差示熱掃描儀實(shí)驗(yàn)報(bào)告

鈦酸鋇（BaTiO3）差示熱掃描儀（DSC）實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解差示熱掃描儀（DSC）的工作原理；2.初步學(xué)會(huì)使用差示熱掃描儀（DSC）測(cè)量材料的熱性質(zhì)；3.測(cè)定鈦酸鋇（BaTiO3）的熱學(xué)性質(zhì)并學(xué)會(huì)分析DSC曲線。二、實(shí)驗(yàn)原理差示掃描量熱法一種熱分析法。在程序控制溫度下，測(cè)量輸入到試樣和參比物的功率差（如以熱的形式）與溫度的關(guān)系。差示掃描量熱儀記錄到的曲線稱DSC曲線，它以樣品吸熱或放熱的速率，即熱流率dH/dt（單位毫焦/秒）為縱坐標(biāo)，以溫度T或時(shí)間t為橫坐標(biāo)，可以測(cè)定多種熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)，例如比熱容、反應(yīng)熱、轉(zhuǎn)變熱、相圖、反應(yīng)速率、結(jié)晶速率、高聚物結(jié)晶度、樣品純度等。該法使用溫度范圍寬（-175~725℃）、分辨率高、試樣用量少。適用于無(wú)機(jī)物、有機(jī)化合物及藥物分析。DSC和DTA儀器裝置相似，所不同的是在試樣和參比物容器下裝有兩組補(bǔ)償加熱絲，當(dāng)試樣在加熱過(guò)程中由于熱效應(yīng)與參比物之間出現(xiàn)溫差ΔT時(shí)，通過(guò)差熱放大電路和差動(dòng)熱量補(bǔ)償放大器，使流入補(bǔ)償電熱絲的電流發(fā)生變化，當(dāng)試樣吸熱時(shí)，補(bǔ)償放大器使試樣一邊的電流立即增大；反之，當(dāng)試樣放熱時(shí)則使參比物一邊的電流增大，直到兩邊熱量平衡，溫差ΔT消失為止。換句話說(shuō)，試樣在熱反應(yīng)時(shí)發(fā)生的熱量變化，由于及時(shí)輸入電功率而得到補(bǔ)償，所以實(shí)際記錄的是試樣和參比物下面兩只電熱補(bǔ)償?shù)臒峁β手铍S時(shí)間t的變化關(guān)系。如果升溫速率恒定，記錄的也就是熱功率之差隨溫度T的變化關(guān)系。DSC結(jié)構(gòu)圖三、實(shí)驗(yàn)儀器和試劑1.差示掃描量熱儀；2.鋁合金坩堝、鑷子、鈦酸鋇（BaTiO3）樣品。四、實(shí)驗(yàn)步驟1、制樣

用鑷子取鈦酸鋇（BaTiO3）樣品放在鋁合金坩堝中，蓋上蓋子（蓋子在這之前應(yīng)打一個(gè)小孔，以免氣體擠壓導(dǎo)致的受熱不均與），用卷邊壓制器沖壓即可。裝樣時(shí)盡可能使樣品均勻，密實(shí)地分布在樣品皿中，以提高傳熱效率，降低熱阻。

2、校正

（僅為演示實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有進(jìn)行這一步）儀器在剛開始使用或使用一段時(shí)間后需進(jìn)行基線、溫度和熱量校正，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（1）

基線校正

在所測(cè)的溫度范圍內(nèi)，當(dāng)樣品池和參比池都未放任何東西時(shí)，進(jìn)行溫度掃描，得到的譜圖應(yīng)是一條直線，如果有曲率或斜率甚至出現(xiàn)小吸熱或放熱峰，則需要進(jìn)行儀器的調(diào)整和爐子的清洗，使基線平直。

（2）

溫度和熱量校正

做一系列標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的DSC曲線，然后與理論值進(jìn)行比較，并進(jìn)行曲線擬合，以消除儀器誤差。3、測(cè)試

打開氮?dú)獗Ｗo(hù)，啟動(dòng)DSC儀器的電源，穩(wěn)定10min后，將樣品放在樣品室中。運(yùn)行DSC儀監(jiān)控程序，設(shè)定各種參數(shù)，進(jìn)行測(cè)試，具體步驟如下：

