德國耐馳熱分析儀對金屬與合金應用案列

測試金屬和合金的熔融、結(jié)晶、玻璃化轉(zhuǎn)變、相變以及比熱值等重要的物理化學性能，結(jié)合適當?shù)母郊渲?，還可以測試氧化、還原、腐蝕、磁性變化；精確測試熱膨脹系數(shù)及相變金屬、金屬熔體的導熱系數(shù)。

DSC快速升溫對熱效應的影響

升溫速率對DSC結(jié)果有著很大影響。快速升溫可以顯著放大熱效應，同時特征溫度也會往高溫方向遷移。

7.42mg PET樣品在DSC 214 Polyma上以不同升溫速率（10K/min … 100K/min）進行測試，升溫段之間的降溫速率控制在30K/min以便產(chǎn)生相同的熱歷史。圖1是DSC測試曲線。

10K/min的DSC升溫曲線上（紫色），在77.5°C處出現(xiàn)PET玻璃化轉(zhuǎn)變吸熱臺階，在146.8°C處出現(xiàn)PET后結(jié)晶放熱峰，最終在248.3°C處熔融。同樣現(xiàn)象也出現(xiàn)在升溫速率20K/min到50K/min的測試曲線上。隨著升溫速率增加，玻璃化轉(zhuǎn)變臺階變得更高更寬，結(jié)晶峰和熔融峰也是如此，甚至兩者逐漸發(fā)生部分重疊跡象。此外，玻璃化轉(zhuǎn)變、結(jié)晶和熔融峰值都向高溫方向遷移。

當以100K/min（紅色）升溫時，DSC曲線上沒有出現(xiàn)后結(jié)晶峰，很可能是升溫速率太快，后結(jié)晶的動力學效應被抑制，材料來不及結(jié)晶。

PbTe-Ge和PbTe-Ge1-xSix合金導熱系數(shù)的測量

在碲化鉛材料PbTe-Ge和PbTe-Ge1-xSix中，通過調(diào)整Ge和Si的含量可以很容易調(diào)節(jié)合金的導熱系數(shù)。

右圖結(jié)果是在25oC到320oC溫度范圍內(nèi)獲得。圖A顯示Ge不同的含量對PbTe的晶格導熱系數(shù)有很大的影響。在整個溫度范圍內(nèi)，隨著Ge含量的降低，晶格導熱系數(shù)降低。另外，在上述體系加入Si元素后，晶格導熱系數(shù)進一步降低（圖B）。當Ge和Si的混合比例不變，將Ge0.8Si0.2含量降低時，可以看到類似的行為(圖C)。圖D顯示當Ge-/Ge- si的比例為5%時能夠得到最佳晶格導熱系數(shù)。

用于牙科合金鑄造的模具材料膨脹測試

鑄造貴金屬在牙科中的應用是一個醫(yī)學中正在發(fā)展的領(lǐng)域。因為金屬具有很好的穩(wěn)定性、生物相容性和耐用性，越來越多的人使用金屬修補牙齒。但是貴金屬價格高，且生成過程要求嚴苛，如果模具的膨脹性能與金屬材料的不匹配，牙體種植時其形狀就無法精確控制，因此模具材料的膨脹性能測試對于鑄造產(chǎn)品至關(guān)重要。

圖中展示了兩種不同類型的鑄造材料的熱膨脹系數(shù)曲線。兩種材料在200-600°C間具有明顯不同的膨脹行為，這主要是由于兩種材料中組分不同造成的。1#（藍色曲線）樣品含有較低含量的白硅石和較高含量的石英石，而2#（紅色曲線）樣品中含有較高含量的白硅石（導致200-300°C間較高的膨脹系數(shù)）和較低含量的石英石。因此通過膨脹儀可以很方便的檢測出不同樣品間結(jié)構(gòu)組分的差異。

氧敏感材料的相變測試

金屬合金γ-TiAl具有耐腐蝕，耐高溫和低比重等優(yōu)異性能，但是它對氧氣非常敏感，因此DSC測試時需要非常純凈的惰性氣氛。另外選用合適的坩堝才能獲得可靠的結(jié)果，金屬坩堝具有很好的導熱性能和低時間常數(shù)，但是高溫下會與合金發(fā)生反應或粘連，不適合于金屬樣品的測試。為綜合Pt坩堝的優(yōu)點并避免樣品與Pt坩堝反應，耐馳推出了一種特殊制作的Pt+Al2O3內(nèi)襯坩堝，以方便進行金屬及其合金的DSC測試。

另外，還可以配備除氧附件（OTS系統(tǒng)，見圖1）以去除儀器中參與的痕量氧氣，使用OTS附件后，儀器中殘余氧氣濃度小于1ppm，獲得更好的測試結(jié)果。

DSC 404 F3 Pegasus和STA 449 F3 Jupiter具有真空密閉設計，可以配備多種不同的傳感器和坩堝，可以完成所有復雜的DSC和TG測試（包括氧敏感材料）。

γ-TiAl 樣品的STA測試結(jié)果，所使用儀器為STA 449 F3 Jupiter，坩堝為Pt+Al2O3內(nèi)襯坩堝。圖中DSC曲線顯示在1323℃時樣品發(fā)生α2àα轉(zhuǎn)變的吸熱反應，在1476℃，樣品發(fā)生αàβ相變，隨后樣品發(fā)生熔融。整個過程中未發(fā)現(xiàn)樣品氧化（TG沒有重量變化，DSC沒有額外的熱效應），說明儀器具有很好的氣密性，且所選坩堝適合此次測試。

