热分析基础知识介绍

热分析技术是在温度程序控制下研究材料的各种转变和反应，是一种十分重要的分析测试方法。常用的热分析方法有：热重法(TG/TGA)、差热分析法（DTA）、差示扫描量热法（DSC）。

1

热重分析法

热重分析：TG或TGA

是指在程序控制温度下测量待测样品的质量与温度变化关系的一种热分析技术，用来研究材料的热稳定性和组份。

TGA在研发和质量控制方面都是比较常用的检测手段。热重分析在实际的材料分析中经常与其他分析方法连用，进行综合热分析，全面准确分析材料。

原理

在温度程序控制下，测量物质质量与温度之间的关系的技术。这里值得一提的是，定义为质量的变化而不是重量变化是基于在磁场作用下，强磁性材料当达到居里点时，虽然无质量变化，却有表观失重。而热重分析则指观测试样在受热过程中实质上的质量变化。

热重分析所用的仪器是热天平，它的基本原理是，样品重量变化所引起的天平位移量转化成电磁量，这个微小的电量经过放大器放大后，送入记录仪记录；而电量的大小正比于样品的重量变化量。

当被测物质在加热过程中有升华、汽化、分解出气体或失去结晶水时，被测的物质质量就会发生变化。这时热重曲线就不是直线而是有所下降。通过分析热重曲线，就可以知道被测物质在多少度时产生变化，并且根据失重量，可以计算失去了多少物质。

TGA 可以得到样品的热变化所产生的热物性方面的信息。

表征内容丨

热重分析通常可分为两类：动态法和静态法。

丨静态法：包括等压质量变化测定和等温质量变化测定。等压质量变化测定是指在程序控制温度下，测量物质在恒定挥发物分压下平衡质量与温度关系的一种方法。等温质量变化测定是指在恒温条件下测量物质质量与温度关系的一种方法。

丨动态法：就是我们常说的热重分析和微商热重分析。微商热重分析又称导数热重分析（Derivative Thermogravimetry，简称DTG），它是TG曲线对温度(或时间)的一阶导数。以物质的质量变化速率（dm/dt） 对温度T(或时间t)作图，即得DTG曲线。

技术应用

热重分析法可以研究晶体性质的变化，如熔化、蒸发、升华和吸附等物质的物理现象；研究物质的脱水、解离、氧化、还原等物质的化学现象。 热重法的重要特点是定量性强，能准确地测量物质的质量变化及变化的速率。 目前，热重法已在下述诸方面得到应用： (1)无机物、有机物及聚合物的热分解； (2)液体的蒸馏和汽化； (3)煤、石油和木材的热解过程； (4)含湿量、挥发物及灰分含量的测定； (5)脱水和吸湿；

2

差热分析法

差热分析法：DTA

一种重要的热分析方法，是指在程序控温下，测量物质和参比物的温度差与温度或者时间的关系的一种测试技术。该法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，包括物质相变、分解、化合、凝固、脱水、蒸发等物理或化学反应。广泛应用于无机、硅酸盐等领域。

原理

物质在受热或冷却过程中，当达到某一温度时，往往会发生熔化、凝固、晶型转变、分解、化合、吸附、脱附等物理或化学变化，并伴随有焓的改变，因而产生热效应，其表现为样品与参比物之间有温度差。

记录两者温度差与温度或者时间之间的关系曲线就是差热曲线（DTA曲线）。

表征内容丨

从差热图上可清晰地看到差热峰的数目、高度、位置、对称性以及峰面积。

峰的个数表示物质发生物理化学变化的次数，峰的大小和方向代表热效应的大小和正负，峰的位置表示物质发生变化的转化温度。

在相同的测定条件下，许多物质的热谱图具有特征性。因此，可通过与已知的热谱图的比较来鉴别样品的种类。理论上讲，可通过峰面积的测量对物质进行定量分析，但因影响差热分析的因素较多，定量难以准确。

技术应用

凡是在加热（或冷却）过程中，因物理-化学变化 而产生吸热或者放热效应的物质，均可以用差热分析法加以鉴定。其主要应用范围如下： （1）含水化合物 对于含吸附水、结晶水或者结构水的物质，在加热过程中失水时，发生吸热作用，在差热曲线上形成吸热峰。 （2）高温下有气体放出的物质 一些化学物质，如碳酸盐、硫酸盐及硫化物等，在加热过程中由于CO2、SO2等气体的放出，而产生吸热效应，在差热曲线上表现为吸热谷。不同类物质放出气体的温度不同，差热曲线的形态也不同，利用这种特征就可以对不同类物质进行区分鉴定。 （3）矿物中含有变价元素 矿物中含有变价元素，在高温下发生氧化，由低价元素变为高价元素而放出热量，在差热曲线上表现为放热峰。变价元素不同，以及在晶格结构中的情况不同，则因氧化而产生放热效应的温度也不同。如Fe2+在340~450℃变成Fe3+。 （4）非晶态物质的重结晶 有些非晶态物质在加热过程中伴随有重结晶的现象发生，放出热量，在差热曲线上形成放热峰。此外，如果物质在加热过程中晶格结构被破坏，变为非晶态物质后发生晶格重构，则也形成放热峰。

3

差示扫描量热法

差示扫描量热法：DSC

现代热分析是指在程序控温下，测量物质的物理性质随温度变化的一类技术。人们通过检测样品本身的热物理性质随温度或时间的变化，来研究物质的分子结构、聚集态结构、分子运动的变化测定材料的固液相线等。

原理

DSC是研究在温度程序控制下物质随温度的变化其物理量（ΔQ和ΔH）的变化，即通过程序控制温度的变化，在温度变化的同时，测量试样和参比物的功率差（热流率）与温度的关系。 应用最多的热分析仪器是功率补偿型DSC、热流型DSC、差热式DTA、热重TG等。

技术应用

差示扫描量热曲线(DSC曲线)是在差示扫描量热测量中记录的以热流率dH/dt为纵坐标、以温度或时间为横坐标的关系曲线。 由非晶合金的DSC曲线可以得到下列的一些信息：(1)玻璃转变温度Tg；(2)晶化温度Tx；(3)结构弛豫峰，并由结构弛豫峰可获得低温结构弛豫和高温结构弛豫，以及它们的弛豫激活能的值；(4)晶化过程以及结晶焓变△Hx；(5)晶化过程中各种亚稳相的信息。

审核编辑 ：李倩