Физические методы исследований с использованием современного оборудования



Скачать 155.46 Kb.
страница1/3
Дата19.07.2019
Размер155.46 Kb.
#122178
  1   2   3

Физические методы исследований с использованием современного оборудования
1.1. Термический анализ

1.2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ И ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

1.3. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛОВ

1.4. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

1.5. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

1.6. ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ

1.7. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ СОСТАВА И СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ. УСТРОЙСТВА И МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ


1.1. Термический анализ

Термический анализ – совокупность методов определения температур, при которых происходят процессы, сопровождающиеся либо выделением тепла (кристаллизация из жидкости), либо его поглощением (плавление, термическая диссоциация). Термический анализ часто используется как один из основных методов изучения теплопередачи через структуры.

Обычно выделяют несколько методов, отличающихся друг от друга тем, какое свойство материала измеряется:

1. Дифференциально-термический анализ – температура.

2. Дифференциально-сканирующая калориметрия – теплота.

3. Термогравиметрический анализ – масса.

4. Термомеханический анализ – линейный размер.

5. Дилатометрия – объем.

6. Динамический механический анализ – механическая жесткость и амортизация.

7. Диэлектрический термический анализ – диэлектрическая прони-
цаемость и коэффициент потерь.

8. Анализ выделяемых газов – газовые продукты разложения.

9. Термооптический анализ – оптические свойства.

10. Визуально-политермический анализ – форма.

11. Лазерный импульсный анализ – температурный профиль.

12. Термомагнитный анализ – магнитные свойства.



Визуальный метод термического анализа состоит в наблюдении и измерении температуры первого появления (исчезновения) неоднородности, например, выпадения кристаллов, исчезновения мути в системе двух несмешивающихся жидкостей), в изучаемой среде при ее охлаждении или нагревании. Он применим только к прозрачным легкоплавким объектам. Более общим является метод построения кривых «время – температура». Изучаемый объект нагревают (охлаждают), измеряя через небольшие промежутки времени его температуру. Результаты измерений изображают графически, откладывая время по оси абсцисс, а температуру – по оси ординат, получая так называемые кривые нагревания или охлаждения исследуемого образца, т. е. изменение температуры последнего во времени. При отсутствии превращений кривая нагревания (охлаждения) идет плавно; превращения отражаются появлением на кривой изломов или горизонтальных участков («остановок»).

Большей чувствительностью обладает предложенный В. Робертс-Остеном (1891 г.) метод дифференциально-термического анализа (ДТА), в котором регистрируют во времени изменение разности температур (∆T) между исследуемым образцом и образцом сравнения – эталоном (чаще всего Аl2О3), не претерпевающим в данном интервале температур никаких превращений. Эталон должен иметь такую же величину удельной теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности, как и исследуемый образец. Размер частиц инертного вещества должен быть таким же, как и исследуемого. В этом случае на одном и том же графике записывают кривую «время – температура» и кривую «время – разность температур» объекта и эталона. Эта разность появляется при любом превращении исследуемого объекта, протекающем с поглощением (выделением) тепла. О характере превращений судят по виду простой кривой нагревания (охлаждения),


а по дифференциальной кривой точно определяют температуру превращения.

Минимумы на кривой ДТА (рисунок 11.1) соответствуют эндотермическим процессам, а максимумы – экзотермическим.

Эффекты, регистрируемые в ДТА, могут быть обусловлены плавлением, изменением кристаллической структуры, разрушением кристал-
лической решетки, разложением, дегидратацией, окислением-восста-
новлением и испарением, кипением, возгонкой, а также химическими процессами (диссоциация). Большинство превращений сопровождается эндотермическими эффектами; экзотермичны лишь некоторые процессы окисления-восстановления и структурного превращения. На вид кривых в ДТА, как и на вид кривых в термогравиметрии, оказывают влияние многие факторы, поэтому воспроизводимость метода, как правило, плохая.
931

Время нагревания

Т, С

976


1023

1242


τ

4106-27.jpg

Рисунок 11.1 – Общий вид кривой ДТА


Обычно данные ДТА используют в сочетании с результатами термогравиметрических, масс-спектрометрических и дилатометрических исследований. Это позволяет, например, делать выводы об обратимости фазовых превращений, изучать явления переохлаждения и др. ДТА применяют для построения фазовых диаграмм состояния систем с различным числом компонентов, для качественной оценки образцов при сравнении разных партий сырья. Для записи кривых нагревания и охлаждения используют самопишущие приборы, электронные потенциометры, оптические пирометры.

