Материалдарды жылулық талдау әдістері

Кіріспе

Материалды қыздырғандағы жауабын зерттеу арқылы талдау. Термиялық талдау – материалтану ғылымының бір саласы, онда материалдардың температура өзгергендегі қасиеттері зерттеледі. Көптеген әдістер қолданылады, олар өлшенетін қасиетімен ерекшеленеді:

Диэлектрлік термиялық талдау: диэлектрлік өтімділік және жоғалту факторы.
Дифференциалдық термиялық талдау: температура айырмасы температураға немесе уақытқа қарай.
Дифференциалдық сканерлеу калориметриясы: температураға немесе уақытқа қарай жылу ағынының өзгеруі.
Дилатаметрия: температура өзгергенде көлемнің өзгеруі.
Динамикалық механикалық талдау: температураға, уақытқа және жиілікке қарай сақтау модулі (қатаңдық) және жоғалту модулі (демпферлеу) өлшеуі.
Газ эволюциясы талдау: материалды қыздырғанда бөлінетін газдарды талдау, әдетте ыдырау өнімдері.
Изотермалық титрлеу калориметриясы.
Изотермалық микрокалориметрия.
Лазерлік флэш талдау: жылулық диффузиялық қабілеті және жылулық өткізгіштік.
Термогравиметриялық талдау: массаның температураға немесе уақытқа қарай өзгеруі.
Термомеханикалық талдау: температураға немесе уақытқа қарай өлшемдердің өзгеруі.
Термооптикалық талдау: оптикалық қасиеттер.
Дериватография: Термиялық талдаудағы күрделі әдіс.
Бір уақыттағы термиялық талдау, әдетте, бір үлгіде термогравиметрия мен дифференциалдық сканерлеу калориметриясын бір уақытта қолдануды білдіреді. Сынақ жағдайлары термогравиметриялық талдау және дифференциалдық сканерлеу калориметриясы сигналдары үшін толықтай бірдей болады (бірдей атмосфера, газ ағыны, сынаманың бу қысымы, қыздыру жылдамдығы, сынама ыдысымен және сенсормен жылулық байланыс, сәулелену әсері және т.б.). Алынған ақпаратты Фурье түрлендірілімдік инфрақызыл спектроскопиясы немесе массалық спектрометрия сияқты дамыған газ анализаторымен бір уақыттағы термиялық талдау құралын біріктіру арқылы одан әрі жетілдіруге болады. Басқа, сирек қолданылатын әдістер үлгіден шығатын дыбыс немесе жарық шығарылымдарын, диэлектрлік материалдан электр разрядын немесе кернеуге ұшыраған үлгідегі механикалық серпілуді өлшеуге арналған. Бұл техникалардың мәні – үлгінің жауабы температураның (және уақыттың) функциясы ретінде тіркеледі. Температураны алдын ала белгіленген жолмен бақылау қалыпты жағдай: температураны тұрақты жылдамдықпен үздіксіз жоғарылату немесе төмендету (сызықтық қыздыру/салқындату) немесе әртүрлі температурада бірнеше өлшемдерді жүргізу (кезеңдік изотермалық өлшемдер). Температура профильдерінің жетілдірілген түрлері жасалды, олар осцилляциялық (әдетте синусоидтық немесе тіктөртбұрышты толқын) қыздыру жылдамдығын қолданады (модуляцияланған температуралық термиялық талдау) немесе жүйенің қасиеттеріндегі өзгерістерге жауап ретінде қыздыру жылдамдығын өзгертеді (үлгімен басқарылатын термиялық талдау). Үлгінің температурасын бақылаумен қатар, оның ортасын (мысалы, атмосфераны) бақылау да маңызды. Өлшемдер ауада немесе инертті газ астында (мысалы, азот немесе гелий) жүргізілуі мүмкін. Төмендетуші немесе реакциялық атмосфералар да қолданылды және өлшемдер тіпті үлгі сумен немесе басқа сұйықтықтармен оралып жүргізіледі. Кері газ хроматографиясы – газдар мен булардың бетпен өзара әрекеттесуін зерттейтін әдіс. Өлшемдер әртүрлі температурада жасалады, сондықтан бұл тәжірибелер термиялық талдау шеңберінде қарастырылуы мүмкін. Атомдық күш микроскопиясы беттердің топографиясы мен механикалық қасиеттерін жоғары кеңістіктік ажыратымдылықпен картаға түсіру үшін ұсақ стилус қолданады. Жылытылған ұштың және/немесе үлгінің температурасын бақылау арқылы кеңістіктік термиялық талдаудың бір түрін жүргізуге болады. Термиялық талдау құрылымдар арқылы жылу беруді зерттеу үшін де жиі қолданылады. Мұндай жүйелерді модельдеу үшін негізгі инженерлік деректердің көп бөлігі жылу сыйымдылығы мен жылу өткізгіштігін өлшеуден алынады.

