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應(yīng)用領(lǐng)域
我們的熱分析設(shè)備所應(yīng)用的領(lǐng)域
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陶瓷和玻璃有著悠久的歷史，然而，在許多現(xiàn)代和傳統(tǒng)應(yīng)用中都是不可或缺的材料。從簡(jiǎn)單的窗玻璃和陳設(shè)陶瓷到與原始材料幾乎沒(méi)有共同之處的高性能材料，種類繁多，在日常生活和先進(jìn)技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。
陶瓷：多樣性和高性能
陶瓷一般可分為粗陶瓷和細(xì)陶瓷。粗陶瓷采用粘土、石英、長(zhǎng)石等天然原料，主要用于生產(chǎn)粘土磚等陶瓷建筑材料，而細(xì)陶瓷則采用粒徑小于 0.1 mm 的合成加工原料。傳統(tǒng)陶瓷包括餐具、衛(wèi)生陶瓷和裝飾元素等產(chǎn)品，而工業(yè)陶瓷和高性能陶瓷則是專門(mén)為專業(yè)化的工業(yè)應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的。
傳統(tǒng)用途
幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，陶瓷一直用于家居和裝飾。陶瓷除了美觀之外，還提供了重要的功能特性，特別是在餐具、廚房用具和衛(wèi)生陶瓷領(lǐng)域：
衛(wèi)生表面：陶瓷產(chǎn)品由于其光滑和無(wú)孔表面而易于清潔，使其成為衛(wèi)生敏感區(qū)域使用的理想選擇。
高耐酸堿性：這使得陶瓷非常適合日常家庭使用，也適用于許多工業(yè)應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兡颓鍧崉┖褪称分械幕瘜W(xué)物質(zhì)。
釉面：在廚房里，例如陶瓷鍋或微波專用盤(pán)，陶瓷通常經(jīng)過(guò)上釉處理，形成一種類似玻璃的密封表面，不透水。
工業(yè)陶瓷
近幾十年來(lái)，陶瓷的工業(yè)應(yīng)用變得越來(lái)越重要。針對(duì)工業(yè)陶瓷的應(yīng)用，對(duì)其性能進(jìn)行了優(yōu)化。它們包括氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷和電陶瓷材料。這些產(chǎn)品具有優(yōu)異的機(jī)械、熱和化學(xué)性能，可用于高性能應(yīng)用：
電子元件：陶瓷優(yōu)異的絕緣性能使其成為電容器、半導(dǎo)體等電子元件以及壓電元件的理想選擇。
耐磨部件：碳化硅等材料非常堅(jiān)硬，非常適合高溫環(huán)境或涉及機(jī)械磨損的應(yīng)用。
醫(yī)用植入物：氧化鋯等生物陶瓷由于具有生物相容性和耐腐蝕性，在醫(yī)療技術(shù)中被用作植入材料。
高性能陶瓷
工程性陶瓷用于極端條件普遍存在的領(lǐng)域，例如航空航天和汽車(chē)工業(yè)以及切削工具的制造。這些材料包括：
氧化陶瓷：如氧化鋁和氧化鋯，由于其高熱穩(wěn)定性，在高溫應(yīng)用和高負(fù)荷下使用。
復(fù)合材料：如金屬陶瓷和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，由于其結(jié)合了強(qiáng)度和柔韌性開(kāi)辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域。
玻璃：透明和功能性
玻璃早已從單純的裝飾材料發(fā)展成為工業(yè)上不可缺少的材料。除了家庭應(yīng)用，如飲水杯或炊具，玻璃越來(lái)越多地用于高科技領(lǐng)域。
建筑與建造
玻璃在建筑行業(yè)中起著關(guān)鍵作用，不僅因其美學(xué)效果而且因其功能特性而受到重視：
節(jié)能玻璃窗：采用特殊涂層的現(xiàn)代玻璃窗通過(guò)控制熱輻射來(lái)降低能耗。
安全玻璃：夾層玻璃和鋼化玻璃具有更強(qiáng)的抗破碎和抗沖擊性能，被應(yīng)用于建筑外立面、車(chē)輛以及公共設(shè)施中。
光電子學(xué)
玻璃是現(xiàn)代電子和光學(xué)系統(tǒng)不可或缺的組成部分：
顯示技術(shù)：大猩猩玻璃等特殊玻璃為智能手機(jī)和平板電腦提供了必要的堅(jiān)固性和清晰度。