Термогравиметрия (ТГ), или термогравиметрический анализ (ТГА), – метод термического анализа, при котором регистрируются любые изменения массы образца как функция температуры или времени, происходящие в результате взаимодействия образца с окружающей его атмосферой. Экспериментально получаемая кривая зависимости изменения массы от температуры (термогравиметрическая кривая, или термограмма) позволяет судить о термостабильности и составе образца в начальном состоянии, термостабильности и составе веществ, образующихся на промежуточных стадиях процесса, и составе остатка, если таковой имеется (рисунок 11.2). Этот метод является эффективным в том случае, когда образец выделяет летучие вещества в результате различных физических и химических процессов.

Рисунок 11.2 – Термогравиметрическая кривая


В ходе опыта химическое соединение с известной начальной массой нагревается в электропечи по программе, заданной исследователем. Величина исходной и конечной массы вещества и величина потери массы – основные экспериментально определяемые характеристики, которые используются для количественных расчетов.

TГА широко используется в исследовательской практике для определения температуры деградации и влажности различных материалов, доли органических и неорганических компонентов и др. Нагрев замедляется по мере изменения веса образца, и температуру, при которой изменяется вес, можно установить с большой точностью. Многие современные термоанализаторы позволяют подключить ИК-спек-трофотометр для непосредственного анализа химического состава газа.



Дифференциальная термогравиметрия (ДТГ) основана на исследовании первой производной от термогравиметрической кривой либо по времени dm/dτ (скорость изменения массы от времени) либо по температуре dm/dT (скорость изменения массы от температуры). Совместное использование TГ- и ДTГ-формы кривых изменения массы облегчает кинетический анализ и интерпретацию экспериментальных данных, позволяя точно определить температурные границы процесса, а также оценить его максимальную скорость.

Дифференциально-сканирующая калориметрия (ДСК) основана на непрерывной регистрации разности теплового потока от образца и эталона или к образцу и эталону как функция температуры или времени при нагревании образцов в соответствии с определенной программой в заданной газовой атмосфере. Метод предоставляет информацию о температурах и теплоте фазовых переходов (плавления, кристаллизации, стеклования), термодинамике и кинетике химических реакций, химическом составе, чистоте, термической и окислительной стабильности различных материалов и т. д.

Метод ДСК широко используется для исследований химических соединений, полимерных и композитных материалов в различных отраcлях науки и промышленности.

При синхронном ТГ–ДТА (ДСК) анализе одновременно измеряется изменение теплового потока и веса образца как функция от температуры или времени, обычно при использовании контролируемой атмосферы. Такой синхронный анализ не только увеличивает производительность измерений, но и упрощает интерпретацию результатов благодаря возможности отделить эндо- и экзотермические процессы, не сопровождающиеся изменением веса от тех, при которых происходит изменение веса (деградация).

ДСК высокого давления позволяет исследовать материал и его реакции под давлением выше 1 000 бар. Камера для анализа, содержащая образец, является единственной частью, подвергнутой давлению.

Синхронный термический анализ (СТА) объединяет в одном измерении термогравиметрию с дифференциальным термическим анализом или с дифференциально-сканирующей калориметрией.

Метод основан на одновременной непрерывной регистрации изме-


нений характеристик образца, обусловленных фазовыми переходами или химическими реакциями, в зависимости от времени или температуры при нагревании в соответствии с выбранной температурной программой в заданной газовой атмосфере.

Постоянная регистрация изменений массы делает возможным точное определение изменений энтальпии. Полученная информация может быть еще более расширена при оснащении инструмента СТА системой анализа газовой фазы – ИК-Фурье-спектроскопией или масс-спектрометрией. Метод позволяет получать информацию о составе, термической и окислительной стабильности материалов, фазовых переходах, температурах протекания и кинетике химических реакций. Он широко применяется в научных и заводских лабораториях, пищевой промышленности, неорганической, органической и физической химии, производстве пластмасс, резин, лаков, красок и др.



