实验课程
实验介绍
时间:2023-08-17 来源: 作者:

1)相变材料的凝固相变可视化实验

实验内容:

相变材料通过改变自身相的形式(固气、固液,液气)来吸收和释放大量热量,而在相变过程中其保持着温度不变的特性,具有储热密度大、结构紧凑、工作稳定性好的特点。因此,相变材料在建筑节能、室温调控、冷链物流和个人体温调节方面具有广泛应用。相变材料的凝固相变可视化实验旨在利用适当的装置和观察手段,观察和研究相变材料在相变过程中的凝固现象。这类实验主要通过实时观察和记录相变材料在温度变化下的凝固行为,以了解其物理性质和结构变化。主要实验步骤如下:

1、准备相变材料:选择合适的相变材料,并按照实验要求进行制备和处理,以确保其纯度和一致性。

2、实验装置搭建:设计和搭建用于可视化相变的实验装置,其中包括一个透明容器或装置,以及恰当的温控系统(冷却装置)。

3、观察相变过程:将相变材料放置在实验装置中,并在适当的温度条件下进行观察。可以使用红外热成像仪、摄影设备或高速摄像机等工具来记录相变过程。

4、温度控制与记录:使用温度传感器和数据记录设备来监测和记录实验过程中的温度变化。这有助于了解相变过程中的温度特性和变化趋势。

5、数据分析与结果展示:对实验中获得的数据进行分析,并通过图表、曲线或其他视觉手段展示相变过程中的凝固现象。可以观察相变点、相变速率和凝固结构等特征。

通过凝固相变可视化实验,可以观察和了解相变材料在不同温度条件下的凝固行为,并研究其凝固过程中的物理性质和微观结构变化。这有助于深入探索相变材料的应用潜力,并为相关领域的研究和开发提供参考和基础数据。在进行任何实验时,务必遵守实验室安全规范和操作指导,确保实验过程安全可靠。

重要实验仪器:

 

红外热成像仪

2)相变材料的熔化相变可视化实验

实验简介:

相变材料是指在温度、压力或其他外界条件变化下,会发生物态转变(相变)的材料。相变是指物质从一种物态转变为另一种物态的过程,常见的相变包括固-液相变(熔化)、固-气相变(升华)、液-气相变(汽化)等。相变材料的凝固相变可视化实验旨在利用适当的装置和观察手段,观察和研究相变材料在相变过程中的凝固现象。这类实验主要通过实时观察和记录相变材料在温度变化下的熔化行为,以了解其物理性质和结构变化。主要实验步骤如下:

1、准备相变材料:选择合适的相变材料,并按照实验要求进行制备和处理,以确保其纯度和一致性。

2、实验装置搭建:设计和搭建用于可视化相变的实验装置,其中包括一个透明容器或装置,以及恰当的温控系统(加热板)。

3、观察相变过程:将相变材料放置在实验装置中,并在适当的温度条件下进行观察。可以使用红外热成像仪、摄影设备或高速摄像机等工具来记录相变过程。

4、温度控制与记录:使用热电偶和数据记录设备来监测和记录实验过程中的温度变化。这有助于了解相变过程中的温度特性和变化趋势。

5、数据分析与结果展示:对实验中获得的数据进行分析,并通过图表、曲线或其他视觉手段展示相变过程中的熔化现象。可以观察相变点、相变速率和熔化行为等特征。

通过熔化相变可视化实验,可以观察和了解相变材料在不同温度条件下的熔化行为,并研究其熔化过程中的物理性质和微观结构变化。这有助于深入探索相变材料的应用潜力,并为相关领域的研究和开发提供参考和基础数据。在进行任何实验时,务必遵守实验室安全规范和操作指导,确保实验过程安全可靠。

重要实验仪器:

  

红外热成像仪                  热    电偶                                                 加热板

3)相变材料的热物性参数测试

实验简介:

相变材料是一种能够在特定温度范围内经历相变(例如固态到液态、液态到气态等)的物质。相变是物质从一种状态转变为另一种状态时伴随着热量吸收或释放的过程。相变材料具有特殊的热物性,可以在不同温度下进行相变,并在相变过程中吸收或释放大量的潜热。相变材料的热学参数是实际相变材料选择中的关键,相变材料的热物性参数测试是评估和了解相变材料热力学特性的重要手段。以下是相变材料热物性参数测试方法的简要介绍:

1、熔点/凝固点测定:该测试用于确定相变材料的熔点(固态到液态相变)或凝固点(液态到固态相变)。一种常见的方法是使用差示扫描量热法(DSC),通过监测样品在加热或冷却过程中吸收或释放的热量来确定相变点。

