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摘要：热机械分析是复合材料在受热或变温过程中，复合材料在力学性能和尺寸稳定性发生变化的方法。
公司名称：广州中翔检测技术有限公司www.zhongxiangjc.com
在航空航天领域，热机械分析被用于评估复合材料在极端温度下的热稳定性能，确保飞行器的安全。在汽车行业中，热机械分析在新能源复合材料力学性能中应用也日益增加，可以测定复合材料在受热或者冷却过程中的尺寸变化，从而预测复合材料在实际应用中的表现，如热膨胀引起的结构变形或热应力等问题。在工业生产中，热机械分析被应用于复合材料的质量控制和性能验证。通过对不同批次复合材料的热机械分析测试，企业可以确保产品的一致性和稳定性。热机械分析同时还应用于复合材料的失效分析，帮助识别复合材料性能下降的原因，进而改进生产工艺和材料配方。
复合材料应用范围
一、纤维增强复合材料热机械分析的概念
热机械分析是复合材料在受热或变温过程中，复合材料在力学性能和尺寸稳定性发生变化的方法。
广义的热机械分析：TMA静态热机械分析和DMA动态热机械分析；
狭义的热机械分析：通常特指TMA。这是行业和仪器分类中最常见的用法。在这种情况下，TMA主要对应静态或准静态的测试方法。
二、纤维增强复合材料热机械分析的测试方法
2.1静态热机械分析法TMA
2.1.1静态热机械分析概念以及用途
静态热机械分析是在程序温度控制下（等速升温、降温、恒温或者循环温度），对样品施加恒定静态负荷时，并测量样品尺寸（膨胀、收缩、弯曲）随温度或时间的变化规律，简称TMA。
TMA静态热机械分析仪
由于各种物质随着温度的变化，其力学性能相应的发生变化。因此，热机械分析对研究和测量复合材料的玻璃化温度Tg、流动温度Tf、相转变点、杨氏模量、应力松弛等更具有十分重要的意义。
2.1.2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；
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；
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。测定热变形温度。
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：热膨胀系数（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
（备注：以上设备和夹具配图来至于德国林赛斯官网）
3.2动态热机械分析法DMA
3.2.1动态热机械分析的定义
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。
DMA动态热机械分析仪
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
（备注：以上设备和夹具配图来自于梅特勒托利多官网）
三、纤维增强复合材料热机械分析适用标准：
3.1热机械分析-静态热机械分析-热膨胀系数测试
中国标准：
GB/T 2572-2005纤维增强塑料平均线膨胀系数试验方法；
GB/T 36800-2018塑料热机械分析法；
GB/T 36800.1-2018 塑料 热机械分析法(TMA) 第1部分：通则；
GB/T 36800.2-2018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；
美国标准：
ASTM E831-25通过热机械分析测定固体材料线性热膨胀的标准试验方法；
日本工业标准：
JIS H 7404:1993纤维增强金属中衬里热膨胀系数的试验方法；
JIS K 7197:2015塑料热机械分析法测定线性热膨胀系数；
国际标准：
ISO 11359-2:2021 塑料 - 热机械分析（TMA） - 第2部分：线性热膨胀系数和玻璃化转变温度的测定；
ISO 7820车用复合材料热膨胀系数测试；
ISO 20567-1:2025纤维增强复合材料 - 动态热膨胀性能测定 - 第1部分：周期性温度变化下线性热膨胀系数的测试方法（如碳纤维机翼/尾翼）；
3.2热机械分析-动态热机械分析
美国标准：
ASTM D4065-24塑料动态力学性能的标准测试方法；
ASTM D7028-07(2023)纤维增强聚合物基复合材料动态力学分析；
国际标准：
ISO 6721-1塑料 动态力学性能 第1部分：通则；
ISO 6721-11动态力学性能 第11部分：玻璃化转变温度测定；
公司名称：
广州中翔检测技术有限公司，实验室位于特区深圳，专注于为客户提供金属材料制品，塑料橡胶制品，仓储货架，汽车零部件，轨道交通部件，紧固件，油漆涂料，电子元器件等产品的检验，鉴定，认证及研发等专业技术服务，服务对象涉及基础工业，港口机械，物流仓储，新能源，汽车，电力设施，航空航天及教育科研等领域。中翔检测多年来扎根于珠三角，服务于全国，依托专业的实验室技术人员，先进的检测方法，协助客户解决研发，生产，验收，贸易等多个环节的技术问题。中翔检测作为一家独立，专业，严谨，诚信的第三方检测机构，秉承着为客户提供优质服务的企业理念，是您值得信赖的合作伙伴。