caracterização termofísica de materiais por calorimetria
TRANSCRIPT
Caracterização Termofísica de Materiais por Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC)
Eduardo Kirinus Tentardini, D.ScToseli de Farias Matos, M.Sc
PROJETO DE COOPERAÇÃO SUL-AMERICANA EM IDENTIFICAÇÃO DE
PROPRIEDADES FÍSICAS EM TRANSFERÊNCIA DE CALOR E MASSA
Sumário
• análise térmica• como funciona um DSC?• metodologia de uso do DSC• quais as aplicações do DSC?• interpretações de curvas de DSC• DSC Q1000• análise de casos• projetos
ANÁLISE TÉRMICA
Análise térmica é o conjunto de técnicas que permite medir as mudanças de uma propriedade física de uma substância e/ou de seus produtos de reação em função da temperatura e do tempo, enquanto a substância é submetida a uma programação controlada de temperatura.
Disco termoelétrico
Fonte de calor
Gás de arraste: entrada saída
R A
Termopares
Tampa do forno
DSC é a técnica que mede
temperatura e fluxo de calor
associados a transições em
materiais como uma função
do tempo e da temperatura
em uma atmosfera
controlada.
COMO FUNCIONA UM DSC?
RT
q∆= ( )
dtdT
CCRRRR
T aar
ar
ar −+���
����
� −∆+ 0rRT
q∆−=
COMO FUNCIONA UM DSC?
Fluxo de calor Diferença entre a resistência e capacidade térmica entre a amostra e a
referência (calor específico)
Diferença entre razão de aquecimento entre a amostra e a referência
(fusão)
dtTd
Cr
∆−
Transição vítrea
Temperatura (ºC)
Flux
o de
cal
or m
W/m
g))
exo �� ��
Reação endotérmica
Reação exotérmica
Exemplo de uma curva obtida por DSC
As transições de primeira ordem apresentam variação de entalpia - endotérmica ou exotérmica - e dão origem à formação de picos.
As transições de segunda ordem caracterizam-se pela variação de capacidade calorífica porém sem variações de entalpia. Não geram picos nas curvas de DSC, apresentando-se como um deslocamento da linha base.
METODOLOGIA DE USO DO DSC
• preparação da amostra;• panelas;• calibração do equipamento;• atmosfera;• aquecimento e resfriamento.
Diferença entre diferentes taxas de aquecimento na análise por DSC
mW20
°C160 180 200 220 240 260 280
exoexoexoexo
DEMO VersionDEMO VersionDEMO VersionDEMO Version System System System SystemeeeeRRRRTATATATAMETTLER TOLEDO SMETTLER TOLEDO SMETTLER TOLEDO SMETTLER TOLEDO S
Taxa de aquecimento alta
Taxa de aquecimento baixa
QUAIS AS APLICAÇÕES DO DSC?
• transição vítrea (mudança de linha base)• calor específico (mudança de linha base) • fusão (endotérmico)• cristalização (exotérmico)• oxidação (exotérmico)• pureza (endotérmico)• cinética de reação (endo e exotérmico)• estabilidade térmica (endo e exotérmico)
1. Escolher as condições experimentais de acordo com os fenômenos esperados;
2. Verificar os resultados comprovando o peso e com uma inspeção visual;
3. Considerar a influência da atmosfera, taxa de aquecimento, material do cadinho e pressão sobre a reação ou transição.
Metodologia de obtenção das curvas
�
��������������������
�
�
�
�
156.56
156.57
156.58
156.59
156.60
156.61
Tem
pera
ture
(°C
)
-2 0 2 4 6 8 10 12
Total Area / Partial Area
��
140.00°C 175.00°C
Purity: 100.0mol %Melting Point: 156.60°C (entered)Depression: -0.04°CDelta H: 3.263kJ/mol (entered)Correction: 20.00%Molecular weight: 114.8g/molCell Constant: 1.000Onset Slope: 0.0000mW/°CRMS Deviation: 0.17°C
-4
-2
0
2
Hea
t Flo
w (
W/g
)
140 145 150 155 160 165 170 175
Temperature (°C)
Sample: indioSize: 9.3810 mgMethod: RampComment: DSC - teste de repetibilidade (10X)
DSCFile: Repetição 01 indio - DSC - LNCS - H m...Operator: Eduardo e ToseliRun Date: 2005-05-10 14:49Instrument: DSC Q1000 V9.0 Build 275
Exo Up Universal V4.1D TA Instruments
Análise de pureza por DSC
��� ��� ��� ��� ����
��
��
��
�
�
�
�
�
���� ��
���� ��
���� ��
����� ��
��� ��
P.F. alumínio
��
�������
�������� ���
Al+H13- reações começam em temperaturas abaixo de 500oC.
