0.4

Al

0.3

采用非自耗真空电弧炉熔炼制备。然后,

采用单辊快淬法对部分LaNi

3.55

Co

0.75

Mn

0.4

Al

0.3

铸态母合金在石英管中经高频感应加热重

熔进行快速冷却制备快淬态合金。快淬速度以铜辊的表面线速度来表示,本试验分别采

用20和30m/s的快淬速度制备快淬态合金。

差热数据测试在NETZSCHSTA409PC/PG型差示扫描量热分析仪上进行。试验条

件：氮气气氛，Al

2

O

3

参考试样盘空置，升温速率10℃/min，温度范围：50℃~800℃。

（试验样品和实验数据均由指导老师提供）

3.2结果与讨论

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图8是20m/s快淬态AB

5

型储氢合金的差热分析图.由图8可见,20m/s快淬态AB

5

型

储氢合金的差热分析图中出现了明显的放热峰,由数据可知,放热峰面积是994.7J/g；一

般而言，峰面积的大小表示吸放热的多少。从图中还可见放热的起始温度为505.2℃，

终止温度为624.0℃，放热峰值为548.4℃，一般定义晶化温度为放热峰值对应的温度。

可见，快淬速度为20m/s的AB

5

型储氢合金的晶化温度为548.4℃。

图820m/s快淬态AB5型储氢合金的差热分析图

图9是30m/s快淬态AB

5

型储氢合金的差热分析图.由图9可见,30m/s快淬态AB

5

型储氢合金的差热分析图出中也出现了明显的放热峰,由数据可知,放热峰面积是

1841J/g，放热的起始温度为616.2℃，终止温度为683.3℃，峰值温度为650.8℃。可见，

快淬速度为30m/s的AB

5

型储氢合金的晶化温度为650.8℃。

图930m/s快淬态AB

5

型储氢合金的差热分析图

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为了对比的方便，将图8和图9放到一起形成图10，图10为20m/s和30m/s快淬

态AB

5

型储氢合金的差热分析的对比图。

图1020m/s和30m/s快淬态AB

5

型储氢合金的差热分析对比图

从图10中可以看出，20m/s的快淬态合金的晶化温度为548.4℃，30m/s的快淬态

合金的晶化温度为650.8℃，20m/s的晶化温度比30m/s的低102.4℃；20m/s的放热峰

面积为994.7J/g，30m/s的放热峰面积为1851J/g，20m/s的放热峰面积比30m/s的少

846.3J/g。不难看出，快淬速度越大，相应的放热峰面积越大，晶化温度越高。

4结论

（1）差热分析是一种研究材料发生物理、化学变化时吸放热性能的有效方法。

（2）快淬速度的高低，对晶化温度和放热峰面积有明显的影响，分析认为，这主

要是由于快淬速度的大小与合金非晶化程度有关。快淬速度越大，相应的放热峰面积越

大，晶化温度越高，非晶化程度越明显。

参考文献：

[1](英)M·I·波普.差热分析DTA技术及其应用指导[M].北京:北京师范大学出版社，1982

[2]王斌.现代分析测试方法[M].北京：石油工业出版社，2008

[3]曹国喜,冯际田，胡和方等.差热分析若干影响因素探讨[J].2002,30(4):36-37

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Principleofdifferentialthermalanalysisandits

applicationintheAB

5

-typehydrogenstoragealloys

preparedbyrapidquenchingmethod

ZhangTao(StudentCard:2)

(ClassofPhysicsHan,Grade2008,CollegeofPhysicsandElectronicInformation,Inner

MongoliaNormalUniversity,Hohhot,InnerMongolia010022)

Director:TianXiao

Abstract:Inthispaper,thebasicprinciplesofdifferentialthermalanalysisandthefactorsofdifferential

uenchingtheAB

5

-typehydrogenstoragealloys

wereanalyzedbymeansofdifferentialthermalanalysis.

Keywords:Differentialthermalanalysis;rapidquenching;theAB

5

-typehydrogenstoragealloy