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德国耐驰热分析仪对金属与合金应用案列

更新时间:2023-05-04      点击次数:857

德国耐驰热分析仪对金属与合金应用案列

测试金属和合金的熔融、结晶、玻璃化转变、相变以及比热值等重要的物理化学性能,结合适当的附件配置,还可以测试氧化、还原、腐蚀、磁性变化;精确测试热膨胀系数及相变金属、金属熔体的导热系数。


DSC快速升温对热效应的影响

升温速率对DSC结果有着很大影响。快速升温可以显著放大热效应,同时特征温度也会往高温方向迁移。

7.42mg PET样品在DSC 214 Polyma上以不同升温速率(10K/min 100K/min)进行测试,升温段之间的降温速率控制在30K/min以便产生相同的热历史。图1DSC测试曲线。

10K/minDSC升温曲线上(紫色),在77.5°C处出现PET玻璃化转变吸热台阶,在146.8°C处出现PET后结晶放热峰,最终在248.3°C处熔融。同样现象也出现在升温速率20K/min50K/min的测试曲线上。随着升温速率增加,玻璃化转变台阶变得更高更宽,结晶峰和熔融峰也是如此,甚至两者逐渐发生部分重叠迹象。此外,玻璃化转变、结晶和熔融峰值都向高温方向迁移。

当以100K/min(红色)升温时,DSC曲线上没有出现后结晶峰,很可能是升温速率太快,后结晶的动力学效应被抑制,材料来不及结晶。


PbTe-GePbTe-Ge1-xSix合金导热系数的测量

在碲化铅材料PbTe-GePbTe-Ge1-xSix中,通过调整GeSi的含量可以很容易调节合金的导热系数。

右图结果是在25oC320oC温度范围内获得。图A显示Ge不同的含量对PbTe的晶格导热系数有很大的影响。在整个温度范围内,随着Ge含量的降低,晶格导热系数降低。另外,在上述体系加入Si元素后,晶格导热系数进一步降低(图B)。当GeSi的混合比例不变,将Ge0.8Si0.2含量降低时,可以看到类似的行为(C)。图D显示当Ge-/Ge- si的比例为5%时能够得到最佳晶格导热系数。

用于牙科合金铸造的模具材料膨胀测试

铸造贵金属在牙科中的应用是一个医学中正在发展的领域。因为金属具有很好的稳定性、生物相容性和耐用性,越来越多的人使用金属修补牙齿。但是贵金属价格高,且生成过程要求严苛,如果模具的膨胀性能与金属材料的不匹配,牙体种植时其形状就无法精确控制,因此模具材料的膨胀性能测试对于铸造产品至关重要。

图中展示了两种不同类型的铸造材料的热膨胀系数曲线。两种材料在200-600°C间具有明显不同的膨胀行为,这主要是由于两种材料中组分不同造成的。1#(蓝色曲线)样品含有较低含量的白硅石和较高含量的石英石,而2#(红色曲线)样品中含有较高含量的白硅石(导致200-300°C间较高的膨胀系数)和较低含量的石英石。因此通过膨胀仪可以很方便的检测出不同样品间结构组分的差异。


氧敏感材料的相变测试

金属合金γ-TiAl具有耐腐蚀,耐高温和低比重等优异性能,但是它对氧气非常敏感,因此DSC测试时需要非常纯净的惰性气氛。另外选用合适的坩埚才能获得可靠的结果,金属坩埚具有很好的导热性能和低时间常数,但是高温下会与合金发生反应或粘连,不适合于金属样品的测试。为综合Pt坩埚的优点并避免样品与Pt坩埚反应,耐驰推出了一种特殊制作的Pt+Al2O3内衬坩埚,以方便进行金属及其合金的DSC测试。


另外,还可以配备除氧附件(OTS系统,见图1)以去除仪器中参与的痕量氧气,使用OTS附件后,仪器中残余氧气浓度小于1ppm,获得更好的测试结果。

DSC 404 F3 PegasusSTA 449 F3 Jupiter具有真空密闭设计,可以配备多种不同的传感器和坩埚,可以完成所有复杂的DSCTG测试(包括氧敏感材料)。


γ-TiAl 样品的STA测试结果,所使用仪器为STA 449 F3 Jupiter,坩埚为Pt+Al2O3内衬坩埚。图中DSC曲线显示在1323℃时样品发生α2àα转变的吸热反应,在1476℃,样品发生αàβ相变,随后样品发生熔融。整个过程中未发现样品氧化(TG没有重量变化,DSC没有额外的热效应),说明仪器具有很好的气密性,且所选坩埚适合此次测试。

钛合金高温比热测量

钛合金是由钛和其他金属元素混合所形成的一类金属材料,在高温下具有较高的拉伸强度和韧性,而且质轻、抗腐蚀和耐高温性能非常优异。然而,较高的原材料和加工成本使得它仅限用于军事、飞机、航空、医疗、运动器材和消费电子产品。添加超过10wt%的铬可以提高钛合金的抗灼烧性能,当铬含量超过15%时,可以使得它在航空发动机环境下抵抗510°C的高温。某些合金经过快速冷却后可以形成部分无定形结构。


