材料热分析

一、材料热分析的原理：

材料热分析是指在程序控温和一定气氛下，测定试样性能随温度变化的一种技术。热分析可用于测量和分析试样物质在温度变化过程中的：

(1) 物理变化（如晶型转变、相态转变及吸附等）。

(2) 化学变化（分解、氧化、还原、脱水反应等）。

(3) 力学特性的变化（模量），获得热力学和动力学数据，以此认识内部结构，为进一步研究提供理论依据。

热分析发展回顾

二、材料热分析应用：

热分析在表征材料的热性能、物理性能、机械性能以及稳定性等方面有着广泛的应用，热分析通过测定物质加热或者冷却过程中物理性质的变化来研究物质性质及变化，或者对物质进行鉴别分形, 对于材料的研究开发和生产中的质量控制都具有很重要的实际意义。

三、常用的热分析技术：

热分析方法的种类是多种多样的，根据国际热分析协会(ICTA)的归纳和分类，目前的热分析方法共分为九类十七种，在这些热分析技术中，TGA热重分析法、DSC差示扫描量热法、DMA热机械分析、稳态热流法和激光闪射法应用得最为广泛。

1、TGA热重分析

热重分析（TGA）是一种测量样品在加热、冷却或恒温过程中重量变化的技术。它主要用来表征与材料组分相关的信息。应用领域主要包括塑料、弹性体、热固性树脂、无机物、陶瓷及广泛的化学工业与制药行业。

2、DSC差示扫描量热分析

差示扫描量热仪可以测定材料的比热、熔化温度、吸放热、相变温度、结晶温度、氧化诱导期、玻璃化温度、纯度、结晶度等热力学参数。用于研究材料的合成工艺、反应动力学、材料性能等。

3、TMA热机械分析

热机械分析仪(TMA)用于测量材料随温度变化而变化的尺寸。材料受热膨胀和热效应如软化、结晶和固固转变可以反映出材料的潜在变化，可以提供材料组分的重要信息。通过改变材料所受的力可以研究材料的粘弹行为。

4、DMA动态热机械分析

动态热机械分析（DMA）是一种测试材料机械性能和粘弹性能的重要技术，可用于热塑性树脂、热固性树脂、弹性体、陶瓷和金属等材料的研究。在DMA中，可以使用不同的形变模式使样品经受周期性变化的应力，从而可以得到力的振幅、位移的振幅及相位差这三个物理量与温度、时间及频率之间的函数关系。

5、导热系数测试

(1) 激光法导热分析

导热系数测试主要应用于金属与合金、钻石、陶瓷、石墨与碳纤维、填充塑料、高分子材料等的测试，可以精确测量薄的样品如基质上的涂层、薄膜材料或多层样品。此外还适用于包括汽车制造、航空航天与能源技术在内的各种领域的常规材料与新型高性能材料的表征。

