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摘要：坚硬的“玻璃态”向高弹的“橡胶态”转变的温度，称为玻璃化转变温度。
公司名称：广州中翔检测技术有限公司www.zhongxiangjc.com
纤维增强复合材料是由增强纤维材料，如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维以及其他纤维，比方有亚麻、棉或竹纤维等，与基体材料（树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料）等经过缠绕，模压或拉挤等形成的复合材料。因为复合材料轻质高强和轻质高模的优良特性，使其在航空、航天、汽车等领域得到广泛的应用。然而，这些复合材料（高分子聚合物及其衍生材料）的性能在很大程度上受到温度影响，尤其是玻璃化转变温度（Tg）。当使用温度接近或超过 Tg 时，复合材料的力学性能（如模量、强度）会显著下降，尺寸稳定性变差，可能导致结构失效。因此，Tg 是复合材料选择、工艺优化和质量控制的核心参数。
复合材料应用领域
一、纤维增强复合材料玻璃化转变温度含义
坚硬的“玻璃态”向高弹的“橡胶态”转变的温度，称为玻璃化转变温度。
玻璃化转变温度示意图
从图片来分析，高分子聚合物力学性质随温度变化的特征，可以将高分子聚合物按温度区域划分三种状态：玻璃态、高弹态、粘流态。Tg从分子的热运动出发，随着温度的升高，分子热运动能量逐渐增加，当达到某一温度时，虽然整个分子的移动仍不可能，但链段运动被激发，高分子聚合物进入了高弹态。高分子将发生由高弹态向粘流态的转变，其转变温度称为粘流温度Tf。反之，温度降低到一定程度，高聚物由高弹态进入了玻璃态，链段运动停止。在发生玻璃化转变时，复合材料的许多物理性能发生了急剧的变化，比方比热容、弹性模量、热膨胀、介电常数等，利用这些物理性质的显著变化或突变我们就可以测定出复合材料的玻璃化转变区域。
二、纤维增强复合材料玻璃化转变温度测试方法
2.1差示扫描量热法 DSC（差热分析法DTA）
在玻璃化温度时，高聚物得比热客、热膨胀系数、粘度、折光率、自由体积以及弹性模量等都要发生一个突变。DSC/DTC测定玻璃化转变温度Tg就是基于高聚物在玻璃化温度转变时，热容增加这一性质。以DSC为例，当温度逐渐升高，通过高分子聚合物得到玻璃化转变温度时，DSC曲线上得基线向吸热方向移动（见上图）。图中A点就是开始偏离基线得点。将转变前后得基线延长，两线之间得垂直距离为阶差▲J，在▲J/2处可以找到C点，从C点作切线与前基线相交于B点，B点所对应得温度值即为玻璃化转变温度Tg。
2.2热机械分析法
2.2.1静态热机械分析法TMA（温度-变形法）
当复合材料（特别是其基体树脂）通过玻璃化转变时，其热膨胀系数（CTE）会发生显著变化。在玻璃态，链段运动被冻结，CTE较低；进入高弹态后，链段运动被激发，自由体积增加，CTE显著升高。TMA通过高精度探头监测样品尺寸（膨胀、收缩、弯曲等）随温度的变化，从而捕捉到这个CTE的转折点，以此定义Tg。
2.2.2静态热机械分析法测试模式
静态热机械分析法（TMA）的测试模式是由“夹具类型”和与之匹配的“测试目的/样品状态”共同决定的，并通过一组具体的“测试参数”来执行。
1.膨胀模式
加载原理：通过顶杆/探针施加微小恒定力（通常0.01-1N），测量样品长度随温度的变化，计算线性热膨胀系数（CTE）。Tg处因分子链段运动能力剧增，CTE发生突变（如从玻璃态的27.6μm/(m·℃)升至高弹态的101μm/(m·℃)），曲线斜率拐点即为Tg；
测试参数：复合材料线性热膨胀系数、玻璃化转变温度；
样品要求：固体片材、块材、薄膜（需平放于样品台）。
TMA膨胀模式
2.拉伸模式
加载原理：在程序升温过程中，测量拉伸模式下的热膨胀、收缩行为，以及热致应力；
测试参数：复合材料热膨胀系数、弹性模量、玻璃化转变温度、应力松弛；
样品要求：薄膜、纤维、薄片、韧性复合材料带；
应用范围：研究纤维增强复合材料的力学性能、薄膜材料的热收缩特性、橡胶的拉伸强度等。
TMA拉伸模式
3.弯曲模式（三点弯曲）