光纖：玻璃纖維能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)距離的無(wú)損耗數(shù)據(jù)傳輸，并且構(gòu)成了現(xiàn)代通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)。
可以分析的原材料種類和屬性
陶瓷材料的原料種類繁多，可分為不同的大類。這些包括：
硅酸鹽陶瓷：由粘土、石英和長(zhǎng)石組成，是傳統(tǒng)陶瓷的基礎(chǔ)。
氧化物陶瓷：氧化鋁（Al2O3）和氧化鋯（ZrO2）等材料在工業(yè)陶瓷中應(yīng)用廣泛。
非氧化物陶瓷：碳化硅（SiC）和氮化硅（Si3N4）等材料以其出色的耐熱性和機(jī)械性能而聞名。它們通常由無(wú)氧硅化合物組成，但仍屬于陶瓷類，因?yàn)樗鼈兊慕Y(jié)構(gòu)和性質(zhì)與氧化物陶瓷非常相似。
智能技術(shù)
在現(xiàn)代，陶瓷和玻璃日益發(fā)展成為具有特殊性能的智能材料：
自潔表面：通過(guò)特殊的表面處理可以去除污垢和水。
發(fā)電：集成了光伏電池的玻璃表面允許窗戶用于發(fā)電，從而提高建筑物的能源效率。
創(chuàng)新的加工方法
激光加工：超短脈沖激光器能夠?qū)ΣＡШ吞沾蛇M(jìn)行精確且溫和的加工。這在醫(yī)療產(chǎn)品制造和電子制造領(lǐng)域尤為重要，因?yàn)檫@些領(lǐng)域需要無(wú)材料損傷的精確切割邊緣和鉆孔。
陶瓷密封膠：陶瓷涂層改善了車(chē)輛的表面，并提供了抗刮擦、防紫外線和自清潔等性能。這些密封劑延長(zhǎng)了產(chǎn)品的使用壽命。
玻璃和陶瓷的熱分析
熱分析可以檢查和優(yōu)化陶瓷和玻璃材料的許多重要和特定的性能：
可以測(cè)量和分析熱膨脹、熱導(dǎo)率和比熱容，以找到最佳的生產(chǎn)條件，更有效地利用能源。特別是，在陶瓷的燒成過(guò)程中的燒結(jié)行為使用膨脹計(jì)可以精確地測(cè)量和預(yù)測(cè)。
此外，熱分析（熱重法）可用于批量加工和燒結(jié)過(guò)程中，以控制原料的確切成分，并精確調(diào)整含水量和晶粒尺寸。
通過(guò)分析玻璃和陶瓷的電導(dǎo)率和化學(xué)成分，可以改善其性能和調(diào)整工藝參數(shù)。
前言
碳化物陶瓷具有高導(dǎo)熱性、耐磨損、耐腐蝕和耐高溫等性能。通過(guò)結(jié)合不同的碳化物來(lái)調(diào)整材料的性能，使材料的性能滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的要求。例如，特定的導(dǎo)電性或高硬度。碳化物陶瓷在機(jī)械、化工、航天和動(dòng)力工程等領(lǐng)域有著廣泛的的應(yīng)用。
實(shí)驗(yàn)
如下圖所示，使用 LFA L52 測(cè)定了三種不同類型的汽車(chē)襯墊的熱導(dǎo)率。鈾衍生物（UC）呈現(xiàn)出較低的熱導(dǎo)率，并且在測(cè)試溫度范圍內(nèi)幾乎是恒定的，約為 25 W/(m·K) 。碳化鋯（ZrC）的熱導(dǎo)率則隨著溫度升高呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，而碳化硅（SiC）的熱導(dǎo)率隨著溫度的升高呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，并在較高溫度下趨于穩(wěn)定。
前言
氧化鋁是一種由鋁和氧組成的無(wú)機(jī)化合物，化學(xué)式為 Al?O? ，是一種高性能陶瓷材料，具有良好的電絕緣性、高機(jī)械強(qiáng)度、高硬度、高耐腐蝕性和耐磨性，并具有相當(dāng)高的導(dǎo)熱性能，對(duì)于氧化鋁陶瓷材料，其導(dǎo)熱系數(shù)為 30-35 W/(m·K) 。由于這些特性，氧化鋁具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，例如，用于制造耐火材料、磨料磨具和金屬加工等。
實(shí)驗(yàn)
如下圖顯示了使用 LFA L52 測(cè)量氧化鋁樣品在室溫至 1000 ℃ 范圍內(nèi)的熱擴(kuò)散率和導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量結(jié)果。對(duì)于計(jì)算樣品導(dǎo)熱系數(shù)所需的密度和比熱容，均采用文獻(xiàn)值。從圖中可以看到，氧化鋁樣品室溫下的導(dǎo)熱系數(shù)約為 32 W/(m·K) ，其熱擴(kuò)散率和熱導(dǎo)系數(shù)均隨著溫度的升高而降低，該變化規(guī)律符合期望結(jié)果。
