摘　要:通过实例分析,介绍了动态热机械分析、热重分析、差热分析等常用热分析测试方法,并简要介绍了热分析测试技术的用途。

1　前言

随着计算机技术和仪器技术的发展,热分析测试仪器日趋小型化,其测试可靠性、测试速度都大大提高。在国外,热分析测试技术已发展成为一种常规测试手段,并有了相关标准。

热分析测试主要包括热机械分析(DMA/TMA)、热重分析(TG)、差热分析(DTA/DSC)等。这里通过几个测试实例介绍热分析技术的一些特性和应用。

2　用热机械分析进行橡胶密封垫失效分析

热机械分析包括动态热机械分析(DMA)和热机械分析(TMA)。二者的主要区别是前者可施加交变力,用DMA仪器即可进行TMA试验。DMA仪器可同时考察温度、受力状况、频率对材料性能的影响。通过DMA测试能对在多种工况下材料的短期和长期性能进行评估。

200℃下使用的密封垫在其他情况不变时,为什么在150℃就失效了?经测试,其常规性能数据都正常。运用DMA仪器测试很快就找到了失效原因。

测试仪器为NETZSCH DMA 242动态热机械分析仪。该仪器具有6种承载形式,即3点弯曲、双悬臂弯曲、单悬臂弯曲、剪切、压缩、拉伸。其频率为0.01～100 Hz,施力0.01～16 N,温度为-170～600℃,模量测试范围为10-3～106MPa。根据实际情况,选择压缩承载形式,频率1 Hz,施力4 N,升温速度单段5℃/min,空气介质。

图1是密封垫的DMA分析结果。可以看到,随着温度升高,密封垫样品模量逐渐降低,100～150℃时降到最低,随后模量升高,至210℃时达到峰值,最高模量和最低模量相差20%。可见150℃是密封垫材料模量下降较多、性能恶化的温度点。这也就是密封垫在200℃时使用良好、而在150℃失效的原因。

事实上,通过DMA还可以获得更多的信息。如结合上述6种承载方式,可进行温度扫描、频度扫描、时间扫描、动态应力扫描、恒应力条件测试,以此了解材料的阻尼特性、减震特性、蠕变应力松弛特性、应力应变特性、粘温特性、动态模量等。还可以通过数据转换计算断裂能、推测使用寿命等。

3　应用热重分析筛选制动材料配方

有两种制动材料从常规性能指标看相差无几,制动试验结果也相当,但使用中一种材料的磨耗却较大。用热重分析对其进行测试。

测试仪器为NETZSCH STA 449热重/差热联测型仪器,用它测试可同时获得热重、热焓变化数据。测试温度为室温～1 400℃;天平精度为1μg;DSC灵敏度为4μW;升温速度为10℃/min,N2气氛。

试验结果见图2。两种制动材料的起始失重温度约为400℃。1 000℃时失重率也相当。然而二者的失重过程大不一样。1#材料样品800℃前失重非常缓慢,只有约5%,超过800℃后,失重率急速增大。而2#材料样品400℃左右开始失重,到500℃时失重率已达14%,800℃时失重约20%。所以虽然2#材料样品高温性能也不差,但中温段的严重失重,大大影响它的使用。

热重分析主要测定的是样品重量随温度变化的情况。通过T～ΔP曲线,对不同的介质,可以判断材料的使用温度特性、反应性、氧化、分解、吸附、燃烧等情况,并可进一步推断材料的使用条件及状态,而且通过与傅里叶变换红外光谱仪配合使用,还可以了解挥发、分解产物。

4　差热分析的应用

在设计某种焊条时,要求焊条熔点低于600℃。通过差热分析,可以很精确地测定材料的熔点。图3即为该种焊条熔点的测定结果。

差热分析除了上述用途外,还可以通过热焓变化测定材料纯度、相变、各种物态和结构转变、反应情况、固化特征、材质判断、混合、共聚、共熔等情况。

上面简单介绍了热分析测试技术应用的几个侧面。热分析仪除了上述几种外,还有其他种类,如高温膨胀仪,它可精确测定物质在测试温度范围内的膨胀、收缩量,这对当前高结构精度要求下的设计非常有用。而且热分析仪和其他仪器的配合使用日益普遍,也大大拓宽了它的应用范围。由于热分析技术紧密结合实际,因而在工业、日用、环保、医药、生物、材料等方面正发挥越来越大的作用。