高精度比热容测量技术：DSC蓝宝石法的建立与应用验证

比热容是反映材料储热与放热能力的核心热物性参数，其准确测量具有重要意义：在材料研发中，是判断热稳定性、纯度与结构特征的重要指标[1]；在工程应用中，为散热设计、热防护系统和热能存储装置提供关键基础数据；在工业仿真中，是航空航天、能源、电子器件等行业进行产品设计与分析不可或缺的输入参数。

差示扫描量热法（DSC）是广泛用于测定材料的比热容的方法。国内外多项标准均规定了DSC法测定塑料比热容的试验方法，如ASTM E1269-11[2]和GB/T 19466.4-2016[3]《塑料差示扫描量热法（DSC）第四部分：比热容的测定》。目前常用的是蓝宝石三步法[4]，该方法需依次完成以下三次试验：

1）空白坩埚基线实验；

2）蓝宝石标准物质参考实验；

3）待测样品实验。

三次试验需在完全相同的温度程序下进行，典型程序包括：等温—升温—等温三个阶段。

实验方法

本实验采用精微DSC600差示扫描量热仪，运用蓝宝石法测试比热容测试，仪器在使用前经铟（In）标准样品进行校准。实验采用带盖标准固体铝坩埚，样品与参比坩埚的质量差控制在0.1mg以内，这是因为样品盘和参比盘的质量差异过大会导致两者热容不一致，升温过程中吸热速率不同，从而引起基线漂移和噪声增大，使空白基线的热容背景无法有效扣除，最终导致Cp计算值出现系统性偏差。

蓝宝石标准物质为片状，可与坩埚底部充分接触，保证受热均匀，有利于提高测量数据的重复性和准确性，蓝宝石质量40.06 mg，实验气氛为高纯氮气（N2），流速20ml/min，升温速率20℃/min，为保障仪器热稳定性，升温程序前后均设置等温段，使样品在测量前达到热平衡，确保起始温度一致，提高数据的重复性与准确性 [2]。

蓝宝石法需进行3次实验：

1） 空白实验：样品盘和参比盘均放置空铝坩埚（样品盘不压盖）；

2） 蓝宝石实验：样品盘放置标准蓝宝石片，参比盘为空坩埚；

3） 样品实验：样品盘放置待测试样品，参比盘为空坩埚。

注意：蓝宝石和测试样品需使用同一套样品坩埚。

本实验未测试实际样品，而是通过两次蓝宝石实验验证该方法与文献值的一致性。实验程序设置如图1所示，

图1 蓝宝石方法设置

测量结果

测试完成后，使用仪器配套软件进行数据分析。操作步骤如下：

1、打开热分细软件，选择：“File”菜单中的“open Cp”选项：

图2文件菜单栏的Cp选项

2、分别导入空白实验、蓝宝石实验及样品实验的数据文件；

图3  打开测试的三个测试文件

3、点击“Continue”，系统将显示热流曲线，如下图所示：

图4  打开的三个测试文件

4、分析时点选“Cp”或Analysis工具，在起始温度处选择一点（按Enter键确认），再在结束温度处选点，软件将自动计算该温度区间内的比热容。

图5  曲线选点

5、计算完成后，可通过导出功能将数据保存为ASCII格式，支持按温度间隔输出比热容值，可将此值进行导出和打印。

图6  曲线分析及ASCII导出

本研究通过对蓝宝石在100–500°C温度范围内的测试，将所得比热容值与文献参考值进行对比。结果表明，测量误差小于1.5%，验证了该方法具有良好的准确性。

图7  蓝宝石测定测量值与文献值偏差

结论

本研究采用DSC蓝宝石三步法成功测定蓝宝石标准物质的比热容，测量结果与文献值吻合良好，误差小于1.5%，表明该方法可靠、准确，适用于固体材料比热容的高精度测定，后续可应用于实际样品的测试中。

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参考文献

[1] 焦阳，刘春凤，王晓鹏等，高温比热容测试常见问题及误差分析[J].分析测试技术与仪器，2022，28(2):153-158

[2] ASTM E1269-11, Standard Test Method for Determining Specific Heat Capacity by Differential Scanning Calorimetry.

[3] GB/T 19466.4-2016《塑料差示扫描量热法（DSC）第四部分：比热容的测定》

[4] 刘丽军 等，差示扫描量热法测定塑料的比热容[J].新技术与新产品，2017，43:35-38

关于DSC 600 差示扫描量热仪

DSC 600 差示扫描量热仪配备了自主研发的热流型传感器，专门用于测量材料在温度变化过程中所吸收或释放的热量，可深入分析材料的热稳定性和化学反应。其超轻质矿物炉体设计具有优异的热导率和稳定性。同时，多种类型的热流传感器平台可以满足用户多样化的测试需求。

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