2、相变潜热测定:相变潜热是指单位质量物质在相变过程中吸收或释放的热量。它是相变材料热效应的重要参数。差示扫描量热法(DSC)是一种常用的方法,通过测量样品在相变过程中的热流量来计算相变潜热。

3、结晶度测定:结晶度是指相变材料在相变过程中形成的有序结构的程度。X射线衍射(XRD)是一种常用的方法,可以通过分析样品的衍射图谱来确定结晶度。

4、热膨胀系数测定:热膨胀系数是指相变材料在温度变化时长度或体积的变化率。膨胀热分析(TMA)和差热膨胀分析(DIL)是常用的测定方法,通过监测样品在加热或冷却过程中的尺寸变化来计算热膨胀系数。

5、热导率测定:热导率是指相变材料传导热量的能力。该参数对于相变材料在热管理和能量转换应用中的性能至关重要。热导率测试可以使用热传导仪器,例如热线法,来确定材料的热导率。

重要实验仪器:

   

差示扫描量热仪        X射线衍射仪     热膨胀仪          导热系数

4)相变材料的熔化传热数值模拟实验

实验简介:

相变材料的熔化传热数值模拟是指使用计算机模型和数值方法来模拟相变材料在熔化过程中的传热行为。通过建立相变材料的数学模型,以及考虑热传导、相变界面变化等物理过程,利用数值方法求解相关方程,可以获得相变材料熔化过程中的温度分布、热流分布、相变界面演化等信息。以下是一般的熔化传热数值模拟实验步骤:

1、建立几何模型:根据实际情况,使用计算机辅助设计(CAD)软件或其他建模工具绘制相变材料的几何模型。模型可以包括相变区域、边界条件和周围环境等。

2、网格划分:将几何模型离散化为有限数量的网格单元。网格划分的精度对于模拟结果的准确性和计算效率至关重要。

3、定义物理参数:根据相变材料的物性参数,如热导率、比热容、潜热等,将其输入到数值模型中。

4、设定边界条件:确定相变材料与周围环境的热交换方式,例如固定温度、热流传递或对流换热。同时考虑相变界面的边界条件,如相变温度。

5、确定数值方法:选择适合的数值方法进行求解,常见的方法包括有限差分法、有限元法或其他数值方法。

6.进行数值计算:根据设定的初始条件和边界条件,通过迭代和求解离散化方程组,计算得出温度场和传热特性。

7、分析和评估结果:根据模拟结果分析相变材料在不同条件下的热行为,如温度分布、相变界面位置、热流分布等。评估模拟结果的准确性,并进行结果对比和验证

通过相变材料的熔化传热数值模拟,可以深入研究相变材料的热学特性、优化相变材料的设计和应用,并为相关领域的热管理、能量存储等问题提供指导和参考。

重要实验仪器:

 

高性能电脑工作站

5)锥形燃烧量热仪在聚合物材料阻燃性能评价中的应用

实验简介:

锥形燃烧量热仪是一种用于评估材料在火灾条件下的燃烧性能的实验设备。它可以测量材料在受控的燃烧条件下产生的热量、烟雾和气体释放等参数。该仪器主要由一个锥形样品架、辐射加热源、烟雾收集系统、气流控制系统和数据采集系统等组成。在实验中,待测试的材料样品被放置在锥形样品架上,并通过辐射加热源施加热量。随着样品燃烧,仪器会记录并分析产生的热量、烟雾生成速率、烟气组分和气体释放情况等数据。锥形燃烧量热仪广泛应用于材料科学和工程领域,用于评估材料的燃烧性能和火灾风险。通过这种设备,可以获得材料的热分解特性、燃烧行为以及对火灾扩散的贡献等信息,有助于指导材料的设计和选用,提高火灾安全性能。

锥形燃烧量热仪在聚合物材料阻燃性能评价中具有重要的应用。通过该设备可以对聚合物材料在火灾条件下的燃烧行为进行详细的分析和评估,进而判断其阻燃性能的好坏。(1)燃烧特性评估:锥形燃烧量热仪可以测量材料的燃烧速率、燃烧时间、烟气生成速率等指标,从而评估材料的燃烧特性。这些数据可以反映材料在火灾条件下的燃烧行为,帮助判断材料的火灾风险。(2)热释放特性评估:锥形燃烧量热仪可以测量材料在燃烧过程中产生的热量,并根据传感器数据计算出热释放速率曲线和总热释放量。这些数据可以评估材料的燃烧强度和火灾蔓延速度。(3)烟雾特性评估:锥形燃烧量热仪还可以收集和分析材料燃烧生成的烟雾,包括烟雾生成速率、光学密度等指标。这些数据可以评估材料在燃烧过程中产生的有毒与无毒气体和颗粒物的释放情况。

