Trang 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA KHOA HỌC VẬT LIỆU Trang 2 Giới thiệu Phân tích nhiệt là phương pháp phân tích các tính chất vật lý cũng như hóa học của mẫu đo một cách l
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA KHOA HỌC VẬT LIỆU BỘ MÔN KHOA HOC VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU GV: TS TRẦN THỊ THANH VÂN Tính chất nhiệt vật liệu Đề tài nghiên cứu khoa học Nhóm 6: Bùi Lý Việt Trinh Bùi Duy khánh Nguyễn Văn Đại Nguyễn Thị Thu 1|Page Giới thiệu Phân tích nhiệt phương pháp phân tích tính chất vật lý hóa học mẫu đo cách liên tục hàm nhiệt độ, nhiệt độ thay đổi có quy luật định sẵn sở lý thuyết nhiệt động học, từ thay đổi tính chất ta xác định thông số yêu cầu việc phân tích Các thơng tin mà pp mang lại cho quan trọng việc nghiên cứu phát triển số loại sản phẩm phương pháp đề cập đến là: Phân tích nhiệt visai (DTA) Quét nhiệt visai (DSC) Phân tích nhiệt trọng lượng ( TGA) I Một số tính chất nhiệt Đề tài nghiên cứu khoa học Nhiệt dung, nhiệt dung riêng Nhiệt dung lượng nhiệt vật khối chất thu vào hay tỏa để tăng giảm 1°K 1°C Nhiệt dung C viết sau Trong dQ - lượng cần để gây độ biến thiên nhiệt độ dT Thơng thường, nhiệt dung tính theo mol vật liệu (chẳng hạn J/mol K cal/mol.K) Trong thực tế, có hai cách đo nhiệt dung vật liệu tương ứng với điều kiện môi trường kèm theo truyền nhiệt Một nhiệt dung đẳng tích Cv (thể tích mẫu giữ khơng đổi) hai nhiệt dung đẳng áp Cp luôn lớn Cv Tuy nhiên, khác chúng đa số vật liệu rắn nhiệt độ phòng thấp Nhiệt dung dao động mạng 2|Page Trong đa số vật rắn, dạng cân lượng nhiệt chủ yếu tăng lượng dao động nguyên tử Nguyên từ vật liệu rắn không ngừng dao động tần số cao với biên độ tương đối nhỏ Những dao động nguyên tử lân cận phối hợp với liên kết nguyên tử theo phương thức truyền sóng mạng, xem sóng đàn hồi hay nói đơn giản sóng âm, có bước sóng ngắn tần số cao, lan truyền tinh thể với tốc độ âm Năng lượng dao động nhiệt vật liệu bao gồm dãy song đàn hồi có phân bố tần số khác Theo lý thuyết lượng tử, lượng dao động nhiệt chất rắn bị lượng tử hố; có số giá trị lượng phép Một lượng tử đơn lượng dao động gọi phonon (tương tự lượng tử xạ điện từ phonon) Bản thân song dao động có gọi thuật ngữ phonon Chính dao động song (song đàn hồi) gây nên tần xạ nhiệt điện tử tự dẫn điện điện tử tham gia vận chuyển lượng dẫn nhiệt Nhiệt dung riêng (thường ký hiệu chữ c nhỏ) nhiệt dung Đề tài nghiên cứu khoa học đơn vị khối lượng vật liệu (đơn vị J/kg.K cal/g.K) có giá trị nhiệt lượng cần truyền cho đơn vị khối lượng chất để làm tăng nhiệt độ lên 1°C Trong hệ thống đo lường quốc tế, đơn vị đo nhiệt dung riêng Joule kilơgam Kelvin, J•kg−1•K−1 hay J/(kg•K), Joule mol Kelvin Các cơng thức tính: Cơng thức 1: Gọi C nhiệt dung riêng.khi vật có khối lượng M nhiệt độ T1 cần truyền nhiệt