-铬合金从室温到1525°C下的表观比热曲线。在723°C,比热曲线上叠加了无定形部分的冷结晶峰,在1211°C出现宽广的吸热峰,这是αàβ相转变过程。合金的熔融发生在1400°C,热焓为282.3J/g。即使在熔融液相区,也没有发现由于氧化造成的比热曲线下降趋势,而这一切必须是在极其纯净的气氛和特殊的坩埚组合(带氧化钇涂层)下才能得以实现。


EPLEXOR-750.jpg


DMA 鉴别硅橡胶老化程度

有机硅材料主要由硅油、硅橡胶、硅树脂和硅烷偶联剂四大类构成,硅橡胶是有机硅产品中产量最大、应用最为广泛的一大类产品,其主要组成是高摩尔质量的线型聚硅氧烷。由于 Si-O-Si 键是其构成的基本键型,硅原子主要连接甲基,侧链上引入极少量的不饱和基团,分子间作用力小,分子呈螺旋状结构,甲基朝外排列并可自由旋转,因此硅橡胶硫化后具有优异的耐高低温、耐候、憎水、电气绝缘性、生理惰性等特点,在汽车、航空航天、挤出成型制品、垫片和密封、医疗器械、办公设备、电力设备、防护设备、运动器材、玩具、电线电缆等行业领域中获得了广泛应用。

硅橡胶分子主键由硅原子和氧原子交替组成(-Si-O-Si-)的硅氧键键能高达 370 KJ/mol,比一般橡胶的碳-碳结合键能 240 KJ/mol 要大得多,这是硅橡胶具有很高热稳定性的主要原因之一。另外,由于硅橡胶是一种由填料增强硅基聚合物制成的无机合成弹性体,它实现了有机弹性体的化学和机械性质的组合,硅橡胶的典型特点总结如下:

1)在恶劣环境下有着更长的使用寿命,材料性能受天气气候(如雨、雪、潮湿、臭氧、太阳紫外线

等)的影响很小,而有机弹性体长时间暴露于该类环境下可能会变脆;

2)更加宽广的使用温度范围如从-100 300 多度, 有机弹性体在温度超过 100℃时会发生软化和

不可逆的变形,在温度低于 25℃时会变脆;

3)暴露在恶劣的环境应力下(如热、冷、潮湿、油、臭氧和紫外线)仍保持良好的电气绝缘性能; 4)在较宽的温度范围内能够保持其自然的柔韧性和弹性(抗压缩变形); 5)具有良好的密封性能;

6)化学惰性、无味,可与许多食品接触;

7)较宽的硬度范围(从邵氏 A 1080),较宽的颜色选择范围(从透明到亮丽色彩);

8)具有较高的流动性,易于制造、加工;

在众多有机硅材料中,有机硅密封胶在日常生活中也是随处可见,其典型应用就是玻璃幕墙,例如用有机硅结构胶粘接玻璃等建筑外墙材料,用有机硅耐候胶作防水密封,还可用于房屋的表面修复,高速公路的接缝密封以及水库、桥梁的嵌缝密封等。本文利用耐驰动态热机械分析仪 DMA 242C 来研究用于幕墙密封的硅酮结构胶在热老化前后的性能差异。


MA 242C 采用剪切模式测试得到的图谱。存储剪切模量 G’在-125℃ 左右的下降台阶为硅橡胶的玻璃化转变,同样对于损耗剪切模量 G"和损耗因子 Tan δ 曲线,在-120℃ 附近出现一个向上的峰。G’在 -53℃ 左右出现明显的模量下降台阶,此处为硅橡胶中晶体部分的熔融,同样对于 G"和 Tan δ 曲线分别在 -43℃ 和 -22℃ 处出现对应于此熔融过程一个向上的峰。(注:图 1 中实线为 G,虚线为 G")



OTS 应用实例

金属或合金样品的熔融或相变温度通常都比较高(1000℃以上),而且这类样品在高温下极易被氧化,采用高温 DSC 进行测试时,如何避免氧化是测试此类样品的关键。首先炉体要有非常好的密闭性,其次仪器要配备真空装置,测试前采用预抽真空加惰性气氛(对于合金类样品,建议用氩气)置换的方式除掉炉腔内的氧气,保证炉腔内为惰性气氛。


但是由于测试时采用的惰性吹扫气并非绝对纯净(大多为 99.99%99.999%),有些样品在仅满足上述两点的情况下还是存在氧化问题。为了避免吹扫气中微量氧杂质对样品的氧化,耐驰企业配备了专门用于吸附吹扫气中少量氧气的除氧附件—OTS,如图 1 所示,测试时将金属的吸氧环置于防辐射屏上、坩埚下方,吹扫气由炉体底部进入、往上流动至样品区时会先经过吸氧环,吸氧环优先与其中的氧气发生反应,使氧气无法达到样品区域。



