激光法导热分析仪

热分析是测量材料热力学参数或物理参数随温度变化的关系，并对这种关系进行分析的技术方法。对材料进行热分析的意义在于：材料热分析能快速准确地测定物质的晶型转变、熔融、升华、吸附、脱水、分解等变化，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。由于热性能是材料的基本属性之一，对材料进行热分析可以鉴别材料的种类，判断材料的优劣，帮助材料与化学领域的产品研发，质检控制与工艺优化等。既然热分析是对材料进行质量控制的重要技术手段，那么热分析到底是如何进行的呢？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，而常用的热分析方法（如下图所示）包括：差示扫描量热(DSC)、热重分析（TGA）、导热系数测试、热机械分析(TMA)、动态热机械分析(DMA)等5种方法。根据不同的热分析方法采用不同的热分析仪器设备，对材料的热量、重量、尺寸、模量/柔量等参数对应温度的函数进行测量，从而获得材料的热性能。接下来，让我们简单了解一下这5种热分析方法：（1）差示扫描量热（DSC）差示扫描量热法（DSC）为使样品处于程序控制的温度下，观察样品和参比物之间的热流差随温度或时间的函数。材料的固化反应温度和热效应测定，如反应热，反应速率等；物质的热力学和动力学参数的测定，如比热容，转变热等；材料的结晶、熔融温度及其热效应测定；样品的纯度等。（2）热重分析（TGA）热重分析法（TGA）用来测量样品在特定气氛中，升温、降温或等温条件下质量变化的技术。主要用于产品的定量分析。典型的TGA曲线可以提供样品易挥发组分(水分、溶剂、单体)的挥发、聚合物分解、炭黑的燃烧和残留物(灰分、填料、玻纤)的失重台阶。TGA这种方法可以研究材料和产品的分解，并得出各组分含量的信息。TGA曲线的一阶导数曲线是大家熟知的DTG曲线，它与样品的分解速率成正比。在TGA/DSC同步测试中，DSC信号和重量信息可以同时记录。这样就可以检测并研究样品的吸放热效应。下图中的黑色曲线为PET的TGA曲线，绿色为DTG曲线。下面的为在氮气气氛下的DSC曲线。右侧红色的DSC曲线显示了玻璃化转变、冷结晶和熔融过程。在测试过程中的DSC信号 (左)可以用样品质量损失进行修正。蓝色为未修正的DSC曲线，红色为因质量损失而修正的曲线。图 使用TGA/DSC(配备DSC传感器)测试的PET曲线分解过程中，化学骨架和复杂有机组分或聚合物分解形成如水、CO2或者碳氢化合物。在无氧条件下，有机分子同样有可能降解形成炭黑。含有易挥发物质的产品可以通过TGA和傅里叶红外(FTIR)或者质谱联用来判定。（3）导热系数测试对于材料或组分的热传导性能描述，导热系数是最为重要的热物性参数。LFA激光闪射法使用红外检测器连续测量上表面中心部位的相应温升过程，得到温度升高对时间的关系曲线，并计算出所需要的参数。稳态热流法热流法（HFM）作为稳态平板法的一种，可用于直接测量低导热材料的导热系数。（4）热机械分析(TMA)热机械分析，指在使样品处于一定的程序温度下和非震动载荷作用下，测量物质的形变与温度时间等函数关系的一种技术，主要测量材料的膨胀系数和相转变温度等参数。一条典型的TMA曲线表现为在玻璃化转变温度以下的膨胀、玻璃化转变(曲线斜率的变化)，玻璃化转变温度以上的膨胀和塑性变形。测试可以以膨胀模式、穿透模式或者DLTMA模式(动态负载TMA模式)进行。膨胀模式的测试目的是表征样品的膨胀或收缩。基于这个原因，仅使用较小的力来保证探头和样品接触完好。测试的结果就是热膨胀系数。下图是0.5mm的样品夹在2片石英盘之间测试的膨胀曲线。样品先在仪器中升温至90˚C消除热历史。冷却至室温后，再以20K/min的升温速率从30˚C升温到250˚C，测试的探头为圆点探头，同时探头上施加很小的力0.005N。图2中上部的曲线显示样品在玻璃化转变之前有很缓慢的膨胀。继续升温，膨胀速率明显加快，这是因为在样品在经历玻璃化转变后分子的运动能力提高。之后冷结晶和重结晶发生，样品收缩。高于150˚C样品开始膨胀直至熔融。熔融伴随着样品粘度降低和尺寸减小。