热分析基础

[分享]热分析的基础与分析发现一篇不错的文章，对热分析进行了比较详细的介绍，分享给大家。

热分析的基础与分析

SII·Nano technology株式会社

热分析的基础与分析

目录

1．引言

2．热分析概要

2-1热分析的基本定义

2-2热分析技术的介绍

2-3热分析结果的主要

3．热分析技术的基本原理

3-1差热分析DTA原理

3-2差热量热DSC原理

3-3热重TG原理

3-4热机械分析TMA原理

4．应用篇

4-1 DSC的应用例

4-1-1聚苯乙烯的玻璃化转变分析

4-1-2聚苯乙烯的融解温度分析

4-1-3比热容量分析

4-2 TG/DTA的应用例

4-2-1聚合物的热分析测定

4-2-2橡胶样品的热分析测定

4-2-3反应活化能的解析

4-3 TMA的应用例

4-3-1聚氯乙烯样品玻璃化温度的测定

4-3-2采用针入型探针对聚合物薄膜的测定

4-3-3热膨胀，热收缩的异向性解析

结束语

参考文献

1．前言

与其它分析方法相比，热分析方法研究的历史较为久远，1887年，勒夏特利埃（LeChatelier）就着手研究差热分析，1915年，日本的本多光太

郎开创了热重分析（热天平）。之后，随着电气、电子技术、机械技术的发展，热分析仪器迅速地得到了普及，加之，由于最近该仪器的自动

化、计算机化程度的不断提高，热分析技术已作为通用的分析技术之一已被广泛的应用。热分析技术涉及众多领域，以化学领域为首，热分析

技术已广泛应用于物理学、地球科学、生物化学、药学等领域。起初，在这些领域中，热分析主要用于基础性研究。随着研究成果的不断积累

、扩大，现已被用于应用开发、材料设计，以及制造工序中的各种条件的研究等生产技术方面。近年来，在日本工业标准/JIS等的试验标准、

日本药典等的法定分析法中有些也采用了热分析技术。同时，在产品的出厂检验、产品的验收检查等质量管理、工艺管理领域，热分析也已成

为最重要的分析方法之一。作为热分析技术的最常用的方法，本章主要介绍差热分析（DTA）、差热量热分析（DSC）、热重分析（TG）及热机

械分析（TMA）的基本原理以及各种测量技术的典型应用示例。

2．热分析的概要

2-1热分析的定义

根据国际热分析协会（International Confederation for ThermalAnalysis and Calorimetry:ICTA）的定义，热分析为：热分析技术是在控

制程序温度下，测量物质（或其反应生成物）的物理性质与温度（或时间）的关系的一类技术。

图1为根据该定义制作的热分析仪器的示意图。所谓热分析是指，如图1所示将试样放入加热炉中，检测使温度发生变化时所发生的各种性能变

化的方法。根据要检测不同的物质性能的变化，热分析技术可以分类为几种不同的热分析技术。

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2-2典型的热分析技术

表1中列出了各种典型的热分析方法所对应的测量对象（被检测的物理量）及其单位。

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2-3热分析数据的概念

图2中以测量高分子试样为例，表示了利用典型的热分析方法获得数据的概念。

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3．热分析的原理

3-1 DTA（Differential Thermal Analysis）的原理

图3为DTA装置的示意图。DTA是指按照一定程序控制试样和参比物的温度变化，并将两种物质间的温度差作为温度的函数进行测量的方法。正如

图3所示那样，DTA所采用的测量方法是把试样和参比物放入炉内，检测其在升温（或降温）过程中两者间的温差。

图4是将升温过程中的加热炉、试样以及参比物的温度变化（图4a）和试样与参比物的温差随时间的变化的模型如图4b所示。当开始升温时，由

于各自的热容量不同，试样和参比物的温度存在差异。但两者的温度变化均滞后于加热炉的温度上升（图4 a）。因为使用的参比物是在测量范

围内几乎不发生热效应变化的物质，所以，将以与加热炉相同的斜率升温。升温过程中，试样在热稳定期间，与参比物之间的温差维持零或某

个稳定值。当试样中发生某种热效应变化时，便产生温差变化，如果将此时的温差与时间的关系表示出来，便可按照各种热反应记录下吸热峰

、放热峰或阶梯线（图4b）。例如，当试样发生熔融时，在熔融过程中，试样停止升温，与参比物之间的温差加大，当熔融结束后，又回到原

来的温差。在此过程中，记录下吸热峰值，就可以了解物质的熔点。发生其他的转变或分解等时，同样也可以进行检测，从而可以研究、掌握

试样所特有的热效应变化。

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3-2 DSC（Differential Scanning Calorimeter）的原理

图5为DSC装置的原理示意图。DSC是指按照一定程序控制试样和参比物的温度变化，并将输入给两物质的热流差作为温度的函数进行测量的技术

。

如图5所示，试样及参比物的托架部分经由热阻及吸热器，与加热器相接合的形式构成DSC装置。与加热（或冷却）速度相应的，将一定的热量

从试样容器的底部通过热传导输给放在炉内的试样和参比物。这时，流入试样的热流与吸热器和托架的温差成正比。与试样相比，吸热器具有

很大的热容量，因此，当试样发生热变化时，可吸收（补偿）因该热变化引起的降温或升温，从而使试样与参比物之间的温差保持稳定。因此

，单位时间输给试样与参比物的热量差与两个托架的温差成正比，用已知热量的物质，预先校正温差与热量之间的关系，就可以测出未知试样

的热量。

作为参考，表2列出了利用DSC方法可检测的主要现象。

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-3 TG（Thermogravimetry）的原理

TG是指按照一定程序控制试样的温度变化，并将该试样的质量作为温度的函数进行测量的技术。一般市售的T G仪器，较为普及的是与DTA的复合

型（TG/DTA同时测量的仪器）。根据天平与加热炉的位置关系，TG在结构上大致可分为上盘型、悬吊型及水平型三大类。图6为这三种类型TG的

示意图。下面以水平型为例，介绍水平差动型TG/DTA联用测量装置的工作原理。

图7为水平差动型TG/DTA联用测量装置的示意图。放在试样托架上的试样由加热炉加热。在升温过程中，当试样的重量发生变化时，天平臂便倾

斜。检测部（光电传感器）检测出此时天平臂的运动，并反馈此信号，使驱动线圈动作，从而天平臂能始终保持水平状态。因这时流过驱动线

圈的电流与重量变化成正比，所以，如预先对重量与电流的关系进行校正，就可测出未知试样的重量变化。并且，通过安装在各托架上的热电

偶，检测试样与参比物的温差，也可同时进行DTA测量。

表3列出了利用TG/DTA联用测量所能检测出的主要现象和TG曲线及DTA曲线的模型。

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3-4 TMA（Thermo mechanical Analysis）的原理

TMA是指按照一定程序控制试样的温度变化，并向试样施加非振动型载荷，将该物质的变形作为温度的函数进行测量的技术。即，在一定的静态

负载作用下，边加热（或冷却）边检测试样所发生的膨胀、收缩，或针入等的变形及其变形量的方法。TMA装置的示意图如图8所示。试样放在试管的底部，一个称作探针的检测棒直接放在试样上面。试样经由探针承受着加载部所施加的一定载荷

