熱機(jī)械分析是在程序控溫非振動(dòng)負(fù)載下(形變模式有膨脹、壓縮、針入、拉伸或彎曲等不同形式)，測(cè)量試樣形變與溫度關(guān)系的技術(shù)，使用這種技術(shù)測(cè)量的儀器就是熱機(jī)械分析儀(Thermomechanical analyzer-TMA)。

　　熱機(jī)械分析儀的結(jié)構(gòu)如圖所示。試樣探頭上下垂直移動(dòng)，探頭上的負(fù)載由力發(fā)生器產(chǎn)生，探頭由固定在其上面的懸臂梁和螺旋彈簧支撐，通過加馬力馬達(dá)對(duì)試樣施加載荷，位移傳感器測(cè)量探頭的位置。探頭直接放置于試樣上，或者放置于試樣上的石英圓片上;測(cè)量試樣溫度的熱電偶置于試樣下。

熱機(jī)械分析儀結(jié)構(gòu)示意圖

1.氣體出口旋塞;2.螺紋夾;3.爐體加熱塊;4.水冷爐體加套;5.試樣支架;6.爐溫傳感器;7.試樣溫度傳感器;8.反應(yīng)氣體毛細(xì)管;9.測(cè)量探頭;10.墊圈;11.恒溫測(cè)量池;12.力發(fā)生器;13.位移傳感器(LVDT);14.彎曲軸承;15.校正砝碼;16.保護(hù)氣進(jìn)口;17.反應(yīng)氣進(jìn)口;18.真空連接與吹掃氣入口;19.冷卻水;20.試樣

　　TMA的核心部件是LVDT位移傳感器，LVDT(Linear Variable Differential Transformer)是線性可變差動(dòng)變壓器縮寫,屬于直線位移傳感器。LVDT的結(jié)構(gòu)由鐵心、銜鐵、初級(jí)線圈、次級(jí)線圈組成。初級(jí)線圈、次級(jí)線圈分布在線圈骨架上，線圈內(nèi)部有一個(gè)可自由移動(dòng)的桿狀銜鐵。當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)，兩個(gè)次級(jí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相等，這樣輸出電壓為0;當(dāng)銜鐵在線圈內(nèi)部移動(dòng)并偏離中心位置時(shí)，兩個(gè)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不等，有電壓輸出，其電壓大小取決于位移量的大小。為了提高傳感器的靈敏度，改善傳感器的線性度、增大傳感器的線性范圍，設(shè)計(jì)時(shí)將兩個(gè)線圈反串相接、兩個(gè)次級(jí)線圈的電壓極性相反，LVDT輸出的電壓是兩個(gè)次級(jí)線圈的電壓之差，這個(gè)輸出的電壓值與鐵心的位移量成線性關(guān)系。線圈系統(tǒng)內(nèi)的鐵磁芯與測(cè)量探頭連接，產(chǎn)生與位移成正比的電信號(hào)。電磁線性馬達(dá)可消除部件的重力，保證探頭傳輸希望的力至試樣。使用的力通常為0~1N。

TMA常用測(cè)量模式示意圖

壓縮或膨脹

　　兩面平行的試樣上覆蓋一片石英玻璃圓片，以使壓縮應(yīng)力均勻分布。膨脹測(cè)試時(shí)，作用在圓柱體試樣上力僅產(chǎn)生很小的壓縮應(yīng)力。

針入模式

　　這種模式通常用來測(cè)定試樣在負(fù)載下軟化或形變開始的溫度。通常用球點(diǎn)探頭作針入測(cè)試，開始時(shí)球點(diǎn)探頭僅與試樣上的很小面積接觸，加熱時(shí)如果試樣軟化，則探頭逐漸深入試樣，接觸面積增大，形成球星凹痕，導(dǎo)致測(cè)試過程中壓縮應(yīng)力下降。

三點(diǎn)彎曲

　　這種模式非常適合在壓縮模式中不會(huì)呈現(xiàn)可測(cè)量形變的硬材料如纖維增強(qiáng)塑料或金屬。

拉伸模式

　　適合薄膜或纖維。

典型的TMA測(cè)量曲線

熱膨脹系數(shù)測(cè)量曲線

　　熱膨脹系數(shù)(coefficient of thermal expansion，CTE)也簡(jiǎn)稱為膨脹系數(shù)。

　　大多數(shù)材料在加熱時(shí)膨脹。線膨脹系數(shù)α定義如下：

式中，dL為由溫度變化dT引起的長(zhǎng)度變化;L0為溫度T0(通常為室溫25℃)時(shí)的原始長(zhǎng)度;α單位為10-6K-1。

玻璃化轉(zhuǎn)變的TMA測(cè)量曲線

　　測(cè)定玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是TMA最常進(jìn)行的測(cè)試之一。在玻璃化轉(zhuǎn)變處，由于熱膨脹系數(shù)增大，導(dǎo)致膨脹測(cè)量曲線斜率明顯增大。通過外推兩段具有不同斜率熱膨脹系數(shù)曲線所得到的焦點(diǎn)，即為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。

測(cè)量楊氏模量的DLTMA曲線

　　如果采用振動(dòng)負(fù)載，即負(fù)載呈周期性變化，則稱為動(dòng)態(tài)負(fù)載熱機(jī)械分析(dynamic load thermomechanical analysis-DLTMA)，該模式為TMA的擴(kuò)展功能，可測(cè)量試樣的楊氏模量。如果能確保在測(cè)試過程中施加在整個(gè)試樣上的機(jī)械應(yīng)力相同，就可由DLTMA曲線測(cè)定楊氏模量(彈性模量)。

　　從原理上來說，DLTMA曲線類似于DMA曲線，傅里葉分析可得到應(yīng)力應(yīng)變之間的關(guān)系，可將復(fù)合模量分成儲(chǔ)能模量和損耗模量。然而由于若干原因，這些計(jì)算并不準(zhǔn)確，特別是用彎曲模式。因此，若想測(cè)定儲(chǔ)能模量和損耗模量，最好用動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析DMA。