Масс-спектрометрия термического анализа позволяет наряду с определением термодинамических характеристик компонентов одновременно исследовать фазовые превращения или характер термической диссоциации сложных по составу продуктов, что повышает эффективность исследований при проведении технологических разработок.

Другие (менее распространенные) методы основаны на измерении звука или эмиссии света от образца, электрического разряда от диэлектрического материала или механической релаксации в нагруженном образце. Объединяющей сущностью этих методов является то, что отклик образца записывается в зависимости от температуры и времени.

Применяются и более сложные температурные профили, использующие осциллирующую (обычно в виде синусоидальных или прямоугольных колебаний) скорость нагревания (термический анализ с модулированной температурой) или изменяющие скорость нагревания в ответ на изменение свойств системы (термический анализ, контролируемый образцом).

Для термических измерений широко применяется комплексный термоаналитический прибор – дериватограф. Дериватографы позволяют производить одновременную регистрацию следующих кривых: кривая дифференциально-термического анализа (DTA), кривая термогравиметрического анализа (TG), дифференциально-термограви-
метрическая кривая (DTG), кривая температуры (Т) (рисунок 11.3).

Гидраргиллит

Испарение

Каолинит

Боксит

Геоцит


Отклонение
стрелок
гальванометров

Рисунок 11.3 – Общий вид дериватограммы


1.2. Методы измерения тепловых и термоэлектрических
характеристик

Теплофизические характеристики веществ являются очень важными, так как материалы, изготовленные из тех или иных соединений, могут эксплуатироваться в различных температурных условиях. Это могут быть климатические условия (солнце, влага, мороз), нагревание самого материала за счет процессов, происходящих при эксплуатации, эксплуатация в качестве устройств подогрева электрооборудования в холодное время года.

К основным теплофизическим характеристикам веществ относятся:

 Температура количественная характеристика теплового равновесия (температуры тел, находящихся в термодинамическом равновесии друг с другом, равны между собой). Общепринятыми в настоящее время являются две температурные шкалы: Цельсия и Кельвина.

· Теплостойкость – температура, при которой происходит ухудшение характеристик при кратковременном ее достижении.

· Термостойкость – температура, при которой происходят химические изменения материала.

· Морозостойкость – способность работать при пониженных температурах.

· Горючесть – способность к воспламенению, поддержанию огня, самовоспламенению.

· Жаростойкость – способность материала противостоять химической коррозии, развивающейся в атмосфере сухих газов при повышенной и высокой температуре.

· Жаропрочность – способность материала длительное время сопротивляться деформированию и разрушению при повышенных температурах.

· Огнестойкость – способность материала сохранять необходимые эксплуатационные свойства при воздействии высоких температур, пламени и воды в условиях пожара в течение определенного времени.

· Точка плавления – температура, при которой происходит переход из твердого состояния в жидкое. В любых процессах плавления достижение определенной точки является необходимым, но недостаточным условием плавления. Для того чтобы расплавить вещество, нужно сообщить ему энергию, которая называется теплотой плавления и которая рассчитывается на один грамм (или на одну молекулу).

· Точка кипения – температура, при которой происходит переход из жидкого состояния в парообразное.

· Температура возгорания – минимальная температура окружающего материал (деталь) воздуха, при которой выделяется достаточное количество горючих газов, способных воспламениться от внесенного пламени.

· Температура воспламенения – минимальная температура окружающего материал воздуха, при которой выделяется достаточное количество горючих газов и в отсутствие внешнего источника зажигания возникает самовозгорание.

· Теплоемкость – физическая величина, определяющая отношение бесконечно малого количества теплоты, полученного телом, к соответствующему приращению его температуры.

· Удельной теплоемкостью называется количество теплоты, которое необходимо для нагревания единичного количества вещества на один градус.

В зависимости от того, к какой количественной единице относится теплоемкость, различают массовую, объемную и молярную теплоемкость.

Массовая теплоемкость (С) – это количество теплоты, которую необходимо подвести к единице массы тела (обычно 1 кг), чтобы нагреть его на 1 K.

Объемная теплоемкость (С′) – это количество теплоты, которую необходимо подвести к 1 м³ вещества, чтобы нагреть его на 1 K.

Молярная теплоемкость (Сμ) – это количество теплоты, которую необходимо подвести к 1 молю вещества, чтобы нагреть его на 1 K.