加载原理：在程序升温过程中，通过弯曲夹具施加微小恒定弯矩，测量样品挠度随温度的变化。Tg处弯曲模量下降，挠度剧增，可区分纤维方向（如0°、45°、90°）的Tg差异。测定复合材料热变形温度。
测试参数：弯曲强度、热膨胀系数、玻璃化转变温度、抗弯性能；
样品要求：细长条状的层压板、模塑料条（如复合材料板材、涂层材料、PCB基板）；
应用范围：评估复合材料板材的耐高温性能、涂层材料的热稳定性、建筑材料的抗弯特性等；
TMA三点弯曲模式
4.穿透模式
加载原理：在程序升温过程中，使用探针施加微小恒定力，测量样品表面形变或穿透深度随温度的变化，适用于薄膜、涂层或软质材料。Tg处探针穿透速率突变，可定位软化点或Tg。测定复合材料热变形温度/维卡软化点；
测试参数：软化点、粘弹性行为、相变温度、蠕变特性；
样品要求：软质复合材料、涂层、树脂浇铸体、预浸料、未完全固化样品；
应用范围：研究橡胶密封件的耐高温性能、粘合剂的固化过程、涂层的热稳定性等。
TMA穿透模式
5.压缩模式
加载原理：当样品在受热时会受到自由膨胀，施加微小恒定压缩力，测量复合材料在温度变化下的尺寸变化；（这个力是一种压缩接触力，其目的是确保探针与样品表面始终保持接触，以跟踪其位移。它不对样品进行力学压缩测试。）
测试参数：复合材料热膨胀系数测试（CTE）、玻璃化转变温度（Tg）、软化点、相变温度、蠕变行为；
样品要求：泡沫芯材、弹性体复合材料、厚向样品；
应用范围：评估电子封装材料的热膨胀匹配性、PCB基板的耐高温性能、汽车内饰塑料的尺寸稳定性等。
TMA压缩模式
2.3动态热机械分析法DMA
在复合材料玻璃化转变温度测试中动态热机械分析（DMA）是一种灵敏度极高、应用广泛的方法，它通过施加周期性机械应力（如拉伸、弯曲、剪切），同步测量复合材料储能模量（E'）、损耗模量（E''）及损耗因子（tanδ=E''/E'）随温度/频率的变化，来表征其玻璃化转变行为。
参数解析：E'反映复合材料弹性刚度，E''体现粘性耗散，tanδ综合表征粘弹性。
2.3.1复合材料动态热机械分析测试模式
复合材料动态热机械分析测试模式主要分为温度扫描、频率扫描、等温频率扫描、应变扫描四大类，每类模式通过不同的力学加载方式（如压缩、弯曲、拉伸、剪切）和参数控制，精准捕捉材料在Tg附近的粘弹性响应。
（1）温度扫描模式：Tg定位的核心手段
测试原理：固定频率（如1Hz），以2-5℃/min升温，同步记录储能模量（E'）、损耗模量（E''）及tanδ（E''/E'）随温度变化曲线。Tg通常对应tanδ峰值温度、E''峰值温度或E'下降至平台值50%的温度。
（2）频率扫描模式：揭示Tg的频率依赖性
测试原理：固定温度，改变频率（0.01-100Hz），研究模量与损耗的频率响应。Tg随频率升高而升高（时温等效原理），高频模拟快速载荷场景（如振动、冲击）。
（3）等温频率扫描模式：阻尼性能的优化工具
测试原理：在特定温度下进行频率扫描，研究材料在恒温下的频率响应，用于减震、阻尼性能分析。
（4）应变扫描模式：确保测试结果的线性粘弹区
测试原理：固定温度与频率，改变应变幅值，研究材料在线性粘弹区（LVE）内的响应，避免非线性效应影响结果。
（5）力学加载方式：压缩、弯曲、拉伸、剪切的具体应用
压缩模式：适用于柔软、粘弹性强、未固化或块状各向同性复合材料，通过平行板压缩夹具测量压缩方向上的模量响应，反映材料在压缩载荷下的抗变形能力。
DMA压缩模式
弯曲模式
三点弯曲：非常适用于极硬的条形样品，比方：复合材料或者热固性塑料，尤其是低于玻璃化转变温度的样品。
单悬臂梁：非常适用于高刚度的材料，包括金属和聚合物。非常适合低于玻璃化转变温度的测量。
双悬臂梁：适用于刚度较低的较软材料，通常是热塑性塑料或热固性塑料。
拉伸模式：适用于纤维、薄膜或各向异性材料（如GFRP），通过拉伸夹具测量拉伸方向上的粘弹性响应，反映拉伸强度、断裂伸长率及分子链取向效应。
DMA拉伸模式
剪切模式：直接测量复合材料的层间剪切性能，特别是其剪切储能模量 (G‘) 和 剪切损耗模量 (G“) 随温度、频率的变化。
DMA剪切模式
2.4物理性质变化方法
2.4.1介电分析（DEA）法
