静态热机械分析及动态热机械分析

动态热机械分析概述：动态热机械分析是一种用于研究热机械系统动态行为的方法。

这种方法结合了热力学、机械力学和控制理论等多个学科，旨在分析和优化热机械系统的运行性能和稳定性。

本文将介绍动态热机械分析的基本原理、应用领域，并探讨其在热机械系统设计和性能优化中的重要性。

一、动态热机械分析的基本原理动态热机械分析是建立在热力学和机械力学基础之上的研究方法。

其核心原理是通过建立系统的动态模型，利用动力学方程和控制理论来描述和分析热机械系统的运动和稳定性。

在分析过程中，考虑热传导、热辐射、热对流等传热机制，同时考虑机械运动中的力学载荷和惯性效应，以及控制系统对系统动态特性的影响。

二、动态热机械分析的应用领域1. 燃气轮机系统：燃气轮机是一种常见的动力装置，广泛应用于发电、航空等领域。

动态热机械分析能够帮助设计师深入理解燃气轮机的动态行为，优化控制系统以提高系统响应速度和稳定性。

2. 冷热源系统：冷热源系统广泛应用于工业生产和建筑空调等领域。

通过动态热机械分析，可以研究和优化冷热源系统的运行状态，改善能源利用效率，降低运行成本。

3. 微型热机械系统：微型热机械系统是一种新兴领域，其在微尺度范围内实现能量转换和传递。

动态热机械分析对于微型热机械系统的设计和性能优化至关重要，可以揭示系统的微观动力学特性，提高系统的能量转换效率。

三、动态热机械分析在热机械系统设计中的重要性动态热机械分析在热机械系统设计和性能优化中具有重要的作用，主要体现在以下几个方面：1. 提高系统响应速度：热机械系统的响应速度直接影响其瞬态性能和控制能力。

通过动态热机械分析，可以深入研究系统的动态特性，设计出合理的控制策略，从而提高系统的响应速度。

2. 优化系统稳定性：热机械系统的稳定性是保证系统正常运行的关键因素。

通过动态热机械分析，可以找到系统的稳态和非稳态解，分析系统的稳定性边界，并设计合适的控制器来保持系统的稳定运行。

3. 提高能源利用效率：热机械系统的能源利用效率直接影响系统的运行成本和环境影响。

DMA和TMA的区别：TMA（thermomechanical analysis）热机械分析：在加热过程中对试样进行力学测定的方法称为热—力法或热机械分析根据测定内容，热-力法可分为静态法和动态法两种动态力学分析DMA用于测定材料在一定条件(温度、频率、应力或应变水平、气氛与湿度等下)的刚度与阻尼，通过测定材料的刚度与阻尼随温度、频率或时间的变化，获得与材料的结构、分子运动、加工与应用有关的特征参数。

TMA测量的是样品的线性尺寸或体积随温度，时间或外力的变化。

这些数据提供了如热膨胀系数CET，粘度，材料的软化和流动，以及玻璃化转变温度等非常有用的信息。

橡胶制品尺寸甚至是微米级的变化，对配合公差要求非常严格的整个系统来说，有时都是非常重要的。

在TMA实验中，探头在样品表面施加一定的力。

根据样品的硬度和施加的力的不同，当加热时，样品尺寸会发生正的变化(膨胀)或负的变化(收缩)。

DMA施加的是交变力，力值较大；TMA主要做静态的力。

热机械分析仪TMA 402 F1/F3 Hyperion数字位移传感器(LVDT)-- TMA 402 Hyperion® 的核心这是一项经过时间考验的技术，同样也使用于热膨胀仪中。