纯镍样品在加 OTS 和不加 OTS 状态下分别测试的结果,不使用 OTS 时(红色线),样品质量从 1200℃开始逐渐增加,从 DSC 曲线看,样品的熔融起始温度为 1442.5℃,熔融热焓为 275J/g。使用 OTS 时(绿色线),样品没有出现增重现象,DSC 曲线显示样品熔融起始为 1455.7℃(理论熔融起始温度为 1455℃),熔融热焓为 290J/g(理论熔融热焓为 299.8J/g)。对比可知,样品在氧化状态下所测的熔融起始温度和熔融热焓都偏低(由于氧化物杂质的存在),未被氧化状态下测得的起始

温度和熔融热焓更接近理论值。



为了进一步验证 OTS 的效果,在使用 OTS 和不使用 OTS 的情况下分别测试了含镍生铁样品,结果如图 3 所示。其中蓝色线为不使用 OTS 时样品的质量变化,室温至 1050℃样品有 0.658%的氧化增重。红色线为使用 OTS 时样品的质量变化,从室温到 1050℃样品质量几乎没有变化(失重0.01%)。

通过上述两次实验证实,利用 OTS 可有效防止样品的氧化,这对易被氧化的合金类样品的高温测试非常有意义。

纯钼的高温比热测试

钼合金具有耐高温、耐腐蚀、高强度,同时钼与钨的性质非常相近,其沸点和导电性能突出、热膨胀系数小、易于加工,使得它在机械制造、高温热处理、以及激光、电子束、高能轰击材料、电极材料等方面有广泛的用途。金属钼熔点约 2600℃,虽然钼的熔点比钨、钽低,但密度却比它们小得多,所以钼的比强度(强度/密度)大于钨、钽等金属,在对重量要求严格的关键场合,更为有效。

此外,钼的抗高温氧化性能较差。在常温下钼在空气或水中都是稳定的,当温度达到 400℃时开始发生轻微的氧化,当达到 600℃后则发生剧烈的氧化而生成 MoO3,在 1200℃时易与 N2发生反应形成钼的氮化物。由于钼金属常用于高温场合,所以多采用涂层如涂 MoSi2、镀镍、镀铬等办法控制。

由于纯钼在高温下对氧比较敏感,如果发生氧化其比热值将发生明显增大。金属钼在室温下的比热约 0.25 J/g*k,在 1100℃下约为 0.32 J/g*K。由于 Netzsch STA449C 同步热分析仪具备高度真空密闭系统和自动真空置换气体操作,能够提供高纯净度的惰性气氛(Ar),使得在高温下准确测量纯钼的比热值成为可能。

纯钼在 Ar 气氛下测试得到的 100~1500℃范围内的比热值。与文献值比较,其标准偏差在 ±3%以内,精确度较高。



镍基合金Inconel 600的比热测量

Inconel合金属于非磁性镍基超合金,比如Inconel 600是由72%镍、16%铬和8%铁组成。提高Inconel 600合金中的铬含量,可以显著提升它的抗氧化性能,而提高镍含量,可以得到更强的抗腐蚀性能。Inconel合金即使在高温下也具有较高的抗氧化性、耐腐蚀性和机械强度。因此它常被用在条件要求苛刻的场合,比如飞机引擎、涡轮增压器叶片、化学压力容器等。Inconel 600800也可用于CANDU坎杜核反应器的压力管,此外,Inconel 600也是具有国际机构颁发证书的热传导标准物质。


Inconel合金进行6次重复性测试,相互之间的结果偏差处于± 2%,符合设备的典型重复性范围。在较低温度下,比热呈近似线性地增加,在550700°C范围,出现吸热台阶,这是由于形成Ni3Cr晶簇的缘故(RichterBorn2004,有报道)。但必须指出的是,材料真实的比热实际上叠加了一个相转变过程,因此,测量值仅代表材料在该温度下的表观比热值。

镍基高温合金Inconel 600

Inconel合金是一类非铁磁性的镍基高温合金。Inconel 600含有72%的镍、16%的铬和8%的铁,其中较高的铬含量使其具有很好的抗氧化性能,同时较高的镍含量使其在还原性条件下具有很好的抗腐蚀性能。综合来看,Inconel 600具有很好的抗氧化化和抗腐蚀性能,同时它也具有很好的机械强度,因此它常常使用在条件下,例如用作飞机发动机部件、涡轮增压器、化学加工和压力容器等。Inconel 600800也用于CANDU核反应堆的压力管,另外,Inconel 600 也是一种导热测试的标样材料。



Inconel合金在-125-1000℃间6次重复测试的结果。在不同温度范围内使用不同的炉体进行测试(-125-25℃和25-1000℃)。不同测试的误差为±2%,在仪器测试精度范围内。样品热扩散系数的最小值出现在温度略低于0℃时,这可能因为在此温度下样品的磁性发生变化。样品在500℃和700℃时,因形成NiCr3导致热扩散系数发生突变,除去此部分的突变,在其他温度范围内,样品的热扩散系数随着温度的升高线性增加。