鈦合金高溫比熱測量

鈦合金是由鈦和其他金屬元素混合所形成的一類金屬材料，在高溫下具有較高的拉伸強度和韌性，而且質(zhì)輕、抗腐蝕和耐高溫性能非常優(yōu)異。然而，較高的原材料和加工成本使得它僅限用于軍事、飛機、航空、醫(yī)療、運動器材和消費電子產(chǎn)品。添加超過10wt%的鉻可以提高鈦合金的抗灼燒性能，當鉻含量超過15%時，可以使得它在航空發(fā)動機環(huán)境下抵抗510°C的高溫。某些合金經(jīng)過快速冷卻后可以形成部分無定形結(jié)構(gòu)。

鈦-鉻合金從室溫到1525°C下的表觀比熱曲線。在723°C，比熱曲線上疊加了無定形部分的冷結(jié)晶峰，在1211°C出現(xiàn)寬廣的吸熱峰，這是αàβ相轉(zhuǎn)變過程。合金的熔融發(fā)生在1400°C，熱焓為282.3J/g。即使在熔融液相區(qū)，也沒有發(fā)現(xiàn)由于氧化造成的比熱曲線下降趨勢，而這一切必須是在極其純凈的氣氛和特殊的坩堝組合（帶氧化釔涂層）下才能得以實現(xiàn)。

DMA 鑒別硅橡膠老化程度

有機硅材料主要由硅油、硅橡膠、硅樹脂和硅烷偶聯(lián)劑四大類構(gòu)成，硅橡膠是有機硅產(chǎn)品中產(chǎn)量最大、應用最為廣泛的一大類產(chǎn)品，其主要組成是高摩爾質(zhì)量的線型聚硅氧烷。由于 Si-O-Si 鍵是其構(gòu)成的基本鍵型，硅原子主要連接甲基，側(cè)鏈上引入極少量的不飽和基團，分子間作用力小，分子呈螺旋狀結(jié)構(gòu)，甲基朝外排列并可自由旋轉(zhuǎn)，因此硅橡膠硫化后具有優(yōu)異的耐高低溫、耐候、憎水、電氣絕緣性、生理惰性等特點，在汽車、航空航天、擠出成型制品、墊片和密封、醫(yī)療器械、辦公設備、電力設備、防護設備、運動器材、玩具、電線電纜等行業(yè)領(lǐng)域中獲得了廣泛應用。

硅橡膠分子主鍵由硅原子和氧原子交替組成（-Si-O-Si-）的硅氧鍵鍵能高達 370 KJ/mol，比一般橡膠的碳-碳結(jié)合鍵能 240 KJ/mol 要大得多，這是硅橡膠具有很高熱穩(wěn)定性的主要原因之一。另外，由于硅橡膠是一種由填料增強硅基聚合物制成的無機合成彈性體，它實現(xiàn)了有機彈性體的化學和機械性質(zhì)的組合，硅橡膠的典型特點總結(jié)如下：

1）在惡劣環(huán)境下有著更長的使用壽命，材料性能受天氣氣候（如雨、雪、潮濕、臭氧、太陽紫外線

等）的影響很小，而有機彈性體長時間暴露于該類環(huán)境下可能會變脆；

2）更加寬廣的使用溫度范圍如從-100 至 300 多度， 有機彈性體在溫度超過 100℃時會發(fā)生軟化和

不可逆的變形，在溫度低于 25℃時會變脆；

3）暴露在惡劣的環(huán)境應力下（如熱、冷、潮濕、油、臭氧和紫外線）仍保持良好的電氣絕緣性能； 4）在較寬的溫度范圍內(nèi)能夠保持其自然的柔韌性和彈性（抗壓縮變形）； 5）具有良好的密封性能；

6）化學惰性、無味，可與許多食品接觸；

7）較寬的硬度范圍（從邵氏 A 10～80），較寬的顏色選擇范圍（從透明到亮麗色彩）；

8）具有較高的流動性，易于制造、加工；

在眾多有機硅材料中，有機硅密封膠在日常生活中也是隨處可見，其典型應用就是玻璃幕墻，例如用有機硅結(jié)構(gòu)膠粘接玻璃等建筑外墻材料，用有機硅耐候膠作防水密封，還可用于房屋的表面修復，高速公路的接縫密封以及水庫、橋梁的嵌縫密封等。本文利用耐馳動態(tài)熱機械分析儀 DMA 242C 來研究用于幕墻密封的硅酮結(jié)構(gòu)膠在熱老化前后的性能差異。

MA 242C 采用剪切模式測試得到的圖譜。存儲剪切模量 G’在-125℃ 左右的下降臺階為硅橡膠的玻璃化轉(zhuǎn)變，同樣對于損耗剪切模量 G"和損耗因子 Tan δ 曲線，在-120℃ 附近出現(xiàn)一個向上的峰。G’在 -53℃ 左右出現(xiàn)明顯的模量下降臺階，此處為硅橡膠中晶體部分的熔融，同樣對于 G"和 Tan δ 曲線分別在 -43℃ 和 -22℃ 處出現(xiàn)對應于此熔融過程一個向上的峰。（注：圖 1 中實線為 G’,虛線為 G"）

OTS 應用實例

金屬或合金樣品的熔融或相變溫度通常都比較高（1000℃以上），而且這類樣品在高溫下極易被氧化，采用高溫 DSC 進行測試時，如何避免氧化是測試此類樣品的關(guān)鍵。首先爐體要有非常好的密閉性，其次儀器要配備真空裝置，測試前采用預抽真空加惰性氣氛（對于合金類樣品，建議用氬氣）置換的方式除掉爐腔內(nèi)的氧氣，保證爐腔內(nèi)為惰性氣氛。

但是由于測試時采用的惰性吹掃氣并非絕對純凈（大多為 99.99%或 99.999%），有些樣品在僅滿足上述兩點的情況下還是存在氧化問題。為了避免吹掃氣中微量氧雜質(zhì)對樣品的氧化，耐馳公司配備了專門用于吸附吹掃氣中少量氧氣的除氧附件—OTS，如圖 1 所示，測試時將金屬的吸氧環(huán)置于防輻射屏上、坩堝下方，吹掃氣由爐體底部進入、往上流動至樣品區(qū)時會先經(jīng)過吸氧環(huán)，吸氧環(huán)優(yōu)先與其中的氧氣發(fā)生反應，使氧氣無法達到樣品區(qū)域。

