粘土作为一种重要的非金属矿物，在陶瓷、耐火材料、橡胶、水污染处理等领域具有广泛的应用。粘土的热行为研究对于其加工和应用具有重要意义。然而，粘土在400-1200℃范围内的热行为一直存在争议，传统研究方法主要依赖于马弗炉加热，存在热滞后、升温速率慢等缺点，导致研究结果与TG-DSC等分析结果存在差异。为了更准确地评估粘土的热行为并使其与TG-DSC结果一致，本研究采用超快焦耳加热技术，结合XRD、FT-IR、TG-DSC和SEM等手段，对中国两种典型粘土——广西沙性粘土和内蒙古硬质粘土的热行为进行了研究。超快焦耳加热技术具有超快加热速率（∼105 °C/s）和冷却速率（∼104 °C/s），可以避免马弗炉产生的残余热对粘土结构的影响，并结合XRD、FT-IR、TG-DSC和SEM等表征方法，系统地分析了粘土在加热过程中的结构演变和相变规律，为粘土材料的加工和应用提供了理论依据。
近日，中国地质大学（北京）黄朝晖教授团队采用超快焦耳加热技术结合XRD、FT-IR、TG-DSC和SEM等手段，系统地研究了广西沙性粘土和内蒙古硬质粘土在400-1200℃范围内的热行为。研究结果表明，两种粘土在矿物组成、相变温度和相组成等方面存在显著差异。广西沙性粘土主要由高岭石、白云石和石英组成，在700℃时高岭石发生脱羟基反应，在1100℃时白云石和石英形成莫来石。内蒙古硬质粘土主要由高岭石和金红石组成，在800℃时高岭石发生脱羟基反应，在1000℃时形成莫来石。通过结合多种表征手段，深入探究了粘土热行为机理，揭示了粘土在加热过程中的结构演变和相变规律。该研究为粘土材料的加工、应用和改性提供了理论依据，有助于提高粘土材料的性能和应用范围。
相关工作以“Characterization of thermal behavior of two types of kaolin in China by ultrafast Joule heating combined with XRD, FT-IR, TG-DSC and SEM”为题发表在《Thermochimica Acta》。
1. 超快焦耳加热技术应用于粘土热行为研究：该研究首次将超快焦耳加热技术应用于粘土热行为研究，克服了传统加热方式存在热滞后、升温速率慢等缺点，能够更准确地反映粘土的热稳定性。
2. 揭示不同类型粘土的热行为差异：研究对比分析了广西沙性粘土和内蒙古硬质粘土的热行为，发现两者在矿物组成、相变温度和相组成等方面存在显著差异，为粘土材料的加工和应用提供了理论指导。
3. 深入探究粘土热行为机理：通过结合XRD、FT-IR、TG-DSC和SEM等手段，研究了粘土在加热过程中的结构演变和相变规律，揭示了粘土热行为机理，为粘土材料的改性提供了理论基础。
4. 为粘土材料的应用提供参考：研究结果可为粘土材料的加工、应用和改性提供参考，有助于提高粘土材料的性能和应用范围。
图1：该图展示了超快焦耳加热装置的示意图和1000℃下加热1分钟时的加热曲线。超快焦耳加热装置主要由加热板、样品架、温度控制系统和冷却系统组成。加热板与样品架之间保持一定距离，通过电流在样品上产生焦耳热进行快速加热。加热曲线显示，在1000℃下加热1分钟，样品温度迅速升高至目标温度，并在短时间内降至室温，实现了快速升温降温的过程。
图2：该图展示了广西沙性粘土和内蒙古硬质粘土的XRD图谱。XRD图谱反映了样品的晶体结构信息。从图中可以看出，广西沙性粘土主要由高岭石、白云石和石英组成，而内蒙古硬质粘土主要由高岭石和少量的金红石组成。
图3：该图展示了广西沙性粘土在400-1200℃范围内加热1分钟后的XRD图谱。随着温度的升高，高岭石的衍射峰强度逐渐减弱，直至700℃时完全消失，表明高岭石发生了脱羟基反应。石英的衍射峰强度基本不变，表明石英结构稳定。
图4：该图展示了内蒙古硬质粘土在400-1200℃范围内加热1分钟后的XRD图谱。随着温度的升高，高岭石的衍射峰强度逐渐减弱，直至800℃时完全消失，表明高岭石发生了脱羟基反应。在1000℃和1200℃时，出现了莫来石的衍射峰，表明莫来石的形成。
图5：该图展示了广西沙性粘土和内蒙古硬质粘土的FT-IR光谱。FT-IR光谱反映了样品的官能团信息。从图中可以看出，两种粘土都存在羟基吸收峰，表明它们都含有羟基官能团。
图6：该图展示了广西沙性粘土在400-1200℃范围内加热1分钟后的FT-IR光谱。随着温度的升高，羟基吸收峰强度逐渐减弱，直至1100℃时完全消失，表明高岭石发生了脱羟基反应。
图7：该图展示了内蒙古硬质粘土在400-1200℃范围内加热1分钟后的FT-IR光谱。随着温度的升高，羟基吸收峰强度逐渐减弱，直至800℃时完全消失，表明高岭石发生了脱羟基反应。
图8：该图展示了广西沙性粘土的TG-DTG-DSC曲线。TG曲线反映了样品的失重情况，DTG曲线反映了失重速率，DSC曲线反映了热效应。从图中可以看出，广西沙性粘土在400-700℃范围内发生了脱羟基反应，并在700-1100℃范围内发生了相变。