图 膨胀模式测试的PET的TMA曲线穿透模式主要给出温度相关的信息。样品的厚度通常不是很重要，因为探头与样品的接触面积在实验中持续变化。刺入深度受加载的力和样品几何形状的影响。在穿透模式测量中，把0.5mm厚的样品放在石英片上，圆点探头直接与样品接触。试验条件为从30˚C升温到300˚C，升温速率20K/min，加载力0.1和0.5N。这时样品未被刺入。在穿透测试过程中，探头一点一点地刺入样品。纵坐标信号在玻璃化转变发生时明显的减小，冷结晶发生时保持基本不变，到熔融又开始减小(图下图)。图 TMA穿透模式测试PETDLTMA是一种高灵敏度测试物理性能的方法。和DSC相比，它可以描述样品的机械行为。在DLTMA模式下，加载在样品上的力以给定频率高低切换。它可以测试出样品中微弱的转变，膨胀和弹性(杨氏模量)。样品刚度越大，振幅越小。图4测试的样品玻璃化转变在72˚C，之后为液态下的膨胀。振幅大是因为样品太软。然后会出现冷结晶，PET收缩，振幅开始减小。140˚C，样品重新变硬，继续膨胀直至160˚C。图 DLTMA（动态负载TMA模式）测试PET（5）动态热机械分析(DMA)使样品处于程序控制的温度下，并施加单频或多频的振荡力，研究样品的机械行为，测定其储能模量、损耗模量和损耗因子随温度、时间与力的频率的函数关系。热分析技术的实际应用热分析技术在材料领域应用广泛，如高分子材料及制品（塑料、橡胶、纤维等）、PCB/电子材料、金属材料及制品、航空材料、汽车零部件、复合材料等领域。下面通过我们实验室技术工程师做的两个热分析测试案例来展示它的应用：1.高分子材料的热裂解测试玻纤增强PA66主要应用于需要高刚性和尺寸稳定性的机械部件护罩。玻纤含量影响到制件的拉伸强度、断裂伸长率、冲击强度等力学性能。2.PCB板的爆板时间测量将样品升温到某一温度后，保持该温度并开始计时，样品发生爆板现象的时刻与保温初始时刻的时间间隔为爆板时间。其实，对于不同的材料和关注点的不同，我们所采用的热分析方法也存在差异，通常会根据实际样品情况和测试需求来选择不同的分析方法。例如，高分子材料：想要了解它的特征温度、耐热性等性能，要用DSC分析；想要了解它的极限耐热温度、组份含量、填料含量等，要用TGA分析。

随着激光导热仪（LFA）在导热研究方面的逐步深入，其应用也越来越广泛。德国耐驰作为激光闪射法导热仪技术和制造的领先者，具有非常丰富的仪器操作和科研应用方面的经验。为了使用户更好地使用激光导热仪，德国耐驰公司在2006年9月21-22日在上海举办了LFA的用户会。此次会议，由耐驰中国技术支持主管曾智强博士主持，德国总部应用技术专家Blumm博士就材料导热性能测量的方法综述、激光导热仪的基本原理和激光导热方法的应用进展做了详尽细致的讲解。耐驰中国应用实验室应用专家徐梁先生做了关于激光导热仪的操作和数据处理方法的报告，共同分享德国总部及上海应用实验室多年来积累的应用经验，并和用户就使用仪器的技巧做了深入的探讨。另外，耐驰中国维修部詹宁经理介绍了激光导热仪的维护方法，以便用户能够更好的使用仪器。会议期间，与会人员表现出极大的热情，与德国及中国技术专家进行了热切而深入的交流，就激光导热仪原理、使用方法及技巧方面提出了多个富有见地的问题，专家们就这些问题进行了认真细致的解答。用户对此次会议给予了高度的评价，表示通过此次用户会，提高了激光导热仪的测试技巧，拓展了思路，尤其在利用激光导热仪测试不同形态样品导热系数的方法上给予了充分的肯定与赞赏。同时用户也对以后举办类似的用户会提出了建设性的意见。对于大家的建议，耐驰公司会积极采纳，并继续努力，在不久的将来，为大家提供更高水平的交流平台，增强交流与合作，将最新的热分析技术及仪器奉献给中国用户。详情请登录：www.netzsch.cn