Методы определения теплоемкости индивидуальных веществ.

Для определения теплоемкостей газов опытным путем было предложено много различных методов, которые дают возможность измерять теплоемкость (Cm, p) и отношение Cm, p : Cm, V, т. е. величину γ.



Калориметрический метод. Для измерения Cm, p нагретый газ заставляют под постоянным давлением протекать по змеевику, погруженному в калориметр, которому газ отдает свою теплоту. Так как при этом можно пропустить по змеевику значительное количество газа, то измерения Cm, p можно произвести с большой точностью. Величину Cm, V можно вычислить, если известно отношение теплоемкостей (γ).

Электрические методы определения удельных теплоемкостей газов основаны на непосредственном измерении при помощи термоэлементов изменения электрического сопротивления, возникающего в термоэлементах при изменении температуры. Электрические методы применяются как для определения Cm, p, так и Cm, V.

Метод адиабатического расширения (метод Клеман-Дезорма) и акустический метод применяются только для определения величины
γ = Cm, p : Cm, V.

Динамический метод теплового анализа (диатермической оболочки) применяют для определения температурной зависимости удельной теплоемкости. Метод базируется на прямом измерении теплового потока, получаемого исследуемым объектом в ходе непрерывного нагрева.

Для исследования температурной зависимости удельной теплоемкости твердых тел, сыпучих, волокнистых материалов и жидкостей при-


меняют измеритель теплоемкости. В основу работы измерителя положен сравнительный метод динамического калориметра с тепломером и адиабатической оболочкой. В практике применяют высокочувствительные дифференциальные сканирующие калориметры, снабжен-
ные оптимизированными сенсором и печью, позволяющими достигать высочайшей чувствительности до 0,1 мкВт.

Практическое значение исследований теплоемкости важно для рас-


четов энергетических балансов процессов в химических реакторах и других аппаратах химического производства, а также для выбора оптимальных теплоносителей.

Теплопроводность определяет способность передать тепловую энергию через материал и характеризуется коэффициентом теплопроводности (l), который численно равен потоку тепла, проходящему через площадку куба единичной площади при перепаде на его гранях температуры (T = 1 °С).

Наихудшие проводники тепла – изоляционные материалы. Идеаль-


ным изолятором является вакуум, теплопроводность которого практически равна нулю.

Наилучшими проводниками тепла являются алмаз (λ = 2 000 Вт/м·К), металлы и сплавы (медь – 400 Вт/м·К, серебро – 418 Вт/м·К, алюминий – 200 Вт/м·К). Теплопроводность диэлектриков обычно значительно ниже. Например, теплопроводность бетона равна 0,6 Вт/м·К, трансформаторного масла – 0,13 Вт/м·К, воздуха – 3,67  10–2 Вт/м·К. Единственный диэлектрик, характеризующийся высокой теплопроводностью, – это оксид бериллия (200 Вт/м·К).



Методы определения коэффициента теплопроводности подразделяются на абсолютные и дифференциальные, стационарные и динамические. Если измерение теплового потока проводят, например, путем измерения электрической мощности, потребляемой нагревателем, то метод называют абсолютным, или прямым. Если измерение теплового потока производят путем сравнения, то метод называют дифференциальным, или косвенным.

К абсолютным методам относятся:

· метод горячей плиты (для изоляционных материалов);

· метод теплового потока (для стандартных приложений и пленок);

· метод горячей нити (для керамики и огнеупорных материалов);

· калориметрический метод (slug calorimeter).



Дифференциальные методы основаны на измерении температуры. К ним относится метод ксеноновой и лазерной вспышки для определения теплопроводности, термической диффузии и теплоемкости.

Стационарные методы предусматривают установление в системе термического равновесия. К стационарным методам относятся:

· методы осевого и радиального потока;

· метод закрытой горячей плиты;

· калориметрический метод.



Динамические методы изучают температурно-временную зависимость теплофизических свойств материала. К динамическим методам относятся:

· различные варианты метода горячей нити;

· методы лазерной и ксеноновой вспышки;

· метод зонда.

Наиболее часто используемыми группами методов являются методы осевого и радиального потока, метод защищенной горячей плиты и метод горячей нити (проволоки).

Для газов и жидкостей обычная теплопроводность играет незначительную роль. В этом случае главную роль играют конвекция и излучение.



