برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۱۱/۲۷ تا ۱۳۹۷/۱۲/۰۳

ضمائم مقاله
مقالات مرتبط
اخبار مرتبط
آمار مقاله
  • بازدید کل ۵,۲۷۸
  • بازدید این ماه ۲۵۶
  • بازدید امروز ۳
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۳۶
  • قبول شدگان ۳۳
  • شرکت کنندگان یکتا ۲۳
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۸۷
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 1

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

مقدمه‌ای بر روش‌های آنالیز حرارتی (Thermal Analysis, TA)

روش‌های آنالیز حرارتی شامل تکنیک‌هایی است که طی آن‌ها یک خاصیت فیزیکی وابسته به دما از یک ماده یا محصول واکنش آن اندازه‌گیری می‌شود. در این روش‌ها معمولاً ماده تحت تاثیر یک دمای کنترل شده قرار می‌گیرد و سپس تغییرات ایجاد شده در خاصیت فیزیکی مورد نظر ثبت می‌شود. با توجه به خاصیت فیزیکی مورد اندازه‌گیری و همچنین برنامه دمایی اعمال شده در طول آنالیز، چندین روش مبتنی بر آنالیز حرارتی معرفی شده‌اند. روش‌هایی همچون آنالیز وزن‌سنجی حرارتی (Thermogravimetry Analysis; TGA)، مشتق وزن‌سنجی حرارتی (Derivative Thermogravimetry; DTG)، آنالیز گرمایی تفاضلی (Differential Thermal Analysis; DTA)، گرماسنجی روبشی تفاضلی (Differential Scanning Calorimetry; DSC) و دیلاتومتری (Dilatometery) از جمله این موارد هستند و در این مقاله به بررسی روش دیلاتومتری پرداخته خواهد شد.
1- معرفی روش های آنالیز حرارتی
روش‌های آنالیز حرارتی مواد (Thermal Analysis; TA) از دو جنبه برای پژوهشگران و صنعت کاران اهمیت دارند. نخست آن‌که به کمک این روشها، میتوان شناسایی مواد را به ویژه هنگامی که روش‌هایی مانند پراش پرتو ایکس (X-Ray Diffraction; XRD) و مطالعات میکروسکوپی توانایی ارزیابی نهایی آن‌ها را ندارند، تکمیل نمود. این حالت، به ویژه در مورد مواد اولیه و ترکیب‌های چند جزئی بسیار مفید است. دوم آن‌که به کمک روش‌های آنالیز حرارتی، می‌توان رفتار مواد را با افزایش دما بررسی نمود. این نوع مطالعه نیز از نظر طراحی فرآیند تولید و کاربرد محصول، اهمیت زیادی دارد.
آنالیز حرارتی، عبارتست از اندازه‌گیری و بررسی تغییرات ایجاد شده در یک خصلت فیزیکی از ماده، زمانی که در معرض یک گرادیان دمایی با یک برنامه ویژه قرار بگیرد. منظور از ویژگی‌های فیزیکی، کمیت‌هایی مانند وزن، شکل هندسی، ظرفیت حرارتی، هدایت الکتریکی و مانند آن است که در اثر افزایش دمای نمونه تغییر می‌کنند. منظور از برنامه دمایی، حرارت‌دهی نمونه در یک محیط مشخص و با یک روند و سرعت مشخص است. به عبارت ساده‌تر، نمونه باید با یک سرعت مشخص تا دمای معینی گرم و در صورت نیاز، در این دما برای مدت زمان مشخصی نگهداری شود. در شکل 1 اجزای یک دستگاه آنالیز حرارتی نشان داده شده است. کوره کوچکی که قابلیت برنامه ریزی دمایی و کنترل آن را داشته باشد، گرمایش نمونه را انجام می‌دهد. در طول زمان حرارت‌دهی دما توسط ترموکوپلی که در نزدیکی نمونه قرار دارد، با دقت اندازه‌گیری شده و پس از تقویت، به صورت یک سیگنال الکتریکی، به قسمت ثبت اطلاعات یا واحد پردازش دستگاه فرستاده می شود.
تغییرات فیزیکی اندازه‌گیری شده توسط یک تبدیل‌کننده (Transducer) به یک جریان الکتریکی تبدیل شده و به بخش نمایش نتایج (Readout) می رود. بنابراین، نتیجه آزمایش از رسم تغییرات فیزیکی مورد نظر بر حسب دما به دست خواهد آمد. درصورتی‌که ویژگی فیزیکی یک نمونه در هنگام گرمایش تغییر قابل ملاحظه‌ای پیدا کند، روش آنالیز حرارتی برای آنالیز و شناسایی آن بسیار مفید واقع خواهد شد. لازم به ذکر است که منظور از تغییر قابل ملاحظه، پدید آمدن یک رویداد حرارتی، مانند تجزیه (Decomposition)، ذوب (Melting)، تصعید (Sublimation)، دگرگونی فازی (Phase-Change) و اکسایش (Oxidation) است.

