Термический анализ

Термический анализ — это раздел материаловедения , в котором изучаются свойства материалов по мере их изменения с температурой . Обычно используются несколько методов, которые отличаются друг от друга измеряемым свойством:

Диэлектрический термический анализ : диэлектрическая проницаемость и коэффициент потерь
Дифференциальный термический анализ : разница 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 : измеряет модуль упругости (жесткость) и модуль потерь (затухание) в зависимости от температуры, времени и частоты.
Анализ выделяющихся газов : анализ газов, выделяющихся при нагревании материала, обычно продуктов разложения.
Изотермическая титровальная калориметрия
Изотермическая микрокалориметрия
Лазерный импульсный анализ : температуропроводность и теплопроводность
Термогравиметрический анализ : изменение массы в зависимости от температуры или времени.
Термомеханический анализ : изменения размеров в зависимости от температуры или времени.
Термооптический анализ : оптические свойства
Дериватография : комплексный метод термического анализа. ^[1]

Под одновременным термическим анализом обычно понимают одновременное применение термогравиметрии и дифференциальной сканирующей калориметрии к одному и тому же образцу в одном приборе. Условия испытаний совершенно идентичны для сигналов термогравиметрического анализа и дифференциальной сканирующей калориметрии (одинаковая атмосфера, скорость потока газа, давление пара образца, скорость нагрева, термический контакт с тиглем образца и датчиком, радиационное воздействие и т. д.). Собранную информацию можно даже улучшить, подключив прибор для одновременного термического анализа к усовершенствованному газоанализатору, такому как инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье или масс-спектрометрия .

Другие, менее распространенные методы измеряют излучение звука или света образцом, электрический разряд диэлектрического материала или механическую релаксацию в нагруженном образце. Суть всех этих методов заключается в том, что реакция образца регистрируется как функция температуры (и времени).

Обычно температуру контролируют заданным способом – либо путем непрерывного повышения или понижения температуры с постоянной скоростью (линейный нагрев/охлаждение), либо путем проведения серии определений при разных температурах (ступенчатые изотермические измерения). Были разработаны более совершенные температурные профили, в которых используется колеблющаяся (обычно синусоидальная или прямоугольная) скорость нагрева (термический анализ с модулированной температурой) или модифицируется скорость нагрева в ответ на изменения свойств системы (термический анализ с контролем образца).

Помимо контроля температуры образца, важно также контролировать окружающую среду (например, атмосферу). Измерения можно проводить на воздухе или в среде инертного газа (например, азота или гелия). Также использовались восстановительные или реактивные атмосферы, а измерения проводились даже 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 считать под эгидой термического анализа.

В атомно-силовой микроскопии используется тонкая игла для картирования топографии и механических свойств поверхностей с высоким пространственным разрешением. Контролируя температуру нагретого наконечника и/или образца, можно провести термический анализ с пространственным разрешением.

Термический анализ также часто используется как термин для изучения теплопередачи через конструкции. Многие из основных инженерных данных для моделирования таких систем получены из измерений теплоемкости и теплопроводности .

Полимеры

Полимеры представляют собой еще одну обширную область, в которой термический анализ находит широкое применение. Термопластичные полимеры обычно встречаются в повседневной упаковке и предметах домашнего обихода, но для анализа сырья влияние многих используемых добавок (включая стабилизаторы и красители) и точную настройку используемой обработки формования или экструзии можно достичь с помощью дифференциального метода. сканирующая калориметрия. Примером является время индукции окисления с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии, которая может определить количество стабилизатора окисления, присутствующего в термопластическом (обычно полиолефиновом) полимерном материале. Композиционный анализ часто проводится с использованием термогравиметрического анализа, который позволяет отделить наполнители, полимерную смолу и другие добавки. Термогравиметрический анализ также может указать на термическую стабильность и влияние добавок, таких как антипирены. (См. JHFlynn, LAWall J.Res.Nat.Bur. Standerds, General Treatment of Thermogravimetry of Polymers Part A, 1966 V70A, No5 487)