Конвекция возникает из-за того, что нагретые жидкость или газ расширяются, их плотность уменьшается и они начинают «всплывать» под действием выталкивающей силы Архимеда. За счет этого возникают локальные течения, которые эффективно уносят тепло из нагретой зоны. Конвекция увеличивает теплопроводность в несколько раз.

В нагретом теле часть тепловой энергии всегда превращается в лучистую, степень превращения которой определяется тепловым состоянием тела, его температурой. Носителем лучистой энергии являются ультрафиолетовые, световые и инфракрасные лучи, свойства которых различны. Особый интерес представляют световые и инфракрасные лучи с длиной волны от 0,4 до 40 мкм. Эти лучи называются тепловыми, а процесс их распространения – тепловым излучением, или радиацией. Особенно важно тепловое излучение при повышенных температурах.

Поскольку практически все свойства материалов зависят от температуры, введено понятие температурного коэффициента, конкретные значения которого приведены в справочниках.

Тепловым расширением называют такое явление, при котором изменяются размеры и формы тела в результате изменения его температуры. У газов оно обусловлено увеличением кинетической энергии частиц при нагревании, у жидкостей и твердых материалов связано
с несимметричностью тепловых колебаний атомов, благодаря чему межатомные расстояния с ростом температуры увеличиваются.

Количественно тепловое расширение материалов характеризуют температурным коэффициентом объемного расширения, а для твердых материалов – и температурным коэффициентом линейного рас-


ширения
.

Экспериментально эти коэффициенты определяют методами дилатометрии, изучающей зависимость изменения размеров тел при воздействии внешних факторов, при использовании специальных при-


боров – дилатометров.

Термоэлектрические явления – совокупность физических явлений, обусловленных взаимосвязью между тепловыми и электрически-
ми процессами в металлах и полупроводниках.

Теплопроводность и термоэлектрические явления часто используются для определения электрофизических параметров проводящих материалов.

К термоэлектрическим явлениям относятся следующие: эффект Зеебека, эффект Пельтье, эффект Томсона.

Эффект Зеебека (1821 г.). Если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру (Т1 не равно Т2), то в цепи протекает электрический ток. Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока.

В замкнутой цепи для многих пар металлов (например, Сu – Bi,


Ag – Сu, Аu – Сu) электродвижущая сила (ЭДС) прямо пропорциональна разности температур в контактах:

ЭДС = α (Т1 Т2). (11.1)

Указанная ЭДС называется термоэлектродвижущей силой. Причина ее возникновения определяется внутренней контактной разностью потенциалов на границе двух металлов.

Эффект Зеебека используется для измерения температуры с помощью термопар – датчиков температур, состоящих из двух соединенных между собой разнородных металлических проводников.

Эффект Пельтье (1834 г.). При прохождении через контакт двух различных проводников электрического тока в зависимости от его направления помимо джоулевой теплоты выделяется или поглощается дополнительная теплота. Эффект Пельтье является обратным по отношению к эффекту Зеебека и используется в термоэлектрических полупроводниковых холодильниках, созданных впервые в 1954 г. под руководством А. Ф. Иоффе, и в некоторых электронных приборах.

Эффект Томсона (Кельвина) (1856 г.). В более нагретой части проводника электроны имеют большую среднюю энергию, чем в менее нагретой, и, двигаясь в направлении убывания температуры, они отдают часть своей энергии решетке, в результате чего происходит выделение теплоты Томсона. Если же электроны движутся в сторону возрастания температуры, то они, наоборот, пополняют свою энергию за счет энергии решетки, в результате чего происходит поглощение теплоты Томсона в металлах и сплавах.


Каталог: company -> personal -> user
user -> Лекция №12,13. Современные аспекты патологии беременности у животных. 2 ч План лекции
user -> Лекция Структура баз данных в ms sql server
user -> Болезни кожи и рыхлой клетчатки
user -> №2: «Фармакологическое обездвиживание животных. Местное обезболивание. Наркоз. Антидоттерапия»
user -> Простейший документ
user -> Учебные вопросы
user -> Первообразная и неопределённый интеграл
user -> Тема Строение и морфологические типы хромосом. Кариотипы культурных растений

Скачать 155.46 Kb.

Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3




База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2022
обратиться к администрации

    Главная страница