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美学是一个哲学范畴的概念。自然界按照简单、对称、和谐、统一、有序的美学原则构建而成。自然科学的研究对象是自然界，具有自然的美，包含了真，体现美学原理。探索自然界的内在动力来自哪里？源于找寻自然界的真与美的情怀！对美的追求，是自然科学发展的源动力。科学追求的是认识世界，从认识中窥见自然美，并从心灵深处感悟到自然界的美。科学的美是客观的。科学家追求人与自然和谐统一的审美境界，践行科学的美学准则。

热分析是自然科学，研究物质的物理变化和化学变化，蕴含哲理和美学。热分析曲线揭示物质变化之美，曲线产生美感，美在哪里？我们都喜欢钻石，觉得她漂亮极了，美极了。为什么会觉得钻石美呢？因为钻石是含有万万亿个碳原子的单晶，透明，色泽晶莹，能产生耀眼的七彩光辉，成为几近完 美的宝石。钻石做成婚戒，爱情恒久远，是心灵美。

现以高聚物的结晶为例，谈谈结晶高聚物的结晶美。结晶高聚物等温结晶的DSC曲线如图所示：

结晶高聚物等温结晶的DSC曲线

热分析实验隶属扫描型的，熔体降到设定的温度后等温结晶，形成一个放热峰。曲线的“形”表征了结晶过程，显现物质状态变化之美。对曲线（图像）的变化进行深度分析，揭示熔体等温结晶动力学的规律。

人有善于发现美的眼睛和善于感知美的心理。凭借结晶学的理论和知识，眼睛的视域看到DSC曲线的形象，视觉性思维产生遐想，伴随着意象在脑海里形成了晶体的朦胧图像。思是物之形象，想象中产生了结晶的图像。扫描电镜帮助我们准确描写了清晰的图像。

多种结晶高聚物等温结晶扫描电镜照片如图：

从图片中看到了客观存在的结晶美。它和钻石晶体一样，美轮美奂。热分析曲线从宏观上描述了结晶过程，扫描电镜从微观结构上描述了晶体结构，并从微观状态解释了结晶的宏观现象。热分析曲线和扫描电镜图像自然、简明地呈现晶体生长的美。科学数学化，数学的语言已经成为科学的语言。很多的定理、定律都是以数学公式的形式表示出来的。复杂、美丽的等温结晶过程，用经典的Avrami方程描述,就使结晶跟数学发生了关系。结晶受着结晶动力学方程式控制，这是一种动态的美。用数学语言来理解被表达的结晶过程，将美的感受提高到一个新的境界。

插入一则科学史上传为美谈的趣事，被誉为物理学界贝多芬的路德维希.玻尔茲曼墓碑上没有墓志铭，而将热学中极其美妙的熵关系式刻在墓碑上。数学、敬仰、肃穆的情、思交融，超脱世俗之美。

热分析曲线蕴含美，如何来表达美呢？热分析曲线和书法、中国画一样，用线条表达美。热分析曲线是展开于空间，流淌于时间的直观的、形象的线条，线条流出物质万象变化之美的同时，也流出科研人员的人心之美。科学家运用形象思维和逻辑思维揭示物质热变化的本质和规律。热分析曲线千姿百态，各显其妙。线条是构成物体视觉形象的最根本的要素，线条构成的视觉形象是一个家属，可以建构谱系，系统全面表征物质变化特征。按照转变、反应与特性参数进行应用分类，形成了热分析学科。热分析曲线展示物质发生热变化的“形象”美。曲线赋予人们感官上美感的同时，它还诱惑大脑思考，建立可视图画，并用词来描写热分析曲线的对称美、简单美、和谐美（统一美）、新奇美、常数美。