Dielectric thermal analysis: dielectric permittivity and loss factor
Differential thermal analysis: temperature difference versus temperature or time
Differential scanning calorimetry: heat flow changes versus temperature or time
Dilatometry: volume changes with temperature change
Dynamic mechanical analysis: measures storage modulus (stiffness) and loss modulus (damping) versus temperature, time and frequency
Evolved gas analysis: analysis of gases evolved during heating of a material, usually decomposition products
Isothermal titration calorimetry
Isothermal microcalorimetry
Laser flash analysis: thermal diffusivity and thermal conductivity
Thermogravimetric analysis: mass change versus temperature or time
Thermomechanical analysis: dimensional changes versus temperature or time
Thermo optical analysis: optical properties
Derivatography: A complex method in thermal analysis
Simultaneous thermal analysis generally refers to the simultaneous application of thermogravimetry and differential scanning calorimetry to one and the same sample in a single instrument. The test conditions are perfectly identical for the thermogravimetric analysis and differential scanning calorimetry signals (same atmosphere, gas flow rate, vapor pressure of the sample, heating rate, thermal contact to the sample crucible and sensor, radiation effect, etc.). The information gathered can even be enhanced by coupling the simultaneous thermal analysis instrument to an Evolved Gas Analyzer like Fourier transform infrared spectroscopy or mass spectrometry. Other, less common, methods measure the sound or light emission from a sample, or the electrical discharge from a dielectric material, or the mechanical relaxation in a stressed specimen. The essence of all these techniques is that the sample's response is recorded as a function of temperature (and time). It is usual to control the temperature in a predetermined way – either by a continuous increase or decrease in temperature at a constant rate (linear heating/cooling) or by carrying out a series of determinations at different temperatures (stepwise isothermal measurements). More advanced temperature profiles have been developed which use an oscillating (usually sine or square wave) heating rate (Modulated Temperature Thermal Analysis) or modify the heating rate in response to changes in the system's properties (Sample Controlled Thermal Analysis). In addition to controlling the temperature of the sample, it is also important to control its environment (e. g. atmosphere). Measurements may be carried out in air or under an inert gas (e. g. nitrogen or helium). Reducing or reactive atmospheres have also been used and measurements are even carried out with the sample surrounded by water or other liquids. Inverse gas chromatography is a technique which studies the interaction of gases and vapours with a surface measurements are often made at different temperatures so that these experiments can be considered to come under the auspices of Thermal Analysis. Atomic force microscopy uses a fine stylus to map the topography and mechanical properties of surfaces to high spatial resolution. By controlling the temperature of the heated tip and/or the sample a form of spatially resolved thermal analysis can be carried out. Thermal analysis is also often used as a term for the study of heat transfer through structures. Many of the basic engineering data for modelling such systems comes from measurements of heat capacity and thermal conductivity.

Полимерлер

Полимерлер – термиялық талдаутың кең қолданылатын маңызды саласы. Термопластикалық полимерлер күнделікті қолданыстағы қаптамалар мен үй шаруалық заттарында жиі кездеседі. Алайда, шикізатты талдау, қолданылатын көптеген қоспалардың (тұрақтандырғыштар мен бояулар сияқты) әсерін бағалау және қалыптау немесе экструзия процесін жақсарту дифференциалдық сканерлеу калориметриясы арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Мысалы, дифференциалдық сканерлеу калориметриясы арқылы анықталатын тотығу индукциялық уақыты термопластикалық (әдетте полиолефин) полимерлік материалдағы тотығуға қарсы тұрақтандырғыштың мөлшерін анықтауға мүмкіндік береді. Құрамына жасалатын талдау көбінесе термогравиметриялық талдау арқылы жүзеге асырылады, ол толтырғыштарды, полимерлік шайырды және басқа қоспаларды бөліп шығара алады. Термогравиметриялық талдау материалдың термиялық тұрақтылығын және жалынды баяулатушылар сияқты қоспалардың әсерін де көрсетеді. (Дж. Х. Флинн, Л. А. Уолл, J. Res. Nat. Bur. Standards, Полимерлердің термогравиметриясының жалпы қарастырылуы, А бөлімі, 1966, V70A, No5, 487 қараңыз).