的状态下，被加热（或冷却）。当试样发生变形时，探针与试样一起移动，检测部（LVDT）检测此时的移动量，就可对热膨胀、热收缩等进行

测量。

不同的测量目的，所使用的探针形状、载荷大小各异，TMA可分类为几种测量方法。最常用的测量方法如表4所示。图9为这些测量中所使用的主

要探针的示意图。

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4．应用示例

正如本文前言所述，热分析已在众多领域中得到应用。其有效性不仅在学术上，而且在工业实用性方面也可获取大量有用的信息。作为应用领

域，金属、矿物、陶瓷、玻璃等无机材料与塑料、橡胶等高分子材料不言而喻，医药、食品、化妆品、生物等所有的物质都已成为热分析的对

象。

下面从材料评价的侧面出发，以通常所进行的测量、分析实例为主，介绍一下典型的应用示例。

4-1 DSC的应用示例

4-1-1聚苯乙烯的玻璃化转变测量

8种分子量不同的单分散聚苯乙烯的DSC测量结果如图10所示。使用DSC，可以观测到基线向吸热方向移动这一玻璃化转变现象。由所观测到的该

基线移动时的温度，便可求出玻璃化转变温度（Tg）。从图10的结果可以看出，分子量越高，聚苯乙烯的玻璃化转变温度也越高。

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4-1-2聚乙烯的熔融测量

5种密度不同的聚乙烯的DSC测量结果如图11所示。在DSC方法中，由熔融时观测到峰值时的温度，便可以求出熔融温度（Tm）,同时还可以由峰值面积求出熔融热量（△Hm）。

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根据图11的测量结果求出的峰顶温度和热量与密度的关系曲线，如图12所示。从这些结果可以看出，密度不同，聚乙烯的熔融温度、熔融热量也各不相同，密度越高，其熔融温度、熔融热量也就随之增大。

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4-1-3比热容量测量

除了可以测量物质转变、熔融和反应等的温度、热量之外，还可以通过DSC测量，求出比热容量（Cp）。

图13以数学模型表示了使用DSC测量求取比热容量的原理。对空容器和未知试样，以及已知热容量的参比物在相同条件下进行测量，根据所得的DSC数据（图13（a）、(b)及（c）），使用下面的公式，即可求出未知试样的比热容量（Cp）。

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作为应用该方法测量比热容量结果的一个例子，图14给出了对聚苯乙烯进行测量、分析的结果。

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4-2 TG/DTA的应用示例

4-2-1聚合物的热分解测量

由于聚合物的分解伴随着重量变化，因此，对聚合物的耐热性能、热稳定性能等进行评价时，一般多采用TG 测量方法。

各种聚合物的TG测量结果如图15所示。试样有7种：聚氯乙烯（PVC）、聚缩醛（POM）、环氧树脂（EP）、聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）、低密度聚乙烯（LDPE）、聚四氟乙烯（PTFE）。从图中可以看出，不同种类聚合物的分解起始温度、分解行为都各自不同。

4-2-2橡胶的热分解测量

掺有碳黑的氯丁二烯橡胶的TG/DTA测量结果如图16所示。测量过程是，首先在氮气介质中，将温度升到55 0℃，然后暂时降到300℃后，将气体介质换为空气，再次升温到700℃，其结果是：在氮气介质中，主要发生聚合物成分的热分解；在空气介质中，发生碳黑氧化分解。这样根据各种物质重量的减少量及残渣（灰分），就可以进行各种成分分离的定量分析。

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4-2-3反应活化能理论分析

作为在短时间内对高分子材料等进行耐热性评价的手段，其方法是应用反应活化能理论对用TG进行的热分析测量结果进行分析，至今，已报道过几种分析方法。其中“Ozawa法”是应用最广泛、最普通的反应活化能理论分析方法。采用“Ozawa法”，由3种以上的升温速度条件下的TG测量数据可求出反应时的活化能（△Ea），以及在恒温条件下反应达到一定比率的时间（恒温老化时间）。

以聚合物为主要成分的绝缘材料的TG测量结果如图17所示。这是4种升温速度条件下的测量结果，从该结果可以看出，升温速度不同，其分解温度也不同。对于这些TG数据的分解初期过程部分（重量减少5%的部分），应用“Ozawa法”进行反应活化能理论分析的结果如图18所示。分析的结果，该分解反应时的活化能为113kJ/ mol。另外，假设使该绝缘材料保持150℃的恒温，计算恒温老化时间得出的结果是：该分解反应进行到20%所需要的时间是0.54天。

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4-3 TMA的应用示例

4-3-1聚氯乙烯的玻璃化转变测量

应用TMA进行聚合物膨胀、压缩测量时，在测量膨胀率的同时还可以测量玻璃化转变温度。

3种增塑剂（DOP）浓度各不相同的聚氯乙烯的TMA测量结果如图19所示。TMA方法中，可将玻璃化转变现象作为膨胀率变化来观测。由其膨胀率变化时的温度，可求出玻璃化转变温度（Tg）。从图19的结果可以看出，聚氯乙烯里添加有增塑剂时，随着增塑剂浓度的增加，玻璃化转变温度也向低温侧移动。

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4-3-2使用针入探针对聚合物薄膜的测量

使用针入探针的TMA测量，可以掌握聚合物的软化温度。通过针入探针承受一定载荷的试样在升温过程中开始软化时，可以观测到针入探针前端

贯穿试样的过程。这时的位移开始温度即为软化温度。如果试样是薄膜等时，还可根据位移量，求出薄膜的厚度。聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）及尼龙（NY）的针入测量结果如图20所示。由该结果，可观察到聚合物的种类不同软化温度也不同。