高聚物结晶的对称之美

部分结晶高聚物的DSC曲线如图所示：

结晶峰形陡峭，峰顶温度Tp酷似山巅之峰，尖峭独拔；结晶峰的峰形对称，展示了对称美。聚丙烯的等温结晶的DSC曲线如图：

结晶时间长达2小时，峰高仅有0.3mW，是快速结晶峰的几百分之一，它似湖面上的涟漪细波，平静之美！DMA的温度谱和频率谱的镜像对称也是展示对称美典型的例子。

温度谱与频率谱的镜像对称

玻璃化转变的简约之美和变化之美

玻璃化转变峰形a应力松弛引起的峰形变化

玻璃化转变的峰形简洁优美，简约的形式却表达了丰富的内容。玻璃化转变反映了物质的状态、使用温度、相容性、老化温度区间、制品加工、材料稳定等信息。高聚物的热历史和物理老化引起玻璃化转变峰形变异，出现了松弛特征，体现了玻璃化转变的变化之美。

和谐美（统一美）

PET的DSC曲线如图所示。热分析曲线集玻璃化转变、冷结晶和熔融于一身，体现了多重转变的和谐（包容）之美。曲线似狼毫疾书，峰（锋）起峰（锋）落，流淌着玻璃化转变、冷结晶、熔融的变化轨迹。

PET的DSC曲线

在热分析曲线上，常常强峰与弱峰，平坦峰与陡削峰，物理转变峰与化学转变峰和谐地融汇在一起。

瞬变反应的新奇美

含能材料局部放大的TG曲线如图所示。峰形奇特。它细腻地描绘了含能材料在极短时间内质量骤变，瞬间释放大量热量。峰形奇特，但它是真实的，是真实的美，是美的真实。

热物性参数的常数美

牢记基本物理量（常数）的数值和单位，是基本功扎实的体现。热分析可以测定物质特性参数，如比热容、膨胀系数和热导率等。用DSC法测定物质的比热容，并以已知比热容的蓝宝石（α-Al2O3）作为基准。高聚物的DSC曲线如图所示：

高聚物的DSC曲线

特殊的热分析仪器已进入太空实验室。美国国家航空航天局在航空飞机的实验中测出了比热奇异性的趋势，验证了理论物理的预言。空间LPE实验的比热测量结果如图。红框内即为比热容奇异性特征的奇异之美。

液体在相变点处的比热为无穷大。比热奇异性实验要求相变点附近的实验温度量级为纳度（温度1nK等于0.000000001K）。由于地面的重力作用使实验温度达不到要求的精度，测量不出比热奇异性。微重力环境提供了高精度的物理实验条件，测出了比热奇异性的趋势。值得注意的是温度坐标的单位为纳度nK。

变化美

HDPE在不同温度下的等温结晶的DSC曲线如图所示：

它显示了一组（族）DSC曲线的组合之美。多条具有独特之美的曲线汇聚在一起，争奇斗艳。由图可知：结晶速率随结晶温度而异，温度在119-121℃之间，随温度降低，结晶速率加快，结晶终止时间缩短。结晶温度相差1-2℃,峰形就由高山峻岭演变为丘陵，各显奇美。

穿越时空之美

科技考古是指采用现代科技分析手段或方法探讨古陶瓷（唐三彩）的产生、发展和演变规律以及蕴涵其中的古代经济、文化信息，为全面复原古代人类社会历史提供必要素材的一门学科。科技考古是今为古用，跨越时空，进行古陶瓷文物的时空定位。

陶瓷是火与土的艺术，火土致济，陶瓷乃成。烧成是陶瓷制备工艺中的关键工序。古陶瓷是在什么温度下烧制而成的？TMA曲线穿越时空，依“转折点”逆向推断（判断）古陶瓷的烧成温度。

匠人先祖在窑炉中烧制出美妙绝人的釉陶（青釉、黑釉、紅釉、蓝釉、绿釉），现今用热分析和其它近代研究方法探索烧成过程的物理化学变化。辑录釉陶组图共欣赏。

古陶瓷修复的难点是无法知道当初制作人的创作思维过程。人们只能根据对该件器物的认识与理解，尊重历史与美学要求，实施正确、科学的修复补全工作。古陶瓷文物的修复是穿越时空的文物生命再造和文物价值永恒的维护，使古陶瓷美学观赏性重新展现，光耀千秋。古陶瓷文物修复前后的照片如图：