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1- اجزای یک دستگاه آنالیز حرارتی

هر یک از این رویدادهای حرارتی، به کمک دستگاه آنالیز حرارتی، قابل اندازه گیری هستند. به عنوان مثال، برای فرایند تجزیه، کاهش وزن نمونه و برای فرایند ذوب، تبادل حرارتی آن با محیط اطراف، نشانه‌هایی هستند که آشکار میشوند و می‌توان آن‌ها را ثبت نمود.

2- انواع روش های آنالیز حرارتی
همانطور که اشاره شد، روش‌های آنالیز حرارتی بر اساس پدید آمدن تغییرات فیزیکی در ماده استوار هستند. بر این اساس، تکنیک‌های گوناگونی از روش آنالیز حرارتی توسعه یافته‌اند. از میان این روش‌ها که در شکل 2 قابل مشاهده‌اند، روش‌های آنالیز وزن‌سنجی حرارتی، مشتق وزن‌سنجی حرارتی، آنالیز گرمایی تفاضلی، گرماسنجی روبشی تفاضلی و دیلاتومتری بیشترین کاربرد را در مطالعه و شناخت مواد پیدا کرده‌اند. هر یک از روش‌های آنالیز حرارتی، فقط در صورتی موثر واقع خواهد شد که نمونه مورد آزمایش، تغییر فیزیکی مورد نظر را در فرآیند گرمایش از خود نشان دهد. به عنوان مثال اگر نمونه در هنگام گرمایش، تغییر وزن نداشته باشد، استفاده از روش توزین حرارتی برای شناسایی و یا مطالعه رفتار حرارتی آن بی فایده خواهد بود.

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل 2- روش‌های مختلف آنالیز حرارتی بر اساس تغییر در پدیده‌های فیزیکی حین فرآیند حرارت دهی

پیش‌تر اشاره شد که روش‏های آنالیز حرارتی، تکنیک‏هایی هستند که تغییر برخی از خواص مواد را ضمن اعمال یک برنامه دمایی مشخص بررسی می‏کنند. این برنامة دمایی می‏تواند، ثابت (Stable) یا پویا (Dynamic) باشد. در برنامه دمایی ثابت، حرارت دهی تا دمای مورد نظر با یک شیب (سرعت) ثابت و یکنواخت صورت می‌پذیرد. این روند برای برنامه دمایی پویا نیز وجود دارد و در این روش نیز نمونه با سرعت ثابتی در محدودة دمایی مورد نیاز، گرم یا سرد ‏شود. اما برنامه دمایی پویا می‏تواند شامل ثبات دما در مقداری از پیش تعیین شده باشد و تغییراتی را که در محدودة زمانی مشخص در این دما اتفاق می‏افتد را بررسی کند. به عبارت ساده‌تر، دما با یک شیب مشخص تا یک دمای از پیش تعیین شده افزایش می‌یابد و سپس برای یک مدت زمان مشخص ثابت مانده و سپس مجددا با یک شیب ثابت افزایش می‌یابد.
از میان روش‌های مختلف آنالیز حرارتی، مهم‌ترین و پرکاربردترین روش‌ها و مولفه مورد اندازه‌گیری در هر کدام از این روش‌ها عبارتند از:
الف) در روش دیلاتومتری (DIL)؛ تغییر طول نمونه بر حسب تغییر دما رسم می‌شود.
ب) روش تجزیه گرماوزنی (TGA)؛ تغییرات جرم ماده به¬عنوان تابعی از دما یا زمان ثبت می‌شود.
ج) روش مشتق توزین حرارتی (DTG)؛ مشتق منحنی وزن بر حسب دما را مورد بررسی قرار می‌دهد.
د) روش تجزیة گرمایی تفاضلی (DTA)؛ اختلاف دمای بین نمونه اصلی و نمونه مرجع برحسب برنامه دمایی اعمال شده بررسی می‌شود.
ه) روش گرماسنج روبشی تفاضلی (DSC)؛ اختلاف انرژی (گرمای) اعمال شده به نمونه اصلی و نمونه مرجع، در حالی مورد بررسی قرار می‌گیرد که دما با یک سرعت ثابت تغییر می‏کند.
خواص و مولفه‌های مختلفی که از طریق روش‏های آنالیز حرارتی اندازه‌‏گیری می‏شوند، عبارتند از:
تغییرات ساختار شامل انتقال شیشه‏‌ای، پدیده ذوب، جوش. تصعید و انتقالات فاز جامد.
خواص مکانیکی شامل انبساط و انقباض و...
ثابت‏‌های گرمایی شامل CP و نقاط ذوب.
فعالیت‏‌های شیمیایی شامل واکنش‏های جامد- جامد، جامد-گاز، حذف ‏آب (Dewatering)، پایداری حرارتی مواد در اتمسفرهای گازی مختلف و واکنش‏های تجزیة گرمایی.