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4-3-3热膨胀、热收缩的异向性

TMA方法基本上只测量单一方向上试样尺寸的变化。但是，由于试样的材质、成分、结构等的不同，在不同的测量方向（加载的方向），热膨胀

、热收缩等行为及大小可能会有差异。方向不同物质特性也不同的这一特性称为异向性，通过TMA测量，可以了解物质异向性特性。印刷电路板

（玻璃纤维增强环氧树脂基板）3个方向的膨胀、收缩的测量结果如图21所示。从该结果可知，测量方向不同，热膨胀行为也不同。从测量结果

还可知130℃--150℃附近的膨胀率变化是由印刷电路板的主要成分环氧树脂发生玻璃化转变所造成的。聚乙烯薄膜的拉伸测量结果如图22所示

。这是对薄膜的延伸方向和其垂直方向分别进行测量的结果。由于通常聚合物薄膜在制膜时，分子是顺着延伸方向排列的，所以，薄膜在延伸

方向和其垂直方向的物性就不同。从图22中的结果可知延伸方向的伸长率要比其垂直方向大，而且在即将熔融时有收缩行为。

5．结束语

本章在介绍热分析基本原理的同时，也介绍了一些最普通的应用示例。除此之外热分析还有很多应用方法，从中可以获得有关热物性方面的各

种知识和奥秘。现在，正在尝试将新的测量方法应用于各种测量技术，可以预见应用技术还将得到不断发展。同时，随着包括计算机在内的各

种技术的不断进步，热分析仪器的功能、性能和操作简便性也正在不断提高。展望将来，热分析领域预期可以获得更多、更新的知识和奥秘，

可以预期在应用领域也将取得更长足的发展。最后，是撰写本文时所用的一些参考文献，主要有热分析方面的JIS和市售的热分析教科书及其参

考书。

参考文献

热分析通则

塑料的热重测量方法

塑料转变温度的测量方法

塑料转变热的测量方法

塑料比热容量的测量方法

利用热机械分析的热塑性塑料薄膜及薄板软化温度测试方法

利用热机械分析的塑料线膨胀率测试方法

利用橡胶热重测量求加硫橡胶及未加硫橡胶组份的方法（定量）

第一部：丁二烯橡胶、乙丙橡胶及三元共聚物丁基橡胶、异戊橡胶、苯乙烯-丁二烯橡胶利用橡胶热重测量求加硫橡胶及未加硫橡胶组份的方法

（定量）

第二部：丙烯腈-丁二烯橡胶（NBR、XNBR、HNBR）及卤（代）丁基橡胶形状记忆合金变态点的测量方法非晶形金属结晶化温度的测量方法利用

热机械分析的精细陶瓷热膨胀的测量方法玻璃平均线膨胀系数的测试方法金属材料线膨胀系数的测量方法无铅焊剂的测试方法

第一部：熔融温度范围测量方法

一般参考书

日本热测量学会编，“热量测量、热分析手册”，丸善（1998）

神户博太郎，小泽丈夫编，“新版、热分析”，讲谈社（1992）

斋藤安俊著，“物质科学的热分析基础”，共立出版（1990

热分析动力学

热分析动力学 一、 基本方程 对于常见的固相反应来说，其反应方程可以表示为 )(C )(B )(A g s s +→ （1） 其反应速度可以用两种不同形式的方程表示： 微分形式 )(d d αα f k t = （2） 和 积分形式 t k G =)(α （3） 式中：α――t 时物质A 已反应的分数； t ――时间； k ――反应速率常数； f (α)—反应机理函数的微分形式； G(α)――反应机理函数的积分形式。 由于f （α）和G （α）分别为机理函数的微分形式和积分形式，它们之间的关系为： α αααd /)]([d 1 )('1)(G G f = = （4） k 与反应温度T （绝对温度）之间的关系可用著名的Arrhenius 方程表示： )/exp(RT E A k -= （5）

式中：A ――表观指前因子； E ――表观活化能； R ――通用气体常数。 方程（2）～（5）是在等温条件下出来的，将这些方程应用于非等温条件时，有如下关系式： t T T β0 += （6） 即： β/=t d dT 式中：T 0――DSC 曲线偏离基线的始点温度（K ）； β――加热速率（K ·min -1）。 于是可以分别得到： 非均相体系在等温与非等温条件下的两个常用动力学方程式： )E/RT)f(A t d d αexp(/-=α (等温) （7） )/exp()(β d d RT E f A T -=αα (非等温) （8） 动力学研究的目的就在于求解出能描述某反应的上述方程中的“动力学三因子” E 、A 和f(α)

对于反应过程的DSC 曲线如图所示。在DSC 分析中，α值等于H t /H 0，这里H t 为物质A ′在某时刻的反应热，相当于DSC 曲线下的部分面积，H 0为反应完成后物质A ′的总放热量，相当于DSC 曲线下的总面积。 二、 微分法 2．1 Achar 、Brindley 和Sharp 法： 对方程 )/exp()(β d d RT E f A T -=αα进行变换得方程： )/exp(d d )(βRT E A T f -=α α （9） 对该两边直接取对数有： RT E A T f - =ln d d )(βln αα （10） 由式（11）可以看出，方程两边成线性关系。 通过试探不同的反应机理函数、不同温度T 时的分解百分数，进行线性回归分析，就可以试解出相应的反应活化能E 、指前因子A 和机理函数f(α). 2．2 Kissinger 法

ansys中的热分析

【转】热-结构耦合分析 知识掌握篇2009-05-31 14:09:19 阅读131 评论0 字号：大中小订阅 热-结构耦合问题是结构分析中通常遇到的一类耦合分析问题.由于结构温度场的分 布不均会引起结构的热应力,或者结构部件在高温环境中工作,材料受到温度的影响会发生性能的改变,这些都是进行结构分析时需要考虑的因素.为此需要先进行相应的热分析, 然后在进行结构分析.热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数,如热量的获取或损失,热梯度,热流密度(热通量)等.本章主要介绍在ANSYS中进行稳态,瞬态热分析的基本过程,并讲解如何完整的进行热-结构耦合分析. 21.1 热-结构耦合分析简介 热-结构耦合分析是指求解温度场对结构中应力,应变和位移等物理量影响的 分析类型.对于热-结构耦合分析,在ANSYS中通常采用顺序耦合分析方法,即 先进行热分析求得结构的温度场,然后再进行结构分析.且将前面得到的温度场作 为体载荷加到结构中,求解结构的应力分布.为此,首先需要了解热分析的基本知 识,然后再学习耦合分析方法. 21.1.1 热分析基本知识 ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程,用有限元法计算各节点的温 度,并导出其它热物理参数.ANSYS热分析包括热传导,热对流及热辐射三种热传 递方式.此外,还可以分析相变,有内热源,接触热阻等问题. 热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换.热对流是指固体的表面和与它周围接触的流体之间,由于温差的存在引起的热量的交换.热辐射指物体发射电磁能,并被其它物体吸收转变为热的热量交换

热分析

高分子材料研究方法（热分析部分）复习题 一、简答题（7*2分） 二、论述题（8*3分） 三、应用题（15分选作） 一、简答题（7*2分） 1.何谓热分析？请解释“程序温度”，“物质”和“某一物理性质”的含义，常用的热分析仪器。 热分析是测量在受控程序温度条件下，物质的物理性质随温度变化的函数关系的一组技术。“程序温度”是指把温度看作是时间的函数，设计出实验所需要的温度程序。“物质”是指试样本身和试样的反应产物，包括中间产物。“某一物理性质”包括质量、热焓变化、温差、尺寸、机械特性、光学特性、电学特性等。最常用的热分析方法有:差热分析(DTA)、热重分析(TG)、差示扫描量热法(DSC)、静态热机械分析(TMA)和动态热机械分析(DMA)。 2.分别写出DTA，DSC,TG,TMA,DMA的定义，方法原理及主要应用范围。 （1）差热分析DTA是在程序温度控制下，测量试样和参比物的温度差与温度的函数关系的一种技术。 我们把测量的物质称为试样，选取在测量的温度范围内，所测物理性质为热惰性的物质作为参比物，即这种物质在此温度范围内，要测定的物理性质变化小而平稳，成线性变化，不存在突变。如果样品温度为TS，参比物温度为TR，则我们所得到的DTA曲线纵坐标为ΔT= TS - TR 。ΔT为正表示放热反应，ΔT为负表示吸热反应。由此可显示出与热量相伴的物理或化学变化。 使用领域 1：DTA常用来测定物质的熔化、金属与合金的相变、高聚物玻璃转化的温度。2：DTA 可以对物相进行定性分析3：可以使用DTA进行煅烧生产过程模拟。 （2）DSC法是在DTA原理的基础上发展派生而来的。它是在程序控制温度下,测量输入到物质和参比物的功率差与温度的关系的一种技术。 （3）热重分析TG是在程序温度控制下，测量物质质量与温度关系的一种技术，简称TG。如果在程序升温的条件下不断记录试样重量的变化，即可得到TG曲线（图1a）。一般可以观察到二到三个台阶。 主要应用：研究热稳定性、进行高聚物的剖析与鉴定、研究高聚物裂解反应动力学和测定活化能 （4）热机械分析：在程序温度控制下，对一物质施加非振荡负载，测量物质的尺寸变化(形变)、应力与温度的函数关系的技术称为热机械分析。 静态热—力法是对物质施加一定的负荷，测定其形变大小的方法。 应用1. 就一个方法的单性功能而言，TMA曲线的“指纹”性优于DTA或DSC。 2. TMA曲线测得的各种性质，如线膨胀系数（CTE）、热收缩率(ST)和收缩力(SFT)正是纤维应用时所涉及的重要性质。 3. TMA可以检测Tg和Tm等物理相变的温度。 4. 一个重要的应用是收缩动力学和收缩力现象的研究。它是纤维TMA理论研究中的主要内容。 （5）所谓动态力学是指物质在变负载或振动力的作用下所发生的松弛行为。DMA就是研究在程序升温条件下测定动态模量和阻尼随温度的变化一种技术。 应用：1.Tg的测定2.共混高聚物相容性的测定3.增塑对高聚物DMA曲线的影响4. DMA法研究高聚物在Tg以下的分子松弛运动5. 用DMA方法测定热固性树脂的固化过程6. 高聚

三种热分析方法综合介绍.