其精度极高，最低可测量纳米级的尺寸变化(数字灵敏度为0.125nm)。

数字位移传感器(LVDT)-- TMA 402 Hyperion® 的核心这是一项经过时间考验的技术，同样也使用于热膨胀仪中。

其精度极高，最低可测量纳米级的尺寸变化(数字灵敏度为0.125nm)。

真空密闭恒温系统TMA 402 Hyperion® 的测量系统通过水浴恒温，因此，炉体的热辐射和周围环境的气温波动都不会影响到系统。

为了保证测量的纯净气氛及仪器的真空度，仪器中所有的单元均为真空密闭设计。

TMA 402 F1 中使用了涡轮分子泵，真空度可达10-4mbar，与MFC(质量流量控制器，TMA 402 F3 中为选件)结合使用，就可以在测量过程中选择测试所需纯净气氛，如惰性气体或氧化性气体。

静态热机械分析仪(TMA)设备安全操作规定为了保障实验室的设施和人员的安全，规范静态热机械分析仪(TMA)的使用，特制定以下设备安全操作规定，请在使用前仔细阅读。

一、设备简介静态热机械分析仪(TMA)是一种专门用于测试材料在恒定压力下在温度变化时的形变性能的仪器。

其主要由样品支撑结构、探头传感器、振荡器、温度控制系统等组成。

二、设备安全注意事项1.TMA仪器表面禁止强行敲击、踩踏和碰撞，以免造成损坏。

2.TMA操作时应严格遵照使用手册指导操作，不得擅自更改任何参数。

3.在使用TMA设备前，需确认设备的工作状态正常，温度控制系统、传感器等标准工作指示灯及报警装置正常。

4.TMA设备通电前应确认温度控制与传感器是否连接正确。

5.需定时检查探头及熔断器是否损坏，如有损坏需及时更换。

6.避免于酸、碱或其它易腐蚀的物料放置在TMA仪器周围，以防止危险。

7.保修期内不得拆卸、修理设备，如有故障请及时通知维修人员处理。

8.实验过程中，工作场地不得乱放杂物，严禁在实验室内使用明火或电热针等易燃易爆物品。

9.实验完成后，应关闭所有设备开关，清理工作场地及设备表面并妥善存放耗材、试剂及设备。

三、操作流程1.样品制备：样品应加工成样品杆或样品管等固体或管装样品形式，并仔细检查样品质量，样品不要带有太多的杂质。

2.样品安装：在测试过程中，将样品固定在样品夹中，并注意样品夹的位置和夹角，在这个过程中要非常小心以免样品固定不良或夹角不一。

需要使用校准设备校准样品夹姿势，比如说对样品夹扭转90度测量结果,将会完全不同于正常测量结果。

3.实验操作：参数选择前应确认样品类型，选择不同的测试模式，根据测试模式选择性执行预热、线性热、等温、冷凝和恒应力等步骤。

选好后，设定参数并开始实验。

在实验过程中要观察和细心操作，避免错误和事故的发生。

4.实验报告：实验过程中需记录所选参数、温度和测试时间等数据，并加以分析和比较数据结果，最终撰写实验报告。

第3章动态热机械分析技术DMA
动态热机械分析技术（Dynamic Mechanical Analysis，DMA）是一种用于测定材料的粘弹性和机械性能的实验方法。

