量热与热分析（六）：热机械分析（TMA）

更新时间：2026-06-24

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在前几期内容中，我们从“质量变化"“热效应"“多维度同步分析"多个维度解读材料热行为。但在实际应用中，材料的“力学性能随温度的变化"同样关键——比如塑料高温下是否会收缩变形、金属受热后是否会膨胀导致结构失效。而热机械分析（Thermal Mechanical Analysis，简称TMA），正是专门研究“材料力学性能（如形变、尺寸）随温度变化"的热分析技术。本期，我们就来看看TMA如何“捕捉材料的力学性能变化"。

一、TMA的基本原理

广义上的热机械分析是在程序控制温度和一定的荷载下（形变模式有压缩、针入、拉伸或弯曲等不同形式），测量试样的形变与温度或时间关系的技术。热机械分析主要用于考查物质在与实际使用环境接近的应力作用（具有合适形状的样品受到静态应力）下的行为。

在实际应用中，TMA通常是指静态热机械分析，即其对应于程序控制温度和一定的非振荡性荷载下，测量试样和形变与温度或时间关系的技术。此处所指的静态热机械分析与动态热机械分析是相对应的。

TMA的仪器结构主要由程序控温系统、荷载施加系统和形变检测系统组成。程序控温系统与TGA、DSC类似，通过加热炉实现精准的升温、降温或恒温控制。荷载施加系统通过压头（或探针）对样品施加恒定荷载，荷载类型根据测试需求可分为压缩、拉伸、弯曲、针入四种。形变检测系统则采用高精度位移传感器，实时捕捉样品在温度与荷载共同作用下的微小尺寸变化，将位移信号转化为可记录的数据，最终输出TMA曲线。

二、TMA的核心参数

TMA曲线的横坐标通常为温度（或时间），纵坐标为形变（或尺寸变化率），不同的曲线特征对应材料的不同热机械特性，核心参数主要有三个：

热膨胀系数（CTE）

热膨胀系数是材料受热时尺寸随温度变化的速率，是TMA很常用的参数，分为“线膨胀系数（αL）"和“体膨胀系数（αV）"（TMA主要测线膨胀系数）。

下图为铁在不同温度下的膨胀率曲线，由图可见，铁在906 ℃处出现收缩现象，这表明此时金属铁发生晶格转变，另一个晶格转变出现在1409 ℃。

（注：图片引用自《热分析基础》/丁延伟编著.—合肥：中国科技大学出版社，2020.3）

计算方式：在TMA曲线的线性膨胀段（材料未发生软化、相变的温度区间），取两个温度点（T1、T2）对应的形变值（∆L1、∆L2），通过公式计算：

其中L0为样品初始长度，αL的单位通常为ppm/℃；

物理意义：αL越大，说明材料在相同温度变化下的尺寸变化越明显。

玻璃化转变温度（Tg）

对于高分子材料，TMA是检测Tg的重要手段（与DSC互补：DSC测的是比热容变化，TMA测的是力学形变变化）。

曲线特征：在Tg以下，高分子材料处于玻璃态，刚性大、形变小，TMA曲线斜率平缓；达到Tg时，材料开始向高弹态转变，刚性下降、易发生形变，TMA曲线斜率会出现明显变化；
判定方式：通常取TMA曲线“斜率变化段的中点温度"作为Tg，这种基于力学形变的Tg，更贴近材料实际使用中的力学性能转变。

软化温度（Ts）

软化温度是指材料在恒定荷载下，开始发生显著形变的温度，常用于评估塑料、橡胶等材料的耐高温形变能力。

曲线特征：在软化温度以下，材料形变较小且随温度变化平缓；达到软化温度后，材料内部结构开始松弛，形变急剧增加，TMA曲线出现“陡峭上升"（拉伸模式）或“陡峭下降"（压缩模式）。

三、TMA的测试模式分类

TMA的测试模式根据荷载施加方式的不同，可分为四种核心类型，分别对应不同的样品形态与测试需求：

量热与热分析（六）：热机械分析（TMA）

其中，压缩模式是常用的模式，适用于大多数固体样品；而针入模式则专门针对软质或半流质样品。

四、TMA的应用场景

1.电子电器领域

（1）芯片封装材料的热膨胀匹配性评估

芯片封装中，芯片（如硅基）与封装材料的热膨胀系数差异过大，会在温度变化（如焊接、工作发热）时产生内应力，导致封装开裂、芯片失效。用TMA测试封装材料的线膨胀系数，可筛选出与硅芯片热膨胀系数接近的材料，减少内应力风险。

（2）PCB基板的玻璃化转变温度测试

PCB基板的Tg直接影响电路板的耐高温性能：若Tg过低，电路板在焊接过程中会变软变形，导致线路错位。用TMA的压缩模式测试PCB基板的Tg，需确保其Tg高于焊接温度50℃以上，保障焊接可靠性。

2.汽车工业领域

（1）汽车内饰塑料的热膨胀测试

汽车内饰塑料（如仪表盘、门板材料）需在-40℃（寒冷地区冬季）~80℃（夏季暴晒）的温度范围内保持尺寸稳定，避免因热膨胀导致的翘曲、缝隙变大。用TMA测试内饰塑料在该温度区间的线膨胀系数，选择αL较小的材料，确保内饰件的装配精度与外观质量。

（2）橡胶密封件的软化温度评估

汽车发动机周边的橡胶密封件（如油封、垫片），需在发动机工作温度下保持弹性，不发生软化泄露。用TMA的压缩模式测试橡胶的软化温度，需确保其软化温度高于发动机最高工作温度，避免密封失效。

3.建筑与建材领域

（1）玻璃幕墙的热膨胀匹配设计

玻璃幕墙由玻璃与金属框架组成，若两者热膨胀系数差异过大，冬季低温收缩、夏季高温膨胀时会产生应力，导致玻璃破裂。用TMA测试金属框架材料的热膨胀系数，可通过设计“伸缩缝"或选择中间过渡材料，平衡两者的热膨胀差异。

（2）混凝土的热膨胀与收缩测试

混凝土在凝固硬化过程中会发生“水化热膨胀"，后期又会因水分蒸发发生“干缩"，若热膨胀与干缩不均匀，易产生裂缝。用TMA测试混凝土在不同养护温度下的形变曲线，可优化养护工艺，减少裂缝产生。

热机械分析（TMA）通过“温度-荷载-形变"的关联，为我们揭示了材料的力学热响应，尤其在工业领域的材料选型与工艺优化中很重要。但TMA主要测的是静态荷载下的形变，对于动态荷载下的力学性能（如材料的弹性模量、阻尼系数随温度的变化），则需要另一种专门的技术——动态热机械分析（DMA）。下一期，我们将介绍动态热机械分析（DMA），看看它如何在动态下解析材料的力学特性。敬请期待。