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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。從簡單的窗玻璃和陳設(shè)陶瓷到與原始材料幾乎沒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為專業(yè)化的工業(yè)應(yīng)用而開發(fā)的。
傳統(tǒng)用途
幾個世紀(jì)以來，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，陶瓷通常經(jīng)過上釉處理，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，陶瓷的工業(yè)應(yīng)用變得越來越重要。針對工業(yè)陶瓷的應(yīng)用，對其性能進(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)代玻璃窗通過控制熱輻射來降低能耗。
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固性和清晰度。
光纖：玻璃纖維能夠?qū)崿F(xiàn)長距離的無損耗數(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，在陶瓷的燒成過程中的燒結(jié)行為使用膨脹計可以精確地測量和預(yù)測。
此外，熱分析（熱重法）可用于批量加工和燒結(jié)過程中，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。通過結(jié)合不同的碳化物來調(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 測定了三種不同類型的汽車襯墊的熱導(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，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，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)的測量結(jié)果。對于計算樣品導(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)行了測量。
如下圖顯示了水平和垂直方向傳熱系數(shù)（U 值）測量結(jié)果的顯著差異，這是由于保溫層內(nèi)的對流效應(yīng)引起的。
這一測量結(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 (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，Tg-Tc 的差值最大，在 Al2O3 含量為 15 mol% 時，Tg-Tc 的差值最小。
文章來源：《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)過程的最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，而燒結(jié)溫度和時間直接影響陶瓷的性能和質(zhì)量。在生產(chǎn)先進(jìn)陶瓷的過程中，燒結(jié)過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）模擬測試氧化鋯的燒結(jié)過程，約 60 分鐘后，主要燒結(jié)步驟完成，然后通過降低加熱速率，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)過程，使樣品在已設(shè)定的致密化曲線中進(jìn)行燒結(jié)測試，結(jié)果可獲得樣品的最佳燒結(jié)溫度/時間的曲線，這種優(yōu)化可實(shí)現(xiàn)在最短的時間內(nèi)以最少的能耗獲得最大可能的樣品密度。
"RCS" 測試采用一種不同于標(biāo)準(zhǔn)膨脹測量的方法，該方法基于 "PALMOUR III" 燒結(jié)理論。材料的燒結(jié)過程可分為三個密實(shí)化階段，前兩個階段致密化率高且恒定，第三個階段，致密化率呈線性遞減直到達(dá)到所需要的最終密度。
測試前，對實(shí)際的燒結(jié)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，在燒結(jié)過程中，控制器通過改變溫度來控制材料的燒結(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)際密度的測量可以通過測量樣品的長度來完成。因此，測試結(jié)果可得到最佳燒結(jié)工藝的溫度/時間曲線。
前言
玻璃是一種常見的無機(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)是指玻璃在加熱過程中軟化并開始出現(xiàn)流動的溫度，是玻璃重要的物理性質(zhì)之一。通過準(zhǔn)確測定玻璃的軟化點(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)。
測試原理
熱膨脹法是一種通過測量玻璃樣品在加熱過程中膨脹的變化量來確定其軟化點(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)到最大值并開始出現(xiàn)收縮時，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)測試的結(jié)果曲線，曲線反映了該玻璃樣品在升溫過程中膨脹及收縮的變化過程。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，樣品的膨脹量達(dá)到了最大值，之后便開始出現(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林賽斯 L75 型熱膨脹儀來測量。眾所周知，單晶石英在大約 550 °C 至 600 °C 時會向高溫石英發(fā)生相轉(zhuǎn)變，并且可以通過膨脹測量檢測出來。
此外，林賽斯 L75 型熱膨脹儀所計算得出的差熱分析（DTA）特性，能夠讓我們深入了解材料的熱性能，還便于檢測和識別這類相變。所計算出的DTA測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，在動態(tài)加熱或冷卻循環(huán)過程中，放熱和吸熱效應(yīng)會影響樣品溫度的變化。
實(shí)驗(yàn)
本實(shí)驗(yàn)所測量的 α-二氧化硅的相變大約發(fā)生在 575 °C 。藍(lán)色曲線顯示了所測量的絕對 ΔL 值與溫度的關(guān)系，這是熱膨脹儀顯示的標(biāo)準(zhǔn)信號。測量的 DTA 曲線（紅色曲線）是通過對設(shè)定溫度和實(shí)際樣品溫度進(jìn)行數(shù)學(xué)評估而生成的。它顯示出一個峰值，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有提供明確起始點(diǎn)的情況下確定精確的相變溫度。所測量的溫度（575.2 °C）與文獻(xiàn)值（574 °C）之間的偏差可用于溫度校準(zhǔn)。