它结合了机械测试和热分析的技术，可以通过施加精确的力或应变，在不同温度下测定材料的动态力学性能。

DMA可以用于研究材料的线性和非线性弹性行为、材料的流变性质、玻璃化和熔融转变行为等。

在DMA实验中，材料试样在垂直加载下以一定频率振动，通过测量应变或力和位移的相位差，可以计算出材料的动态模量、损耗因子、储存模量等力学参数。

DMA技术的主要优势在于它可以在宽温度范围内进行测试，从室温到高温或低温环境都可以进行。

这对于研究材料的热机械性能非常重要，因为材料在不同温度下的性能可能会发生显著变化。

在DMA实验中，可以通过改变频率、幅值和温度等参数来模拟材料在实际应用中的工况，从而评估其使用寿命和稳定性。

DMA技术主要应用于聚合物、橡胶、复合材料、涂料、粘合剂等材料的研究和开发中。

通过DMA实验可以获得材料的力学行为、热稳定性、变形特性等信息，有助于改进材料的性能和设计新的材料。

在实际应用中，DMA可以用于评估材料的强度和刚度、变形和回复能力、阻尼特性等。

例如，在汽车工业中，DMA可以用于评估橡胶密封件的性能，以确保其在不同温度和应力条件下的可靠性。

在医疗器械领域，DMA可以评估聚合物材料的生物相容性和耐久性，以确保其在人体内使用的安全性和可靠性。

总之，动态热机械分析技术是一种重要的实验方法，可以用于研究材料的粘弹性和机械性能。

它的主要优势在于可以在不同温度环境下进行测试，并能提供关于材料性能的详细信息，有助于改进材料的设计和应用。

动态热机械分析仪动态热机械分析仪（DMA）是一种用于测量材料热力学和机械性能的仪器。

它结合了热分析和力学分析的原理，可以对材料的热膨胀、玻璃态转变、塑性变形等性质进行研究分析。

本文将从仪器原理、应用领域以及未来发展进行详细介绍。

首先，动态热机械分析仪的原理是通过施加一定频率和振幅的力学载荷，在一定温度范围内对材料进行热力学和动态机械分析。

其主要包括四个组成部分：1.热环境：通过热流控制装置，可以控制样品与环境之间的温度差。

这样可以在一定温度范围内精确测量材料的热膨胀系数和玻璃态转变等热力学性质。

2.力学装置：通过加载系统对样品施加力学载荷。

可以控制载荷的频率、振幅和形状，以模拟材料在不同载荷条件下的力学响应。

3.测量装置：通过传感器和检测设备，可以测量材料的热力学和机械性能。

比如测量材料的热膨胀、表面形貌、动态模量等性质。

其测量原理可以通过电阻应变计、差示扫描量热计、动态机械分析等技术实现。

4.数据处理和分析软件：通过将测量得到的数据进行处理和分析，可以得到材料的力学响应和热力学性质的参数。

如杨氏模量、损耗因子、玻璃态转变温度等。

1.聚合物材料研究：由于聚合物在温度变化下会发生膨胀和收缩，动态热机械分析仪可以测量聚合物的热膨胀性能，从而了解其材料稳定性和使用寿命。

2.不锈钢和合金腐蚀分析：动态热机械分析仪可以通过测量材料的热膨胀性能和动态模量等参数，评估不锈钢和合金在高温和腐蚀环境下的稳定性。

3.复合材料研究：动态热机械分析仪可以用于评估各种复合材料的热膨胀性能和力学强度，优化材料配方和工艺，提高材料的性能和使用寿命。

4.高分子材料研究：动态热机械分析仪可以测量高分子材料的玻璃化温度和疲劳性能，为材料设计和应用提供依据。

最后，未来发展趋势方面，动态热机械分析仪将进一步发展：1.提高测量精度和分辨率，以应对新材料和新应用的需求。

2.开发多功能和多学科结合的测试仪器，将热分析、力学分析和光学分析等多个技术相结合，提供更全面的材料性能评估和分析。

动态热机械分析概述动态热机械分析是一种用于研究热机械系统在动态工况下的性能和行为的方法。

它结合热学和机械学的理论，通过建立数学模型，并应用数值计算方法进行仿真分析，以便了解系统在不同工况下的响应和特性。

动态热机械分析通常用于评估热机械系统的可靠性、效率和性能，在设计过程中起到重要的作用。

它可以帮助工程师优化系统的设计，提高系统的工作效率，降低能耗，并检测系统中可能存在的问题。

研究内容动态热机械分析的研究内容主要包括以下几个方面：1.传热特性分析：传热是热机械系统中的重要过程之一，动态热机械分析可以通过建立传热模型，分析系统中的热传导、对流和辐射等传热过程，从而评估系统的传热特性和热能损失。