三种热分析方法综合介绍 热分析是在程序控制温度的条件下，测量物质的物理性质随温度变化关系的一类技术。该技术包括三个方面的内容：其一，物质要承受程序控温的作用，通常指以一定的速率升（降）温。其二，要选定用来测定的一种物理量，它可以是热学的、力学的、声学的、光学的以及电学的和磁学的等。其三，测量物理量随温度的变化关系。 物质在受热过程中要发生各种物理、化学变化，可用各种热分析方法跟踪这种变化。表1中列出根据所测物理性质对热分析方法的分类。其中以差热分析（DTA）和热重分析（TG）的历史最长，使用也最广泛；微分热重分析（DTG）和差示扫描置热法（DSC）近年来也得到较迅速地发展。下面简单介绍DTA、TG和DSC的基本原理和技术。 表1热分析方法的分类 （一）差热分析（DTA） 差热分析是在程序控制温度下，测量物质与参比物之间的温度差与温度关系的一种技术。差热分析曲线是描述样品与参比物之间的温差（ΔT）随温度或时间的变化关系。在DAT试验中，样品温度的变化是由于相变或反应的吸热或放热效应引起的。一般说来，相变、脱氢还原和一些分解反应产生吸热效应；而结晶、氧化和一些分解反应产生放热效应。 图1为差热分析装置示意图，典型的DTA装置由温度程序控制单元、差热放大单元和记录单元组成。将试样S和参比物R一同放在加热电炉中进行程序升温，试样在受热过程中所发生的物理化学变化往往会伴随着焓的改变，从而使它与热惰性的参比物之间形成一定的温度差。差热分析中温差信号很小，一般只有几微伏到几十微伏，因此差热信号经差热放大后在记录单元绘出差热分析曲线。从曲线的位置、形状、大小可得到有关热力学和热动力学方面的信息。

热分析的基础知识,即热分析的特点、ANSYS热分析的主要类型及热载荷边界的定义

l 热分析的基础知识，即热分析的特点、ANSYS热分析的主要类型及热载荷/边界的定 义。 l 稳态传热的基础知识，热分析单元及稳态传热分析的主要步骤及每步分析中需要注 意事项，实例讲解稳态热分析的过程。 l 瞬态传热的基础知识，稳态传热分析的主要步骤及每步分析中需要注意事项（特别 是求解及求解选项设定），实例讲解瞬态传热分析的过程。简单的相变问题的基础知 识。 l 辐射传热的基础知识，辐射传热分析的主要步骤及每步中与传统热分析的差异。 l 耦合场的基础知识，常见的耦合场求解方法及其每种方法的优缺点，热应力分析的 主要步骤及与通常非耦合场分析的差异。 学好、用好ANSYS 热分析功需要首先了解热分析的基础知识，然后通过加强专业学习 的同时提高实际动手的能力，在实践中提高使用ANSYS 进行热分析的能力。下面首先介绍 热分析的基础知识。 6.1 热分析简介 热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如热量的获取或损失、 热梯度、热流密度（热通量）等。热分析在许多工程应用中扮演重要角色，如内燃机、涡轮 机、换热器、管路系统、电子元件等。 6.1.1 ANSYS 热分析特点 ANSYS 热分析有以下几个特点： y ANSYS 功能组件热分析能力 在ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Thermal、 ANSYS/FLOTRAN、 ANSYS/ED 五种产品中包含热分析功能,其中ANSYS/FLOTRAN 不含相变热分析。 y ANSYS 热分析原则 ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，并导出 其它热物理参数。 y ANSYS 热分析类型 ANSYS 热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式。此外，还可以分析相 变、有内热源、接触热阻等问题。 6.1.2 ANSYS 热分析的分类 ANSYS 热分析分为两大类，即传统的热分析和热耦合分析。

PCB的热分析与热设计(doc 6)

PCB的热分析与热设计(doc 6)

PCB的热设计 热分析、热设计是提高印制板热可靠性的重要措施。基于热设计的基本知识，讨论了PCB设计中散热方式的选择、热设计和热分析的技术措施。 1、热设计的重要性 电子设备在工作期间所消耗的电能，除了有用功外，大部分转化成热量散发。电子设备产生的热量，使内部温度迅速上升，如果不及时将该热量散发，设备会继续升温，器件就会因过热失效，电子设备的可靠性将下降。 SMT使电子设备的安装密度增大，有效散热面积减小，设备温升严重地影响可靠性，因此，对热设计的研究显得十分重要。 2、印制电路板温升因素分析 引起印制板温升的直接原因是由于电路功耗器件的存在，电子器件均不同程度地存在功耗，发热强度随功耗的大小变化。 印制板中温升的2种现象： （1）局部温升或大面积温升； （2）短时温升或长时间温升。 在分析PCB热功耗时，一般从以下几个方面来分析。 2.1电气功耗 （1）分析单位面积上的功耗； （2）分析PCB板上功耗的分布。 2.2印制板的结构 （1）印制板的尺寸； （2）印制板的材料。 2.3印制板的安装方式 （1）安装方式（如垂直安装，水平安装）； （2）密封情况和离机壳的距离。

有散热层的电路板，散热材料一般为铜/钼等材料，如一些模块电源上采用的印制板。 （3）导热材料的使用 为了减少热传导过程的热阻，在高功耗器件与基材的接触面上使用导热材料，提高热传导效率。 （4）工艺方法 对一些双面装有器件的区域容易引起局部高温，为了改善散热条件，可以在焊膏中掺入少量的细小铜料，再流焊后在器件下方焊点就有一定的高度。使器件与印制板间的间隙增加，增加了对流散热。 3.3元器件的排布要求 （1）对PCB进行软件热分析，对内部最高温升进行设计控制； （2）可以考虑把发热高、辐射大的元件专门设计安装在一个印制板上； （3）板面热容量均匀分布，注意不要把大功耗器件集中布放，如无法避免，则要把矮的元件放在气流的上游，并保证足够的冷却风量流经热耗集中区； （4）使传热通路尽可能的短； （5）使传热横截面尽可能的大； （6）元器件布局应考虑到对周围零件热辐射的影响。对热敏感的部件、元器件（含半导体器件）应远离热源或将其隔离； （7）（液态介质）电容器的最好远离热源； （8）注意使强迫通风与自然通风方向一致； （9）附加子板、器件风道与通风方向一致； （10）尽可能地使进气与排气有足够的距离； （11）发热器件应尽可能地置于产品的上方，条件允许时应处于气流通道上； （12）热量较大或电流较大的元器件不要放置在印制板的角落和四周边缘，只要有可能应安装于散热器上，并远离其他器件，并保证散热通道通畅； （13）（小信号放大器外围器件）尽量采用温漂小的器件； （14）尽可能地利用金属机箱或底盘散热。 3.4布线时的要求