修旧如旧，不露马脚

热分析与其它分析方法联用的曲线美

热分析仪器与其它近代分析仪器联用，同时测得物质的多种物理性质。

热分析与红外光谱联用的谱图

热分析与质谱联用的谱图

热分析(DSC)与XRD谱线联用。XRD的谱图

热分析与色谱/质谱联用的谱图

热分析与拉曼光谱联用。拉曼光谱的谱图

热分析与原子力显微镜联用。原子力显微镜的谱图

热分析与显微镜联用。扫描电镜的谱图

热分析曲线及其与近代分析仪器联用得到的曲线（谱图）都具有美的特质。当观察者获得必要的训练与知识储备，抓住各种曲线特有的、本质的审美意蕴，读懂曲线和图像，都能欣赏到物质变化之美。

曲线融入自然之美

热分析曲线具有美的特质，融入自然更美。一时兴起，绘制了一幅热分析曲线镶嵌进自然的山水画，抒发情感。

科学经典名著之美（光辉）

为使前辈学者的工作承续不辍，我国于1991年编辑了“科学名著文库”。约瑟夫·傅立叶论热的经典著作“热的解析理论”收纳其中。约瑟夫·傅立叶的“热的解析理论”距今近二个世纪。今由桂质亮译，2008年北京大学出版社出版。约瑟夫·傅立叶是十九世纪法国数学家和数学物理学家。约瑟夫·傅立叶发现导热基本规律—傅立叶热传导定律（Fourier's Law）。他把物理问题表述为线性偏微分方程的边值问题来处理。提出傅里叶级数，并将其应用于热传导理论。《热的解析理论》是被公认为数学经典文献之一。麦克斯韦称赞这本书是“一首伟大的数学诗”。恩格斯则把傅立叶的数学成就与他所推崇的哲学家黑格尔的辩证法相提并论，他曾写道：傅立叶是一首数学的诗，黑格尔是一首辩证法的诗。

结束语

美学是一个哲学范畴的概念。科学的美是客观存在的，对美的追求，是自然科学发展的源动力。热分析研究物质受热时发生的物理变化和化学变化，热分析曲线呈现的是物质变化之美。热分析实验使人陶醉在一个属于自己的情感世界里。怀着对热分析的情感去鉴赏热分析曲线的美感，发现美，享受物质变化之美。美使人感到愉悦的同时，也揭示隐含在曲线中的物质热变化规律。

TG 
•研究热降解。 
•化学反应所导致的质量变化诸如吸收、吸附、脱附。 
•样品纯度。 
DTA
•主要用于检测转变温度 
•样品纯度 
DSC 
•测定主要的转变温度。 
•晶体相熔化热的测定以及结晶度。 
•研究晶体动力学 
•测定热容。 
•测定生成热。 
•样品纯度。 
热分析技术在材料研究中的应用 
•热分析技术的所有的适用性几乎都会导致其在科学的每一个领域种得到应用，着重强调在材料技术、材料工程以及纯材料科学研究中解决问题。

1.关于取样及称样

取样需有代表性，样品量不宜过多，增/失重量程选择25mg时，样品量10~20mg，体积不宜超过坩埚容积的1/3。

粉末样品覆盖坩埚底部2~3层即可，块状样品可粉碎，或者用干净的剪刀剪碎成粒状。纤维样品可先缠绕在镊子或棒状物上，直径小于坩埚内径即可，取下后放置于坩埚内。

导热系数小且热效应小的样品，可用金属薄膜或其他不与样品反应的物体包裹后放入坩埚测量，数据评估时扣除包裹物的热效应即可，此方法适用于DSC及DTA。

2.关于坩埚

温度≤600℃时，通常使用铝坩埚、刚玉坩埚或普通陶瓷坩埚，由于氧化铝的导热比铝差，因此在分析聚合物时，铝坩埚应用较多。热分析实验中，坩埚通常只使用一次，以避免残留物的影响。如需重复使用，则需进行清洗或高温灼烧。铝坩埚和普通陶瓷坩埚清洗困难，刚玉坩埚在污染较小时，可清洗后重复使用，方法如下：

l 将坩埚放入10%的稀盐酸浸泡12小时后用清水清洗。

l 将坩埚放入3%摩尔浓度的氨水中煮沸1小时后，用纯水清洗后煮沸1小时，然后灼烧至1500℃。

3.关于气氛

气体进口压力设置为0.1~0.15MPa，如使用钢瓶供气，则当钢瓶压力≤0.3MPa时须进行更换。

LINSEIS STA PT系列适用于氧化、还原、惰性、及真空等多种环境，气体种类根据实验要求进行配置。

实验前需进行气体置换，关闭所有进气与出气开关，打开真空泵，待压差表指针指向-1后，继续抽气1~3分钟，此时关闭真空泵阀门。打开气体进气阀，选择所需的气体通入天平，待压差表指向0后，打开出气开关。