3- دیلاتومتری (Dilatometery)
در روش دیلاتومتری، تغییر طول نمونه بر حسب تغییر دما رسم می شود. این روش، بیش از آنکه به عنوان دستگاهی برای آنالیز و شناسایی مواد به کار رود، برای کنترل کیفی و تعیین ضریب انبساط حرارتی (Coefficient of Thermal Expansion) مواد مورد توجه است. همه مواد در اثر گرمایش، تغییر طول می‌دهند و اندازه این تغییر طول، به نیروی بین اتمی یا قدرت پیوند اتم‌ها بستگی دارد. به‌طورکلی، مواد با پیوند مولکولی، مانند پلیمرها، تغییر طول بیشتر و مواد با پیوند کووالانسی و یونی، مانند سرامیک‌ها، تغییر ابعادی کمتری را در هنگام تغییر دما از خود نشان می‌دهند و مواد فلزی، تغییری بین این دو حالت دارند.

3.1- کاربرد روش دیلاتومتری
روش دیلاتومتری در حوزه‌های مختلفی کاربرد پیدا کرده است که از میان آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:
در ساخت آلیاژهای فلزی، ترکیبات مقاوم فشرده و متخلخل، عینک، محصولات سرامیک، مواد کامپوزیت، پلاستیک و استفاده شده است.
در تعیین ضریب انساط حرارتی مواد سرامیکی، شیشه ، مواد پلیمری و فلزات.
در تعیین دمای زینترینگ و شروع تشکیل ساختار شیشه ای مواد سرامیکی و... .

3.2- انبساط حرارتی
تغییر طول یک نمونه به عنوان تابعی از تغییر دما، در گستره دمایی که انبساط حرارتی نمونه خطی است از رابطه زیر به دست می آید:
 L=L0 α∆T (1) ∆
در این رابطه Lo طول اولیه نمونه، α ضریب انبساط حرارتی، ΔT تغییر دما، ΔL تغییر طول است.
مقدار α با تغییر دما، تغییر می کند و در هنگام آنالیز باید به گستره دمایی که ضریب انبساط حرارتی در آن گستره اندازه گیری شده است، توجه نمود. علاوه بر این، مقدار α در مواد کریستالی (بلورین)، بستگی به جهت های گوناگون بلوری داشته و به ویژه در تک کریستال ها این تفاوت بسیار شدید است. در مواد سرامیکی پلی کریستال (بس بلور)، مقدار α را می توان برای جهت های گوناگون یکسان در نظر گرفت ولی در صورتی که آرایش گزینش پذیر دانه ها (مانند نمونه های تهیه شده به روش اکستروژن، پرس گرم و یا کامپوزیت های ساخته شده با الیاف جهت دار) وجود داشته باشد، مقدار ضریب انبساط حرارتی تابع جهت خواهد بود.

3.3- نحوه عملکرد دیلاتومتری
شکل 3 اجزای یک دستگاه دیلاتومتری را نشان می‌دهد. در این دستگاه نمونه مجهول روی یک پایه سرامیکی از جنس آلومینا یاکوارتز، قرار می‌گیرد و در انتهای آن یک میله به‌صورت فشاری، تغییر انبساط و انقباض نمونه را به یک تبدیل‌گر منتقل می‌کند و بدین ترتیب تغییر طول نمونه، به جریان الکتریکی تبدیل خواهد شد. میله فشاری در یک انتها، به فنری که در حالت فشرده نگهداشته شده، متصل است و بنابراین انقباض نمونه نیز با حرکت میله فشاری به تبدیل گر انتقال می یابد. همچنین یک ترموکوپل که در نزدیکی نمونه قرار گرفته، دمای نمونه را مشخص می کند.