2.动力学行为分析：动力学行为是指热机械系统在动态工况下的响应和特性。

动态热机械分析可以通过建立动力学模型，分析系统的动态特性，如响应时间、稳态和非稳态运行等，以及系统的振动、冲击和共振等现象。

3.效率和性能评估：动态热机械分析可以通过建立能量平衡模型，分析系统的能量转换效率和能耗特性，从而评估系统的性能和效率。

它可以帮助工程师找到优化系统的方法，提高系统的工作效率，降低能耗。

4.故障诊断与预测：动态热机械分析可以通过建立故障模型，分析系统中可能发生的故障，如设备损坏、泄漏和堵塞等，以及故障对系统性能和效率的影响。

它可以帮助工程师提前检测系统中的问题，并采取相应的维修和保养措施，避免故障引发的不可预测的风险。

方法与工具动态热机械分析通常采用数值计算方法和仿真工具进行模拟和分析。

常用的方法和工具包括：1.有限元分析：有限元分析是一种常用的数值计算方法，可以用于建立热机械系统的数学模型，并进行仿真分析。

它通过将系统分割成小的有限元单元，利用离散数学方法求解微分方程，得到系统在不同工况下的解。

2.计算流体力学：计算流体力学是一种用于研究流体力学和传热问题的数值计算方法，可以用于分析热机械系统中的流动和传热过程。

它通过建立流体的数学模型和边界条件，利用数值计算方法求解流体的运动和温度场，从而分析系统的传热特性。

tma热机械曲线
TMA（热机械分析）是一种测量物质在温度变化过程中形变的技术。

其基本原理是将样品置于加热炉中，控制样品温度变化，使样品受力（压缩、拉伸或弯曲），然后检测样品在特定温度下的形变情况。

TMA曲线即热机械曲线，是描述样品在不同温度下的形变与温度的关系曲线。

TMA可分为以下几种方法：
1.热膨胀法：是在程序控温下，测量物质在可忽略负荷时尺寸与
温度关系的技术。

2.静态热机械分析法：是在程序控温下，测量物质在非振动负荷
下的温度与形变关系的技术。

3.动态热机械分析法：是在程序控温下，测量物质在振动载荷下
的动态模量或力学损耗与温度的关系的技术。

TMA曲线可以用于测定聚合物的玻璃化转变温度、软化温度等，也可以用于研究材料的热膨胀系数、热稳定性等性质。

通过TMA曲线分析，可以得到材料的热膨胀系数、弹性模量、热稳定性等参数，从而对材料的性能和加工工艺进行评估和优化。

动态热机械分析动态热机械是指将动力学及热力学原理应用于工程设计的领域。

它主要研究各种动力机械在运行中产生的热和能量互换问题，解决机械系统中的能量转换、储存和传递等问题。

本文将从以下几个方面展开对动态热机械的分析：1. 动态热机械的基础理论动态热机械的理论基础有两部分，即动力学和热力学。

其中，动力学涉及机械能、动能、势能等概念，描述物体运动时的力学规律；热力学则研究热力学系统内所含的能量，以及它们之间的变化和转换过程。

通过这两部分知识的结合，动态热机械提供了一种处理热与动能之间相互作用的方法，使得在设计和优化机械系统时可以更加准确地估计能量使用和损失情况。

2. 动态热机械的应用动态热机械的应用范围非常广泛，包括航空航天、汽车和发电机等领域。

例如，在汽车领域，动态热机械将运动学和热力学应用于发动机、离合器和传动系统等部分，以优化燃油效率和功率输出；在航空航天领域，动态热机械则关注于推进系统中的各种动力元件，如涡轮风扇、引擎喷嘴等，使其能够更加高效地吸收并利用燃气能量。

