TMA7000熱機(jī)械分析儀是一種在程序溫度下和非震動載荷作用下，測量物質(zhì)的形變與溫度時間等函數(shù)關(guān)系的技術(shù)，主要測量物質(zhì)的膨脹系數(shù)和相轉(zhuǎn)變溫度等參數(shù)。其工作原理主要基于測量樣品的溫度變化和由此產(chǎn)生的力學(xué)變化。加熱系統(tǒng)通常由一個加熱爐和一個恒溫控制裝置組成，樣品被放置在加熱爐中，加熱爐的溫度可以通過控制裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)和維持。測量系統(tǒng)則包括力傳感器和溫度傳感器，力傳感器用來測量由于溫度變化而引起的樣品力學(xué)變化，而溫度傳感器則可以感知樣品加熱或冷卻過程中的溫度變化。
一、加熱系統(tǒng)
爐體
爐體是提供溫度環(huán)境的部件，它能夠在一定范圍內(nèi)精確地控制溫度。爐體通常采用耐高溫的材料制成，以保證在高溫測試過程中的穩(wěn)定性。例如，在一些高溫TMA中，爐體可以承受高達(dá)1000℃甚至更高的溫度。
爐體的結(jié)構(gòu)設(shè)計要保證溫度的均勻性，使得樣品在加熱或冷卻過程中各個部分所處的溫度環(huán)境盡可能一致。這通常通過合理的加熱元件布局和通風(fēng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。
加熱元件
常見的加熱元件有電阻絲和電熱偶等。電阻絲加熱是通過電流流經(jīng)電阻絲產(chǎn)生焦耳熱來升高溫度。它的優(yōu)點(diǎn)是加熱速度相對較快，溫度控制精度較高。電熱偶則是利用熱電效應(yīng)來加熱，其溫度測量和加熱功能可以在一定程度上結(jié)合，能夠較為準(zhǔn)確地控制溫度。
加熱元件的功率和分布會根據(jù)TMA的型號和測試溫度范圍有所不同。例如，對于低溫測試為主的TMA，加熱元件的功率可能較小；而對于能夠進(jìn)行高溫測試的TMA，則需要功率較大的加熱元件來快速提升溫度。
溫度控制器
溫度控制器是整個加熱系統(tǒng)的核心控制單元。它可以精確地設(shè)定和調(diào)節(jié)溫度，并且能夠按照預(yù)設(shè)的程序進(jìn)行升溫、降溫或恒溫操作。
溫度控制器通常采用PID（比例-積分-微分）控制算法，通過比較設(shè)定溫度和實(shí)際測量溫度之間的差值，動態(tài)地調(diào)整加熱元件的功率，從而將溫度控制在設(shè)定值附近。例如，當(dāng)實(shí)際溫度低于設(shè)定溫度時，溫度控制器會增加加熱元件的功率，使溫度上升；當(dāng)實(shí)際溫度高于設(shè)定溫度時，會減少加熱元件的功率，使溫度下降。
二、冷卻系統(tǒng)
液氮冷卻裝置（可選）
對于需要進(jìn)行低溫測試的TMA，液氮冷卻裝置是重要的組成部分。液氮是一種沸點(diǎn)很低（-196℃）的制冷劑，通過將液氮引入冷卻腔體，可以快速降低樣品周圍的溫度。
液氮冷卻系統(tǒng)通常包括液氮儲罐、輸送管道和流量控制裝置。流量控制裝置可以根據(jù)需要精確地調(diào)節(jié)液氮的流量，從而實(shí)現(xiàn)對溫度的準(zhǔn)確控制。例如，在研究聚合物的低溫性能時，可以利用液氮冷卻裝置將樣品冷卻到極低的溫度，觀察其在低溫下的尺寸變化和力學(xué)性能。
風(fēng)冷系統(tǒng)
除了液氮冷卻，許多TMA還配備風(fēng)冷系統(tǒng)。風(fēng)冷系統(tǒng)通過風(fēng)扇將空氣吹過加熱爐體或樣品周圍，實(shí)現(xiàn)降溫。這種冷卻方式相對簡單，適用于溫度降幅不是特別大的情況。
風(fēng)冷系統(tǒng)的冷卻速度取決于風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速和爐體的設(shè)計。一些TMA可以通過調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速來控制冷卻速率，以滿足不同測試的要求。
三、加載系統(tǒng)
探頭和傳感器