實(shí)驗(yàn)
使用 Linseis HFM 300 在 10 ~ 50 ℃ 的溫度范圍內(nèi)，分別在水平和垂直方向?qū)瑲鍤馓畛涞娜龑哟安ＡУ膫鳠嵯禂?shù)進(jìn)行了測(cè)量。
如下圖顯示了水平和垂直方向傳熱系數(shù)（U 值）測(cè)量結(jié)果的顯著差異，這是由于保溫層內(nèi)的對(duì)流效應(yīng)引起的。
這一測(cè)量結(jié)果清晰地表明，非均質(zhì)建筑材料需要在其最終使用的方向上進(jìn)行測(cè)量，以獲得準(zhǔn)確的導(dǎo)熱系數(shù)和傳熱系數(shù)（U 值）。
實(shí)驗(yàn)
采用林賽斯 DSC L62 對(duì) (23.1-x)Na2O/23.1BaO/23TiO2/9.8B2O3/21SiO2/xAl2O3（其中 x = 3，7，11，15 mol%）四種玻璃的熱性能進(jìn)行了分析，測(cè)試結(jié)果表明，隨著氧化鋁濃度的增加，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 Tg 從 450 ℃ 增加到 570 ℃ ，最大結(jié)晶溫度 Tc 從 660 ℃ 增加到 695 ℃ 。Tg-Tc 的差值作為衡量玻璃穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)的，在玻璃中 Al2O3 的含量為 3 mol% 時(shí)，Tg-Tc 的差值最大，在 Al2O3 含量為 15 mol% 時(shí)，Tg-Tc 的差值最小。
文章來(lái)源：《IR-SPECTROSCOPY, THERMOPHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF GLASSES IN THE SYSTEM Na2O/BaO/TiO2/B2O3/SiO2/Al2O3》,January 2023 Journal of Chemical Technology and Metallurgy 58(3):456-466
作者：Ruzha Harizanova, Valentin Gaydarov, Ivailo Gugov, Galina Zamfirova, Irena Mihailova1, Martin Pernikov, Christian Rüssel
前言
“燒結(jié)”是陶瓷制品生產(chǎn)過(guò)程的最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，而燒結(jié)溫度和時(shí)間直接影響陶瓷的性能和質(zhì)量。在生產(chǎn)先進(jìn)陶瓷的過(guò)程中，燒結(jié)過(guò)程的模擬課題備受關(guān)注。下圖中的應(yīng)用實(shí)例是利用林賽斯熱膨脹儀的燒結(jié)速率控制軟件（RCS）模擬測(cè)試氧化鋯的燒結(jié)過(guò)程，約 60 分鐘后，主要燒結(jié)步驟完成，然后通過(guò)降低加熱速率，約 180 分鐘后，達(dá)到材料所需的最終密度，燒結(jié)完成。
氧化鋯的燒結(jié)過(guò)程是如何實(shí)現(xiàn)的呢？
燒結(jié)速率控制軟件（RCS）是林賽斯熱膨脹儀的可選附加軟件，根據(jù) "PALMOUR III" 燒結(jié)理論，可以利用熱膨脹儀程序控制燒結(jié)過(guò)程，使樣品在已設(shè)定的致密化曲線中進(jìn)行燒結(jié)測(cè)試，結(jié)果可獲得樣品的最佳燒結(jié)溫度/時(shí)間的曲線，這種優(yōu)化可實(shí)現(xiàn)在最短的時(shí)間內(nèi)以最少的能耗獲得最大可能的樣品密度。
"RCS" 測(cè)試采用一種不同于標(biāo)準(zhǔn)膨脹測(cè)量的方法，該方法基于 "PALMOUR III" 燒結(jié)理論。材料的燒結(jié)過(guò)程可分為三個(gè)密實(shí)化階段，前兩個(gè)階段致密化率高且恒定，第三個(gè)階段，致密化率呈線性遞減直到達(dá)到所需要的最終密度。