純鎳樣品在加 OTS 和不加 OTS 狀態(tài)下分別測試的結(jié)果，不使用 OTS 時（紅色線），樣品質(zhì)量從 1200℃開始逐漸增加，從 DSC 曲線看，樣品的熔融起始溫度為 1442.5℃，熔融熱焓為 275J/g。使用 OTS 時（綠色線），樣品沒有出現(xiàn)增重現(xiàn)象，DSC 曲線顯示樣品熔融起始為 1455.7℃（理論熔融起始溫度為 1455℃），熔融熱焓為 290J/g（理論熔融熱焓為 299.8J/g）。對比可知，樣品在氧化狀態(tài)下所測的熔融起始溫度和熔融熱焓都偏低（由于氧化物雜質(zhì)的存在），未被氧化狀態(tài)下測得的起始

溫度和熔融熱焓更接近理論值。

為了進一步驗證 OTS 的效果，在使用 OTS 和不使用 OTS 的情況下分別測試了含鎳生鐵樣品，結(jié)果如圖 3 所示。其中藍色線為不使用 OTS 時樣品的質(zhì)量變化，室溫至 1050℃樣品有 0.658%的氧化增重。紅色線為使用 OTS 時樣品的質(zhì)量變化，從室溫到 1050℃樣品質(zhì)量幾乎沒有變化（失重0.01%）。

通過上述兩次實驗證實，利用 OTS 可有效防止樣品的氧化，這對易被氧化的合金類樣品的高溫測試非常有意義。

純鉬的高溫比熱測試

鉬合金具有耐高溫、耐腐蝕、高強度，同時鉬與鎢的性質(zhì)非常相近，其沸點和導電性能突出、熱膨脹系數(shù)小、易于加工，使得它在機械制造、高溫熱處理、以及激光、電子束、高能轟擊材料、電極材料等方面有廣泛的用途。金屬鉬熔點約 2600℃，雖然鉬的熔點比鎢、鉭低，但密度卻比它們小得多，所以鉬的比強度（強度/密度）大于鎢、鉭等金屬，在對重量要求嚴格的關(guān)鍵場合，更為有效。

此外，鉬的抗高溫氧化性能較差。在常溫下鉬在空氣或水中都是穩(wěn)定的，當溫度達到 400℃時開始發(fā)生輕微的氧化，當達到 600℃后則發(fā)生劇烈的氧化而生成 MoO3，在 1200℃時易與 N2發(fā)生反應形成鉬的氮化物。由于鉬金屬常用于高溫場合，所以多采用涂層如涂 MoSi2、鍍鎳、鍍鉻等辦法控制。

由于純鉬在高溫下對氧比較敏感，如果發(fā)生氧化其比熱值將發(fā)生明顯增大。金屬鉬在室溫下的比熱約 0.25 J/g*k，在 1100℃下約為 0.32 J/g*K。由于 Netzsch STA449C 同步熱分析儀具備高度真空密閉系統(tǒng)和自動真空置換氣體操作，能夠提供高純凈度的惰性氣氛（Ar），使得在高溫下準確測量純鉬的比熱值成為可能。

純鉬在 Ar 氣氛下測試得到的 100~1500℃范圍內(nèi)的比熱值。與文獻值比較，其標準偏差在 ±3%以內(nèi)，精確度較高。

鎳基合金Inconel 600的比熱測量

Inconel合金屬于非磁性鎳基超合金，比如Inconel 600是由72%鎳、16%鉻和8%鐵組成。提高Inconel 600合金中的鉻含量，可以顯著提升它的抗氧化性能，而提高鎳含量，可以得到更強的抗腐蝕性能。Inconel合金即使在高溫下也具有較高的抗氧化性、耐腐蝕性和機械強度。因此它常被用在條件要求苛刻的場合，比如飛機引擎、渦輪增壓器葉片、化學壓力容器等。Inconel 600和800也可用于CANDU坎杜核反應器的壓力管，此外，Inconel 600也是具有國際機構(gòu)頒發(fā)證書的熱傳導標準物質(zhì)。

對Inconel合金進行6次重復性測試，相互之間的結(jié)果偏差處于± 2%，符合設備的典型重復性范圍。在較低溫度下，比熱呈近似線性地增加，在550～700°C范圍，出現(xiàn)吸熱臺階，這是由于形成Ni3Cr晶簇的緣故（Richter與Born，2004，有報道）。但必須指出的是，材料真實的比熱實際上疊加了一個相轉(zhuǎn)變過程，因此，測量值僅代表材料在該溫度下的表觀比熱值。

鎳基高溫合金Inconel 600

Inconel合金是一類非鐵磁性的鎳基高溫合金。Inconel 600含有72%的鎳、16%的鉻和8%的鐵，其中較高的鉻含量使其具有很好的抗氧化性能，同時較高的鎳含量使其在還原性條件下具有很好的抗腐蝕性能。綜合來看，Inconel 600具有很好的抗氧化化和抗腐蝕性能，同時它也具有很好的機械強度，因此它常常使用在條件下，例如用作飛機發(fā)動機部件、渦輪增壓器、化學加工和壓力容器等。Inconel 600和800也用于CANDU核反應堆的壓力管，另外，Inconel 600 也是一種導熱測試的標樣材料。

Inconel合金在-125-1000℃間6次重復測試的結(jié)果。在不同溫度范圍內(nèi)使用不同的爐體進行測試（-125-25℃和25-1000℃）。不同測試的誤差為±2%，在儀器測試精度范圍內(nèi)。樣品熱擴散系數(shù)的最小值出現(xiàn)在溫度略低于0℃時，這可能因為在此溫度下樣品的磁性發(fā)生變化。樣品在500℃和700℃時，因形成NiCr3導致熱擴散系數(shù)發(fā)生突變，除去此部分的突變，在其他溫度范圍內(nèi)，樣品的熱擴散系數(shù)隨著溫度的升高線性增加。

