热分析-TGDTA 热分析TGDTA及TMA分析技术-以陶瓷材料制程现象为例【更新日期: 2022/11/22】

提到陶瓷，人们的第一印象就会想到陶瓷艺术品、磁砖或陶瓷器皿等日常生活常见的器具，陶瓷器材随处可见，充斥在我们的生活周遭，然而一般常见的陶瓷都是属于传统陶瓷，不论是艺术品或家中，都是加上玻璃与水泥等材料而成。

那到底什么是陶瓷?
陶瓷具有耐高温、高抗压、耐磨损腐蚀等特性，且陶瓷的重量一般都比金属材料轻许多，充份利用陶瓷在机械上可减轻机械损耗并节省大量能源成本。

近代发展中，对陶瓷的研究发展已是相当全面，利用陶瓷的坚硬、耐磨、耐热、耐酸碱、耐压等物化特性，精密的零件中也开发出陶瓷相关元件，例:应用在电子陶瓷，医学相关的生医陶瓷等，经过科学家专业研究，陶瓷材料已广泛应用在耐磨元件、刀具、引擎、生医、军事及航太领域上，目前应用广泛的陶瓷材料分为氧化铝、氧化锆、碳化矽、氮化矽。



那我们对陶瓷材料的了解有多少?为何它具有许多金属材料所没有的特性?陶瓷又是如何被研究及开发?陶瓷在制造过程中又有哪些现象会发生?

让我们实际使用陶瓷材料中的高岭土来做个测试，探讨在现今热分析技术下，高岭土会有怎样的现象产生。高岭土又称为瓷土，是一种矽酸盐矿物粘土，内含有高岭石，埃洛石等成分，颗粒细腻且成分稳定，是六角型片状结晶，ㄧ般高岭石成分约为二氧化矽46.5% 、三氧化二铝39.5%、水14%，其化学结构式是Al2Si2O5（OH）4。 nH2O，早期较多制程在瓷器等制瓷工艺上，现今较多应用于填料及防火材料。高岭土材料大都被使用于陶瓷制品，但在制程前题下，重要的是需要了解高岭土的热物理性质，例如在对材料进行升温过程及质量控制时，高岭土的收缩率和重量减少率。

使用热重/差热分析仪（TG/DTA）和热机械分析仪（TMA）做为用于评估陶瓷材料及升温过程，这些热分析设备可用来来衡量陶瓷材料的吸放热现象，重量变化特性，热膨胀及热收缩等特性。实际测试高岭土与TG/DTA和TMA的测量状况。此次测试的主要是高岭土粉。将样品放置在室温下干燥及固化后，加入水并混合。再使用TG/DTA 7300热重/差热分析仪和TMA/SS 7300热机械分析仪进行测量。

测试条件及样品制备: 
在TG / DTA测量中，将干燥后的样品粉碎成粉末后，取约40mg已制备好的粉末样品放置于白金样品盘上后，将样品以20℃/min加热，并在空气中从30℃升温至1500℃。        

在TMA测量中，样品置于空气环境下以5℃/min加热，从30℃升温至1500℃，干燥后的样品裁切成约7mm的矩形，再将样本垂直放置在陶瓷管柱上，使用陶瓷探针对样品施力20mN。 TMA的测量施力通常是100mN。然而此次测试施力相当小，但由于TMA 7300具有高施力精密度=9.8uN，纵使施力非常小，也可做到准确的测量。

温度范围	DTA	TG	TMA	现象
30℃-450℃	-	重量损失	膨胀	水蒸发及热膨胀
450℃-700℃	吸热峰	重量损失	收缩	结构水脱水
900℃-1100℃	放热峰	-	收缩	氧化铝及矽酸结晶
1200℃-1300℃	放热峰	-	收缩	方石英及富铝红柱石的形成

我们可以看到DTA曲线并没有表现出任何明显的变化，但从TG曲线上显示出从常温升温到150℃中约有0.36%的微量重量减少。我们再看到TMA曲线上只有约0.1％的扩张。 TG曲线上的0.36%重量损失可能样品内水分蒸发。此可能是样品干燥后的残余水分或是干燥后的高岭土粉末有吸附到蒸发后的水气。藉由分析高岭土粉末内附着水的含量，可用来判断其吸湿特性。 TMA中的曲线有轻微上升是由于样品产生了些微热膨胀所引起。
 
从DTA曲线上清楚的显示出较广的吸热峰，而TG曲线在​​500℃左右有重量减少11.6%。 TMA曲线显示了0.7％的收缩。        

在此温度范围内，高岭土内的结构水产生脱水反应，所以产生吸热反应，样品重量下降及产生收缩现象。藉由TG/DTA实际分析高岭土的脱水量变化，可以得知高岭土在升温过程中的重量减少率及组合成分比例的讯息。
从DTA曲线上我们可看到向上尖锐的放热峰，而TG曲线在1002℃并没有任何的重量变化。 TMA曲线则显示出1.3%的轻微收缩。在此温度范围内，氧化铝及矽酸的升温结晶产生放热和收缩现象，此产生结晶反应并不会引起任何重量的变化。 DTA曲线虽显示出尖锐的放热峰，高岭土放热峰的温度、大小和形状变化主要取决于采取高岭土的地方。某些情况下不会有放热峰产生。
DTA曲线显示出在1257℃有小的放热峰。 TG曲线则没有显示出任何的重量变化。 TMA曲线上显示出14%的收缩率。在此高温度范围内，莫来石和方英石的形成会导致放热及收缩现象。莫来石及方英石的形成不会引起重量的变化。了解陶瓷材料在高温的收缩率，对于制造陶瓷器具或其他应用是相当具有参考价值。  

结论
使用TG/DTA和TMA从低温到高温实际测试高岭土，其结​​果测试来说，附着水的蒸发，结构水脱水，氧化铝和矽酸的结晶现象，以及莫来石和方英石的形成，从TG曲线、 DTA曲线及TMA曲线来看，都显示出陶瓷材料的独特放热峰和收缩变化。经过实际的热分析，我们可以实际了解在陶瓷材料-高岭土升温过程中每个温度范围内吸放热变化、重量损失率和收缩率的测定，藉由这些现象及特点，来对加工制程条件做更准确的判断。

热示差扫描卡量计 DSC 7000X	热机械分析仪 TMA7100