钼比热测试

钼是一种稀土金属。纯钼具有银白色金属光泽,硬度很高,具有的熔点(2623℃)。超过2/3的金属钼用于合金制备,例如高强度合金和高温不锈钢。特殊的含钼合金(如哈氏合金)具有很好的耐热性和耐腐蚀性。钼可以用于飞机和的零部件,在核工业中也有很广的应用,钼还是石油工业中的催化剂,特别是石油产品的脱硫处理过程。钼也可用于电子产品中,如薄膜晶体管中的导电金属层。

纯钼样品在室温到1400°C间的比热测试结果,图中可以看出,样品的比热随着温度的升高增大,整个温度范围内没有其他效应的影响,与理论预期结果一致。金属钼在高温下很容易氧化,因此测试时需保证环境气氛的纯净,图中可以看出,DSC404测试过程中样品没有发生氧化,这说明仪器具有很好的气密性,可以保证测试过程中纯净的惰性气氛。


冷锻铁退火过程测量

锻造是金属塑性成形工艺其中的一种。传统锻造工艺在高温下进行,这使得金属更容易成形并且不易断裂。冷锻工艺是在低温下进行。钢铁一旦铸造成型,通常需要一些热处理。热处理细节的差异会导致部件有不同的软硬度。在热处理过程中,晶体结构缺陷的退火或新的晶面形成,都会有少量能量的释放。这种微小的热效应可通过耐驰DSCSTA进行分析表征。


冷锻铁样品的的热流变化曲线。在第一次升温过程中,335℃出现放热峰(外推起始温度),其峰值温度为401℃,在500℃附近放热结束。这个松弛热效应放热热焓为0.47J/g。在已退火材料测试中,观察不到这种松弛热效应。这个测试要求仪器的真空密闭性及吹扫气氛的纯净(避免在同样温度范围内样品发生氧化),同时还需要高性能DSC传感器(灵敏度高、噪音低且基线稳定漂移小)。耐驰DSCSTA仪器都能满足这些要求。


304不锈钢热膨胀系数的精确测定

304不锈钢是一种常见的奥氏体钢合金,其中含有18-20%的铬和8-12%的镍。它具有很好的耐腐蚀性能,被广泛应用在化学、食品和石油工业中。它还具有很好的拉伸性能,可以按需求制成各种复杂的形状。

耐驰的热膨胀仪和热机械分析仪非常适合用来测试304不锈钢和其他金属或金属合金的膨胀行为。


在测量温度范围内,样品表现出相对线性的膨胀行为,26-649℃(79-1200℉)间的热膨胀系数(工程膨胀系数,CTE)为18.3X10-61/K,与文献中数据(温度范围0-649℃,即30-1200℉)18.7 X10-61/K吻合很好,样品在26-1299℃(79-2372℉)间的膨胀系数为19.9 X10-61/K

金属氢化物在潮湿环境下的反应

目前金属氢化物作为燃料电池的储氢材料的研究比较热门。它们属于有机类的强还原剂,在储氢方面具有许多潜在的重要应用。未来氢有可能会替代目前汽车上使用的汽油和柴油燃料。复合氢化物比如Na-Al氢化物、Li-B氢化物的储氢密度与甲烷CH4等同,而且不需要额外的能量将甲烷上的氢原子单独分离出来。

利用同步热分析设备STA的水蒸汽炉可以研究NaAlH4材料在水蒸汽环境下的变化情况。样品起初在80°C下恒温一段时间后,再加热到500°C,在实验开始阶段,NaAlH4与水蒸汽发生反应,伴随着强烈的放热,生成氢氧化物和氢气,造成TG信号增重。在加热到100°C以上,氢氧化物分解生成相应的氧化物,DSC吸热信号受到样品分解发泡的干扰较为显著。

金属钒熔点测试

对于超高温下的DTATGA测试,需使用特殊坩埚。氧化锆坩埚最高使用温度可以达到2000℃,可以用来测试金属(例如钒)的熔融。


金属钒(纯度为99.7%)样品的熔点测试图谱,所使用的仪器为STA 449 F3 Jupiter,坩埚为氧化锆坩埚,样品发生熔融的起始点为1886℃,降温过程中,因过冷效应,测得的结晶温度为1878℃。样品在熔化前后,TGDSC曲线均没有发生明显变化,说明样品没有发生氧化现象,证明仪器具有很好的气密性,且氧化锆坩埚适合于此类测试。


DIL402测试镍基合金Inconel 600的热膨胀

Inconel合金属于非磁性镍基合金,比如Inconel 600合金是由72%镍、16%铬和8%铁组成的。增加Inconel 600合金中的铬含量,可以显著提升它的抗氧化性能,而提高镍含量,可以得到更强的抗腐蚀性能。Inconel合金即使在高温下也具有较高的抗氧化性、耐腐蚀性和机械强度。因此,它常应用在环境苛刻的场合,比如飞机引擎、涡轮增压器的涡轮叶片、化学压力容器等。Inconel 600800也可用作CANDU核反应器的压力管,此外,Inconel 600也是带有国际机构颁发证书的热传导参比材料。