热分析法讲解学习

热分析法 摘要： 热分析技术能快速准确地测定物质的晶型转变、熔融、升华、吸附、脱水、分解等变化，对无机、有机及高分子材料的物理及化学性能方面，是重要的测试手段。热分析技术在物理、化学、化工、冶金、地质、建材、燃料、轻纺、食品、生物等领域得到广泛应用。 关键词：热分析法测定高分子材料应用 一、热分析的起源及发展 ?大约公元前五万年前，人类学会使用火； ?公元前2500年，古埃及人留下了带有火与天平的壁画； ?公元前332-330年，古埃及人提炼金时，学会了热重分析方法； ?14世纪时，欧洲人将热重法原理应用于黄金的冶炼； ?1780年，英国人Higgins研究石灰黏结剂和生石灰第一次用天平测量了试样受 热时重量变化； ?1786年，Wedgwood测得粘土加热到暗红时（500-600℃）的失重曲线； ?1899年英国Roberts-Austen第一次使用了差示热电偶和参比物，大大提高了测 定的灵敏度。正式发明了差热分析（DTA）技术； ?1905年，德国人Tammann于在《应用与无机化学学报》发表的论文中首次提出 “热分析”术语，后来法国人也研究了热天平技术； ?1915年日本东北大学本多光太郎，在分析天平的基础上研制了“热天平”即热 重法（TG）； ?1964年美国瓦特逊（Watson）和奥尼尔（O’Neill）在DTA技术的基础上发 明了差示扫描量热法（DSC），美国P－E公司最先生产了差示扫描量热仪，为 热分析热量的定量作出了贡献； ?1965年英国麦肯才（Mackinzie）和瑞德弗(Redfern)等人发起，在苏格兰亚伯 丁召开了第一次国际热分析大会，并成立了国际热分析协会。 二、热分析法原理

热分析技术简介——DSC

热分析技术简介——DSC 摘要：差示扫描量热分析仪因其使用方便，精确度高等特点，多年来备受青睐。本文介绍了差示扫描量热法（DSC）的发展历史、现状及工作原理，并且简要地介绍了DSC在天然气水合物、食品高聚物测定和水分含量测定、油脂加工过程及产品、沥青性能研究及改性沥青的性能评定中的应用。 关键词：DSC 技术发展现状应用 一、差示扫描量热法( DSC ) 简史 18世纪出现了温度计和温标。 19世纪，热力学原理阐明了温度与热量即热焓之间的区别后，热量可被测量。 1887年，Le Chatelier进行了被认为的首次真正的热分析实验：将一个热电偶放入黏土样品并在炉中升温，用镜式电流计在感光板上记录升温曲线。 1899年，Roberts Austen将两个不同的热电偶相反连接显著提高了这种测量的灵敏度，可测量样品与惰性参比物之间的温差。 1915年，Honda首次提出连续测量试样质量变化的热重分析。 1955年，Boersma设想在坩埚外放置热敏电阻，发明现今的DSC。 1964年，Watson等首次发表了功率补偿DSC的新技术。 差示扫描量热法是六十年代以后研制出的一种热分析方法。它被定义为：在温度程序控制下，测量试量相对于参比物的热流速随温度变化的一种技术，简称DSC（Differential Scanning Calovimetry）。根据测量方法的不同，又分为两种类型：功率补偿型DSC和热流型DSC。其主要特点是使用的温度范围比较宽、分辨能力高和灵敏度高。由于它们能定量地测定各种热力学参数（如热焓、熵和比热等）和动力学参数，所以在应用科学和理论研究中获得广泛的应用。 二、差示扫描量热法的现状 2.1差示扫描量热法（DSC）的原理 差示扫描量热法（DSC）装置是准确测量转变温度，转变焓的一种精密仪器,它的主要原理是：将试样和参比物置于相同热条件下，在程序升降温过程中，始终保持样品和参比物的温度相同。当样品发生热效应时，通过微加热器等热元件给样品补充热量或减少热量以维持样品和参比物的温差为零。加热器所提供的热量通过转换器转换为电信号作为DSC曲线记录下来。它是一种将与物质内部相转变有关的热流作为时间和温度的函数进行测量的热分析技术。 2.2差示扫描量热分析技术发展 差示扫描量热法是在差热分析（DTA）的基础上发展起来的一种热分析技术。

ANSYS热分析指南与经典案例

第一章简介 一、热分析的目的 热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量〕等。 热分析在许多工程应用中扮演重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等。 二、ANSYS的热分析 ?在ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Thermal、ANSYS/FLOTRAN、ANSYS/ED五种产品中包含热分析功能,其中 ANSYS/FLOTRAN不含相变热分析。 ?ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，并导出其它热物理参数。 ?ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式。此外，还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。 三、ANSYS 热分析分类 ?稳态传热：系统的温度场不随时间变化 ?瞬态传热：系统的温度场随时间明显变化 四、耦合分析 ?热－结构耦合 ?热－流体耦合 ?热－电耦合 ?热－磁耦合 ?热－电－磁－结构耦合等

第二章 基础知识 一、符号与单位 W/m 2-℃ 3 二、传热学经典理论回顾 热分析遵循热力学第一定律，即能量守恒定律: ● 对于一个封闭的系统（没有质量的流入或流出〕 PE KE U W Q ?+?+?=- 式中: Q —— 热量; W —— 作功; ?U ——系统内能; ?KE ——系统动能； ?PE ——系统势能； ● 对于大多数工程传热问题：0＝＝PE KE ??； ● 通常考虑没有做功：0=W , 则：U Q ?=； ● 对于稳态热分析：0=?=U Q ，即流入系统的热量等于流出的热量； ● 对于瞬态热分析：dt dU q = ，即流入或流出的热传递速率q 等于系统内能的变化。 三、热传递的方式 1、热传导 热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换。热传导遵循付里叶定律：dx dT k q -=''，式中''q 为热流

ANSYS热分析

第一章 简 介 一、热分析的目的 热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量〕等。 热分析在许多工程应用中扮演重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等。 二、ANSYS的热分析 ?在ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Thermal、ANSYS/FLOTRAN、ANSYS/ED五种产品中包含热分析功能,其中 ANSYS/FLOTRAN不含相变热分析。 ?ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，并导出其它热物理参数。 ?ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式。此外，还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。 三、ANSYS 热分析分类 ?稳态传热：系统的温度场不随时间变化 ?瞬态传热：系统的温度场随时间明显变化 四、耦合分析 ?热－结构耦合 ?热－流体耦合 ?热－电耦合 ?热－磁耦合 ?热－电－磁－结构耦合等

