动态力学热分析仪原理

综合热分析仪是一种广泛应用于材料科学、化学、物理等领域的仪器，能够同时测量物质的多种热学性质、设备综合热重分析仪TGA及差示扫描量热仪DSC等。本文将介绍综合热分析仪的基本原理、应用场景及其优劣比较。上海和晟 HS-STA-002 综合热分析仪综合热分析仪的基本原理是热平衡法，即通过加热和冷却待测物质，并记录物质在不同温度下的热学性质。在具体操作中，将待测物质放置在加热炉中，加热炉会按照设定的程序进行加热和冷却，并使用热电偶等传感器记录物质在不同温度下的热学性质。通过数据处理软件，可以将这些数据转化为物质的热容、热导率、热膨胀系数等参数。综合热分析仪在各个领域都有广泛的应用。在材料科学领域，可以利用综合热分析仪研究材料的热稳定性、相变行为等性质，以确定其加工和制备工艺；在化学领域，可以利用综合热分析仪研究化学反应的动力学过程和反应速率常数，为新材料的开发和优化提供依据；在物理领域，可以利用综合热分析仪研究物质的热学性质和物理性能，为新技术的开发和应用提供支持。综合热分析仪的优点在于其能够同时测量物质的多种热学性质，且测量精度高、重复性好。此外，综合热分析仪还具有操作简便、自动化程度高等特点，可以大大减少实验操作的时间和人力成本。然而，综合热分析仪也存在一些缺点，如价格昂贵、维护成本高、对实验条件要求严格等。总之，综合热分析仪是一种重要的仪器，具有广泛的应用场景和优劣比较。在实际使用中，应根据具体需求选择合适的综合热分析仪，以获得更准确的实验结果。随着科技的不断发展，相信未来综合热分析仪将会在更多领域得到应用，并推动材料研究和开发的进步。

p 　　常规的热分析仪器主要有热重分析仪(TGA)，差热分析仪(DTA)，差示扫描量热仪(DSC)，热机械分析仪(TMA)和动态热机械分析仪(DMA)。 /p p 　　热分析仪器测量各种各样的物理量需要靠其核心部件来实现。这些部件有电子天平、热电偶传感器、位移传感器等。 /p p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(255, 0, 0) " strong 电子天平 /strong /span /p p 　　电子天平是热重分析仪(TGA)和同步热分析仪(STA)的核心部件，是测量试样质量的关键。 /p p 　　电子天平采用了现代电子控制技术，利用电磁力平衡原理实现称重。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201807/insimg/b44413c9-13e5-46ab-a916-78c021d42f3e.jpg" title=" 电压式微量热天平.png" / /p p style=" text-align: center " strong 电压式微量热天平 /strong /p p 　　天平的秤盘通过支架连杆与线圈连接，线圈置于磁场内，当向秤盘中加入试样或被测试样发生质量变化时，天平梁发生倾斜，用光学方法测定天平梁的倾斜度，光传感器产生信号以调整安装在天平系统和磁场中线圈的电流，线圈转动恢复天平梁的倾斜。在称量范围内时，磁场中若有电流通过，线圈将产生一个电磁力F，可用下式表示： /p p style=" text-align: center " F=KBLI /p p 　　其中K为常数(与使用单位有关)，B为磁感应强度，L为线圈导线的长度，I为通过线圈导线的电流强度。电磁力F和秤盘上被测物体重力的力矩大小相等、方向相反而达到平衡。即处在磁场中的通电线圈，流经其内部的电流I与被测物体的质量成正比，只要测出电流I即可知道物体的质量m。 /p p 　　无论采用何种控制方式和电路结构，其称量依据都是电磁力平衡原理。 /p p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(255, 0, 0) " strong 热电偶传感器 /strong /span /p p 　　热电偶传感器是所有热分析仪器均会用到的部件，用于测定不同部位(试样、炉体)的温度。 /p p 　　热电偶传感器是工业中使用最为普遍的接触式测温装置。这是因为热电偶具有性能稳定、测温范围大、信号可以远距离传输等特点，并且结构简单、使用方便。热电偶能够将热能直接转换为电信号，并且输出直流电压信号，使得显示、记录和传输都很容易。 /p p 　　热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应(Seebeck effect)，即热电效应。热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度。 /p p 　　热电偶的热电势是热电偶工作端的两端温度函数的差，而不是热电偶冷端与工作端，两端温度差的函数 热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有关 当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关 若热电偶冷端的温度保持一定，热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。将两种不同材料的导体或半导体A和B连接起来，构成一个闭合回路，当导体A和B的两个连接点之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一个大小的电流。 /p p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(255, 0, 0) " strong 位移传感器 /strong /span /p p 　　位移传感器是热膨胀仪(DIL)、热机械分析仪(TMA)和动态热机械分析仪(DMA)中会用到的核心部件。通过测定直接放置于试样上或覆盖于试样的石英片上的探头的移动，来测定试样的尺寸变化。 /p p 　　LVDT位移传感器，LVDT(Linear Variable Differential Transformer)是线性可变差动变压器缩写,属于直线位移传感器。LVDT的结构由铁心、衔铁、初级线圈、次级线圈组成。初级线圈、次级线圈分布在线圈骨架上，线圈内部有一个可自由移动的杆状衔铁。当衔铁处于中间位置时，两个次级线圈产生的感应电动势相等，这样输出电压为0 当衔铁在线圈内部移动并偏离中心位置时，两个线圈产生的感应电动势不等，有电压输出，其电压大小取决于位移量的大小。为了提高传感器的灵敏度，改善传感器的线性度、增大传感器的线性范围，设计时将两个线圈反串相接、两个次级线圈的电压极性相反，LVDT输出的电压是两个次级线圈的电压之差，这个输出的电压值与铁心的位移量成线性关系。线圈系统内的铁磁芯与测量探头连接，产生与位移成正比的电信号。电磁线性马达可消除部件的重力，保证探头传输希望的力至试样。使用的力通常为0~1N。 /p