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل 3- شماتیک سیستم دستگاه دیلاتومتری برای انداز هگیری ضریب انبساط حرارتی

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل 4- یک دستگاه دیلاتومتر نوعی

تمام اجزای دستگاه دیلاتومتر (پایه سرامیکی، میله فشاری و ترموکوپل) در داخل یک لوله سرامیکی محافظت می‌شوند. کوره الکتریکی در یک انتها، منطقه‌ای که نمونه در آن قرار گرفته است را با سرعت گرمایش دلخواه، تا دمای موردنظر گرم می‌کند. کوره دستگاه دیلاتومتری، در سه نوع و برای گستره های دمایی 1200، 1600 و 2200 درجه سانتی گراد طراحی می‌شود. برای اندازه‌گیری ضریب انبساط حرارتی به این روش، باید توجه کرد که تغییر طول ثبت شده علاوه بر طول نمونه مجهول، تغییر طول میله فشاری و پایه سرامیکی نیز هست. بنابراین باید تصحیح لازم برای اندازه‌گیری میزان انبساط نمونه را نیز در نظر گرفت. در این حالت می‌توان از یک نمونه شاهد که منحنی تغییر طول آن مشخص است استفاده کرد و انبساط پایه و میله فشاری را در دستگاه مورد نظر تعیین و سپس برای نمونه مجهول از این ارقام استفاده کرد. بدیهی است که با توجه به تغییر آرامی که در ریزساختار میله فشاری و پایه سرامیکی در اثر انجام گرمایش‌های پی در پی پدید می‌آید، تغییر طول آن ها عوض می‌شود و بنابراین تعیین این مقدارها به کمک نمونه شاهد باید هر شش ماه یک بار صورت بگیرد. نمونه‌های دیلاتومتری، به صورت استوانه یا مکعب مستطیل و با طول حدود 2 تا 5 سانتی متر و ضخامت 3 تا 10 میلی متر ساخته می‌شوند.
نمونه‌ها باید سطح صاف داشته باشند و به صورت موازی در تماس با میله فشاری و انتهای پایه سرامیکی قرار بگیرند. این نمونه‌ها را می‌توان با برش از نمونه اصلی تهیه کرد و با صیقل کردن سطح، برای آزمایش دیلاتومتری استفاده نمود. نمونه‌های پودری شکل را نیز می توان به کمک فشردن در قالب و یا استفاده از دستگاه اکستروژن، به صورت نمونه دیلاتومتری در آورد. در روش دیلاتومتری، آنالیز با نمونه‌ها با حساسیت در حد 1 تا 10 میلی‌متر و دقت در حد 1 تا 5 درصد امکان پذیر است. بنابراین می‌توان اطلاعات بسیار مفیدی از تغییر ریزساختار مواد، مانند تبلور و دگرگونی فازی ثبت کرد. در انواع دیلاتومترهای پیشرفته که دارای لیزر و چشم الکترونیک هستند، حساسیت و دقت تا ده برابر افزایش یافته است. تعیین ضریب انبساط حرارتی مواد در کاربردهای صنعتی، مانند صنایع دیرگداز، کاشی و مانند آن‌ها برای ارزیابی میزان انبساط و انقباض محصول در دمای بالا ضروری است. از روش دیلاتومتری می‌توان برای تعیین گستره دمایی زینتر مواد نیز استفاده کرد. شکل 5 منحنی دیلاتومتری یک نمونه کائولین (Kaolin) را نشان می‌دهد. همانطور که ملاحظه می‌شود، در نزدیکی 450 درجه سانتیگراد خروج آب بلوری، در حوالی 750 درجه سانتیگراد تبلور و در دمای 900 درجه سانتیگراد به بعد زینتر همراه با انقباض شدید پدید آمده است.

filereader.php?p1=main_e4da3b7fbbce2345d
شکل 5- منحنی دیلاتومتری یک نمونه کائولن


4- نتیجه‌گیری
در طی انتقال حرارت، انرژی ذخیره شده بین اتمهای یک ماده تغییر می‌کند. وقتی این انرژی افزایش یابد باعث افزایش طول پیوند مولکولی می‌شود. در نتیجه جامدات در جواب این گرمایش منبسط می‌شوند و در اثر سرمایش منقبض می‌شوند. این پاسخ به تغییر دما، به عنوان ضریب انبساط حرارتی خطی در نظر گرفته می‌شود. به کمک دستگاه دیلاتومتری تغییرات طول نمونه بر حسب درجه حرارت به صورت ایزوترم (در دمای ثابت) و غیر ایزوترم (به صورت گرادیان دمایی) اندازه گیری می‌شود.


منابـــع و مراجــــع

[1] Kastle, J. H.; Kelley, W. P., "On the Rate of Crystallization of Plastic Sulphur". American Chemical Journal, 32, pp483–503, (1904)

[2] J. J. Neumeier, R. K. Bollinger, G. E. Timmins, C. R. Lane, R. D. Krogstad, and J. Macaluso, "Capacitive-based dilatometer cell constructed of fused quartz for measuring the thermal expansion of solids", Review of Scientific Instruments, 79, (2008).

[3] Simon, Bellemare, C.C. Berndt, "Thermal Expansion of Thermal Spray Coatings", Materials Science and Engineering, State University of New York, 1990.

[4] Hans Lehmann, “Dilatometrie and differential thermal analysis for the evaluation of processes”, 1956.