（1）運(yùn)行程序

；（2）參數(shù)設(shè)置（溫度升高范圍、升溫速率等）；（3）測(cè)試及分析。五、實(shí)驗(yàn)記錄及數(shù)據(jù)處理測(cè)試結(jié)束后可以導(dǎo)出一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。了解鈦酸鋇（BaTiO3）的一些基本的熱性能。用Origin繪制DSC曲線如下：圖1溫度和DSC隨時(shí)間變化曲線從圖1中可以看出，測(cè)試過(guò)程升溫速率恒定，大約為10K/min。這一條件對(duì)于測(cè)試過(guò)程是十分重要的。圖2DSC曲線分析：鈦酸鋇是一致性熔融化合物，其熔點(diǎn)為1618℃。在此溫度以下，1460℃以上結(jié)晶出來(lái)的鈦酸鋇屬于非鐵電的六方晶系6/mmm點(diǎn)群。此時(shí)，六方晶系是穩(wěn)定的。在1460~130℃之間鈦酸鋇轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎解}鈦礦型結(jié)構(gòu)。在此結(jié)構(gòu)中Ti4+(鈦離子)居于O2-(氧離子)構(gòu)成的氧八面體中央，Ba2+(鋇離子)則處于八個(gè)氧八面體圍成的空隙中（見右圖）。此時(shí)的鈦酸鋇晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱性極高，因此無(wú)偶極矩產(chǎn)生，晶體無(wú)鐵電性，也無(wú)壓電性。（1）隨著溫度下降，晶體的對(duì)稱性下降。當(dāng)溫度下降到130℃時(shí)，鈦酸鋇發(fā)生順電-鐵電相變。在圖2中我們可以看到在123.81℃事有一個(gè)大的峰，對(duì)應(yīng)著大量的熱量放出。這也驗(yàn)證了在這溫度附近確實(shí)發(fā)生了相變，因?yàn)榉懦鰺崃?，為一?jí)相變。（2）在130~5℃的溫區(qū)內(nèi)，鈦酸鋇為四方晶系4mm點(diǎn)群，具有顯著地鐵電性，其自發(fā)極化強(qiáng)度沿c軸方向，即[001]方向。鈦酸鋇從立方晶系轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆骄禃r(shí)，結(jié)構(gòu)變化較小。此時(shí)我們也可以從圖2看到21.451℃度時(shí)有一個(gè)較小的峰，也能很好地驗(yàn)證這一溫度區(qū)間相變的存在，因?yàn)榉懦鰺崃?，為一?jí)相變。從晶胞來(lái)看，只是晶胞沿原立方晶系的一軸（c軸）拉長(zhǎng)，而沿另兩軸縮短。（3）當(dāng)溫度下降到5℃以下，在5~-90℃溫區(qū)內(nèi)，鈦酸鋇晶體轉(zhuǎn)變成正交晶系mm2點(diǎn)群，此時(shí)晶體仍具有鐵電性，其自發(fā)極化強(qiáng)度沿原立方晶胞的面對(duì)角線[011]方向。在降溫過(guò)程中我們也可以看到在-70℃附近有一個(gè)小的谷包，能一定程度上驗(yàn)證這一相變的發(fā)生因?yàn)槲諢崃?，為一?jí)相變，。為了方便起見，通常采用單斜晶系的參數(shù)來(lái)描述正交晶系的單胞。這樣處理的好處是使我們很容易地從單胞中看出自發(fā)極化的情況。鈦酸鋇從四方晶系轉(zhuǎn)變?yōu)檎痪?，其結(jié)構(gòu)變化也不大。從晶胞來(lái)看，相當(dāng)于原立方晶系的一根面對(duì)角線伸長(zhǎng)了，另一根面對(duì)角線縮短了，c軸不變。當(dāng)溫度繼續(xù)下降到-90℃以下時(shí)，晶體由正交晶系轉(zhuǎn)變?yōu)槿骄?m點(diǎn)群，此時(shí)晶體仍具有鐵電性，其自發(fā)極化強(qiáng)度方向與原立方晶胞的體對(duì)角線[111]方向平行。鈦酸鋇從正交晶系轉(zhuǎn)變成三方晶系，其結(jié)構(gòu)變化也不大。從晶胞來(lái)看，相當(dāng)于原立方晶胞的一根體對(duì)角線伸長(zhǎng)了，另一根體對(duì)角線縮短了。但這一相變我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中沒(méi)有得到。這和我們演示性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)的較粗糙有關(guān)。（4）另外，我們可以看到鈦酸鋇材料在升溫和降溫過(guò)程中相變溫度稍微有所偏差。這和可逆過(guò)程有些出入。進(jìn)一步說(shuō)明實(shí)驗(yàn)存在一些誤差。綜上所述，在整個(gè)溫區(qū)(<1618℃)，鈦酸鋇共有五種晶體結(jié)構(gòu)，即六方、立方、四方、正交、三方，隨著溫度的降低，晶體的對(duì)