Inconel合金样品从室温到1000°C下进行6次不同测试,再用低温炉从-150°C50°C进行低温下测试。每次独立测试结果之间偏差为 ±0.5%。在较低温度下,样品的热膨胀呈现近似线性膨胀。在500°C600°C范围膨胀曲线出现轻微的斜率变化,这是由于样品内部结构发生了转变(形成NiCr3团簇)造成的。Netzsch DIL配备的高温炉和低温炉、真空系统以及气密性结构,从而保证了全温度范围内优异的重复性测试结果。

DIL测试碳化钨硬质合金的烧结

碳化钨(WCW2C)是由元素钨和碳组成,类似于碳化钛。它拥有的硬度,非常适合用在切割工具、摩擦材料、轴承,还可作为钻石的低价替代品。碳化钨具有良好的耐磨性,因此也常用在珠宝、手表、首饰上。碳化钨切削刀具非常适合机加工硬质碳钢和不锈钢材料,可以替代高负荷运营的生产流水线上易损部件。由碳化物硬质合金刀具加工后的零件表面质量更高,机加工速度更快,比标准高速工具钢耐温更高。通常碳化钨硬质合金零件通过高温烧结而成,同时添加钴作为烧结助剂来降低烧结温度。






碳化钨生坯测试到1500°C的热膨胀曲线。在856°C开始烧结,烧结尺寸收缩分别为1.10% 16.37%。在约1350°C,材料烧结收缩迅速停止,这是由于W-C-Co形成的共熔体发生熔融,c-DTA信号在此处出现吸热峰。在降温过程,共熔体在1362°C发生凝固,对应在热膨胀曲线上出现台阶,c-DTA信号出现放热峰。该例表明推杆式膨胀仪DIL可以轻松分析高温硬质合金的烧结行为。

DMA测量形状记忆合金

形状记忆合金(SMA)在特定条件下(比如加热)可以恢复至原来的形状。其原理是利用内部晶体结构的可逆转变,具体是指低温下低对称性的马氏体结构转变至高温下高对称性的奥氏体结构。SMA发生晶体结构变化的温度称为转变温度。通过改变合金中元素配比可以调节这一特征转变温度。

形状记忆合金在-20°C150°C范围的动态热机械性能。在起始阶段,储能模量随着温度升高而降低(红色曲线),在外推起始温度113°C和外推终止温度122°C,储能模量出现由于相转变而导致的迅速上升,相应的损耗因子tanδ最大值出现在116°C。在降温过程中(蓝色曲线),可逆相转变发生在44°C62°C,储能模量在49°C出现最小值,同样损耗因子在49°C出现相应的最大值。

DSC测试Inconel738铬镍铁合金的相变和熔融

铬镍铁合金(Inconel)属于非磁性的镍基超合金,其中牌号738合金含有60%镍、16%铬和8.5%钴,以及其他低含量元素如铝、钛、钨。高铬含量的合金738比纯金属镍的抗氧化性能更高,而高镍含量的738合金在还原条件下具有更强的耐腐蚀性。它常用作飞机引擎部件、燃气发电机的涡轮叶片、涡轮增压器的涡轮、耐化学和耐压力容器等。


高温DSC测试Inconel 738合金的热流曲线。在559°C609°C范围出现吸热台阶,这是由于合金内部形成Ni3Cr晶簇引起比热容的增加(有文献报道过)。在外推起始温度834°C出现进一步的吸热相转变,熔融峰出现在1285°C(外推起始温度),对应的熔融热焓为196J/g

Invar合金

Invar合金,又被称作FeNi36,其组分为36%的镍、64%的铁以及微量的碳与铬,具有很低的热膨胀系数(~10-6K-1)。改变材料中金属组分的比例会改变材料的热膨胀系数(CTE)。Invar合金可用作薄膜型液化天然气罐的内膜,这个内膜是由绝缘材料支撑的。在温度变化下,要求材料也不能出现裂痕(液化天然气温度约为-196℃)。所以在材料的研发生产过程中,必须要密切监测其CTE



样品的热膨胀曲线与参考温度20℃下热膨胀系数曲线。在整个温度范围内,样品长度连续增加。CTE值在0.6721.476*10-6K-1之间。由于该材料热膨胀系数很低,需要高精度热膨胀仪DIL 402C来进行测试分析。


402.png


高温DSC测量铬镍铁合金718的比热

Inconel 718是一种镍基高温合金,它是一种耐腐蚀的镍铬材料,可以用于-253°C700°C。作为一种失效硬化合金可以加工成各种复杂形状,其焊接特性尤其是焊后开裂性能非常好。Inconel 718易于加工,价格便宜,具有很好的拉伸、疲劳、蠕变和断裂强度,因此有很广泛的应用范围,可以用于液态火箭部件、涡轮发动机的各种环、套管以及各种成型零件等,也可以用于紧固件和仪表零件。


