熱機械分析是在程序控溫非振動負載下(形變模式有膨脹、壓縮、針入、拉伸或彎曲等不同形式)，測量試樣形變與溫度關系的技術，使用這種技術測量的儀器就是熱機械分析儀(Thermomechanical analyzer-TMA)。

　　熱機械分析儀的結(jié)構(gòu)如圖所示。試樣探頭上下垂直移動，探頭上的負載由力發(fā)生器產(chǎn)生，探頭由固定在其上面的懸臂梁和螺旋彈簧支撐，通過加馬力馬達對試樣施加載荷，位移傳感器測量探頭的位置。探頭直接放置于試樣上，或者放置于試樣上的石英圓片上;測量試樣溫度的熱電偶置于試樣下。

熱機械分析儀結(jié)構(gòu)示意圖

1.氣體出口旋塞;2.螺紋夾;3.爐體加熱塊;4.水冷爐體加套;5.試樣支架;6.爐溫傳感器;7.試樣溫度傳感器;8.反應氣體毛細管;9.測量探頭;10.墊圈;11.恒溫測量池;12.力發(fā)生器;13.位移傳感器(LVDT);14.彎曲軸承;15.校正砝碼;16.保護氣進口;17.反應氣進口;18.真空連接與吹掃氣入口;19.冷卻水;20.試樣

　　TMA的核心部件是LVDT位移傳感器，LVDT(Linear Variable Differential Transformer)是線性可變差動變壓器縮寫,屬于直線位移傳感器。LVDT的結(jié)構(gòu)由鐵心、銜鐵、初級線圈、次級線圈組成。初級線圈、次級線圈分布在線圈骨架上，線圈內(nèi)部有一個可自由移動的桿狀銜鐵。當銜鐵處于中間位置時，兩個次級線圈產(chǎn)生的感應電動勢相等，這樣輸出電壓為0;當銜鐵在線圈內(nèi)部移動并偏離中心位置時，兩個線圈產(chǎn)生的感應電動勢不等，有電壓輸出，其電壓大小取決于位移量的大小。為了提高傳感器的靈敏度，改善傳感器的線性度、增大傳感器的線性范圍，設計時將兩個線圈反串相接、兩個次級線圈的電壓極性相反，LVDT輸出的電壓是兩個次級線圈的電壓之差，這個輸出的電壓值與鐵心的位移量成線性關系。線圈系統(tǒng)內(nèi)的鐵磁芯與測量探頭連接，產(chǎn)生與位移成正比的電信號。電磁線性馬達可消除部件的重力，保證探頭傳輸希望的力至試樣。使用的力通常為0~1N。

TMA常用測量模式示意圖

壓縮或膨脹

　　兩面平行的試樣上覆蓋一片石英玻璃圓片，以使壓縮應力均勻分布。膨脹測試時，作用在圓柱體試樣上力僅產(chǎn)生很小的壓縮應力。

針入模式

　　這種模式通常用來測定試樣在負載下軟化或形變開始的溫度。通常用球點探頭作針入測試，開始時球點探頭僅與試樣上的很小面積接觸，加熱時如果試樣軟化，則探頭逐漸深入試樣，接觸面積增大，形成球星凹痕，導致測試過程中壓縮應力下降。

三點彎曲

　　這種模式非常適合在壓縮模式中不會呈現(xiàn)可測量形變的硬材料如纖維增強塑料或金屬。

拉伸模式

　　適合薄膜或纖維。

典型的TMA測量曲線

熱膨脹系數(shù)測量曲線

　　熱膨脹系數(shù)(coefficient of thermal expansion，CTE)也簡稱為膨脹系數(shù)。

　　大多數(shù)材料在加熱時膨脹。線膨脹系數(shù)α定義如下：

式中，dL為由溫度變化dT引起的長度變化;L0為溫度T0(通常為室溫25℃)時的原始長度;α單位為10-6K-1。

玻璃化轉(zhuǎn)變的TMA測量曲線

　　測定玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是TMA最常進行的測試之一。在玻璃化轉(zhuǎn)變處，由于熱膨脹系數(shù)增大，導致膨脹測量曲線斜率明顯增大。通過外推兩段具有不同斜率熱膨脹系數(shù)曲線所得到的焦點，即為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。

測量楊氏模量的DLTMA曲線

　　如果采用振動負載，即負載呈周期性變化，則稱為動態(tài)負載熱機械分析(dynamic load thermomechanical analysis-DLTMA)，該模式為TMA的擴展功能，可測量試樣的楊氏模量。如果能確保在測試過程中施加在整個試樣上的機械應力相同，就可由DLTMA曲線測定楊氏模量(彈性模量)。

　　從原理上來說，DLTMA曲線類似于DMA曲線，傅里葉分析可得到應力應變之間的關系，可將復合模量分成儲能模量和損耗模量。然而由于若干原因，這些計算并不準確，特別是用彎曲模式。因此，若想測定儲能模量和損耗模量，最好用動態(tài)熱機械分析DMA。