第二章 基础知识 一、符号与单位 项目 国际单位 英制单位 ANSYS 代号 长度 m ft 时间 s s 质量 Kg lbm 温度 ℃ o F 力 N lbf 能量（热量） J BTU 功率（热流率） W BTU/sec 热流密度 W/m 2 BTU/sec-ft 2 生热速率 W/m 3 BTU/sec-ft 3 导热系数 W/m-℃ BTU/sec-ft-o F KXX 对流系数 W/m 2-℃ BTU/sec-ft 2-o F HF 密度 Kg/m 3 lbm/ft 3 DENS 比热 J/Kg-℃ BTU/lbm-o F C 焓 J/m 3 BTU/ft 3 ENTH 二、传热学经典理论回顾 热分析遵循热力学第一定律，即能量守恒定律: z 对于一个封闭的系统（没有质量的流入或流出〕 PE KE U W Q Δ+Δ+Δ=? 式中: Q —— 热量; W —— 作功; ΔU ——系统内能; ΔKE ——系统动能； ΔPE ——系统势能； z 对于大多数工程传热问题：0＝＝PE KE ΔΔ； z 通常考虑没有做功：0=W , 则：U Q Δ=； z 对于稳态热分析：0=Δ=U Q ，即流入系统的热量等于流出的热量； z 对于瞬态热分析：dt dU q = ，即流入或流出的热传递速率q 等于系统内能的变化。 三、热传递的方式 1、热传导 热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温

热设计与热分析

热分析与热设计技术 热与冷都会对电路造成负面影响。在极高温下，芯片可能烧毁（图1）。更常见的情况是，如果你的设计达到未曾预料的温度，很多部件都可能超出规定极限。当出现这种情况时，电路就可能表现出难以预料的行为。另外一个情况也同样值得关注，即电路温度从热到冷，然后又从冷到热。这种状况会造成热冲击，也会毁坏元件。很多工程师并不关心自己的电路在低温下的性能，但这种忽视是一个错误。半导体器件的性能在低温下会发生显著变化。双极晶体管的基射结电压在低温下会大大升高（图 2 和参考文献1）。Analog Devices 产品开发工程经理 Francisco Santos 说：“如果你要设计一个能够在负温度下工作于1.8V的放大器，就要考虑当从室温降到-40℃时，V BE（基射电压）会增加 130mV。这种情况将迫使设计者采用一组完全不同的放大器架构。” 很多放大器，如Analog Devices 的AD8045，在冷却时会加速（图3），而有些放大器（如AD8099）则在变冷时会降速。已退休的Linear Technology 信号处理产品前副总裁兼总经理Bill Gross称：“双极晶体管在低温下遇到的多数麻烦是低电压工作。”他认为，较高的基射电压和较小的电流增益都更难于满足规格要求。他说：“较低的输入阻抗和b（电流增益）的不匹配都会造成低温下的大问题。尤其是当它们为室温运行作了调整时。较高的gm（跨导）很容易通过改变工作电流而得到补偿，但这样的话转换速率就会变化。” 低温会造成振荡、不稳定、过冲，以及不良的滤波性能。百万分之几测量法可以改变你的元件在高温和低温下的值。如果你预计IC内核工作在 -55℃ ~ +85℃，则在25℃环境下只需60℃就到了最高温度上限，而从环境温度到-55℃是80℃温差。所以，要查明你的错误就应检查热与冷两种情况。Kettering大学（密歇根州 Flint）电气工程教授James McLaughlin认为，当你将硅片加热超过数百度时，它会“本质化”。换句话说，温度足够高时，掺杂物会通过晶格作迁移，不再存在 PN 结，而只是一块不纯的导电硅片。那么连接线是否会爆炸？还是硅片继续加热至熔融，直至挥发掉？

热设计和热分析基础知识培训

热设计和热分析基础知识培训 1 为什么要进行热设计 在许多现代化产品的设计，特别是可靠性设计中，热的问题已占有越来越重要的地位：电子产品：高温对电子产品的影响：绝缘性能退化；元器件损坏；材料的热老化；低熔点焊缝开裂、焊点脱落。从而导致整个产品的性能下降以至完全失效。这对于无论民用或军用产品都是一个重要问题。 航天产品，如卫星、载人飞船等，对内部温度环境有非常严格的要求；再如宇航员的装备，既要保证宇航员的周围环境，又要灵活、轻便。对于处于宇宙环境中的产品还要考虑超低温的影响等。 建筑方面：环保和节能的要求，冬季的保温和夏季的通风、降温等。各种家电产品自身的热设计和对周围环境的影响。实际上，热设计并不是什么新的东西，在日常生活中，在以往的产品中，都有意无意的使用了热设计，只是没有把它提高到科学的高度，仅仅凭经验在做。比如：在电子产品的设计中，如何合理的布置发热元件，使其尽量远离对温度比较敏感的其它元器件；合理的安排通风器件(风扇等)，通过机箱内、外的空气流动，使得机箱内部的温度不致太高；还有生产厂房中如何合理安排通风和排气设备，以及空调、暖气设备等，以达到冬季的保温和夏季的通风、降温要求，为工人提供一个较为舒适的工作环境。家居方面，则通过暖气、风扇、空调等为居民提供一个较为舒适的生活环境。 各种载人的交通工具，如汽车、火车、飞机等也都需要考虑如何为乘客提供舒适的环境。所有这些，说到底都是与热设计有关的问题，过去要求不高，凭经验就可以基本满足要求。但是，随着技术的进步，要求越来越高，光凭经验就不够了。 1.1 热设计的目的 根据相关的标准、规范或有关要求，通过对产品各组成部分的热分析，确定所需的热控措施，以调节所有机械部件、电子器件和其它一切与热有关的组份的温度，使其本身及其所处的工作环境的温度都不超过标准和规范所规定的温度范围。对于电子产品，最高和最低允许温度的计算应以元器件的耐热性能和应力分析为基础，并且与产品的可靠性要求以及分配给每一个元器件的失效率相一致。对于航天产品，必须同时考虑严酷的空间环境(超低温-269。C、太阳辐射、轨道热等) 和内部的热环境，尤其是载人航天器，其热设计的要求也更加复杂和严格，难度也更大。 1.2 热设计的基本问题 1.2.1 发生和耗散的热量决定了温升，因此也决定了任一给定结构的温度； 1.2.2 热量以生热(其它能量形式->热能)、导热、对流及辐射进行传递，每种形式传递的热量与其热阻成反比； 1.2.3 热量、热阻和温度是热设计中的重要参数； 1.2.4 所有的热控系统应是最简单又最经济的，并适合于特定的电气和机械、环境条件，同时满足可靠性要求； 1.2.5 热设计应与电气设计、结构设计、可靠性设计同时进行，当出现矛盾时，应进行权衡分析，折衷解决； 1.2.6 热设计中允许有较大的误差–源于各种热条件的不确定性，例如同类电子元器件，其热耗的分散性；空气的湿度使得对流换热的效果有较大不同； 1.2.7 热设计应考虑的因素：包括结构与尺寸、系统各组成部分的功耗、产品的经济性、与所要求的结构和元器件的失效率相应的温度极限、(对于载人航天还要考虑人能忍受的极限条件)、结构和设备、电路等的布局、工作环境(外部环境和内部环境)