样品从室温开始升温,在600°C900°C间,因样品发生固固相变,导致比热发生变化,在1000°C1200°C间,样品熔融吸热,其熔融起始温度为1252°C(外推起始点),熔化热焓为185J/g,从图中看出,样品的熔融温度范围相对较宽。

LFA457测试熔融铝合金

降低开发时间和成本,优化生产工艺和减轻重量始终是汽车行业非常重要的发展目标,比如利用数值模拟来预测引擎部件铸造时的温度分布。了解铸件材料在整个使用温度范围内的热物性数据是这一预测的前提条件。此处使用LFA蓝宝石样品容器来测量铝合金的热物性性能。


在室温以上,热扩散和热传导呈近似线性的下降。在550°C以上热扩散/热传导出现的台阶是由于样品的固-液相转变所致,在相转变过程中,晶格结构的溶解降低了电子热传递。本例表明LFA 457测试方法不仅适用于确定尺寸的固体样品,也适用于分析液态金属样品。

LFA 457测试铜合金导热

铜合金在电子电气(比如电路板引脚框架、电气连接器、散热系统),汽车工业(如动力系统与刹车的轴承衬套、空调的热交换系统)有着广泛的应用。了解铜合金的热物性常识对优化其生产工艺和后续应用是十分必要的。通过LFA457可以测量室温到1000°C的热扩散和比热数据,再乘以密度即可得到导热系数。此外,也可通过DSC测量比热数据。

铜合金的热物性参数随着温度上升而增加。热扩散曲线在500°C600°C附近出现台阶,DSC比热曲线同样出现了相转变的吸热峰。LFADSC两种方法测量的比热结果偏差小于5%。导热系数也是呈连续的上升趋势。LFA 457 能够胜任金属合金的热扩散、比热和导热测量。


LFA测试多孔铝金属材料

金属泡沫材料是将起泡剂或气体注入到熔融金属中形成独立闭孔而成的特殊金属材料,它们用作抗冲击吸能材料已有20多年的历史。为了优化生产工艺以及后续的应用,机械性能和热物性是非常重要的参数。这里使用LFA测量表面均质的金属铝泡沫材料,使用特殊的SiC胶粘剂将表面多孔结构填充。考虑到需要测量的是透过材料厚度方向的热传递,而SiC表面填充对测量结果影响不大。

LFA测试结果表明:热扩散随着温度升高而逐渐减小,而比热随着温度升高而逐渐增加,符合Debye 定律。导热系数随着温度变化不大,直到300°C下有略微增加。本案充分证明LFA测量金属泡沫材料的导热性能不存在任何问题。

LFA测试金属膜

金属膜在电子领域有着广泛应用,比如电子产品的电触点、大功率电子器件的散热器。为此高导热和低热膨胀的热物性能就显得十分必要。金属材料的导热系数一般采用激光闪射法(LFA)测量。但是对于金属薄膜而言,传统的 LFA 方法并不合适,因为样品厚度太薄。使用特殊In-Plane水平导热支架则不会有样品厚度的限制。利用LFA特殊In-Plane水平模式支架可以测得金属膜水平方向的热扩散系数。由于金属薄膜的导热行为基本上可以看做是各向同性,因此也可以得到金属膜厚度方向的导热。


随着温度升高,金属膜的热扩散系数逐渐降低。为了检查In-Plane支架测试结果的准确性,大家使用Laminate层压支架来进行验证试验(金属膜被切成片状,旋转90°,厚度为2mm),结果偏差小于3%。说明此附件能够准确地检测高导热且厚度仅为几十微米的金属膜材料。

非晶合金硼化铁在磁场下的相变测量

非晶合金(如硼化铁)在宏观尺度上不具备结晶结构。非晶结构是由熔融态骤冷形成的,具有更高的强度、硬度以及更好的耐腐蚀性;在发生微小形变时可恢复,但是若发生较大形变时则会造成损坏。这些性能可以应用在许多方面,如刀片、防刮外壳、珠宝、高尔夫球杆、网球拍、飞机和空间应用等。非晶合金的软磁性能可以应用在变压器和防盗条形码领域。

图中为两个STA测试结果:实线为磁场条件下的测试结果,虚线为未加磁场时的测试结果。DSC曲线几乎一样,但TG曲线有明显不同。DSC曲线上,421℃有一个小的吸热峰,其来自于样品的居里点转变过程(铁磁性转变为顺磁性)。这个转变过程在两次测试的TG曲线上有明显不同,这是因为在有磁场时,磁性材料会受到磁场力作用,而转变后所受磁场力会消失。在500-650℃之间,DSC曲线上有一个源自结晶过程的部分重叠的放热峰,放热量为151J/gTG信号说明,样品在结晶过程中,样品与磁场间的磁力慢慢再现之后又逐渐消失,1000℃以上的DSC吸热峰为样品的熔融过程。


OTS除氧附件

OTS除氧附件可以用于STA 449F1/F3 JupiterDSC 404F1/F3 pegasus,可以用于去除吹扫气中携带的微量氧气。使用OTS附件后,仪器中残余氧气浓度小于1ppm