3. 动态热机械的优化随着技术的不断更新和完善，人们开始集中精力研究如何最大限度地提高动态热机械的效率。

目前，一些先进材料、计算机辅助设计和新型测试技术正在被广泛应用于这一领域，从而更好地掌握和利用热和动能的转换规律。

以下是两个具体的例子：汽车发动机的优化：为了提高燃油效率，并降低车辆对环境的影响，目前采用了诸如直接喷射燃料、升级点火系统、改进排气管等技术手段。

此外，一些企业还投资研究新型发动机，如电动汽车和混合动力系统，通过利用多种能源来驱动车辆，从而更好地节约燃料和减少二氧化碳排放量。

风力发电机的优化：风力发电机是将风能转换为电能的一种设备。

为了提高它的效率和产生能力，人们不断尝试改进叶轮设计和气流管道结构，优化输电线路的电阻和损耗等方面。

例如，采用单独控制多个导向板的微调装置，可以更加精确地调整叶片方向来适应复杂的风向变化；同时，使用辨识模型和模型预测控制的方法可以更加有效地监测和控制发电机的运行状态及其输出功率与频率。

动态热机械分析仪动态热机械分析仪简介动态热机械分析仪是一种用于研究材料的物理特性和性能的分析工具。

它采用了动态机械载荷和热量加热的方法，通过监测样品在不同温度和应力条件下的热力学响应，来研究材料的热膨胀、热导性、热变形和热分解等特性。

动态热机械分析仪广泛应用于塑料、高分子材料、陶瓷、金属、复合材料等领域的材料研究和生产过程中。

动态热机械分析仪的工作原理动态热机械分析仪通过施加动态载荷和热量加热来模拟材料在实际使用条件下的力学和热学环境。

它由一个电炉、一个机械载荷系统和一个检测系统构成。

在实验中，样品被夹在两个机械夹具之间，然后施加动态载荷和恒定温度。

在载荷作用下，样品会发生热膨胀和热变形，通过检测样品的力学和热学响应，可以获得材料的热力学性质。

动态热机械分析仪的应用动态热机械分析仪可以用于研究材料的热膨胀性能。

材料的热膨胀是指随着温度的升高或降低，材料的体积发生变化的现象。

热膨胀性能对于很多工程应用来说是非常重要的，比如在航空航天、电子器件和建筑结构等领域。

通过动态热机械分析仪，可以测量材料在不同温度下的热膨胀系数，并进一步研究其与温度之间的关系。

此外，动态热机械分析仪还可以用于研究材料的热导性能。

热导性是指材料传导热量的性能，它与材料的导热系数和温度梯度有关。

测量材料的热导性能对于研究材料的导热机制和改善热耗散效果非常重要。

通过动态热机械分析仪，可以测量材料在不同温度下的热导率，并进一步研究其与温度和材料结构之间的关系。

此外，动态热机械分析仪还可以用于研究材料的热变形性能。

材料的热变形是指在高温下受力作用下的变形行为。

研究材料的热变形性能对于设计和制造高温工作环境下的零部件和结构件非常重要。

通过动态热机械分析仪，可以测量材料在不同应力和温度条件下的热变形行为，并进一步研究其与材料的晶体结构和成分之间的关系。

此外，动态热机械分析仪还可以用于研究材料的热分解性能。

材料的热分解是指在高温下分解为不同组分的过程。

热分析法在材料分析中的应用新进展李波高锦红许祖昊张逸文王帆帆（渭南师范学院化学与材料学院，渭南７１４０００）热分析是指在程序控制（和一定气氛）下，测量物质的某一物理性质与温度或时间关系的一种技术。

利用热分析技术能测定物质的许多特性参数，如热导率、热扩速率、线膨胀系数和比热容等。

热分析技术在２０世纪才开始正式应用于化学领域，最初常应用在无机物领域，随着科学的发展逐渐应用于有机化合物、络合物和高分子领域中，现今已经发展成为一个研究高分子结构与性能关系的主要工具。