TMA的探頭用于接觸樣品并施加一定的載荷。探頭的類型有多種，如針入式探頭、膨脹式探頭等，具體選擇取決于樣品的性質(zhì)和測試目的。例如，對于軟質(zhì)材料，可能會使用較細(xì)的針入式探頭，以免對樣品造成過大的破壞；對于硬質(zhì)材料，膨脹式探頭可能更合適。
與探頭相連的是傳感器，用于測量探頭所受到的力或位移。力傳感器可以精確測量探頭施加在樣品上的力，位移傳感器則可以測量樣品在受力或溫度變化過程中的尺寸變化。這些傳感器將物理量轉(zhuǎn)換為電信號，傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
載荷施加裝置
載荷施加裝置用于對樣品施加一定的靜態(tài)載荷或動態(tài)載荷。靜態(tài)載荷可以使樣品在測試過程中保持一定的壓縮或拉伸狀態(tài)，模擬材料在實(shí)際使用中的受力情況。動態(tài)載荷則可以用于研究材料在周期性受力情況下的性能，如疲勞特性等。
載荷施加裝置通常包括砝碼、彈簧或電動推桿等部件。砝碼加載方式簡單直觀，通過在探頭上放置不同質(zhì)量的砝碼來改變載荷大小；彈簧可以根據(jù)胡克定律提供一定的彈性力；電動推桿則可以實(shí)現(xiàn)更精確的載荷控制，通過程序控制可以施加復(fù)雜的載荷譜。
四、樣品支撐系統(tǒng)
樣品臺
樣品臺是放置樣品的平臺，它需要具備良好的熱傳導(dǎo)性和穩(wěn)定性。樣品臺通常采用金屬材料制成，如不銹鋼或鋁合金，以確保在溫度變化過程中不會發(fā)生變形而影響測試結(jié)果。
樣品臺的尺寸和形狀會根據(jù)不同的TMA型號和樣品類型有所不同。有些樣品臺可以容納較大尺寸的樣品，用于測試大型構(gòu)件或復(fù)合材料；有些則適用于小尺寸的樣品，如微小的芯片或纖維。
夾具
夾具用于固定樣品，保證樣品在測試過程中不會發(fā)生位移或旋轉(zhuǎn)。夾具的設(shè)計要根據(jù)樣品的形狀和測試要求而定。例如，對于棒狀樣品，可能會使用V型夾具來固定；對于平板狀樣品，可以使用平口夾具。
夾具的材料也需要考慮，既要有一定的強(qiáng)度來固定樣品，又不能對樣品產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中，以免影響測試結(jié)果。在一些高精度測試中，夾具的表面平整度和粗糙度也有很高的要求。
五、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)
數(shù)據(jù)采集器
數(shù)據(jù)采集器負(fù)責(zé)收集來自傳感器的信號，如溫度信號、位移信號和力信號等。它可以將這些模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便進(jìn)行后續(xù)的處理和分析。
數(shù)據(jù)采集器通常具有較高的采樣頻率，能夠準(zhǔn)確地記錄樣品在溫度變化過程中的快速響應(yīng)。例如，在研究材料的熱膨脹過程時，數(shù)據(jù)采集器可以每秒采集多次數(shù)據(jù)，以捕捉膨脹曲線的細(xì)微變化。
計算機(jī)軟件
計算機(jī)軟件是數(shù)據(jù)處理和分析的核心工具。它可以對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時顯示、存儲和分析。軟件功能包括繪制溫度-位移曲線、計算熱膨脹系數(shù)、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等參數(shù)。
一些先進(jìn)的TMA軟件還具有數(shù)據(jù)處理模板和自動化分析功能。例如，用戶可以根據(jù)不同的材料類型和測試標(biāo)準(zhǔn)選擇合適的模板，軟件會自動按照模板要求對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，大大提高了工作效率。同時，軟件還可以對多個測試周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和統(tǒng)計分析，為用戶提供更全面的材料性能評估。