鉬比熱測試

鉬是一種稀土金屬。純鉬具有銀白色金屬光澤，硬度很高，具有的熔點（2623℃）。超過2/3的金屬鉬用于合金制備，例如高強度合金和高溫不銹鋼。特殊的含鉬合金（如哈氏合金）具有很好的耐熱性和耐腐蝕性。鉬可以用于飛機和的零部件，在核工業(yè)中也有很廣的應用，鉬還是石油工業(yè)中的催化劑，特別是石油產(chǎn)品的脫硫處理過程。鉬也可用于電子產(chǎn)品中，如薄膜晶體管中的導電金屬層。

純鉬樣品在室溫到1400°C間的比熱測試結(jié)果，圖中可以看出，樣品的比熱隨著溫度的升高增大，整個溫度范圍內(nèi)沒有其他效應的影響，與理論預期結(jié)果一致。金屬鉬在高溫下很容易氧化，因此測試時需保證環(huán)境氣氛的純凈，圖中可以看出，DSC404測試過程中樣品沒有發(fā)生氧化，這說明儀器具有很好的氣密性，可以保證測試過程中純凈的惰性氣氛。

冷鍛鐵退火過程測量

鍛造是金屬塑性成形工藝其中的一種。傳統(tǒng)鍛造工藝在高溫下進行，這使得金屬更容易成形并且不易斷裂。冷鍛工藝是在低溫下進行。鋼鐵一旦鑄造成型，通常需要一些熱處理。熱處理細節(jié)的差異會導致部件有不同的軟硬度。在熱處理過程中，晶體結(jié)構(gòu)缺陷的退火或新的晶面形成，都會有少量能量的釋放。這種微小的熱效應可通過耐馳DSC或STA進行分析表征。

冷鍛鐵樣品的的熱流變化曲線。在第一次升溫過程中，335℃出現(xiàn)放熱峰（外推起始溫度），其峰值溫度為401℃，在500℃附近放熱結(jié)束。這個松弛熱效應放熱熱焓為0.47J/g。在已退火材料測試中，觀察不到這種松弛熱效應。這個測試要求儀器的真空密閉性及吹掃氣氛的純凈（避免在同樣溫度范圍內(nèi)樣品發(fā)生氧化），同時還需要高性能DSC傳感器（靈敏度高、噪音低且基線穩(wěn)定漂移?。?。耐馳DSC與STA儀器都能滿足這些要求。

304不銹鋼熱膨脹系數(shù)的精確測定

304不銹鋼是一種常見的奧氏體鋼合金，其中含有18-20%的鉻和8-12%的鎳。它具有很好的耐腐蝕性能，被廣泛應用在化學、食品和石油工業(yè)中。它還具有很好的拉伸性能，可以按需求制成各種復雜的形狀。

耐馳的熱膨脹儀和熱機械分析儀非常適合用來測試304不銹鋼和其他金屬或金屬合金的膨脹行為。

在測量溫度范圍內(nèi)，樣品表現(xiàn)出相對線性的膨脹行為，26℃-649℃（79-1200℉）間的熱膨脹系數(shù)（工程膨脹系數(shù)，CTE）為18.3X10-61/K，與文獻中數(shù)據(jù)（溫度范圍0℃-649℃，即30-1200℉）18.7 X10-61/K吻合很好，樣品在26-1299℃（79-2372℉）間的膨脹系數(shù)為19.9 X10-61/K。

金屬氫化物在潮濕環(huán)境下的反應

目前金屬氫化物作為燃料電池的儲氫材料的研究比較熱門。它們屬于有機類的強還原劑，在儲氫方面具有許多潛在的重要應用。未來氫有可能會替代目前汽車上使用的汽油和柴油燃料。復合氫化物比如Na-Al氫化物、Li-B氫化物的儲氫密度與甲烷CH4等同，而且不需要額外的能量將甲烷上的氫原子單獨分離出來。

利用同步熱分析設備STA的水蒸汽爐可以研究NaAlH4材料在水蒸汽環(huán)境下的變化情況。樣品起初在80°C下恒溫一段時間后，再加熱到500°C，在實驗開始階段，NaAlH4與水蒸汽發(fā)生反應，伴隨著強烈的放熱，生成氫氧化物和氫氣，造成TG信號增重。在加熱到100°C以上，氫氧化物分解生成相應的氧化物，DSC吸熱信號受到樣品分解發(fā)泡的干擾較為顯著。

金屬釩熔點測試

對于超高溫下的DTA和TGA測試，需使用特殊坩堝。氧化鋯坩堝最高使用溫度可以達到2000℃，可以用來測試金屬（例如釩）的熔融。

金屬釩（純度為99.7%）樣品的熔點測試圖譜，所使用的儀器為STA 449 F3 Jupiter，坩堝為氧化鋯坩堝，樣品發(fā)生熔融的起始點為1886℃，降溫過程中，因過冷效應，測得的結(jié)晶溫度為1878℃。樣品在熔化前后，TG和DSC曲線均沒有發(fā)生明顯變化，說明樣品沒有發(fā)生氧化現(xiàn)象，證明儀器具有很好的氣密性，且氧化鋯坩堝適合于此類測試。

DIL402測試鎳基合金Inconel 600的熱膨脹

Inconel合金屬于非磁性鎳基合金，比如Inconel 600合金是由72%鎳、16%鉻和8%鐵組成的。增加Inconel 600合金中的鉻含量，可以顯著提升它的抗氧化性能，而提高鎳含量，可以得到更強的抗腐蝕性能。Inconel合金即使在高溫下也具有較高的抗氧化性、耐腐蝕性和機械強度。因此，它常應用在環(huán)境苛刻的場合，比如飛機引擎、渦輪增壓器的渦輪葉片、化學壓力容器等。Inconel 600和800也可用作CANDU核反應器的壓力管，此外，Inconel 600也是帶有國際機構(gòu)頒發(fā)證書的熱傳導參比材料。