lượng Q để nhiệt độ vật tăng lên T2 C có giá trị bằng: Cơng thức 2: Giả sử vật rắn khảo sát có khối lượng M, nhiệt độ T nhiệt dung riêng C Cho vật rắn vào nhiệt lượng kế (có que khuấy) chứa nước nhiệt độ T1 Gọi: m1 khối lượng nhiệt lượng kế que khuấy 3|Page C1 nhiệt dung riêng chất làm nhiệt lượng kế m2 khối lượng nước chúa nhiệt lượng kế C2 nhiệt dung riêng nước Nếu T >T1 vật rắn tỏa nhiệt lượng Q nhiệt độ vật giảm từ T xuống T2 Q=M.C.(T – T2) Đồng thời nhiệt lượng kế que khuấy nước nhận số nhiệt lượng để tăng nhiệt từ T1 đến T2 Q=(m1.C1+m2.C2)(T2–T1) Suy ra: Đề tài nghiên cứu khoa học Độ dẫn nhiệt 4|Page Dẫn nhiệt trình truyền nhiệt từ phần tử đến phần tử khác chúng tiếp xúc trực tiếp với có chênh lệch nhiệt độ Dẫn nhiệt tinh thể lan truyền dao động nhiệt phân tử Độ dẫn nhiệt đại lượng vật lý đặc trưng cho khả dẫn nhiệt vật liệu Biểu thức: đó: q - mật độ nhiệt thơng, tức dòng nhiệt qua đơn vị diện tích đơn vị thời gian (diện tích lấy vng góc với hướng dịng nhiệt) k - hệ số Đề dẫn nhiệt tài nghiên cứu khoa học dT/dx – građient nhiệt độ qua môi trường dẫn nhiệt Đơn vị q k tương ứng W/m2 W/m.K Phương trình có giá trị dòng nhiệt trạng thái ổn định, nghĩa điều kiện mà mật độ dịng nhiệt khơng thay đổi theo thời gian Dấu trừ biểu thức dịng nhiệt truyền từ chỗ nóng đến chỗ lạnh, tức theo hướng giảm građien nhiệt độ Vd : độ dẫn nhiệt số vật liệu 5|Page Đề tài nghiên cứu khoa học Các chế dẫn nhiệt Trong vật liệu rắn, nhiệt truyền song dao động mạng (phonon) điện tử tự Độ dẫn nhiệt toàn phần tổng hai thành phần theo hai chế đó: k = k1 + ke đó: k1, ke - độ dẫn nhiệt dao động mạng điện tử, thơng thường hai thành phần chiếm ưu Năng lượng nhiệt phonon, tức song mạng truyền theo hướng chuyển động chúng Thành phần k1 gây chuyển động phonon từ vùng nhiệt độ cao tới vùng nhiệt độ thấp vật thể Các điện tử tự (các điện tử dẫn) tham gia dẫn nhiệt Ở vùng nóng vật liệu điện tử tự có động lớn Chúng di chuyển đến vùng lạnh hơn, phần động chuyển bù 6|Page thêm cho nguyên tử (năng lượng dao động) kết qảu va chạm với phonon với khuyết tật mạng Phần đóng góp tương đối ke tăng theo nồng độ điện tử có nhiều điện tử tham gia vào q trình dẫn nhiệt Hệ số dãn nở nhiệt Trong khoa học vật liệu, hệ số giãn nở nhiệt vật liệu đại lượng vật lý đặc trưng cho thay đổi kích thước vật liệu nhiệt độ thay đổi Đa số vật liệu rắn nở nung co lại nguội Sự thay đổi chiều dài theo nhiệt độ vật liệu rắn biểu thị sau: Trong đó: l0 lr – tương ứng chiều dài ban đầu chièu dài cuối thay đổi nhiệt độ từ T0 đến Tr α1 - hệ sốĐề dài nở nhiệt oC-1khoa học tàigiãn nghiên cứu Sự nung nóng hay làm nguội tác dụng lên tất kích thước vật thể, dẫn đến thay đổi thể tích tính theo biểu thức: Trong : Vo ∆V – tương ứng thể tích ban đầu độ biến thiên thể tích - hệ số thể tích giãn nở nhiệt Ở nhiều loại vật liệu, giá trị dị