图9：该图展示了内蒙古硬质粘土的TG-DTG-DSC曲线。与广西沙性粘土类似，内蒙古硬质粘土也发生了脱羟基反应和相变。
图10：该图展示了广西沙性粘土和内蒙古硬质粘土的SEM图像。SEM图像可以观察样品的微观形貌。从图中可以看出，两种粘土都由片状颗粒组成。
图11：该图展示了广西沙性粘土在400、700、1000和1200℃下加热1分钟后的SEM图像。随着温度的升高，高岭石颗粒逐渐破碎，并最终形成莫来石。
图12：该图展示了内蒙古硬质粘土在400、700、1000和1200℃下加热1分钟后的SEM图像。随着温度的升高，高岭石颗粒逐渐熔融，并最终形成莫来石。
图13：该图展示了广西沙性粘土和内蒙古硬质粘土在超快焦耳加热下的热演化过程示意图。从图中可以看出，两种粘土在加热过程中都经历了脱羟基反应和相变，最终形成莫来石。
总之，本研究采用超快焦耳加热技术结合XRD、FT-IR、TG-DSC和SEM等手段，系统地研究了广西沙性粘土和内蒙古硬质粘土在400-1200℃范围内的热行为。研究结果表明，两种粘土在矿物组成、相变温度和相组成等方面存在显著差异。广西沙性粘土主要由高岭石、白云石和石英组成，在700℃时高岭石发生脱羟基反应，在1100℃时白云石和石英形成莫来石。内蒙古硬质粘土主要由高岭石和金红石组成，在800℃时高岭石发生脱羟基反应，在1000℃时形成莫来石。通过结合多种表征手段，深入探究了粘土热行为机理，揭示了粘土在加热过程中的结构演变和相变规律。该研究为粘土材料的加工、应用和改性提供了理论依据，有助于提高粘土材料的性能和应用范围。
文献信息：Jiahang Fan, Xianjie Liu, Mingyong Liu, Mengyao Yang, Yuena Jiang, Ruiyu Mi, Xin Min, Zhaohui Huang. Characterization of thermal behavior of two types of kaolin in China by ultrafast Joule heating combined with XRD, FT-IR, TG-DSC and SEM. Thermochimica Acta, Volume 742, 2024, 179894, ISSN 0040-6031. https://doi.org/10.1016/j.tca.2024.179894.
超快高温焦耳热冲击技术推广
马弗炉、管式炉升温装置VS焦耳热升温装置
向上滑动阅览
Ultrarapid Nanomanufacturing of High‐Quality Bimetallic Anode Library toward Stable Potassium‐Ion Storage. Angewandte Chemie., 2023. DOI: 10.1002/anie.202303600
Ultrafast Non-Equilibrium Phase Transition Induced Twin Boundaries of Spinel Lithium Manganate, Advanced Energy Materials 2023. DOI: 10.1002/aenm.202302484
High-temperature shock synthesis of high-entropy-alloy nanoparticles for catalysis. Chinese Journal of Catalysis, 2023. DIO: https://doi.org/10.1016/S1872-2067(23)64428-6.
Rapid High-Temperature Liquid Shock Synthesis of High-Entropy Alloys for Hydrogen Evolution Reaction. ACS nano., 2024. DOI: 10.1021/acsnano.3c07703
Rapid, in Situ Synthesis of High Capacity Battery Anodes through High Temperature Radiation-Based Thermal Shock. Nano Letter 2016, 16 (9), 5553-5558. DOI:10. 1021/acs.nanolett.6b02096.
High-Temperature Shock Enabled Nanomanufacturing for Energy-Related Applications. Advanced Energy Materials 2020, 10 (33), DOI: 10. 1002/aenm.202001331.
公司官网：
https://www.zhongkejingyan.com.cn/
仪器信息网：
https://www.instrument.com.cn/netshow/SH118239/
