熱機械分析儀原理簡介_資訊中心_儀器信息網

　　熱機械分析是在程序控溫非振動負載下(形變模式有膨脹、壓縮、針入、拉伸或彎曲等不同形式)，測量試樣形變與溫度關係的技術，使用這種技術測量的儀器就是熱機械分析儀(Thermomechanical analyzer-TMA)。

　　熱機械分析儀的結構如圖所示。試樣探頭上下垂直移動，探頭上的負載由力發生器產生，探頭由固定在其上面的懸臂梁和螺旋彈簧支撐，通過加馬力馬達對試樣施加載荷，位移傳感器測量探頭的位置。探頭直接放置於試樣上，或者放置於試樣上的石英圓片上;測量試樣溫度的熱電偶置於試樣下。

熱機械分析儀結構示意圖

1.氣體出口旋塞;2.螺紋夾;3.爐體加熱塊;4.水冷爐體加套;5.試樣支架;6.爐溫傳感器;7.試樣溫度傳感器;8.反應氣體毛細管;9.測量探頭;10.墊圈;11.恆溫測量池;12.力發生器;13.位移傳感器(LVDT);14.彎曲軸承;15.校正砝碼;16.保護氣進口;17.反應氣進口;18.真空連接與吹掃氣入口;19.冷卻水;20.試樣

　　TMA的核心部件是LVDT位移傳感器，LVDT(Linear Variable Differential Transformer)是線性可變差動變壓器縮寫,屬於直線位移傳感器。LVDT的結構由鐵心、銜鐵、初級線圈、次級線圈組成。初級線圈、次級線圈分布在線圈骨架上，線圈內部有一個可自由移動的杆狀銜鐵。當銜鐵處於中間位置時，兩個次級線圈產生的感應電動勢相等，這樣輸出電壓為0;當銜鐵在線圈內部移動並偏離中心位置時，兩個線圈產生的感應電動勢不等，有電壓輸出，其電壓大小取決於位移量的大小。為了提高傳感器的靈敏度，改善傳感器的線性度、增大傳感器的線性範圍，設計時將兩個線圈反串相接、兩個次級線圈的電壓極性相反，LVDT輸出的電壓是兩個次級線圈的電壓之差，這個輸出的電壓值與鐵心的位移量成線性關係。線圈系統內的鐵磁芯與測量探頭連接，產生與位移成正比的電信號。電磁線性馬達可消除部件的重力，保證探頭傳輸希望的力至試樣。使用的力通常為0~1N。

TMA常用測量模式示意圖

壓縮或膨脹

　　兩面平行的試樣上覆蓋一片石英玻璃圓片，以使壓縮應力均勻分布。膨脹測試時，作用在圓柱體試樣上力僅產生很小的壓縮應力。

針入模式

　　這種模式通常用來測定試樣在負載下軟化或形變開始的溫度。通常用球點探頭作針入測試，開始時球點探頭僅與試樣上的很小面積接觸，加熱時如果試樣軟化，則探頭逐漸深入試樣，接觸面積增大，形成球星凹痕，導致測試過程中壓縮應力下降。

三點彎曲

　　這種模式非常適合在壓縮模式中不會呈現可測量形變的硬材料如纖維增強塑料或金屬。

拉伸模式

　　適合薄膜或纖維。

典型的TMA測量曲線

熱膨脹係數測量曲線

　　熱膨脹係數(coefficient of thermal expansion，CTE)也簡稱為膨脹係數。

　　大多數材料在加熱時膨脹。線膨脹係數α定義如下：

式中，dL為由溫度變化dT引起的長度變化;L₀為溫度T₀(通常為室溫25℃)時的原始長度;α單位為10^-6K^-1。

玻璃化轉變的TMA測量曲線

　　測定玻璃化轉變溫度是TMA最常進行的測試之一。在玻璃化轉變處，由於熱膨脹係數增大，導致膨脹測量曲線斜率明顯增大。通過外推兩段具有不同斜率熱膨脹係數曲線所得到的焦點，即為玻璃化轉變溫度。

測量楊氏模量的DLTMA曲線

　　如果採用振動負載，即負載呈周期性變化，則稱為動態負載熱機械分析(dynamic load thermomechanical analysis-DLTMA)，該模式為TMA的擴展功能，可測量試樣的楊氏模量。如果能確保在測試過程中施加在整個試樣上的機械應力相同，就可由DLTMA曲線測定楊氏模量(彈性模量)。

　　從原理上來說，DLTMA曲線類似於DMA曲線，傅立葉分析可得到應力應變之間的關係，可將複合模量分成儲能模量和損耗模量。然而由於若干原因，這些計算並不準確，特別是用彎曲模式。因此，若想測定儲能模量和損耗模量，最好用動態熱機械分析DMA。

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