hướng, có nghĩa phụ thuộc vào hướng tinh thể Đối với vật liệu mà giãn nở nhiệt có đẳng tích hướng gần Ứng suất nhiệt Ứng suất nhiệt ứng suất gây vật thể thay đổi nhiệt độ Tìm hiểu nguồn gốc chất ứng suất nhiệt quan 7|Page trọng ứng suất dẫn tới nứt vỡ biến dạng dẻo không mong muốn Ứng suất giãn co bị hạn chế Ta xét đặc đồng chất đẳng hướng bị nung nóng làm lạnh đồng đều, nghĩa khơng có gradient nhiệt độ Khi giãn co tự do, không chịu ứng suất Tuy nhiên, chuyển động dọc trục bị giới hạn giá cứng chặn hai đầu có ứng suất nhiệt Độ lớn σ ứng suất gây độ biến thiên nhiệt độ từ To đến Tr là: Trong đó: E – mơđun đàn hồi α1- hệ số giãn nở nhiệt dài Khi nung nóng (Tr > To) ứng suất nén (σ < 0), giãn nở bị giữ lại Đương nhiên, bị làm lạnh (Tr < To) có ứng suất kéo đàn hồi mẫu trở độ dài ban đầu sau chịu giãn nở Đề biến tài đổi nhiệt độ To – Tr khoa học nghiên cứu Ứng suất gây građient nhiệt độ Khi vật rắn bị nung làm nguội, phân bố nhiệt độ bên phụ thuộc vào kích thước hình dạng nó, vào độ dẫn nhiệt vật liệu số biến đổi nhiệt độ Ứng suất nhiệt hình thành građient nhiệt độ gây nung nóng làm nguội nhanh làm cho phần ngồi thay đổi nhiệt độ nhanh phần phía Các biến đổi kích thước phận có tác dụng hạn chế giãn co phần thể tích xung quanh Chẳng hạn nung nóng, phần ngồi mẫu nóng hơn, giãn mạnh vùng Như ứng suất bề mặt ứng suất nén, xuất bị cân ứng suất kéo bên Mối tương quan ứng suất – đảo lại làm nguội nhanh làm cho bề mặt chịu ứng suất kéo Sốc nhiệt vật liệu giòn Đối với kim loại polymer dễ uốn, ứng suất nhiệt sinh giảm nhẹ nhờ có biến dạng đàn hồi Tuy nhiên, đa số vật liệu gốm, tính khó uốn làm tăng khả phá huỷ giòn ứng suất 8|Page nhiệt Nguội nhanh sễ gây sốc nhiệt nung nóng, ứng suất nhiệt sinh ứng suất kéo Sự tạo thành vết nứt lan truyền vết nứt từ bề mặt xảy dễ có ứng suất kéo Khả vật liệu chống lại loại phá huỷ gọi độ bền xung nhiệt Đối với gốm bị làm nguội nhanh, độ bền xung nhiệt phụ thuộc vào độ lớn thay đổi nhiệt độ mà cịn vào tính chất nhiệt vật liệu Độ bền xung nhiệt tốt gốm có độ bền nứt σr cao độ dẫn nhiệt cao, môđun đàn hồi hệ số giãn nở nhiệt thấp Độ bền nhiều vật liệu chống lại loại phá huỷ ước tính thơng số kháng sốc nhiệt TSR Có thể phịng ngừa sốc nhiệt cách biến đổi điều kiện để giảm bớt tốc độ nguội nung nóng hạn chế građient nhiệt độ vật thể đến mức tối thiểu Cải thiện đặc trưng nhiệt nâng cao tính kháng sốc nhiệt vật liệu Trong thông số này, hệ số giãn nở nhiệt dễ biến đổi dễ khống chế Ví dụ, thuỷ tinh Na phổ thơng, thường có αl vào khoảng 10-6(oC)-1 đặc biệt nhạy với sốc nhiệt biết Bằng cahc giảm hàm lượng CaO Na2O đồng thời bổ sung B2O3 vào để tạo thành thuỷ tinh borosilicate (tức Pyrex) Đề giảm hệ sốcứu giãn nở xuống tới khoảng 10tài nghiên khoa học 6(oC)-1; vật liệu hồn tồn thích hợp cho chu trình nung nóng làm nguội lị nung Đưa vào số lỗ xốp