随着电子技术的不断发展，使热分析仪器的灵敏度、分辨率、重复性及自动数据处理装置得到了极大的改善，操作趋于简明化，从而推动了热分析技术向更深一层发展，且已广泛应用于无机、有机、高分子化合物、土壤、冶金和地质、轻工、生物和医学、空间技术等领域［１－４］。

本文主要对热分析的基本原理、在各种材料方面的应用及其发展趋势等方面进行了阐述。

１热分析法简介热分析法（ＴＡ）指的是一种在程序控制温度条件下，精确记录试样的物理性质随温度变化的函数关系的技术。

在变温的过程中，物质的物理性质发生改变，其中物理性质包括温度、热量、质量、尺寸等。

热分析方法的种类较多，目前国内外常用的热分析法有热重法（ＴＧ）、差热分析法（ＤＴＡ）、差式扫描量热法（ＤＳＣ）、热机械分析法（ＴＭＡ、ＤＭＡ）等，而最常用的是ＤＴＡ、ＤＳＣ和ＴＧ三种方法［５］。

１．１差热分析法差热分析法在程序控温和一定气氛下，测量试样和参比物温度差与温度或时间关系的技术［６］，在ＤＴＡ曲线中曲线向上表示放热效应，向下表示吸热效应，从该曲线中可得到有关热力学和动力学方面的信息。

其特点是不能表征变化的性质，本质上仍是一种动态量热，测得的结果不同于热力学平衡条件下的测量结果。

在热差分析中，试样与程序温度之间的温度差比其他热分析方法更显著和重要。

此法已广泛应用于建材、冶金、化工、地质、石油，也应用于测定试样在热反应时的特殊温度及放出或吸收的热量。

分体热力学动态分析方法根据国际热热力学动态分析协会(ICTA)的归纳和分类，目前的热热力学动态分析方法共分为九类十七种，常用的热热力学动态分析方法包括热重热力学动态分析法（TG）、差示扫描量热法(DSC)、静态热机械热力学动态分析法(TMA)、动态热机械热力学动态分析(DMTA)、动态介电热力学动态分析(DETA)等，它们分别是测量物质重量、热量、尺寸、模量和柔量、介电常数等参数对温度的函数。

(1) 热重热力学动态分析(TG)热重法(TG)是在程序温度控制下测量试样的质量随温度或时间变化的一种技术。

应用范围：(1)主要研究材料在惰性气体中、空气中、氧气中的热稳定性、热分解作用和氧化降解等化学变化；(2)研究涉及质量变化的所有物理过程，如测定水分、挥发物和残渣、吸附、吸收和解吸、气化速度和气化热、升华速度和升华热、有填料的聚合物或共混物的组成等。

原理详解：样品重量分数w对温度T或时间t作图得热重曲线(TG 曲线)：w = f (T or t)，因多为线性升温，T与t只差一个常数。

TG 曲线对温度或时间的一阶导数dw/dT 或dw/dt 称微分热重曲线(DTG曲线)。

B点Ti处的累积重量变化达到热天平检测下限，称为反应起始温度；C点Tf处已检测不出重量的变化，称为反应终了温度；Ti或Tf亦可用外推法确定，分为G点H点；亦可取失重达到某一预定值(5%、10%等)时的温度作为Ti。

Tp表示最大失重速率温度，对应DTG曲线的峰顶温度。

峰的面积与试样的重量变化成正比。

实战应用：热重法因其快速简便，已经成为研究聚合物热变化过程的重要手段。

影响因素：(a)升温速度：升温速度越快，温度滞后越大，Ti及Tf越高，反应温度区间也越宽。

建议高分子试样为10 K/min，无机、金属试样为10~20K/min；(b)样品的粒度和用量：样品的粒度不宜太大、装填的紧密程度适中为好。

同批试验样品，每一样品的粒度和装填紧密程度要一致；(c)气氛：常见的气氛有空气、O2、N2、He、H2、CO2 、Cl2和水蒸气等。