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什么是热机械分析法(TMA)?

2022-10-24
27669次

热机械分析法(TMA)是一种热分析技术,在施加恒定力(非振荡应力下)的同时,测量微米级尺寸变化,包括材料性能随时间或温度改变而发生的变形。应力可以是压缩、拉伸或弯曲。探针可以捕捉到热膨胀/收缩和软化引起的样品长度变化。

TMA如何工作?

首先将样品置于TMA加热炉中,控制样品温度变化,使样品受力(压缩、拉伸或弯曲)。随后可检测出样品在特定温度下的任何形变情况。

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图1:热机械分析法(TMA)

下面输出图形显示了两种不同类型的测量。在图2中,可以通过玻璃化转变温度以上曲线的梯度来测定膨胀系数。图3是针入测量,可以测定聚合物的软化温度。

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图2和图3:TMA膨胀模式曲线示例和TMA针入模式曲线示例

TMA提供哪些热性能相关信息?

热机械分析法可用于测量材料的软化、各向异性、结晶、蠕变和应力松弛、固-固转变、热膨胀系数(CTE)、玻璃化转变温度(Tg)和压缩模量,并且可用于测定杨氏模量(ASTM E2769-16)。

如何根据特定ASTM方法解读TMA的结果

我们选择了ASTM E831-19《通过热机械分析对固体材料进行线性热膨胀的标准试验方法》作为示例。本试验方法使用热机械分析技术测定固体材料的线性热膨胀系数。

本试验方法适用于在试验温度范围内表现出足够刚性的固体材料,因此探针不会对试样产生凹痕。

下述TMA曲线图显示了线性热膨胀测量(也称为热膨胀系数(CTE))的典型示例。对于大多数具有非晶相(即表现出玻璃化转变)的聚合物而言,玻璃化转变温度以下的膨胀系数将小于之后的膨胀系数。

在这种情况下,我们可以看出,在122.1℃下发生转变之前的线性部分的斜率小于之后的斜率。这表明温度越高,膨胀系数越大。在本例中,我们还可以看出,热膨胀系数结果会因样品测量的方向而异。通过观察线性热膨胀区域中两个不同温度之间的尺寸变化来测量热膨胀系数,并报告为μm/(m·℃)。

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图4:复合材料的热膨胀系数(CTE)

使用TMA有什么优势?

通过使用TMA,可以测定最终零件的性能。例如,通过测量材料的热膨胀,能够知道材料是否与其他材料兼容,或者材料是否会分层。此外,还能够发现材料在应力下的性能,以及材料受力的响应是否会随着时间或温度的变化而发生变化。

TMA主要用于测量弹性体、粘合剂和镀层、薄膜和纤维、橡胶和塑料,但也可以测量金属和陶瓷的热膨胀。

日立TMA分析仪系列产品可实现更好的热分析

日立TMA仪器能够在较宽的温度范围内评估样品的膨胀或收缩。日立推出的分析仪还可以进行蠕变、应力松弛、热收缩应力、应力-应变和DMA测量。根据所需要的温度范围,日立TMA7100(-170℃至600℃)或TMA7300(室温至1500℃)能助力确保材料符合质量保证和出厂检验要求,从而确保符合规格。


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