OTS附件的结构如下图所示,样品支架上固定一个陶瓷基的固定环,在固定环上放置吸取氧气的环形材料。在实验过程中,OTS附件可以将吹扫气中携带的微量氧气几乎去除。


为使仪器达到上述极低的氧气残余量,仪器本身必须真空密闭且需配置抽真空系统,STA 449F1/F3 JupiterDSC 404F1/F3 pegasus均具备这些配置。

STA 449 F1 Jupiter 测试锆(质量190.9mg)样品的测试结果,测试气氛为纯度99.996%He气,,测试条件为1000℃恒温。


在没有使用OTS附件的测试中,恒温3个小时后,锆样品因氧化增重越0.38mg(红色曲线),氧化气氛来源于所使用的He气纯度不够(仅99.996%)。

绿色曲线为使用OTS附件的测试结果,热重曲线显示没有明显的增重发生,最大重量增加仅为0.008mg

STA449测试非晶铁合金的相变

非晶态金属是一种在原子尺度上呈现出无序结构,类似于玻璃,以非结晶态形成存在的金属材料。非晶合金一般是通过急速冷却得到(比如气相沉积、旋涂等工艺)。以基底来分类有金-硅、锆、钯、铁、钛、铜、镁等非晶合金。铁基非晶合金(Fe-Ni-Co-Si-B)强度比钢更高,但缺乏韧性,容易断裂失效。非晶合金常用于军事和某些民用场合,比如用于安全系统内的传感器和输电系统的变压器等。

铁基非晶合金在300°C400°C出现0.7% 质量失重,这可能是表面有机物的蒸发。在587°C(外推起始点)样品开始分两步结晶,放热焓高达323J/g。在1061°C(外推起始点)出现相转变的吸热峰,样品的熔融起始温度约为1250°C,峰温为1368°C,熔融热焓为236J/g,至1400°C熔融还未结束。耐驰STA449配备真空密闭系统和氧捕集附件(OTS)确保金属在高温下的相变与熔融过程不会发生氧化,得到稳定可靠的DSC信号。

STA测试齿科合金的熔融

目前市场上涌现出大量的齿科材料合金,想要获得这类合金的总体概述是比较困难的,仅在美国市场就可以获得几百种经美国牙科协会注册认证的合金材料。按照这些合金中已知的两种或三种主要成分,可将其分为四大类:高含金量合金、金还原合金、钯银合金和金属合金。用作齿科合金材料的先决条件是它的生物相容性、延展性和抗腐蚀性,当然,良好的生物相容性和它的耐腐蚀性也是紧密相关的。当这种合金材料被装入患者口腔后,它应当是对健康是无害的。理想的齿科合金材料应当是便于安装、质地坚硬、耐久、抗腐蚀和不易变色。


齿科合金材料Pt0.89Au0.1Ir0.01RT1750℃范围内的DSC曲线(共测试三个样品)。在外推起始点温度约1659℃发现材料开始熔化,熔融峰温度为1711℃,熔融热焓为81J/g。从DSC积分曲线可以得到材料在整个熔融过程中的液-固相比例,另外,测试结果也展示了仪器优异的重现性。

STA超高温熔融测量

超高温TGA-DTA测量(比如金属铑的高温熔融)需要使用耐温达2000°C的氧化锆陶瓷坩埚。铑常用在汽车工业上作为催化剂,将引擎燃烧排放的有害气体如碳氢化合物CHCONO转变成低毒或无毒气体。铑也常作为合金改性剂用于改善铂和钯的硬度以及抗腐蚀性,这类合金常用作高温炉加热线圈、热电偶、电极等。

利用STA 449 F3 Jupiter®测量某种铑丝的熔程。使用氧化锆陶瓷坩埚,在He气氛下测到2000°C。在1908°C1933°C下出现双峰表明该铑丝不是由纯铑制成的。

STA 研究大尺寸金属样品的氧化与腐蚀

当需要研究材料的氧化和耐腐蚀性能时,建议使用较大表面积的样品,因为吹扫气氛可以更好地与样品表面接触反应,其结果也更具代表性。特殊的STA样品支架可以把样品悬挂起来,样品可以是板材、筛网,也可以将块状物体放置在铂金篮子中测试。

此处TGA测试采用悬挂式样品支架,将悬挂的钢板循环加热数次。测试气氛采用氧-氮混合气(氧含量16%),升温速度为5K/min。随着每次的循环加热,样品的氧化程度(体现为样品重量增加)逐渐减弱 。最初的氧化反应发生在钢板的表面,在第一次升温TG曲线上可以观察到加热初期样品重量缓慢增加,到加热后期重量迅速上升。经过几个加热循环后,样品内部开始发生氧化反应,这一过程是缓慢的,需要依靠扩散过程来完成。

