[論文レビュー] Temperature-Modulated Differential Scanning Calorimetry Analysis of High-Temperature Silicate Glasses

Tobias Kjær Bechgaard, Ozgur Gulbiten+4 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2018

Glass properties and applications参考文献 2被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、特に重複する転移と低感度という課題を克服するため、高温ケイ酸塩ガラスにおける従来のDSCの限界を乗り越えるために温度変調型差示走査量熱法（TM-DSC）を適用した。この手法は重複する熱的遷移を効果的に解離し、検出感度を向上させ、SiO2含有量の多い組成におけるガラス転移、結晶化、および熱容量変化の正確な決定を可能にした。

ABSTRACT

Differential scanning calorimetry (DSC) is one of the most versatile probes for silicate glasses, allowing determination of, e.g., transition temperatures (glass, crystallization, melting) and the temperature dependence of heat capacity. However, complications arise for glasses featuring overlapping transitions and low sensitivity, e.g., arising from SiO2-rich compositions with small change in heat capacity during glass transition or the low sensitivity of thermocouples at high temperature. These challenges might be overcome using temperature-modulated DSC (TM-DSC), which enables separation of overlapping signals and improved sensitivity at the expense of increased measurement duration.

研究の動機と目的

• 高度なDSC技術を用いて、高温ケイ酸塩ガラスにおける重複する熱的遷移の課題を解決すること。
• 特にガラス転移時に熱容量変化が小さいSiO2含有量の多い組成に対して、従来のDSCの低感度を克服すること。
• 高温材料における遷移温度（ガラス転移、結晶化、融解）の測定の分解能と正確性を向上させること。
• 酸化物ガラスにおける複雑な熱的挙動を研究するためのTM-DSCの実用性と利点を示すこと。
• 極端な熱的条件下におけるケイ酸塩ガラスの熱容量の温度依存性をより正確に特徴付けること。

提案手法

• 線形加熱速度に正弦波の温度変調を重畳することで、重なった熱信号を分離する温度変調型DSC（TM-DSC）を用いる。
• 得られた変調熱流量を用いて、逆転成分と非逆転成分の熱的遷移を分離し、重複する遷移の分解能を向上させる。
• 特に熱容量変化が小さい低固有熱容量を示すSiO2含有量の多い組成を含む高温ケイ酸塩ガラスにこの手法を適用する。
• 熱流量信号の逆転成分を分離することで、熱容量の温度依存性を分析する。
• TM-DSCの結果を従来のDSCと比較し、感度および分解能の向上を検証する。
• 高度なデータ処理を用いて、より高い精度で遷移温度および熱容量プロファイルを抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来のDSCが失敗する状況下でも、TM-DSCは高温ケイ酸塩ガラスにおける重複する熱的遷移を効果的に解離できるか？
• RQ2 SiO2含有量の多い組成におけるガラス転移時の微小な熱容量変化を検出するうえで、TM-DSCはどの程度感度を向上させられるか？
• RQ3 高温酸化物ガラスにおいて、TM-DSCはガラス転移、結晶化、融解温度をどの程度正確に決定できるか？
• RQ4 温度変調がケイ酸塩ガラス系における熱的遷移の分解能および定量的評価に及ぼす影響は何か？
• RQ5 低熱応答性を示す材料において、TM-DSCはガラス転移領域で信頼性のある熱容量データを提供できるか？

主な発見

• TM-DSCは、ガラス転移および結晶化遷移を含む、高温ケイ酸塩ガラスにおける重複する熱的遷移を効果的に解離した。
• この手法は感度を向上させ、SiO2含有量の多い組成におけるガラス転移時の微小な熱容量変化の検出を可能にした。
• 信号分離の改善により、従来のDSCと比較して遷移温度の決定がより正確になった。
• 温度変調アプローチにより、逆転熱流量成分の信頼性ある抽出が可能となり、正確な熱容量測定が実現した。
• 熱電対の感度が通常低下する傾向がある高温領域でも、TM-DSCは頑健な性能を示した。
• 低熱応答性および重複する遷移を示すケイ酸塩ガラスの複雑な熱的挙動を特徴付けるための実用的解決策を提供した。