激光法导热分析仪技术参数

1、温度范围： RT ... 1100℃

2、 降温速率：0.01 ... 20 K/min

3、 激光能量：18.5 J/pulse（功率可调）

4、 使用红外检测器，进行非接触式的样品表面温升信号测试

5、 热扩散系数范围：0.01 ... 1000 mm²/s

6、导热系数范围：0.1 ... 2000 W/m*K

(2) 闪光法导热分析

主要应用于金属与合金、钻石、陶瓷、石墨与碳纤维、填充塑料、高分子材料等的测试，可以精确测量薄的样品如基质上的涂层、薄膜材料或多层样品。

闪光法导热分析仪技术参数

1、温度范围：RT ... 300℃

2、氙灯能量：10 J/pulse（功率可调）

3、使用红外检测器，进行非接触式的样品表面温升信号测试

4、热扩散系数范围：0.01 ... 1000 mm2/s

5、导热系数范围：0.1 ... 2000 W/m*K

(3) 导热系数测试标准及送样要求：

测试标准

ASTM E1461-2011 通过闪光法测定热扩散率的标准试验方法

GB/T 22588-2008 闪光法测量热扩散系数或导热系数

送样要求

1、测试温度：25~1100℃；

四、启威测实验室热分析能力：

Test Item 测试项目	Test Standard 测试标准	Note 备注
热重分析TGA Thermogravimetry Analysis	ASTM E1131-08(2014）	1. 结果表征：难/易挥发物、可燃物及灰分含量 2. 适用固体和液体
	ASTM D6370-99(2014)（橡胶）	1. 结果表征：有机物、炭黑和灰分含量（据橡胶类型取值） 2. 需客户指定样品类型（什么橡胶）？若客户不能指定，Lab可仪器分析判定，但须加收1000元判定费 3. 不适合含有在50℃到800℃填料分解的橡胶，如含有CaCO3，Al(OH)3(3H2O)等，除非已知该填料的种类和特性再对质量损失进行较正
	ISO 9924-1:2016 （橡胶）	1. 结果表征：有机物总量、炭黑（石墨）、灰分、溶剂抽出物、高聚物、300℃前挥发物含量 2. 适用于丁二烯、乙烯-丙烯二元/三元共聚物、异丁烯-异戊二烯、苯乙烯-丁二烯橡胶 3. 不适用于那些在裂解时形成含碳残余物的橡胶，如含氯或含氮的橡胶 4. 不适用于那些所含配合剂在裂解时形成含碳残余物的各种硫化胶或混炼胶，如含有钴盐、铅盐和酚醛树脂的硫化胶或混炼胶 5. 不适用于所含无机填料在测试温度范围内发生分解或失去结晶水的硫化胶或混炼胶，若一定要使用时，必须对已知的填料特性进行适当的校正
	GB/T 14837.1-2014 （橡胶）
	ISO 9924-2:2016（橡胶）	1. 结果表征：有机物总量、炭黑（石墨）、灰分、溶剂抽出物、高聚物、易挥发物含量 2. 适用于丙烯腈-丁二烯、卤化丁基橡胶
	GB/T 14837.2-2014（橡胶）	1. 结果表征：有机物总量、炭黑（石墨）、灰分、溶剂抽出物、高聚物、易挥发物含量 2. 适用于丙烯腈-丁二烯、卤化丁基橡胶 3. 不适合含有在20℃到800℃填料分解的橡胶,如碳酸盐和水合氧化铝等，若一定要使用时，必须对已知的填料特性进行适当的校正
	ISO 9924-3:2009 (橡胶）	1. 结果表征：高聚物含量、炭黑含量 矿物填料及金属盐、溶剂抽出物含量 2.适用于烃橡胶，卤化橡胶，聚硅氧烷类橡胶 ，也适用于橡胶混合物，但结果是高聚物含量总和
玻璃化转变温度 Glass transition temperature Tg(DSC法)	ISO 11357-2:2013 (塑料)	测玻璃化转变温度时实验室默认由半峰高取值方法取得玻璃化转变温度，如需拐点法取值请注明.
	GB/T 19466.2-2004 (塑料)
	ASTM D 6604-00(2013)(烃树脂)
	ASTM E1356-08(2014)
	ASTM D3418-15
	ASTM D4591-07(2012)(氟聚合物)
	IPC-TM-650 2.4.25C: 1994 （覆铜板或PCB）	1. 此标准只做玻璃化转变(Tg)的，DSC测试一次升温，不需循环做第二次；如果要做固化因子的，才需循环做第二次。如果做玻璃化转变温度，而客户需要循环做两次的，报告中将出具“参照IPC-TM-650 2.4.25C和客户要求”。 2. 此标准含固化因子的测试，固化因子定义为第二次或最后一次热扫描得到的Tg与初次热扫描得到的Tg的差值。 固化因子测试时，如果样品的玻璃化转变温度（Tg）太高的话(Tg + 30℃ > 190℃)，恒温温度设置有两种方案： 1） 客户提供恒温温度； 2）设置为玻璃化转变温度以上30℃，例如：样品的Tg = 170℃，那么固化因子测试时的恒温温度为200℃ 3. 测玻璃化转变温度时实验室默认由半峰高取值方法取得玻璃化转变温度，如需拐点法取值请注明.
	ASTM D4419-90(2015) (石油蜡)	测玻璃化转变温度时实验室默认由半峰高取值方法取得玻璃化转变温度，如需拐点法取值请注明.
	GB/T 22567-2008 方法A (电气绝缘材料)	1.标准要求测试3个平行样 2.测玻璃化转变温度时实验室默认由半峰高取值方法取得玻璃化转变温度，如需拐点法取值请注明.
熔融温度 Melting point Tm(DSC法)	ISO 11357-3:2011 (塑料)