本网编辑对2018年6月，热分析仪器的政府机构采购招中标信息进行了汇总。　　26家机构发布了招标信息，平均接近每天有一家政府机构发布采购讯息 需求仪器类别共计17类，其中同步热分析仪(STA)的需求最多，可以看出科研院所对热分析仪功能多样化的要求较高 最高预算金额为河南师范大学动力电池加速量热仪采购项目的250万元，从侧面也可以反映出，随着近年来新能源汽车产业不断受到政策导向及市场需求双重利好因素的影响，动力电池领域的研究也在不断深入，对其投入也在不断加大。表12018年6月热分析仪政府机构采购招标信息汇总采购单位公告时间采购仪器数量预算单价(元)昆明理工大学2018.6.29热重-红外联用仪2中国科学院青海盐湖研究所2018.6.29同步热分析仪1380000福建师范大学2018.6.28差示扫描量热仪及热重分析仪1280000差示扫描量热仪及热重分析仪1260000中国石油大学（华东）2018.6.26同步热分析仪1500000河南师范大学2018.6.25动力电池加速量热仪12500000东北农业大学2018.6.25差示量热扫描仪1300000河西学院2018.6.22导热系数仪1熔体流动速率测定仪1华北电力大学2018.6.22同步热分析-红外光谱联用系统11200000华中师范大学2018.6.22差示扫描量热仪1山东省医学科学院药物研究所2018.6.21同步热分析仪上海大学2018.6.21差示扫描量热仪1360000广西大学2018.6.19激光导热仪1河北工业大学2018.6.19氧弹式量热计6华东理工大学2018.6.15比热测量实验装置1热电当量实验装置1热腔辐射实验装置1热膨胀系统测量1哈尔滨工程大学2018.6.15热膨胀仪1445000济宁医学院2018.6.15同步热分析仪环境保护部华南环境科学研究所2018.6.15氧弹式量热计平凉市产品质量监督检验中心2018.6.12全自动量热仪1华东理工大学2018.6.12全自动实验室反应量热系统南宁市食品药品检验所2018.6.11熔点仪1华北水利水电大学土木学院2018.6.8HotDisk导热系数仪1广西师范大学2018.6.6差热分析仪3差示扫描量热仪3热重分析仪3福建工程学院2018.6.4差示扫描量热仪及热重分析仪460000差示扫描量热仪及热重分析仪940000铜川市质量技术监督局2018.6.4量热仪水泥水化热测定仪吉林大学2018.6.1高温高压同步热分析仪2287600农业农村部规划设计研究院2018.6.1同步热分析仪1　　整个6月共有16家政府机构的包含热分析仪的采购项目完成中标及公示，可以看出，高额单价的仪器基本为国外品牌，尤其是中国科学院青岛生物能源与过程研究所采购的绝热加速量热仪单价高达183.6万元 而国产热分析仪的采购单价多在10万元以下，但仪器品类及数量较多。表22018年6月热分析仪政府采购中标信息汇总采购单位公告时间采购仪器采购型号数量采购单价(元)甘肃省药品检验研究院2018.6.27熔点仪梅特勒MP901185000广西科技大学2018.6.27显微目视熔点仪X-4B16000农业农村部规划设计研究院2018.6.26同步热分析仪STA449F5Jupiter1515000哈尔滨工程大学2018.6.25热膨胀仪EU575001甘肃中医药大学2018.6.25微机熔点仪上海申光WRS-1C28400差热分析仪上海盈诺YND-C1465000桂林航天工业学院2018.6.21导热系数测定仪大华YBF-3304900桂林理工大学2018.6.21全自动熔点仪MP1201016000河南农业大学林学院2018.6.21DSC/TGA/DTA同步热分析仪珀金埃尔默STA8001300000中国石油大学（北京）2018.6.11准稳态法比热导热系数测定仪福建师范大学2018.6.8固体比热容测定仪杭州大华DH4603B113950导热系数测定仪世纪中科光电ZKY-BRDR118650兰州理工大学2018.6.8热机械曲线仪承德金建XWR-500A1150000济南大学2018.6.7差示扫描量热仪东北林业大学2018.6.6热重-差热分析仪广西师范大学2018.6.6热重分析仪TDA-HC1000352000辽宁工程技术大学2018.6.5气体定压比热测定仪QDYR空气绝热指数测定仪KQJR中温法向辐射率测量仪ZWFX非[准]稳态导热仪FWDR-I氧氮式热量计（全自动量热仪）HKRL-4000B中国科学院青岛生物能源与过程研究所2018.6.4绝热加速量热仪Btc500&btc13011836094.5