纤维素热分析动力学

廖艳芬，王树荣，骆仲泱，周劲松，余春江，岑可发.纤维素热裂解过程动力学的实验分析研究.浙江大学学报，2002，36（2）. 摘要：尽管针对纤维素热裂解动力学方面的研究以已开展的比较广泛，但其表观动力学的确定认识一个具有争论性的问题，从而对纤维素热裂解机理的描述也就各不相同。廖艳芬等人试图通过纤维素的热裂解动力学研究，对此种想象作出合理的解释，并给出相应的机理描述。纤维素热裂解随温度的升高经历了五个不同的阶段，其中第三阶段是整个过程的主要是部分，期间大量灰分分析出并造成明显失重。实验发现随着升温速率的增加，热滞后现象的加重致使纤维素热裂解各个阶段向高温侧移动；同时高升温速率对炭的生成具有抑制作用，但有利于挥发分的生成。通过对热裂解主反应区的热重分析，采用微商法求得对应的反应动力学参数，以600K作为分界点，低温段的活化能约在267KJ/mol，较高温度段则体现为174 KJ/mol左右的低活化能。纤维素热裂解是一传热传质现象，与化学动力学机制相互影响控制的过程试验条件传热传质过程的影响是造成结论存在差异的内在原因。 随着世界经济持续发展导致对能源需求的高速增长以及大量化石燃料燃烧利用所造成的环境污染，生物质能这一可再生的清洁能源目前已引起了世界各国的高度重视。相比于煤炭等化石燃料，生物质具有低污染排放特点，而且其生产 的零排放，从而对于缓解“温室效应”具有特殊意义。 利用过程中能实现CO 2 生物质能的热化学转换技术是生物质能转换利用研究中的一个重点，其中生物质热裂解作为目前世界上生物质能研究开发的前沿技术，不仅是生物质气化或燃烧等转化过程中的必经步骤，而且其本身就是一种产生高能量密度产物的独立工艺。生物质热裂解是指生物质由于受到外界热效应的影响而发生的热化学转换过程，随着过程的进行，生物质的理化性质发生变化，研究这种变化的趋势不仅有助于了解生物质热裂解进程的演变情况，为生物质热裂解液化技术提供理论基础，同时对开发生物质高效直接燃烧和气化技术也具有重要的工程价值。纤维素作为生物质的主要组成部分，其热裂解行为在很大程度上体现出生物质整体的热裂解规律，因而进行纤维素热裂解过程的研究对生物质热转化利用技术的规模化应用具有重要意义，而对于纤维素热裂解过程的研究通常从其动力学特点入手来解释其过程的发展。 本文采用Perkin-Elmer TGA-7型差示热重分析仪，在程控温度操作条件下以5~50K/min的不同升温速率对纤维素原料在300~1200K的温度下进行动态升温试验，测量物质的物理性质与温度的关系，从而研究其反应动力学。试验用的载气为高纯度氮气，以保持炉内惰性气氛，同时能及时将纤维素热裂解生成的挥发性产物带离样品，从而减少了由于二次反应对试样瞬时重量带来的影响。动力学分析采用的纤维素是从含纤维素为99%的纯棉花中提取，其灰份质量分数为0.01%，粒径为50~60μm，试样量均控制在8mg以内。 2 纤维素热裂解动力学试验结果 在给定的升温速率下，随着原料温度的升高，纤维素热裂解经历了几个不同阶段，主要分为五个区域（见图1）。 的部分，在该区域中生物质除了温度升高外，没有第一区域是从室温开始到T 发生失重，此时试样的性质基本未变化；第二区域是指T0到T1的这个范围，在这个过程中生物质开始失去自由水；在接下的T1至T2的第二区域内，热重曲线几乎成一平台，期间发生微量的失重，这是生物质发生解聚及“玻璃化转变“现象的一个缓慢过程；第三区域是从T2到T4阶段，该区域是生物质热裂解过程的

热分析指南复习题附件

单元,理论 无操作 第一章简介 一、热分析的目的 热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量〕等。 热分析在许多工程应用中扮演重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等。 二、ANSYS的热分析 ?在ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Thermal、ANSYS/FLOTRAN、ANSYS/ED五种产品中包含热分析功能,其中 ANSYS/FLOTRAN不含相变热分析。 ?ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，并导出其它热物理参数。 ?ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式。此外，还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。 三、ANSYS 热分析分类 ?稳态传热：系统的温度场不随时间变化 ?瞬态传热：系统的温度场随时间明显变化 四、耦合分析 ?热－结构耦合 ?热－流体耦合 ?热－电耦合 ?热－磁耦合 ?热－电－磁－结构耦合等

第二章 基础知识 一、符号与单位 W/m 2-℃ 二、传热学经典理论回顾 热分析遵循热力学第一定律，即能量守恒定律: ● 对于一个封闭的系统（没有质量的流入或流出〕 式中: Q —— 热量; W —— 作功; ?U ——系统内能; ?KE ——系统动能； ?PE ——系统势能； ● 对于大多数工程传热问题：0＝＝PE KE ??； ● 通常考虑没有做功：0=W , 则：U Q ?=； ● 对于稳态热分析：0=?=U Q ，即流入系统的热量等于流出的热量； ● 对于瞬态热分析：dt dU q = ，即流入或流出的热传递速率q 等于系统内能的变化。 三、热传递的方式 1、热传导 热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换。热传导遵循付里叶定律：dx dT k q -=''，式中''q 为热流密度（W/m 2），k 为导热系数（W/m-℃），“-”表示热量流向温度降低的方向。 2、热对流 热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在引起的热量

热分析常用方法及谱图

常用的热分析方法 l热重法（Thermogravimetry TG） l 差示扫描量热仪(Differential Scanning Calorimetry DSC）l 差热分析（Differential Thermal Analysis DTA） l 热机械分析（Thermomechanical Analysis TMA） l 动态热机械法（Dynamic Mechanical Analysis DMA） 谱图分析的一般方法 《热分析导论》刘振海主编 《分析化学手册》热分析分册 TGA DSC 分析图谱的一般方法——TGA 1. 典型图谱 分析图谱的一般方法——TGA的实测图谱

I、PVC 35.26% II、Nylon 6 25.47% III、碳黑14.69% IV、玻纤24.58% 已知样品的图谱分析 与已知样品各方面特性结合起来分析 如：无机物（黏土、矿物、配合物）、生物大分子、高分子材料、金属材料等热分析谱图都有各自的特征峰。 与测试的仪器、条件和样品结合起来分析 仪器条件样品 应用与举例 TGA DSC/DTA TMA 影响测试图谱结果的因素——测试条件 TGA 升温速率 样品气氛

扫描速率 样品气氛 升温速率对TGA 曲线的影响 气氛对TGA 曲线的影响 PE TGA-7 测试条件： 扫描速率：10C/min 气氛：a. 真空 b. 空气 流量：20ml/min 样品：CaCO3（AR） 过200目筛，3-5mg 扫描速率对DSC/DTA曲线的影响气氛对DSC/DTA曲线的影响 气氛的性质

两个氧化分解峰 曲线b： 一个氧化分解峰， 和一个热裂解峰 影响测试图谱结果的因素——样品方面 TGA/DSC/DTA 样品的用量 样品的粒度与形状 样品的性质 样品用量对TGA/DSC/DTA曲线的影响 样品的粒度与形状对曲线的影响——TGA/DSC/DTA 样品的性质对曲线的影响——TGA/DSC/DTA TGA/ DSC/DTA 热分析曲线的形状随样品的比热、导热性和反应性的不同而不同。即使是同种物质，由于加工条件的不同，其热谱图也可能不同。如PET树脂，经过拉伸过的PET树脂升温结晶峰就会消失。 PET 树脂的DSC 曲线 TGA应用 成分分析 无机物、有机物、药物和高聚物的鉴别与多组分混合物的定量分析。游离水、结合水、结晶水的测定，残余溶剂或单体的测定、添加剂的测定等。 热稳定性的测定 物质的热稳定性、抗氧化性的测定，热分解反应的动力学研究等 居里点的测定 磁性材料居里点的测定 可用TGA测量的变化过程