對Inconel合金樣品從室溫到1000°C下進行6次不同測試，再用低溫爐從-150°C到50°C進行低溫下測試。每次獨立測試結(jié)果之間偏差為 ±0.5%。在較低溫度下，樣品的熱膨脹呈現(xiàn)近似線性膨脹。在500°C到600°C范圍膨脹曲線出現(xiàn)輕微的斜率變化，這是由于樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了轉(zhuǎn)變（形成NiCr3團簇）造成的。Netzsch DIL配備的高溫爐和低溫爐、真空系統(tǒng)以及氣密性結(jié)構(gòu)，從而保證了全溫度范圍內(nèi)優(yōu)異的重復性測試結(jié)果。

DIL測試碳化鎢硬質(zhì)合金的燒結(jié)

碳化鎢（WC，W2C）是由元素鎢和碳組成，類似于碳化鈦。它擁有的硬度，非常適合用在切割工具、摩擦材料、軸承，還可作為鉆石的廉價替代品。碳化鎢具有良好的耐磨性，因此也常用在珠寶、手表、首飾上。碳化鎢切削刀具非常適合機加工硬質(zhì)碳鋼和不銹鋼材料，可以替代高負荷運營的生產(chǎn)流水線上易損部件。由碳化物硬質(zhì)合金刀具加工后的零件表面質(zhì)量更高，機加工速度更快，比標準高速工具鋼耐溫更高。通常碳化鎢硬質(zhì)合金零件通過高溫燒結(jié)而成，同時添加鈷作為燒結(jié)助劑來降低燒結(jié)溫度。

DMA測量形狀記憶合金

形狀記憶合金（SMA）在特定條件下（比如加熱）可以恢復至原來的形狀。其原理是利用內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)的可逆轉(zhuǎn)變，具體是指低溫下低對稱性的馬氏體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變至高溫下高對稱性的奧氏體結(jié)構(gòu)。SMA發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)變化的溫度稱為轉(zhuǎn)變溫度。通過改變合金中元素配比可以調(diào)節(jié)這一特征轉(zhuǎn)變溫度。

形狀記憶合金在-20°C～150°C范圍的動態(tài)熱機械性能。在起始階段，儲能模量隨著溫度升高而降低（紅色曲線），在外推起始溫度113°C和外推終止溫度122°C，儲能模量出現(xiàn)由于相轉(zhuǎn)變而導致的迅速上升，相應的損耗因子tanδ最大值出現(xiàn)在116°C。在降溫過程中（藍色曲線），可逆相轉(zhuǎn)變發(fā)生在44°C～62°C，儲能模量在49°C出現(xiàn)最小值，同樣損耗因子在49°C出現(xiàn)相應的最大值。

DSC測試Inconel738鉻鎳鐵合金的相變和熔融

鉻鎳鐵合金（Inconel）屬于非磁性的鎳基超合金，其中牌號738合金含有60%鎳、16%鉻和8.5%鈷，以及其他低含量元素如鋁、鈦、鎢。高鉻含量的合金738比純金屬鎳的抗氧化性能更高，而高鎳含量的738合金在還原條件下具有更強的耐腐蝕性。它常用作飛機引擎部件、燃氣發(fā)電機的渦輪葉片、渦輪增壓器的渦輪、耐化學和耐壓力容器等。

高溫DSC測試Inconel 738合金的熱流曲線。在559°C到609°C范圍出現(xiàn)吸熱臺階，這是由于合金內(nèi)部形成Ni3Cr晶簇引起比熱容的增加（有文獻報道過）。在外推起始溫度834°C出現(xiàn)進一步的吸熱相轉(zhuǎn)變，熔融峰出現(xiàn)在1285°C（外推起始溫度），對應的熔融熱焓為196J/g。

Invar合金

Invar合金，又被稱作FeNi36，其組分為36%的鎳、64%的鐵以及微量的碳與鉻，具有很低的熱膨脹系數(shù)（~10-6K-1）。改變材料中金屬組分的比例會改變材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）。Invar合金可用作薄膜型液化天然氣罐的內(nèi)膜，這個內(nèi)膜是由絕緣材料支撐的。在溫度變化下，要求材料也不能出現(xiàn)裂痕（液化天然氣溫度約為-196℃）。所以在材料的研發(fā)生產(chǎn)過程中，必須要密切監(jiān)測其CTE。

樣品的熱膨脹曲線與參考溫度20℃下熱膨脹系數(shù)曲線。在整個溫度范圍內(nèi)，樣品長度連續(xù)增加。CTE值在0.672與1.476*10-6K-1之間。由于該材料熱膨脹系數(shù)很低，需要高精度熱膨脹儀DIL 402C來進行測試分析。

高溫DSC測量鉻鎳鐵合金718的比熱

Inconel 718是一種鎳基高溫合金,它是一種耐腐蝕的鎳鉻材料,可以用于-253°C到700°C。作為一種失效硬化合金可以加工成各種復雜形狀，其焊接特性尤其是焊后開裂性能非常好。Inconel 718易于加工，價格便宜，具有很好的拉伸、疲勞、蠕變和斷裂強度，因此有很廣泛的應用范圍，可以用于液態(tài)火箭部件、渦輪發(fā)動機的各種環(huán)、套管以及各種成型零件等，也可以用于緊固件和儀表零件。

樣品從室溫開始升溫，在600°C到900°C間，因樣品發(fā)生固固相變，導致比熱發(fā)生變化，在1000°C到1200°C間，樣品熔融吸熱，其熔融起始溫度為1252°C（外推起始點），熔化熱焓為185J/g，從圖中看出，樣品的熔融溫度范圍相對較寬。