測(cè)試前，對(duì)實(shí)際的燒結(jié)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，在燒結(jié)過(guò)程中，控制器通過(guò)改變溫度來(lái)控制材料的燒結(jié)速率，使樣品實(shí)際密度變化接近于設(shè)定的密度變化，如果實(shí)際密度小于目標(biāo)密度，則提高溫度以獲得更高的致密化率，如果實(shí)際密度高于設(shè)定的目標(biāo)密度，則降低溫度以降低致密化率，而實(shí)際密度的測(cè)量可以通過(guò)測(cè)量樣品的長(zhǎng)度來(lái)完成。因此，測(cè)試結(jié)果可得到最佳燒結(jié)工藝的溫度/時(shí)間曲線。
前言
玻璃是一種常見(jiàn)的無(wú)機(jī)非晶固體材料，具有硬度高、透明度好、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，隨著玻璃工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，玻璃已成為日常生活、生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中極為重要的材料，廣泛應(yīng)用于建筑、日用、化學(xué)、電子等領(lǐng)域。而玻璃的軟化點(diǎn)是指玻璃在加熱過(guò)程中軟化并開(kāi)始出現(xiàn)流動(dòng)的溫度，是玻璃重要的物理性質(zhì)之一。通過(guò)準(zhǔn)確測(cè)定玻璃的軟化點(diǎn)，可以更好地理解玻璃的結(jié)構(gòu)和性能，并為玻璃的研究、制造和應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。
測(cè)試原理
熱膨脹法是一種通過(guò)測(cè)量玻璃樣品在加熱過(guò)程中膨脹的變化量來(lái)確定其軟化點(diǎn)的方法。在微弱負(fù)載力下，將制備好的待測(cè)樣品固定在熱膨脹儀上，然后以一定的升溫速率加熱玻璃樣品并測(cè)量其膨脹量隨溫度變化的曲線。當(dāng)膨脹量達(dá)到最大值并開(kāi)始出現(xiàn)收縮時(shí)，即可確定玻璃的軟化點(diǎn)。
結(jié)果分析
下圖為普通玻璃樣品軟化點(diǎn)測(cè)試的結(jié)果曲線，曲線反映了該玻璃樣品在升溫過(guò)程中膨脹及收縮的變化過(guò)程。其中樣品在室溫到 570 ℃ 的溫度范圍內(nèi)接近線性膨脹。在 575.7 ℃ 之后樣品發(fā)生了玻璃化轉(zhuǎn)變，由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)，在溫度達(dá)到 648.1 ℃ 時(shí)，樣品的膨脹量達(dá)到了最大值，之后便開(kāi)始出現(xiàn)了收縮，因此可確定該玻璃樣品的軟化點(diǎn)為 648.1 ℃ 。
前言
α-二氧化硅（α-SiO?）的熱膨脹可以很容易地通過(guò)林賽斯 L75 型熱膨脹儀來(lái)測(cè)量。眾所周知，單晶石英在大約 550 °C 至 600 °C 時(shí)會(huì)向高溫石英發(fā)生相轉(zhuǎn)變，并且可以通過(guò)膨脹測(cè)量檢測(cè)出來(lái)。
此外，林賽斯 L75 型熱膨脹儀所計(jì)算得出的差熱分析（DTA）特性，能夠讓我們深入了解材料的熱性能，還便于檢測(cè)和識(shí)別這類相變。所計(jì)算出的DTA測(cè)量值是一種基于樣品溫度的數(shù)學(xué)運(yùn)算程序。與設(shè)定的升溫曲線相比，在動(dòng)態(tài)加熱或冷卻循環(huán)過(guò)程中，放熱和吸熱效應(yīng)會(huì)影響樣品溫度的變化。
實(shí)驗(yàn)
本實(shí)驗(yàn)所測(cè)量的 α-二氧化硅的相變大約發(fā)生在 575 °C 。藍(lán)色曲線顯示了所測(cè)量的絕對(duì) ΔL 值與溫度的關(guān)系，這是熱膨脹儀顯示的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。測(cè)量的 DTA 曲線（紅色曲線）是通過(guò)對(duì)設(shè)定溫度和實(shí)際樣品溫度進(jìn)行數(shù)學(xué)評(píng)估而生成的。它顯示出一個(gè)峰值，該峰值指示材料的相變，如同經(jīng)典的差示掃描量熱法（DSC）或差熱分析（DTA）所顯示的那樣。應(yīng)用差熱分析（DTA）功能可以在膨脹曲線沒(méi)有提供明確起始點(diǎn)的情況下確定精確的相變溫度。所測(cè)量的溫度（575.2 °C）與文獻(xiàn)值（574 °C）之間的偏差可用于溫度校準(zhǔn)。