在玻璃化转变过程中由于高分子链段运动的增加，复合材料中的偶极子或离子就有了受电场影响重新排列和消耗能量的可能，复合材料的介电性能发生了很大的变化，因此可通过介电热分析法（DEAL）来确定玻璃化温度。
2.4.2 核磁共振(NMR)法
温度升高后，分子运动加快，质子环境被平均化（处于高能量得带磁矩质子与处于低能量得带磁矩质子在数量上开始接近；N-/N+=e*p(-E/kT）,共振谱线变窄。到玻璃化转变温度，Tg时谱线得宽度有很大得改变。利用这一现象，可以用核磁共振仪，通过分析其谱线得方法获取复合材料的玻璃化转变温度。
2.4.3折光率法
折光率法在玻璃化转变温度测定中的应用是通过测量复合材料在不同温度下的折射率变化来确定其玻璃化转变温度。折光率法利用复合材料在玻璃化转变过程中折射率的变化来检测其物理状态的变化。具体来说，通过测量不同温度下复合材料的折射率，可以得到复合材料在玻璃化转变过程中的折射率变化曲线，这些曲线可以揭示复合材料分子结构的变化，从而帮助我们理解玻璃化转变的机制和规律。
三、纤维增强复合材料玻璃化转变温度测试适用标准：
3.1差示扫描量热法DSC
中国标准：
GB/T 19466.2-2004塑料 差示扫描量热法（DSC） 第2部分：玻璃化转变温度的测定；
GB/T 29611-2013生橡胶 玻璃化转变温度的测定 差示扫描量热法(DSC);
GB/T 22567-2008 电气绝缘材料 测定玻璃化转变温度的试验方法；
美国标准：
ASTM D3418-16用差示扫描量热法测定聚合物转变温度和熔化焓及结晶焓的标准试验方法；
ASTM E1356-23 用差示扫描量热法测定玻璃化转变温度的标准试验方法；
ASTM D6604-00(2017)用差示扫描量热法测定烃树脂玻璃化温度的规程；
ASTM D4591-2017用差示扫描量热法测定氟聚合物转变温度和转变热的标准试验方法；
ASTM D4419-1990(2015)用差示扫描量热法（DSC）测定石油蜡转变温度的标准试验方法；
国际电子工业联接协会应用标准：
IPC-TM-650 2.4.25D:2017 玻璃化转变温度与固化因子的测定——差示扫描量热法（DSC），（备注：印制电路板（PCB）基材（如环氧树脂/玻璃纤维增强的FR-4型板材）的玻璃化转变温度测定；）
国际标准：
ISO 11357-1: 2023塑料 差示扫描量热法（DSC）第1部分: 通则;
ISO 11357-2:2020塑料 差示扫描量热法（DSC）第2部分：玻璃化转变温度的测定；
ISO 22768-2020生橡胶 玻璃化转变温度的测定 差示扫描量热法(DSC);
3.2静态热机械分析法TMA
中国标准：
GB/T 36800.2-2018塑料 热机械分析法 第2部分：线性热膨胀系数和玻璃化转变温度的测定;
美国标准：
ASTM E1545-22使用热机械分析测定玻璃化转变温度的标准试验方法；
ASTM E831-19用热机械分析法测定固体材料线性热膨胀的标准试验方法；
国际标准：
ISO 11359-2:2021塑料 热机械分析法（TMA） 第2部分：线性热膨胀系数和玻璃化转变温度的测定；
3.3动态热机械分析法DMA
中国标准：
GB/T 40396-2021聚合物基复合材料玻璃化转变温度试验方法 动态力学分析法(DMA)；
GB/T 33061.11-2022塑料 动态力学性能的测定 第11部分：玻璃化转变温度；
美国标准：
ASTM D7028-07(2024)用动态力学分析法（DMA）测定聚合物基复合材料的玻璃化转变温度（DMA Tg）的标准试验方法；
国际标准：
ISO 6721-1：塑料动态力学性能的测定第1部分：总则；
ISO 6721-11:2019塑料 动态力学性能的测定 第11部分：玻璃化转变温度；
3.4方法标准
美国复合材料行业的权威标准化组织:
SACMA SRM 18R-94 碳纤维增强复合材料玻璃化转变温度试验方法;
国际电工委员会 / 欧洲电工标准化委员会：
IEC 61006:2004 / EN 61006:2004电气绝缘材料 用热分析法测定玻璃化转变温度的方法；
公司名称：
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