Көміртекті композиттер немесе шыны-эпоксидті композиттер сияқты күрделі материалдарды термиялық талдау көбінесе динамикалық механикалық талдау арқылы жүргізіледі. Бұл талдау материалдың модулін және демпферлік (энергия сіңіретін) қасиеттерін анықтау арқылы материалдың беріктігін өлшеуге мүмкіндік береді. Ғарыш өнеркәсібіндегі компаниялар осы анализаторларды өндірілетін өнімдердің қажетті беріктік талаптарына сәйкес келуін қамтамасыз ету үшін стандартты сапа бақылау жүйесінде жиі қолданады. Формула-1 жарыс машиналарын өндірушілердің де ұқсас талаптары бар. Дифференциалдық сканерлеу калориметриясы күрделі материалдарда қолданылатын шайырлардың қатаю қасиеттерін анықтау үшін қолданылады, сондай-ақ шайырдың қатаю мүмкіндігін және осы процесте бөлінетін жылу мөлшерін растауға мүмкіндік береді. Болжамдық кинетикалық талдауды қолдану өндіріс процестерін жақсартуға көмектеседі. Мысалы, термогравиметриялық талдау композиттердің талшық құрамын өлшеу үшін қолданылуы мүмкін, бұл үшін үлгі қыздырылып, шайырды жою арқылы және қалған массаны анықтау арқылы жүзеге асырылады.

Металдар

Көптеген металдардың (шойын, сұр темір, иілгіш темір, тығыз графит темір, 3000 сериялы алюминий қорытпалары, мыс қорытпалары, күміс және күрделі болаттар) өндірісіне термиялық талдау деп аталатын өндіріс техникасы көмектеседі. Сұйық металлдан алынған үлгі пештен немесе қасықтан алынып, термопара орнатылған үлгілік тостағанға құйылады. Содан кейін температура бақыланады және фазалық диаграммадағы тұрақтандыру нүктелері (sұйық, эутектикалық және қатты) тіркеледі. Осы мәліметтердің негізінде фазалық диаграммаға сүйене отырып химиялық құрамын есептеуге болады немесе, әсіресе гипоэвтектикалық Al Si қорытпаларындағы кремнийдің морфологиясы үшін, құйылған үлгінің кристалдық құрылымын бағалауға болады. Бұл өлшемдер, тікелей айтқанда, салқындату қисықтары болып табылады және үлгімен бақыланатын термиялық талдаудың бір түрі, онда үлгінің салқындату жылдамдығы тостаған материалына (әдетте байланысқан құм) және үлгінің көлеміне байланысты, ал үлгі көлемі стандартты өлшемдегі тостағандарды қолдану арқасында әдетте тұрақты болады. Фазалық өзгерістерді және оларға сәйкес келетін сипаттамалық температураларды анықтау үшін салқындату қисығы мен оның бірінші туындысы бірдей қарастырылуы керек. Салқындату қисықтары мен туынды қисықтарын зерттеу тиісті деректерді талдау бағдарламалық қамтамасымен жүзеге асырылады. Процесс қисықтарды сызудан, тегістеуден және қисықтарға сәйкестендіруден, сондай-ақ реакция нүктелерін және сипаттамалық параметрлерді анықтаудан тұрады. Бұл процедура компьютерлік көмекпен салқындату қисығының термиялық талдауы деп аталады. Күрделі техникалар дифференциалдық қисықтарды газ көпіршіктері, ыдырау сияқты эндотермиялық инфлексиялық нүктелерді, сондай-ақ карбидтер, бета кристалдары, кристалдар аралық мыс, магний силициді, темір фосфидтері және басқа фазалар сияқты экзотермиялық фазаларды қатаю кезінде анықтау үшін пайдаланады. Анықтау шегі шамамен 0,01-ден 0,03% көлемге дейін. Сонымен қатар, нөлдік қисық пен бірінші туынды арасындағы аумақтың интегралдауы – бұл қатаюдың сол бөлігінің нақты жылуының өлшемі, ол фазаның көлемдік үлесінің жуық шамасын анықтауға мүмкіндік береді. (Фазаның нақты жылуы мен жалпы нақты жылу туралы белгілі бір мәлімет болуы немесе болжам жасалуы керек.) Бұл шектеуге қарамастан, бұл әдіс екі өлшемді микроталдаудан алынған бағалаулардан жақсы және химиялық ерітуден әлдеқайда жылдам.