Термический анализ композиционных материалов, таких как композиты из углеродного волокна или стеклоэпоксидные композиты, часто проводится с использованием динамического механического анализа, который позволяет измерить жесткость материалов путем определения модуля и демпфирующих (поглощающих энергию) свойств материала. Аэрокосмические компании часто используют эти анализаторы для повседневного контроля качества, чтобы гарантировать, что производимая продукция соответствует требуемым характеристикам прочности. Аналогичные требования предъявляются и к производителям гоночных автомобилей Формулы-1. Дифференциальная сканирующая калориметрия используется для определения свойств отверждения смол, используемых в композиционных материалах, а также может подтвердить, можно ли отверждать смолу и сколько тепла выделяется во время этого процесса. Применение прогнозного кинетического анализа может помочь в точной настройке производственных процессов. Другим примером является то, что термогравиметрический анализ может использоваться для измерения содержания волокон в композитах путем нагревания образца для удаления смолы путем применения тепла и последующего определения оставшейся массы.

Металлы

Производство многих металлов ( чугуна , серого чугуна , ковкого чугуна , чугуна с уплотненным графитом , алюминиевых сплавов серии 3000 , медных сплавов , серебра и сложных сталей ) осуществляется с помощью технологии производства, также называемой термическим анализом. ^[2] Образец жидкого металла вынимают из печи или ковша и переливают в чашку для образца со встроенной в нее термопарой. Затем контролируют температуру и остановки фазовой диаграммы ( ликвидус , эвтектика и солидус отмечают ). На основе этой информации можно рассчитать химический состав на основе фазовой диаграммы или оценить кристаллическую структуру отлитого образца, особенно для морфологии кремния в доэвтектических литых сплавах Al-Si. ^[3] Строго говоря, эти измерения представляют собой кривые охлаждения и форму контролируемого термического анализа образца, при котором скорость охлаждения образца зависит от материала чашки (обычно связанного песка) и объема образца, который обычно является постоянным из-за использования чашек для образцов стандартного размера. . Для обнаружения фазовой эволюции и соответствующих характеристических температур кривую охлаждения и кривую ее первой производной следует рассматривать одновременно. Исследование кривых охлаждения и производных кривых проводится с использованием соответствующего программного обеспечения для анализа данных. Процесс состоит из построения графика, сглаживания и подбора кривой, а также определения точек реакции и характерных параметров. Эта процедура известна как компьютерный термический анализ кривой охлаждения. ^[4]

В передовых методах используются дифференциальные кривые для определения эндотермических точек перегиба, таких как газовые дыры и усадка, или экзотермических фаз, таких как карбиды, бета-кристаллы, межкристаллическая медь, силицид магния, фосфид железа и другие фазы по мере их затвердевания. Пределы обнаружения составляют от 0,01% до 0,03% объема.

Кроме того, интегрирование площади между нулевой кривой и первой производной является мерой удельной теплоемкости той части затвердевания, которая может привести к приблизительным оценкам процентного объема фазы. (Необходимо либо знать, либо предполагать что-то относительно удельной теплоемкости фазы по сравнению с общей удельной теплоемкостью.) Несмотря на это ограничение, этот метод лучше, чем оценки двумерного микроанализа, и намного быстрее, чем химическое растворение.

Продукты питания

Большинство пищевых продуктов подвергаются изменениям температуры во время производства, транспортировки, хранения, приготовления и потребления, например, при пастеризации , стерилизации , выпаривании , варке , замораживании , охлаждении и т. д. Изменения температуры вызывают изменения физических и химических свойств пищевых компонентов, которые влияют на общие свойства конечного продукта, например, вкус, внешний вид, текстуру и стабильность. химические реакции, такие как гидролиз , окисление или восстановление Могут ускоряться , или могут происходить физические изменения, такие как испарение, плавление , кристаллизация , агрегация или гелеобразование. Лучшее понимание влияния температуры на свойства пищевых продуктов позволяет производителям продуктов питания оптимизировать условия обработки и улучшить качество продукции. Поэтому для ученых-пищевиков важно иметь аналитические методы для мониторинга изменений, которые происходят в пищевых продуктах при изменении их температуры. Эти методы часто объединяют под общим заголовком термического анализа. В принципе, большинство аналитических методов можно использовать или легко адаптировать для мониторинга температурно-зависимых свойств пищевых продуктов, например, спектроскопические. ядерный магнитный резонанс , УФ -видимый, инфракрасная спектроскопия , флуоресценция ), рассеяние ( света , рентгеновских лучей , нейтронов ), физическое (масса, плотность, реология , теплоемкость ) и т. д. Тем не менее, в настоящее время термин термический анализ обычно откладывают для обозначения узкий набор методов, позволяющих измерять изменения физических свойств пищевых продуктов в зависимости от температуры (ТГ/ДТГ, ^{[ нужны разъяснения ]} дифференциальный термический анализ, дифференциальная сканирующая калориметрия и температура перехода).

