Введение
Анализ материала путем изучения его реакции на тепло. Термический анализ – это область материаловедения, в которой исследуются свойства материалов при изменении температуры. Существует несколько широко используемых методов, различающихся измеряемым параметром:
Thermal analysis is a branch of materials science where the properties of materials are studied as they change with temperature. Several methods are commonly used – these are distinguished from one another by the property which is measured:
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.
Диэлектрический термический анализ: диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь.
Дифференциальный термический анализ: разность температур в зависимости от температуры или времени.
Дифференциальная сканирующая калориметрия: изменение теплового потока в зависимости от температуры или времени.
Дилатометрия: изменение объема при изменении температуры.
Динамический механический анализ: измерение модуля упругости (жесткости) и модуля потерь (демпфирования) в зависимости от температуры, времени и частоты.
Газовый анализ продуктов термического разложения: анализ газов, выделяющихся при нагреве материала, обычно продуктов разложения.
Изотермальная титровая калориметрия.
Изотермальная микрокалориметрия.
Лазерный флэш-анализ: тепловая диффузионная способность и теплопроводность.
Термогравиметрический анализ: изменение массы в зависимости от температуры или времени.
Термомеханический анализ: изменение размеров в зависимости от температуры или времени.
Термооптический анализ: оптические свойства.
Дериватография: комплексный метод в термическом анализе.
Thermal analysis is a branch of materials science where the properties of materials are studied as they change with temperature. Several methods are commonly used – these are distinguished from one another by the property which is measured:
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.
Одновременный термический анализ обычно подразумевает одновременное применение термогравиметрии и дифференциальной сканирующей калориметрии к одному и тому же образцу в одном приборе. Условия тестирования абсолютно идентичны для сигналов термогравиметрического анализа и дифференциальной сканирующей калориметрии (одинаковая атмосфера, скорость потока газа, парциальное давление образца, скорость нагрева, тепловой контакт с тиглем и датчиком, эффект излучения и т.д.). Полученную информацию можно дополнительно улучшить, объединив прибор для одновременного термического анализа с анализатором выделяющихся газов, таким как инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье или масс-спектрометрия. Другие, менее распространенные методы измеряют звуковое или световое излучение образца, электрический пробой диэлектрического материала или механическую релаксацию в образце под нагрузкой. Суть всех этих методов заключается в регистрации реакции образца как функции температуры (и времени). Обычно температуру контролируют предопределенным образом – либо непрерывным повышением или понижением температуры с постоянной скоростью (линейный нагрев/охлаждение), либо выполнением серии определений при различных температурах (ступенчатые изотермические измерения). Разработаны более сложные температурные профили, использующие колебательную (обычно синусоидальную или прямоугольную) скорость нагрева (модулированный термический анализ) или изменяющие скорость нагрева в ответ на изменения свойств системы (термический анализ с контролем по образцу). Помимо контроля температуры образца, важно также контролировать его окружение (например, атмосферу). Измерения могут проводиться на воздухе или в инертном газе (например, азоте или гелии). Также использовались восстановительные или реактивные атмосферы, и измерения даже проводились с образцом, окруженным водой или другими жидкостями. Обратная газовая хроматография – это метод, изучающий взаимодействие газов и паров с поверхностью. Измерения часто проводятся при разных температурах, поэтому эти эксперименты можно отнести к области термического анализа. Атомно-силовая микроскопия использует тонкий наконечник для отображения топографии и механических свойств поверхностей с высоким пространственным разрешением. Контролируя температуру нагретого наконечника и/или образца, можно провести форму пространственно-разрешенного термического анализа. Термический анализ также часто используется для обозначения изучения теплопередачи через структуры. Многие из основных инженерных данных для моделирования таких систем поступают из измерений теплоемкости и теплопроводности.
Thermal analysis is a branch of materials science where the properties of materials are studied as they change with temperature. Several methods are commonly used – these are distinguished from one another by the property which is measured:
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.
Полимеры
Полимеры представляют собой еще одну обширную область, где термический анализ находит широкое применение. Термопластичные полимеры широко используются в повседневной упаковке и бытовых предметах, однако для анализа исходного сырья, влияния многочисленных используемых добавок (включая стабилизаторы и красители), а также для точной настройки процессов формования или экструзии можно использовать дифференциальную сканирующую калориметрию. Примером является определение времени начала окисления с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии, которое позволяет установить содержание антиоксиданта в термопластичном (обычно полиолефиновом) полимерном материале. Анализ состава часто проводят с помощью термогравиметрического анализа, который позволяет разделять наполнители, полимерную смолу и другие добавки. Термогравиметрический анализ также может дать представление о термической стабильности и влиянии добавок, таких как антипирены. (См. J. H. Flynn, L. A. Wall J. Res. Nat. Bur. Standards, General Treatment of the Thermogravimetry of Polymers Part A, 1966 V70A, No5 487)
Термический анализ композиционных материалов, таких как композиты на основе углеродного волокна или стеклоэпоксидные композиты, часто выполняется с использованием динамического механического анализа, который позволяет измерять жесткость материалов путем определения модуля упругости и демпфирующих (поглощающих энергию) свойств. Аэрокосмические компании часто используют эти анализаторы для рутинного контроля качества, чтобы гарантировать соответствие выпускаемой продукции требуемым характеристикам прочности. Аналогичные требования предъявляются и к производителям автомобилей Формулы 1. Дифференциальная сканирующая калориметрия используется для определения свойств отверждения смол, применяемых в композиционных материалах, а также для подтверждения возможности отверждения смолы и количества выделяемого при этом тепла. Применение кинетического анализа прогнозирования может помочь в оптимизации производственных процессов. Другой пример: термогравиметрический анализ можно использовать для измерения содержания волокна в композитах путем нагрева образца для удаления смолы и последующего определения оставшейся массы.