LFA457測試熔融鋁合金

降低開發(fā)時間和成本，優(yōu)化生產(chǎn)工藝和減輕重量始終是汽車行業(yè)非常重要的發(fā)展目標，比如利用數(shù)值模擬來預測引擎部件鑄造時的溫度分布。了解鑄件材料在整個使用溫度范圍內(nèi)的熱物性數(shù)據(jù)是這一預測的前提條件。此處使用LFA藍寶石樣品容器來測量鋁合金的熱物性性能。

在室溫以上，熱擴散和熱傳導呈近似線性的下降。在550°C以上熱擴散/熱傳導出現(xiàn)的臺階是由于樣品的固-液相轉(zhuǎn)變所致，在相轉(zhuǎn)變過程中，晶格結(jié)構(gòu)的溶解降低了電子熱傳遞。本例表明LFA 457測試方法不僅適用于確定尺寸的固體樣品，也適用于分析液態(tài)金屬樣品。

LFA 457測試銅合金導熱

銅合金在電子電氣（比如電路板引腳框架、電氣連接器、散熱系統(tǒng)），汽車工業(yè)（如動力系統(tǒng)與剎車的軸承襯套、空調(diào)的熱交換系統(tǒng)）有著廣泛的應用。了解銅合金的熱物性知識對優(yōu)化其生產(chǎn)工藝和后續(xù)應用是十分必要的。通過LFA457可以測量室溫到1000°C的熱擴散和比熱數(shù)據(jù)，再乘以密度即可得到導熱系數(shù)。此外，也可通過DSC測量比熱數(shù)據(jù)。

銅合金的熱物性參數(shù)隨著溫度上升而增加。熱擴散曲線在500°C～600°C附近出現(xiàn)臺階，DSC比熱曲線同樣出現(xiàn)了相轉(zhuǎn)變的吸熱峰。LFA和DSC兩種方法測量的比熱結(jié)果偏差小于5%。導熱系數(shù)也是呈連續(xù)的上升趨勢。LFA 457 能夠勝任金屬合金的熱擴散、比熱和導熱測量。

LFA測試多孔鋁金屬材料

金屬泡沫材料是將起泡劑或氣體注入到熔融金屬中形成獨立閉孔而成的特殊金屬材料，它們用作抗沖擊吸能材料已有20多年的歷史。為了優(yōu)化生產(chǎn)工藝以及后續(xù)的應用，機械性能和熱物性是非常重要的參數(shù)。這里使用LFA測量表面均質(zhì)的金屬鋁泡沫材料，使用特殊的SiC膠粘劑將表面多孔結(jié)構(gòu)填充?？紤]到需要測量的是透過材料厚度方向的熱傳遞，而SiC表面填充對測量結(jié)果影響不大。

LFA測試結(jié)果表明：熱擴散隨著溫度升高而逐漸減小，而比熱隨著溫度升高而逐漸增加，符合Debye 定律。導熱系數(shù)隨著溫度變化不大，直到300°C下有略微增加。本案充分證明LFA測量金屬泡沫材料的導熱性能不存在任何問題。

LFA測試金屬膜

金屬膜在電子領(lǐng)域有著廣泛應用，比如電子產(chǎn)品的電觸點、大功率電子器件的散熱器。為此高導熱和低熱膨脹的熱物性能就顯得十分必要。金屬材料的導熱系數(shù)一般采用激光閃射法（LFA）測量。但是對于金屬薄膜而言，傳統(tǒng)的 LFA 方法并不合適，因為樣品厚度太薄。使用特殊In-Plane水平導熱支架則不會有樣品厚度的限制。利用LFA特殊In-Plane水平模式支架可以測得金屬膜水平方向的熱擴散系數(shù)。由于金屬薄膜的導熱行為基本上可以看做是各向同性，因此也可以得到金屬膜厚度方向的導熱。

隨著溫度升高，金屬膜的熱擴散系數(shù)逐漸降低。為了檢查In-Plane支架測試結(jié)果的準確性，我們使用Laminate層壓支架來進行驗證試驗（金屬膜被切成片狀，旋轉(zhuǎn)90°，厚度為2mm），結(jié)果偏差小于3%。說明此附件能夠準確地檢測高導熱且厚度僅為幾十微米的金屬膜材料。

非晶合金硼化鐵在磁場下的相變測量

非晶合金（如硼化鐵）在宏觀尺度上不具備結(jié)晶結(jié)構(gòu)。非晶結(jié)構(gòu)是由熔融態(tài)驟冷形成的，具有更高的強度、硬度以及更好的耐腐蝕性；在發(fā)生微小形變時可恢復，但是若發(fā)生較大形變時則會造成損壞。這些性能可以應用在許多方面，如刀片、防刮外殼、珠寶、高爾夫球桿、網(wǎng)球拍、飛機和空間應用等。非晶合金的軟磁性能可以應用在變壓器和防盜條形碼領(lǐng)域。

圖中為兩個STA測試結(jié)果：實線為磁場條件下的測試結(jié)果，虛線為未加磁場時的測試結(jié)果。DSC曲線幾乎一樣，但TG曲線有明顯不同。DSC曲線上，421℃有一個小的吸熱峰，其來自于樣品的居里點轉(zhuǎn)變過程（鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判裕?。這個轉(zhuǎn)變過程在兩次測試的TG曲線上有明顯不同，這是因為在有磁場時，磁性材料會受到磁場力作用，而轉(zhuǎn)變后所受磁場力會消失。在500℃-650℃之間，DSC曲線上有一個源自結(jié)晶過程的部分重疊的放熱峰，放熱量為151J/g，TG信號說明，樣品在結(jié)晶過程中，樣品與磁場間的磁力慢慢再現(xiàn)之后又逐漸消失，1000℃以上的DSC吸熱峰為樣品的熔融過程。