Печатные платы

Рассеяние мощности является важной проблемой в современных печатных платах. ^{[ нужны разъяснения ]} дизайн. Рассеяние мощности приведет к разнице температур и создаст тепловую проблему для чипа. Помимо проблемы надежности, избыточное тепло также отрицательно влияет на электрические характеристики и безопасность. Поэтому рабочая температура ИС должна поддерживаться ниже максимально допустимого предела наихудшего случая. Обычно температуры перехода и окружающей среды составляют 125 °C и 55 °C соответственно.Постоянно уменьшающийся размер чипа приводит к концентрации тепла на небольшой площади и приводит к высокой плотности мощности. Кроме того, более плотная сборка транзисторов в монолитном кристалле и более высокая рабочая частота приводят к ухудшению рассеиваемой мощности. Эффективное отведение тепла становится важнейшей проблемой, которую необходимо решить.

Ссылки

^ Паулик, Ф; Паулик, Дж; Эрдей, Л. (1966). «Дериватография: комплексный метод термического анализа». Таланта . 13 (10): 1405–30. дои : 10.1016/0039-9140(66)80083-8 . ПМИД 18960022 .
^ Эмади, Д; Л.В. Уайтинг; С. Нафиси; Р. Гомаши (2005). «Применение термического анализа в контроле качества процессов затвердевания». Журнал термического анализа и калориметрии . 81 (1): 235–242. дои : 10.1007/s10973-005-0772-9 . S2CID 96442065 .
^ Фарахани, Саид; Али Урджини; Мохд Хасбулла Идрис (2012). «Использование компьютерного термического анализа кривой охлаждения для оптимизации эвтектического рафинера и модификатора в сплавах Al – Si». Журнал термического анализа и калориметрии . 109 (1): 105–111. дои : 10.1007/s10973-011-1708-1 . S2CID 138476636 .
^ Шабестари, СГ; Идрис, Миннесота; Урджини, А.; Фарахани, С. (ноябрь 2013 г.). «Компьютерный термический анализ кривой охлаждения почти эвтектического сплава Al – Si – Cu – Fe». Журнал термического анализа и калориметрии . 114 (2): 705–717. дои : 10.1007/s10973-013-3005-7 . S2CID 94656052 .

Рамос-Санчес, MC; Рей, Ф.Дж.; Родригес, ML; Мартин-Хиль, Ф.Дж.; Мартин-Хиль, Дж. (1988). «Исследования DTG и DTA типичных сахаров». Термохимика Акта . 134 : 55–60. дои : 10.1016/0040-6031(88)85216-X .

Внешние ссылки

[1] Паулик, Ф; Паулик, Дж; Эрдей, Л. (1966). «Дериватография: комплексный метод термического анализа». Таланта . 13 (10): 1405–30. дои : 10.1016/0039-9140(66)80083-8 . ПМИД 18960022 .

[2] Эмади, Д; Л.В. Уайтинг; С. Нафиси; Р. Гомаши (2005). «Применение термического анализа в контроле качества процессов затвердевания». Журнал термического анализа и калориметрии . 81 (1): 235–242. дои : 10.1007/s10973-005-0772-9 . S2CID 96442065 .

[3] Фарахани, Саид; Али Урджини; Мохд Хасбулла Идрис (2012). «Использование компьютерного термического анализа кривой охлаждения для оптимизации эвтектического рафинера и модификатора в сплавах Al – Si». Журнал термического анализа и калориметрии . 109 (1): 105–111. дои : 10.1007/s10973-011-1708-1 . S2CID 138476636 .

[4] Шабестари, СГ; Идрис, Миннесота; Урджини, А.; Фарахани, С. (ноябрь 2013 г.). «Компьютерный термический анализ кривой охлаждения почти эвтектического сплава Al – Si – Cu – Fe». Журнал термического анализа и калориметрии . 114 (2): 705–717. дои : 10.1007/s10973-013-3005-7 . S2CID 94656052 .

[1]

[2]

[3]

[4]