tương đối lớn pha thứ hai mềm cải thiện đặc tính sốc nhiệt cuả vật liệu, hai biện pháp có tác dụng ngăn ngừa lan truyền vết nứt nhiệt Ứng suất vật liệu biến dạng liên tục 9|Page II Phân tích nhiệt visai Cơ sở phương pháp Là phương pháp phân tích nhiệt dựa việc thay đối nhiệt độ mẫu đo mẫu chuẩn xem hàm nhiệt độ mẫu Những tính chất mẫu chuẩn hồn toàn xác định, yêu cầu mẫu chuẩn phải trơ nhiệt độ Đối với mẫu đo ln xảy hai q trình giải phóng hấp thụ nhiệt ta tăng nhiệt độ hệ, ứng với q trình có trạng thái chuyển pha tương ứng Dấu lượng chuyển pha đặc trưng cho trình hấp thụ hay giải phóng nhiệt Đồng thời ta xác định nhiệt độ chuyến pha Mọi trạng thái chuyển pha mẫu đo kết q trình giải phóng thu nhiệt mẫu, điều tương ứng với đạo hàm nhiệt độ xác định từ mẫu chuẩn Khoảng thay đổi nhiệt độ vi phân (AT) nhiệt độ điều khiển T mà tồn hệ thay đổi cho phép phân tích nhiệt độ chuyến pha xác định trình chuyến pha tỏa nhiệt hay thu nhiệt Đề tài nghiên cứu khoa học Tính phương pháp Phương pháp cung cấp cho thơng tin về: • Phân biệt nhiệt độ đặc trưng • Chuyển pha thuỷ tinh • Hành vi kết tinh nóng chảy vật liệu • Nhiệt độ kết tinh nóng chẩy • Độ tinh khiết • Tính đa hình • Độ ổn định nhiệt … Từ thơng tin trí, số liệu, hình dạng đường nhiệt ta xác định thành phần khối lượng mẫu đo Hoạt động phân tích kết 10 | P a g e Quá trình chuyến pha lớn lên tinh thế: Các tinh thể (đặc biệt kim loại) có kích thước 10'6 - 10'3 cm có hiệu ứng toả nhiệt phát triến kích thước ốn định mạng tinh thể đun nóng Tính xúc tác hấp phụ chất gắn với kích thước tinh ổn định cấu trúc tinh Sử dụng DTA khảo sát hoạt tính xúc tác tinh thể nhỏ (đặc biệt kim loại) hiệu thuận tiện Đề tài nghiên cứu khoa học Quá trình chuyến pha phân hủy dung dịch rắn không bền: Các kim loại thường tạo với nhiều loại dung dịch rắn Khi làm lạnh hệ nhanh, nhiều dung dịch rắn nằm trạng thái giả bền Quá trình phân hủy dung dịch rắn không bền kèm hiệu ứng phát nhiệt Một số dung dịch rắn không bền phân hủy nhiệt độ phòng Một số dung dịch rắn khơng bền phân hủy bị đun nóng 18 | P a g e Đề tài nghiên cứu khoa học III Phương pháp nhiệt trọng lượng Khái niệm Đây phương pháp phân tích dựa thay đổi khối lượng mẫu theo thay đổi nhiệt độ Khi vật chất bị nung nóng khối lượng chúng bị từ trình đơn giản bay từ phản ứng hóa học giải phóng khí Một số vật liệu nhận khối lượng chúng phản úng với khơng khí mơi trương kiểm tra Phương pháp cho biết: nhiệt độ bắt đầu trình phân hủy, nhiệt độ mà q trình phân hủy mẫu lớn (Tmax) nhiệt độ mẫu bị phân hủy 10, 50% Điều kiện phân tích nhiệt mẫu sau: 19 | P a g e - Tốc độ nâng nhiệt độ: 100 C/phút - Mơi trường khảo sát: khơng khí - Nhiệt độ khảo sát: + Vật liệu nanocompozit: Từ nhiệt độ môi trường đến 7000 C + Clay clay biến tính: Từ nhiệt độ môi trường đến 9000 C Đề tài nghiên cứu khoa học 20 | P a g e