	GB/T 19466.3-2004 (塑料)
	ASTM E794-06(2012)
	ASTM D4591-07(2012)（含氟聚合物）
	ASTM D3418-15(聚合物)
	ASTM D276-12(纺织纤维)
	HG/T 2902-1997 Section 5.8 (模塑用聚四氟乙烯树脂)	在氮气流速为20mL/min的气氛下，以10℃/min的加热速率升温至380℃。然后，以10℃/min的速率冷却至240℃，再以10℃/min的加热速度升温至聚四氟乙烯树脂完全熔融，以第二次熔融峰的峰顶温度作为聚四氟乙烯树脂的熔点。
	ASTM D7138-16 Method 1 （人造纤维）	标准要求测试5个平行样
	GB/T 17931-2003 Clause 6.7 （瓶用聚对苯二甲酸乙二醇醋(PET)树脂）
结晶热(DSC法) Heat of Crystallization	ISO 11357-3:2011 (塑料)
	GB/T 19466.3-2004 (塑料)
	ASTM D3418-15(聚合物)
	ASTM E793-06(2012)
	ASTM D4591-07(2012)（含氟聚合物）
结晶温度(DSC法) Crystallization Temperature	ISO 11357-3:2011 (塑料)
	GB/T 19466.3-2004 (塑料)
	ASTM D3418-15(聚合物)
	ASTM E794-06(2012)
	ASTM D4591-07(2012)（含氟聚合物）
熔融热焓(DSC法) Heat of Fusion	ISO 11357-3:2011 (塑料)
	GB/T 19466.3-2004 (塑料)
	ASTM D3418-15(聚合物)
	ASTM E793-06(2012)
	ASTM D4591-07(2012)（含氟聚合物）
热稳定测试 （DSC法） Thermal Stability	GB/T 13464-2008	适用于在惰性或反应性气氛中在-50~450温度范围内有焓变的固体液体和浆状物质热稳定性的评价
固化度 Curing Degree	ASTM E2160-04(2012)	1. 客户须提供100％固化时的固化热焓值，或提供完全没有固化的样品（仅限加热固化）; 2. 建议客户提供升温速率; 3. 默认升温速率为10℃/min
	HB 7614-1998
	ISO 11357-5:2013
超低温DSC测试 Ultralow temperature DSC test	以上所有用DSC进行测试的标准	最低扫描温度在-90℃~-180℃间的测试条件
加工温度 Processing temperature	ISO 18373-1-2007 （硬质PVC管）	DSC扫描程序： 1）开始温度：35±15℃ 2）结束温度：225℃ 3）升温速率：20±1℃/min
热分解温度 Thermal Decomposition Temperature	ASTM D3850-12 (固体电绝缘材料）	1. 结果表征：初始分解温度和质量损失的分解温度 2. 默认氮气
	IPC -TM-650 2.4.24.6:2006 （热固性材料层压电路板）	1. 结果表征：热分解温度Td (2%)与Td（5%） 2. 默认氮气
	IPC -TM-650 2.3.40:1995 （有机薄膜）	1. 结果表征 ：初始质量损失 5%时温度 2. 氮气与空气氛围各测1次
热稳定性 Thermal Stability	ASTM E2550-17	结果表征：外推初始分解温度、质量损失与质量残余
	ISO 11358-1-2014 (塑料)	1. 结果表征：分解温度、质量损失和质量残余 2. 默认是氮气，如果客户关注灰分则切换空气，如果多个样品比对也默认切换空气
调制差示量热扫描 Temperature modulated differential scanning calorimetry(MDSC)	ASTM E2602-09（2015）	1.该测试项目是调制差示量热扫描 Temperature modulated differential scanningcalorimetry(MDSC) ，适用于用ASTM E135测试玻璃化转变温度有困难时的样品，结果跟传统DSC没有可比性。 2.最好是客户提供测试参数（振幅、调制周期、升温速率，如能提供升温范围最好），如无法提供则按照标准程序。
线膨胀系数（TMA法)	ASTM E831-2012	1、山下表面平行 2、测试温度范围：-90℃~600℃
	ISO 11359-1:2014  塑料 热机械分析(TMA)
玻璃化转变温度	动态热机械分析仪（DMA) 根据客户条件测试	测试温度范围：-190℃~600℃
弹性模量
杨氏模量
粘弹性

五、热分析测试送样注意事项:

1.样品送样要求:10-50g；

2.若测试条件由客户提供，则必须明确气氛、升温速率和温度范围；

3.针对熔点需要进行判定的，实验室默认只对来样的性能进行判定，即取第一次升温扫描结果进行判定，而报告中会同时显示第一次升温和第二次升温的原始数据。

更多材料热学性能测试、材料热分析，请联系启威测实验室：136-3164-3024.

简介

启威测是一家专注于电子产品及材料研发阶段可靠性检测、验证及失效分析服务的第三方检测机构。网址：www.qwctest.com，联系电话：0755-27403650.