Металлы
Производство многих металлов (чугуна, серого чугуна, ковкого чугуна, высокопрочного графитового чугуна, алюминиевых сплавов серии 3000, медных сплавов, серебра и сложных сталей) облегчается производственной техникой, также известной как термический анализ. Образец жидкого металла отбирается из печи или ковша и заливается в тигель с встроенным термоэлементом. Затем контролируется температура, и фиксируются точки фазовой диаграммы (жидкого, эвтектического и твердого состояния). На основе этих данных можно рассчитать химический состав, исходя из фазовой диаграммы, или оценить кристаллическую структуру отливки, особенно морфологию кремния в гипоэвтектических литых сплавах AlSi. Строго говоря, эти измерения представляют собой кривые охлаждения, являющиеся формой теплового анализа с контролем образца, при котором скорость охлаждения образца зависит от материала тигля (обычно формовочной смеси) и объема образца, который обычно постоянен благодаря использованию стандартных тиглей. Для выявления эволюции фаз и соответствующих характерных температур необходимо одновременно анализировать кривую охлаждения и ее первую производную. Исследование кривых охлаждения и производных выполняется с использованием соответствующего программного обеспечения для анализа данных. Процесс включает построение графиков, сглаживание и подгонку кривых, а также определение точек реакции и характерных параметров. Эта процедура известна как компьютерный термический анализ кривых охлаждения. Продвинутые методы используют дифференциальные кривые для определения точек эндотермического изгиба, таких как газовые поры и усадка, или экзотермических фаз, таких как карбиды, бета-кристаллы, межкристаллический медь, силицид магния, фосфиды железа и другие фазы при их затвердевании. Пределы обнаружения, по-видимому, составляют около 0,01–0,03% объема. Кроме того, интегрирование площади между нулевой кривой и первой производной является мерой удельной теплоемкости соответствующей части затвердевания, что может привести к приблизительной оценке процентного объема фазы. (Необходимо знать или предполагать удельное тепло фазы по отношению к общей удельной теплоемкости.) Несмотря на это ограничение, этот метод превосходит оценки, полученные с помощью двухмерного микроанализа, и значительно быстрее химического растворения.
Продукты питания
Большинство продуктов питания подвергаются колебаниям температуры в процессе производства, транспортировки, хранения, приготовления и потребления, например, пастеризации, стерилизации, выпаривания, варки, замораживания, охлаждения и т.д. Изменения температуры вызывают изменения физических и химических свойств компонентов пищевых продуктов, которые влияют на общие характеристики конечного продукта, такие как вкус, внешний вид, текстура и стабильность. Могут ускоряться химические реакции, такие как гидролиз, окисление или восстановление, или происходить физические изменения, такие как испарение, плавление, кристаллизация, агрегация или гелеобразование. Более глубокое понимание влияния температуры на свойства пищевых продуктов позволяет производителям оптимизировать условия обработки и улучшить качество продукции. Поэтому для специалистов в области пищевой науки важно иметь аналитические методы для отслеживания изменений, происходящих в пищевых продуктах при изменении их температуры. Эти методы часто объединяются под общим названием термический анализ. В принципе, большинство аналитических методов могут быть использованы или легко адаптированы для мониторинга температурно-зависимых свойств пищевых продуктов, например, спектроскопические (ядерный магнитный резонанс, УФ-видимая, инфракрасная спектроскопия, флуоресценция), методы рассеяния (свет, рентгеновские лучи, нейтроны), физические (масса, плотность, реология, теплоемкость) и т.д. Однако в настоящее время термин "термический анализ" обычно относится к узкому кругу методов, которые измеряют изменения физических свойств пищевых продуктов в зависимости от температуры (TG/DTG, дифференциальный термический анализ, дифференциальная сканирующая калориметрия и температура перехода).
Печатные платы
Рассеивание мощности является важной проблемой в современном проектировании печатных плат. Рассеивание мощности приводит к разнице температур и создает тепловую проблему для микросхемы. Помимо вопросов надежности, избыточное тепло также негативно влияет на электрические характеристики и безопасность. Поэтому рабочая температура интегральной схемы должна поддерживаться ниже максимально допустимого предела в наихудшем случае. Как правило, температура кристалла и окружающей среды составляет 125 °C и 55 °C соответственно. Постоянное уменьшение размеров микросхем приводит к концентрации тепла в небольшой области и, как следствие, к высокой плотности мощности. Более того, увеличение плотности транзисторов в монолитной микросхеме и повышение рабочей частоты усугубляют проблему рассеивания мощности. Эффективный отвод тепла становится критически важной задачей, которую необходимо решить.