OTS除氧附件

OTS除氧附件可以用于STA 449F1/F3 Jupiter和DSC 404F1/F3 pegasus，可以用于去除吹掃氣中攜帶的微量氧氣。使用OTS附件后，儀器中殘余氧氣濃度小于1ppm。

OTS附件的結(jié)構(gòu)如下圖所示，樣品支架上固定一個陶瓷基的固定環(huán)，在固定環(huán)上放置吸收氧氣的環(huán)形材料。在實驗過程中，OTS附件可以將吹掃氣中攜帶的微量氧氣幾乎去除。

為使儀器達到上述極低的氧氣殘余量，儀器本身必須真空密閉且需配置抽真空系統(tǒng)，STA 449F1/F3 Jupiter和DSC 404F1/F3 pegasus均具備這些配置。

STA 449 F1 Jupiter 測試鋯（質(zhì)量190.9mg）樣品的測試結(jié)果，測試氣氛為純度99.996%的He氣，，測試條件為1000℃恒溫。

在沒有使用OTS附件的測試中，恒溫3個小時后，鋯樣品因氧化增重越0.38mg（紅色曲線），氧化氣氛來源于所使用的He氣純度不夠（僅99.996%）。

綠色曲線為使用OTS附件的測試結(jié)果，熱重曲線顯示沒有明顯的增重發(fā)生，最大重量增加僅為0.008mg。

STA449測試非晶鐵合金的相變

非晶態(tài)金屬是一種在原子尺度上呈現(xiàn)出無序結(jié)構(gòu)，類似于玻璃，以非結(jié)晶態(tài)形成存在的金屬材料。非晶合金一般是通過急速冷卻得到（比如氣相沉積、旋涂等工藝）。以基底來分類有金-硅、鋯、鈀、鐵、鈦、銅、鎂等非晶合金。鐵基非晶合金（Fe-Ni-Co-Si-B）強度比鋼更高，但缺乏韌性，容易斷裂失效。非晶合金常用于軍事和某些民用場合，比如用于安全系統(tǒng)內(nèi)的傳感器和輸電系統(tǒng)的變壓器等。

鐵基非晶合金在300°C～400°C出現(xiàn)0.7% 質(zhì)量失重，這可能是表面有機物的蒸發(fā)。在587°C（外推起始點）樣品開始分兩步結(jié)晶，放熱焓高達323J/g。在1061°C（外推起始點）出現(xiàn)相轉(zhuǎn)變的吸熱峰，樣品的熔融起始溫度約為1250°C，峰溫為1368°C，熔融熱焓為236J/g，至1400°C熔融還未結(jié)束。耐馳STA449配備真空密閉系統(tǒng)和氧捕集附件（OTS）確保金屬在高溫下的相變與熔融過程不會發(fā)生氧化，得到穩(wěn)定可靠的DSC信號。

STA測試齒科合金的熔融

目前市場上涌現(xiàn)出大量的齒科材料合金，想要獲得這類合金的總體概況是比較困難的，僅在美國市場就可以獲得幾百種經(jīng)美國牙科協(xié)會注冊認證的合金材料。按照這些合金中已知的兩種或三種主要成分，可將其分為四大類：高含金量合金、金還原合金、鈀銀合金和金屬合金。用作齒科合金材料的先決條件是它的生物相容性、延展性和抗腐蝕性，當然，良好的生物相容性和它的耐腐蝕性也是緊密相關(guān)的。當這種合金材料被裝入患者口腔后，它應當是對健康是無害的。理想的齒科合金材料應當是便于安裝、質(zhì)地堅硬、耐久、抗腐蝕和不易變色。

齒科合金材料Pt0.89Au0.1Ir0.01在RT～1750℃范圍內(nèi)的DSC曲線（共測試三個樣品）。在外推起始點溫度約1659℃發(fā)現(xiàn)材料開始熔化，熔融峰溫度為1711℃，熔融熱焓為81J/g。從DSC積分曲線可以得到材料在整個熔融過程中的液-固相比例，另外，測試結(jié)果也展示了儀器優(yōu)異的重現(xiàn)性。

STA超高溫熔融測量

超高溫TGA-DTA測量（比如金屬銠的高溫熔融）需要使用耐溫達2000°C的氧化鋯陶瓷坩堝。銠常用在汽車工業(yè)上作為催化劑，將引擎燃燒排放的有害氣體如碳氫化合物CH、CO、NO轉(zhuǎn)變成低毒或無毒氣體。銠也常作為合金改性劑用于改善鉑和鈀的硬度以及抗腐蝕性，這類合金常用作高溫爐加熱線圈、熱電偶、電極等。

利用STA 449 F3 Jupiter®測量某種銠絲的熔程。使用氧化鋯陶瓷坩堝，在He氣氛下測到2000°C。在1908°C和1933°C下出現(xiàn)雙峰表明該銠絲不是由純銠制成的。

STA 研究大尺寸金屬樣品的氧化與腐蝕

當需要研究材料的氧化和耐腐蝕性能時，建議使用較大表面積的樣品，因為吹掃氣氛可以更好地與樣品表面接觸反應，其結(jié)果也更具代表性。特殊的STA樣品支架可以把樣品懸掛起來，樣品可以是板材、篩網(wǎng)，也可以將塊狀物體放置在鉑金籃子中測試。

此處TGA測試采用懸掛式樣品支架，將懸掛的鋼板循環(huán)加熱數(shù)次。測試氣氛采用氧-氮混合氣（氧含量16%），升溫速度為5K/min。隨著每次的循環(huán)加熱，樣品的氧化程度（體現(xiàn)為樣品重量增加）逐漸減弱 。最初的氧化反應發(fā)生在鋼板的表面，在第一次升溫TG曲線上可以觀察到加熱初期樣品重量緩慢增加，到加熱后期重量迅速上升。經(jīng)過幾個加熱循環(huán)后，樣品內(nèi)部開始發(fā)生氧化反應，這一過程是緩慢的，需要依靠擴散過程來完成。