将样品悬挂起来可以最大限度地“开放"样品表面,由此来改善氧气与样品表面的接触状况,这有利于得到稳定可靠的数据,也是氧化行为的动力学研究必需的。



TiNiPd
合金的固态相变测量

智能材料领域的关注度越来越高,形状记忆合金材料即为其中一种。形状记忆合金(SMA)可以承受较大的塑形变形,加热后可以恢复为原始形状。SMA早期常应用于温室窗户(自动开启),后来应用于天线,之后SMA的应用范围越来越广,因为SMA具有超弹性和形状记忆功能,其在医药领域的应用也越来越多。





DSC设备具有很好的气密性,在高温下可以保持纯净的惰性气氛,因此样品发生形状记忆转变时的固固相变可以通过DSC测得(不会受到氧化影响)。图中可以看出,样品发生固固相变的温度为257℃(升温)和245℃(降温),升降温相变过程的热焓变化均为25.8J/g


TMA精确测量铝合金6061的热膨胀系数

铝合金 6061是含有镁和硅为主成分的通用铝合金。此材料质量轻、机械强度和焊透性良好,广泛用于交通工具领域,比如飞机、船只、汽车和自行车。热膨胀测试仪(DIL)、热机械分析仪(TMA)都是测量铝合金 6061和其他金属合金热膨胀的理想工具。


铝合金在室温至500°C范围的热膨胀曲线。得到的平均热膨胀系数(20°C100°C)为22.8 X 10-6 1/K,非常接近文献数据23.023.6 X 10 -6 1/K。(20°C500°C)范围内的平均热膨胀系数为27.0 X 10-6 1/K


不锈钢(低合金钢)的相变与熔融

不锈钢是一种金属合金,其主要成分为铁与碳元素结合形成合金材料。碳作为硬化剂可以阻止铁原子在晶格中滑移(位错)。通过改变碳含量和其它合金成分可以显著影响不锈钢的相变行为。从铁矿石中熔融提炼的材料中碳含量比希望值高很多,制造不锈钢时需通过再加工去除多余的碳,同时还可以添加其它元素。高温DSC测试可以对产品质量鉴定提供有用的信息。


低合金钢在400-1550℃的DSC测试结果。样品在734℃时发生晶体结构变化(体心立方变为面心立方)。另外在此温度附近,样品在发生晶体结构变化的同时其磁性发生变化(铁磁变为顺磁)。样品的熔融温度为1411℃(固相线温度),熔融热焓值为242.7J/g;降温过程中其液相线温度为1473℃,凝固热焓为241.0J/g,熔化凝固热焓基本一致。从DSC峰上可看出,样品在熔融和凝固过程中分为两步过程(其中凝固过程更加明显),降温过程中样品的固固相变也非常明显,且其温度向低温段移动(过冷效应)。


储氢材料——MgH2

在对氢能源的研究和开发中,氢气安全高效的储存和运输是其中重要的问题。在氢化物材料中,氢气以化学方式储存,这种方式相对安全可靠。氢化镁价格低,储氢量大,因此是一种相对有前景的储氢材料。

在低温阶段(低于350℃),基本上观测不到氢化镁的氢气释放。从408℃(外推起始点)开始,样品发生明显的释氢反应,释氢过程中需要吸取2630J/g的能量。储氢材料研究中,主要方向是降低解吸温度和提高吸附速率,通过改变结构可以加速氢气在样品中的扩散,因此可以通过DSC研究不同结构的镁合金对氢气的吸附行为。

STA测试γ-TiAl合金

概况:





高性能γ-TiAl合金拥有耐高温、抗腐蚀性、比重低,常作为涡轮增压器、涡轮机、马达以及在航天航空领域的应用。利用STATG+DSC)技术可以分析合金相变、熔融、以及与氧化还原反应有关的重量变化。

测试结果:

将测量误差5%(误差带)纳入考虑,绝热层的厚度(以单位每平方米的材料含量)与纸张的有效热传导呈线性关系。这与打印机的实际应用经验吻合。导热仪LFA的特殊薄层样品支架可以方便、准确地检测薄层材料的导热特性。

STA449水蒸气系统研究钢材的氧化腐蚀

腐蚀是材料在环境因素的影响下发生反应,引起材料性能的下降或恶化。钢材中铁原子的氧化就是最常见的电化学腐蚀。大多数合金的腐蚀是因为暴露在含有湿气的空气中,这类腐蚀受环境中酸、碱、卤素的影响比较大。一些常见的受控腐蚀处理,比如钝化和铬酸盐化可以增强材料的抗腐蚀性能。不锈钢是含有至少10.5% 铬的铁基合金,可以防止污染、腐蚀和生锈。可以通过热重来模拟腐蚀过程,研究温度、气氛、湿度的影响。

钢样品被加热到800°C恒温超过20小时,可以观察到样品由于腐蚀造成的重量增加。通过特别设计的水蒸气炉,可以调节测试气氛(0100% 绝对湿度),还可用于热分析联用场合。有关湿度气氛的典型应用研究就是钢材的腐蚀和杂质的剥落过程。此外,水蒸气炉对钢材的氧化与脱碳过程、陶瓷材料的烧结过程、石油焦炭的水气化过程、无机建筑材料的湿气研究都非常重要。



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