中国-日立分析仪器公司是日立高新技术集团旗下的一家全资子公司，从事分析和测量仪器的制造与销售。2023年11月15日，公司现已推出NEXTA系列的新产品NEXTA DMA200-一款用于先进材料开发和产品质量控制的动态热机械分析仪（DMA）。业界不断追求具有新功能的高性能复合材料，使用热分析进行深入评估的需求也在相应增长。例如，汽车、飞机和电子等行业越来越需要DMA分析来了解碳纤维增强塑料及粘合性能和其他性能。DMA技术用于测量材料的粘弹性能，主要关注玻璃化转变检测。此外，这种技术可以评估次级转变、材料刚度、固化水平和阻尼特性。这款多功能工具广泛应用于应用研究和研发的机械表征，包括复合材料、塑料、橡胶和薄膜材料。作为日立分析仪器热分析系列的新成员，高规格的NEXTA DMA通过简单的故障排除、无缝数据交换和夹具轻松更换，提供更高的力学性能上限和内置效率。日立的Real View ® 实时试样观察系统和软件的“指导模式” 有助于DMA新手操作，而电子冷却系统则消除了对液氮的需求。为先进材料分析提供优秀的力学性能与日立先前推出的同类分析仪型号相比，DMA200的加载力上限升级到20N，使其力学性能增加了两倍。这让客户可以在其试样上施加更高的应力水平，从而让其成为表征需要巨大形变力的材料的理想选择。这项提升对于处理刚硬样品（例如碳纤维复合材料）的客户尤其有益，这会让他们能够获得精确可靠的材料表征。从航空航天应用到尖端汽车技术，DMA200的强化力学性能有助于更深入地探索各种材料的机械性能。“凭借NEXTA DMA200的高力学性能，我们为研究人员探索先进材料分析方面提供新的可能性，从而实现刚性材料的精确表征，并推动各行各业的创新。”日立分析仪器董事总经理Dawn Brooks。前沿Real View ®技术实现可视化分析DMA200在系统的核心部分配备经过升级的Real View ® 高分辨率相机。这有助于在广泛温度范围内测量时更好地观察试样，实时捕捉与DMA信号直接相关的图像。经证明，这种技术在使用DMA200进行研究、教学、故障排除和测量试样局部尺寸变化时十分合适。Real View ®系统集成了色彩分析（RGB、CMYK和L*a*b*）并且能够创建结果视频。尤其是在进行故障分析、颗粒异物分析和调查异常结果时，这有助于识别物理性能变化，同时DMA输出中增加的视觉信息简化了相关解读过程。高效电子冷却系统DMA200提供三种冷却系统选项：空气冷却系统、液氮冷却系统和电子冷却系统。因为电子冷却系统只需电源即可运行，无需液氮等外部资源，所以其独特优势在于简单性和简易性。这种简化的冷却过程使DMA200更易于使用，从而确保材料分析的轻松高效运行。软件更新和新照明系统使用方便“指导模式”是一种直观的软件功能，旨在通过提供系统、逐步测量和分析说明来协助缺乏既往DMA经验的客户。从方法概述到公布的结果，该模式都支持国际标准方法，并且能够根据个人需求进行定制。该模式简单易学，方便教学，并且可适应多任务的工作人员，是繁忙实验室的理想选择。此外，新集成的照明系统增强了测量夹具和试样可互换性，从而在分析过程中提供效率和便利。日立分析仪器热分析仪产品经理Olivier Savard表示：“DMA200是为应对我们客户所处苛刻环境而设计的产品，具有注重效率的先进功能和性能，必定会对各行各业产生重大影响。我们确信，这款动态热机械分析仪将赋予研究人员和专业人士推动创新并发现宝贵见解的能力。”