基于锥形燃烧量热仪的实验结果,可以对聚合物材料进行阻燃性能的定量评价和比较。这有助于指导材料的设计和优化,提高聚合物材料的阻燃性能,降低火灾风险,并促进消防安全事业的发展。

重要实验仪器:

 

锥形量热仪

6)材料炭渣中SEM&拉曼光谱的分析应用

实验简介:

SEM(扫描电子显微镜)和拉曼光谱是两种常用的材料表征技术。SEM是一种高分辨率的显微镜,利用电子束与样品交互作用产生的二次电子、反射电子等信号来获取样品表面形貌和微观结构信息。它能够提供高放大倍数下的图像,显示出样品的细节结构,从纳米到微米尺度都可以进行观察。SEM广泛应用于材料科学、纳米技术、生物学等领域,可用于研究样品的形貌、表面结构、粒径分布等。而拉曼光谱则是一种分析技术,用于研究和鉴定材料的分子结构和化学成分。它基于激光与样品中分子振动引起的光散射现象,通过测量被散射光的频移而得到样品的拉曼光谱。每个化学物质都有独特的拉曼光谱指纹,可以确定样品的组分和结构。拉曼光谱具有非破坏性、无需样品处理、对水和液体也适用等优点,在材料科学、化学分析、生物医学等领域得到广泛应用。通过结合SEM和拉曼光谱,可以实现对样品的高分辨率形貌观察和化学组分分析。这种联合技术在材料研究、纳米科学、生物医学等领域中被广泛用于表征和分析各类材料。

通过SEM可以从以下方面分析炭渣:(1)表面形貌观察:通过SEM可以观察炭渣样品的表面形貌特征,包括颗粒大小、形状、排列等。这有助于了解炭渣的微观结构和孔隙性质。(2)成分分析:SEM配合能谱仪(EDS)可以提供元素成分分析,识别炭渣中不同元素的存在和相对含量。这有助于确定炭渣的化学组成。通过拉曼光谱可以从以下方面分析炭渣:(1)分子结构鉴定:炭渣中常常包含有机物质,通过拉曼光谱可以确定有机分子的结构信息。不同的有机物质在拉曼光谱上呈现出独特的峰位和频移,可用于鉴定炭渣中的有机成分。(2)化学变化监测:由于拉曼光谱非破坏性和快速测量的特点,可以用来监测炭渣样品中的化学变化。比如,随着温度或氧化程度的增加,拉曼光谱可能显示出不同的特征峰变化,从而反映炭渣中的物化性质变化。

通过SEM和拉曼光谱分析,可以深入了解炭渣的表面形态、微观结构、化学组成以及有机成分等方面的信息。这些应用有助于在材料科学领域进行炭渣的结构与性能研究,并为相关工业过程中的质量控制和改进提供指导依据。

重要实验仪器:

 

7)热重分析在材料热性能分析中的应用

实验简介:

热重分析是一种常用的物质性质测试方法,用于研究材料在加热过程中的质量变化情况。它通过对样品在控制温度条件下进行连续称重,测量样品质量随温度或时间的变化,从而获取相关的热失重曲线。热重分析在材料热性能分析中具有广泛的应用,以下是一些常见的应用场景:

热稳定性和降解行为:热重分析可以用于评估材料的热稳定性和降解行为。通过监测样品在加热过程中的质量变化,可以确定材料的热分解起始温度、峰值温度、反应速率以及可能的降解产物。这对于选择合适的材料和预测其使用寿命非常重要。(2)吸附和脱附性能:热重分析可以用于研究材料的吸附和脱附性能,尤其是对于具有孔隙结构的材料。通过观察样品在不同温度下的质量变化,可以确定吸附和脱附的温度范围、吸附容量以及催化剂或吸附材料的循环稳定性。(3)氧化和还原反应:针对具有氧化还原性质的材料,热重分析可以提供关于氧化和还原反应的信息。通过改变分析气氛(例如在氧气或惰性气氛中进行测试),可以确定材料的氧化还原起始温度、反应速率以及可能的氧化还原产物。(4)材料成分分析:热重分析在材料成分分析中也有一定的应用。通过观察样品在加热过程中的质量变化,可以推测出样品中的挥发性成分含量,并配合其他分析方法(如质谱联用)进一步鉴定和定量各个组分。(5)热传导和热容性能:通过结合热重分析与热流计或差示扫描量热法,可以获取材料的热传导和热容性能。这些参数对于设计和优化热管理材料、热障涂层等具有重要意义。

总而言之,热重分析在材料热性能分析中扮演着重要角色,能够提供关于材料热稳定性、吸附/脱附性能、氧化/还原反应以及成分信息等方面的有用数据,为材料科学和工程领域的研究和应用提供支持。

重要实验仪器:

 

热重分析仪

 

 

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