- reações ocorrem muito perto uma da outra, o que dificulta parar o processo entre aos picos.
- em altas taxas de aquecimento a reação inicial provavelmente inicia as reações subseqüentes, produzindo um pico único.
Formação de intermetálicos
20 30 40 50 60 70 80 90
������
�
�Fe�
�
Al�
��
�
Intermetálicos Fe-Al�
Inte
nsid
ade
Rel
ativ
a
2θθθθ
��� ��� ��� ����
H13+Al
20oC/min
��������� ���
������� ���
200 400 600 800 1000-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
���� ��
���� ��
���� ��
��� ��
������� ���
exo
mW
/mg
Temperatura (oC)
Al+TiN- reações ocorrendo em 587ºC e 660ºC.
- reações ocorrem muito perto uma da outra, o que dificulta parar o processo entre os picos.
- sem indícios de fusão de alumínio.
�� �� �� �� �� �� ��
���
��
�TiAl3�
��
�
�
�TiN�
��
�
�
Al�
��
�
�
(Ti,Al)N
����� �
�����
! "����#�"
�����������������
�θθθθ
Al+TiN
��� ��� ��� ��� ����
��
��
��
��
�
��� ��
���� ��
���� ��
���� ��
��
�����
�������� ���
CrN +Al- reação exotérmica em 810ºC.
��� ��� ��� ����
�$%&��
���� ��
Temperatura (oC) �� �� �� �� �� ��
�
��
�
�
CrN�
�
�
�
�
Al
��$�%
���
�
��
�����������������
�θθθθ
�����
200 400 600 800 1000
-4
-3
-2
-1
0
1
2
20oC/min
15oC/min
10oC/min
5oC/min
Amostra A / Al
exo
mW
/mg
Temperatura (oC)
(Ti,Al)N (70/30) +Al- reação exotérmica em 700ºC.
20 30 40 50 60 70 80 90
����
��
�
�
��
�
� �
�
� TiAl3
(Ti,Al)N�
��
�
�
�
� AlAmostra A / Al
após DSC
1000 oC
como depositado
Inte
nsid
ade
Rel
ativ
a
2θθθθ
(Ti,Al)N (70/30) +Al
200 400 600 800 1000
-4
-3
-2
-1
0
1
2
200C/min
150C/min
10 0C/min
5o C/min
amostra C / Al
mW
/mg
Temperatura (oC)
(Ti,Al)N (50/50) +Al- picos exotérmicos acima de 800ºC.- reações ocorrem muito perto uma da outra, o que dificulta parar o processo entre aos picos.
20 30 40 50 60 70 80 90
�� �
�
�
�
� TiAl3
��
�
�
��
�
(Ti,Al)NAl
�
�
�
Amostra C / Al
após DSC
10000C
como depositado
Inte
nsid
ade
Rel
ativ
a
2θθθθ
(Ti,Al)N (50/50) +Al
200 400 600 800 1000-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
20oC/min
15oC/min
10oC/min
5oC/min
exo
Amostra E / Al
mW
/mg
Temperatura (oC)
(Ti,Al)N (30/70) +Al
-sem presença de picos exotérmicos, sendo o único pico visível o da fusão do alumínio.
20 30 40 50 60 70 80 90
��
�
�
��
��
� (Ti,Al)NAlAmostra E / Al
após DSC
1000 0C
como depositado
Inte
nsid
ade
Rel
ativ
a
2θθθθ
(Ti,Al)N (30/70) +Al