SolidWorks_热分析

白皮书热分析 inspiration 摘要 在本白皮书中，我们针对产品设计有关的热分析概念进行了定义和概要 阐述。我们以实际产品为例，对传导、对流和辐射的原理进行了讨论。我 们还将阐释开展热分析的方式和方法，特别介绍如何使用设计验证软件 来模拟热力环境。同时，我们还将列出热力设计验证软件所需具备的功 能，并通过实例展示如何使用SolidWorks 产品来解决设计难题。

热分析简介 20 世纪90 年代，为了降低产品开发所需的成本和时间，传统的原型制造和测试在很大程度上已被模拟驱动的设计流程所取代。有了这一流程，工程师对昂贵而又耗时的物理原型的需求大大减少，只需使用易于修改的计算机模型即可成功预测产品的性能（图1）。 设计流程的变化 传统的产品模拟驱动的产品 设计流程设计流程 设计CAD 模拟 多次只需一次！ 原型制造原型制造 多次只需一次！ 测试测试 生产生产 图1： 传统产品设计流程与模拟驱动的产品设计流程 在研究缺陷、变形、应力或自然频率等结构问题时，设计验证工具的价值是不可估量的。但是，新产品的结构性能仅仅是设计工程师所面临的诸多难题之一。还有许多其他常见问题是与热力相关的，其中包括过热、缺乏尺寸稳定性、过高的热应力，以及与产品的热流和热力特征相关的其他难题。热力问题在电子产品中普遍存在。在设计冷却扇和散热器时，必须权衡小体积与足够的散热能力这两方面的需求。同时，紧凑的组装还必须确保空气的充分流动，以防印刷电路板在过高的热应力下变形或断裂（图2）。 图2： 要进行电子封装，需要对如何排出电子零部件所产生的热量进行仔细分析。

在传统的机器设计中，也大量存在热力问题。有很多产品必须进行温度、散热 和热应力分析，其中一些十分明显的示例包括：引擎、液压缸、电机或电动泵。 简而言之，任何消耗能量来执行某种实用工作的机器都不例外。或许材料加工 机器不太需要进行热分析，但这些机器的机械能转化成热能，不仅影响机器零 件还影响机器本身。这种情况不仅存在于精密的机器设备中，还存在于破碎机 等大功率机器中。在精密机器设备中，热膨胀可能影响切割工具的尺寸稳定性； 在大功率的机器中，零部件可能因高温和热应力而受到损坏（图3）。 图4： 种植牙必须不影响周围组织的热力状况， 而且必须能够承受热应力。 图3： 在设计工业破碎机的传动和载荷时，潜在过热问题是一个十分重要的考虑因素。 这里涉及到的第三个示例，是为了说明大多数医疗设备应该进行热力性能分 析。给药系统必须确保所给药物的温度合适，而手术设备必须确保组织免遭过 度热冲击。同样，体移植物不得干扰体内的热流，而种植牙也必须承受剧烈 的外部机械载荷与热载荷（图4）。 最后，所有的家用电器产品，例如电热炉、电冰箱、搅拌器、电熨斗和咖啡机 （任何需要靠电力才能运行的设备），都应进行热力性能分析以避免过热现象。 这不仅适用于使用交流电源的消费类产品，还适用于由电池供电的设备，例如 遥控玩具和无线电动工具（图5）。 图5： 要对无线工具上的高容量电池进行充分 冷却，就需要对热力状况有所了解。

ANSYS热分析指南

ANSYS热分析指南

目录 第一章简介 (3) 一、热分析的目的 (3) 二、ANSYS的热分析 (3) 三、ANSYS 热分析分类 (4) 四、耦合分析 (4) 第二章基础知识 (5) 一、符号与单位 (5) 二、传热学经典理论回顾 (6) 三、热传递的方式 (7) 1、热传导 (7) 2、热对流 (7) 3、热辐射 (7) 四、稳态传热 (8) 五、瞬态传热 (9) 六、线性与非线性 (9) 七、边界条件、初始条件 (10) 八、热分析误差估计 (10) 第三章稳态传热分析 (11) 一、稳态传热的定义 (11) 二、热分析的单元 (11) 三、ANSYS稳态热分析的基本过程 (12) 1、建模 (12) 2、施加载荷计算 (13) 3、后处理 (20) 实例1： (21) 实例2 (27) 《ANSYS Verification Manual》中关于稳态热分析的实例： (39) 第四章瞬态传热分析 (41) 一、瞬态传热分析的定义 (41) 二、瞬态热分析中的单元及命令 (41) 三、ANSYS 瞬态热分析的主要步骤 (42) 1、建模 (42) 2、加载求解 (43) a、定义分析类型 (43) b、获得瞬态热分析的初始条件 (43) c、设定载荷步选项 (45) 3、后处理 (48) 四、相变问题 (49) 实例1: (51) 实例2: (62) 《ANSYS Verification Manual》中关于瞬态热分析的实例： (70)

第一章简介 一、热分析的目的 热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量〕等。 热分析在许多工程应用中扮演重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等。 二、ANSYS的热分析 ?在ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Thermal、ANSYS/FLOTRAN、ANSYS/ED五种产 品中包含热分析功能,其中ANSYS/FLOTRAN不含相变热 分析。 ?ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，并导出其它热物理参数。 ?ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式。此外，还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问 题。

热分析知识

热分析知识 在诸多的化学分析仪器中，热分析(热性质分析)仪独树风格，品味截然回异.。大部份的化学分析仪都是在「微观」的世界下进行直接或间接的探讨，但热分析仪却在巨观的世界下独领风骚。例如光谱仪是利用放射或吸收光谱来检定官能基的型态或所含元索为何? 层析仪则是利用分离分析的技术来检定化合物的组合和种类。光学显微镜则是利用显像原理放大样品直接进行观察。它们都明确地鉴定了物质的微观特性，但是这些微小物质的集合行为又如何呢? 在「巨观」的世界下仍疑存了许多问题。大部份工业的应用是利用物质的巨观性质而非微观性质。当然巨观性质是微观结构的集合行为，但是仅有微观结构却无法直接推论出互观行为。而由巨观行为的具存现象却可用微观结构来找寻合理的说明。就如同量子物理帮助说明了很多物质现象，但是仍末可普遍应用在一般工业。 我们从事于工业技术研究、产品开发或产品管制等工作，这些多半与材料的巨观性质息息相关，而热分析仪将成为最佳的帮手。DSC 在高分子材料的研究与品管上己普遍应用。DTA 则偏重于属高温应用的金属与陶瓷材料领域中。现将一般常见的应用分叙于下: 熔融点(Melting Point, Tm) 熔融现象是指物质规则排列的结晶构造变形为不规则形态的现象。变形运动就是一般所称的流动现象。在有机或无机的领域中，熔融点都是点都是一个重要的参考数据。 以纯物质而言，熔融点是属定值，但在真实的应用中，无机材料多半是混合物或有少许的添加物，故其熔融点会有偏离效应。以相图的观念来看，就是共溶现象所造成的偏移。此种效应常被利用做产生第二相液相烧结或降低制程温度的应用。例如在高岭土(Kaolinite) 中微量的添加氧化镁(MgO) 会有助于降低Mullite 的形成温度与所需时间。 然而，对于高分子材料而言，熔融点却呈现回异的性质。因为高分子有分子量大小、分子量分布、分支形态等内部构造的差异，即使同一物质又会有不同的熔融点。因此熔融现象不是指一定温度，而是指一段温度区间，不同的高分子材料都有其特属的熔融区间，所以也可以用它来区分高分子材料(表一)。再者熔融点也提供了热塑性高分子的最低制程温度及使用时温度上限等讯息。而熔融峰的宽