將樣品懸掛起來可以最大限度地“開放"樣品表面，由此來改善氧氣與樣品表面的接觸狀況，這有利于得到穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)，也是氧化行為的動力學研究必需的。

TiNiPd合金的固態(tài)相變測量

智能材料領(lǐng)域的關(guān)注度越來越高，形狀記憶合金材料即為其中一種。形狀記憶合金（SMA）可以承受較大的塑形變形，加熱后可以恢復為原始形狀。SMA早期常應用于溫室窗戶(自動開啟)，后來應用于天線，之后SMA的應用范圍越來越廣，因為SMA具有超彈性和形狀記憶功能，其在醫(yī)藥領(lǐng)域的應用也越來越多。

DSC設備具有很好的氣密性，在高溫下可以保持純凈的惰性氣氛，因此樣品發(fā)生形狀記憶轉(zhuǎn)變時的固固相變可以通過DSC測得（不會受到氧化影響）。圖中可以看出，樣品發(fā)生固固相變的溫度為257℃（升溫）和245℃（降溫），升降溫相變過程的熱焓變化均為25.8J/g。

TMA精確測量鋁合金6061的熱膨脹系數(shù)

鋁合金 6061是含有鎂和硅為主成分的通用鋁合金。此材料質(zhì)量輕、機械強度和焊透性良好，廣泛用于交通工具領(lǐng)域，比如飛機、船只、汽車和自行車。熱膨脹測試儀（DIL）、熱機械分析儀（TMA）都是測量鋁合金 6061和其他金屬合金熱膨脹的理想工具。

鋁合金在室溫至500°C范圍的熱膨脹曲線。得到的平均熱膨脹系數(shù)（20°C～100°C）為22.8 X 10-6 1/K，非常接近文獻數(shù)據(jù)23.0～23.6 X 10 -6 1/K。（20°C～500°C）范圍內(nèi)的平均熱膨脹系數(shù)為27.0 X 10-6 1/K。

不銹鋼(低合金鋼)的相變與熔融

不銹鋼是一種金屬合金，其主要成分為鐵與碳元素結(jié)合形成合金材料。碳作為硬化劑可以阻止鐵原子在晶格中滑移（位錯）。通過改變碳含量和其它合金成分可以顯著影響不銹鋼的相變行為。從鐵礦石中熔融提煉的材料中碳含量比期望值高很多，制造不銹鋼時需通過再加工去除多余的碳，同時還可以添加其它元素。高溫DSC測試可以對產(chǎn)品質(zhì)量鑒定提供有用的信息。

低合金鋼在400-1550℃的DSC測試結(jié)果。樣品在734℃時發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)變化（體心立方變?yōu)槊嫘牧⒎剑?。另外在此溫度附近，樣品在發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)變化的同時其磁性發(fā)生變化（鐵磁變?yōu)轫槾牛?。樣品的熔融溫度?/span>1411℃（固相線溫度），熔融熱焓值為242.7J/g；降溫過程中其液相線溫度為1473℃，凝固熱焓為241.0J/g，熔化凝固熱焓基本一致。從DSC峰上可看出，樣品在熔融和凝固過程中分為兩步過程（其中凝固過程更加明顯），降溫過程中樣品的固固相變也非常明顯，且其溫度向低溫段移動（過冷效應）。

儲氫材料——MgH2

在對氫能源的研究和開發(fā)中，氫氣安全高效的儲存和運輸是其中重要的問題。在氫化物材料中，氫氣以化學方式儲存，這種方式相對安全可靠。氫化鎂價格低，儲氫量大，因此是一種相對有前景的儲氫材料。

在低溫階段（低于350℃），基本上觀測不到氫化鎂的氫氣釋放。從408℃（外推起始點）開始，樣品發(fā)生明顯的釋氫反應，釋氫過程中需要吸收2630J/g的能量。儲氫材料研究中,主要方向是降低解吸溫度和提高吸附速率，通過改變結(jié)構(gòu)可以加速氫氣在樣品中的擴散，因此可以通過DSC研究不同結(jié)構(gòu)的鎂合金對氫氣的吸附行為。

STA測試γ-TiAl合金

簡介：

測試結(jié)果：

將測量誤差5%（誤差帶）納入考慮，絕熱層的厚度（以單位每平方米的材料含量）與紙張的有效熱傳導呈線性關(guān)系。這與打印機的實際應用經(jīng)驗吻合。導熱儀LFA的特殊薄層樣品支架可以方便、準確地檢測薄層材料的導熱特性。

STA449水蒸氣系統(tǒng)研究鋼材的氧化腐蝕

腐蝕是材料在環(huán)境因素的影響下發(fā)生反應，引起材料性能的下降或惡化。鋼材中鐵原子的氧化就是最常見的電化學腐蝕。大多數(shù)合金的腐蝕是因為暴露在含有濕氣的空氣中，這類腐蝕受環(huán)境中酸、堿、鹵素的影響比較大。一些常見的受控腐蝕處理，比如鈍化和鉻酸鹽化可以增強材料的抗腐蝕性能。不銹鋼是含有至少10.5% 鉻的鐵基合金，可以防止污染、腐蝕和生銹?？梢酝ㄟ^熱重來模擬腐蝕過程，研究溫度、氣氛、濕度的影響。

鋼樣品被加熱到800°C恒溫超過20小時，可以觀察到樣品由于腐蝕造成的重量增加。通過特別設計的水蒸氣爐，可以調(diào)節(jié)測試氣氛（0…100% 絕對濕度），還可用于熱分析聯(lián)用場合。有關(guān)濕度氣氛的典型應用研究就是鋼材的腐蝕和雜質(zhì)的剝落過程。此外，水蒸氣爐對鋼材的氧化與脫碳過程、陶瓷材料的燒結(jié)過程、石油焦炭的水氣化過程、無機建筑材料的濕氣研究都非常重要。