Production of many metals (cast iron, grey iron, ductile iron, compacted graphite iron, 3000 series aluminium alloys, copper alloys, silver, and complex steels) are aided by a production technique also referred to as thermal analysis. A sample of liquid metal is removed from the furnace or ladle and poured into a sample cup with a thermocouple embedded in it. The temperature is then monitored, and the phase diagram arrests (liquidus, eutectic, and solidus) are noted. From this information chemical composition based on the phase diagram can be calculated, or the crystalline structure of the cast sample can be estimated especially for silicon morphology in hypo eutectic Al Si cast alloys. Strictly speaking these measurements are cooling curves and a form of sample controlled thermal analysis whereby the cooling rate of the sample is dependent on the cup material (usually bonded sand) and sample volume which is normally a constant due to the use of standard sized sample cups. To detect phase evolution and corresponding characteristic temperatures, cooling curve and its first derivative curve should be considered simultaneously. Examination of cooling and derivative curves is done by using appropriate data analysis software. The process consists of plotting, smoothing and curve fitting as well as identifying the reaction points and characteristic parameters. This procedure is known as Computer Aided Cooling Curve Thermal Analysis. Advanced techniques use differential curves to locate endothermic inflection points such as gas holes, and shrinkage, or exothermic phases such as carbides, beta crystals, inter crystalline copper, magnesium silicide, iron phosphide's and other phases as they solidify. Detection limits seem to be around 0.01% to 0.03% of volume. In addition, integration of the area between the zero curve and the first derivative is a measure of the specific heat of that part of the solidification which can lead to rough estimates of the percent volume of a phase. (Something has to be either known or assumed about the specific heat of the phase versus the overall specific heat.) In spite of this limitation, this method is better than estimates from two dimensional micro analysis, and a lot faster than chemical dissolution.

Тамақ

Көптеген тағамдар өндіріс, тасымалдау, сақтау, дайындау және тұтыну кезінде температура өзгерісіне ұшырайды, мысалы, пастеризация, стерилизация, булану, пісіру, мұздату, салқындату сияқты. Температура өзгерістері тағам компоненттерінің физикалық және химиялық қасиеттерін өзгертеді, бұл соңғы өнімнің жалпы қасиеттеріне, мысалы, дәм, көрініс, текстура және тұрақтылыққа әсер етеді. Гидролиз, тотығу немесе тотығу-тотықсыздану сияқты химиялық реакциялар жүзеге асуы мүмкін, сондай-ақ булану, балқу, кристалдану, агрегациялау немесе гельдену сияқты физикалық өзгерістер де болуы мүмкін. Тағамдардың қасиеттеріне температураның әсерін жақсы түсіну тағам өндірушілеріне өңдеу шарттарын оңтайландыруға және өнім сапасын жақсартуға мүмкіндік береді. Сондықтан тағамдық ғалымдар тағамның температурасы өзгерген кезде болатын өзгерістерді бақылау үшін талдау техникаларын қолдануы қажет. Бұл техникалар көбінесе термиялық талдау деп аталатын жалпы санатқа біріктіріледі. Принцип бойынша, тағамның температураға тәуелді қасиеттерін бақылау үшін көптеген талдау техникаларын қолдануға болады немесе оларды оңай бейімдеуге болады, мысалы, спектроскопиялық (ядролық магниттік резонанс, ультракөк сәуле, инфрақызыл спектроскопия, люминесценция), шашырау (жарық, рентген сәулелері, нейтрондар), физикалық (масса, тығыздық, реология, жылу сыйымдылығы) және т.б. Дегенмен, қазіргі уақытта термиялық талдау термині көбінесе тағамның физикалық қасиеттеріндегі температураға байланысты өзгерістерді өлшейтін әдістердің шектеулі жиынтығын қамтиды (TG/DTG, дифференциалдық термиялық талдау, дифференциалдық сканерлік калориметрия және фазалық ауысу температурасы).

Баспалы схемалар

Электр қуатының таралуы қазіргі кездегі басылған қаптамалардың (PCB) жобалаудағы маңызды мәселе болып табылады. Электр қуатының таралуы температура айырмашылығына алып келеді және микросхемаға жылулық проблема тудырады. Сенімділік мәселесінен басқа, артық жылу электрлік өнімділікке және қауіпсіздікке кері әсер етеді. Сондықтан, интегралдық схеманың жұмыс температурасы ең нашар жағдайдағы рұқсат етілген максималды шектен төмен ұсталуы керек. Әдетте, кристаллдық тораптың және қоршаған ортаның температурасы сәйкесінше 125 °C және 55 °C болады. Микросхеманың үнемі кішірейіп бара жатуы жылудың кішкентай аумақта шоғырлануына және жоғары қуат тығыздығына әкеледі. Бұдан әрі, монолитті микросхемадағы тығыз транзисторлардың жиналуы және жоғары жұмыс жиілігі электр қуатының таралуын нашарлатады. Сондықтан, жылуды тиімді түрде кетіру – шешілуі керек маңызды мәселе.