4.关于空白校正

由于浮力效应以及系统热稳定状态的影响，空白实验与样品实验的条件必须保持一致。

如下：起始温度、升温速率、坩埚种类、气体种类、气流量。空白实验必须定期进行，周期≤3个月。

5.关于天平校正

在坩埚中放置10mg和1000mg标准砝码，用天平的称量功能测试，如显示值与标准质量偏差≤1%，则天平无须校正，此测试每年至少进行一次。

聚四氟乙烯坩埚：

1、外观纯白色不透明

2、耐高温：使用温度-200～+250℃

3、耐受所有的化学溶剂（耐强酸、强碱、王水和各种有机溶剂）

4、用于消解样品、赶酸、煮沸、蒸干等处理。

PFA坩埚：

1、外观透明可视，方便观察

2、耐高温：使用温度-200～+260℃

3、耐受所有的化学溶剂（耐强酸、强碱、王水和各种有机溶剂）

4、防污染：金属元素空白值低，无溶出与析出，多用于半导体、新材料等要求严苛行业。

本期TA仪器技术指南将为您讲解热分析数据入门课程，包括

如何运行TGA-MASS质谱仪实验

解释Discovery质谱仪获得的质谱数据

如何通过减少水蒸气的影响来改善TGA-FTIR联用中获得的FTIR光谱数据

Techtips 1

如何运行TGA-MASS质谱仪实验

Techtips 2

解释Discovery质谱仪获得的质谱数据

Techtips 3

如何通过减少水蒸气的影响来改善TGA-FTIR联用中获得的FTIR光谱数据

半导体业务中的典型供应链， 显示了需要材料表征、材料选择、质量控制、工艺优化和失效分析的不同工艺步骤

热分析在半导体封装行业中有不同的应用。使用的封装材料通常是环氧基化合物（环氧树脂模塑化合物、底部填充环氧树脂、银芯片粘接环氧树脂、圆顶封装环氧树脂等）。具有优异的热稳定性、尺寸稳定性以及良好户外性能的环氧树脂非常适合此类应用。固化和流变特性对于确保所生产组件工艺和质量保持一致具有重要意义。

通常，工程师将面临以下问题：

特定化合物的工艺窗口是什么？

如何控制这个过程？

优化的固化条件是什么？

如何缩短循环时间？

珀金埃尔默热分析仪的广泛应用可以提供工程师正在寻找的答案。

差示扫描量热法(DSC)

此项技术Z适合分析环氧树脂的热性能，如图1所示。测量提供了关于玻璃化转变温度(Tg)、固化反应的起始温度、固化热量和工艺Z终温度的信息。

图 1. DSC曲线显示环氧化合物的固化特征

DSC可用于显示玻璃化转变温度，因为它在给定温度下随固化时间（图2）的变化而变化。

图 2. DSC 曲线显示玻璃化转变温度

随着固化时间的延长而逐渐增加

玻璃化转变温度(Tg)是衡量环氧化合物交联密度的良好指标。事实上，过程工程师可以通过绘制玻璃化转变温度与不同固化温度下固化时间的关系图来确定Z适合特定环氧化合物的工艺窗口（图3）。

图 3. 玻璃化转变温度与不同固化温度下的固化时间的关系

如果工艺工程师没有测试这些数据，则生产过程通常会导致产品质量低下，如图4所示。

图 4. 玻璃化转变温度与不同固化温度下的固化时间的关系

在本例中，制造银芯片粘接环氧树脂使用的固化条件处于玻璃化转变温度与时间的关系曲线的上升部分（初始固化过程）。在上述条件下，只要固化时间或固化温度略有改变，就有可能导致结果发生巨大变化。

结果就是组件在引脚框架和半导体芯片之间容易发生分层故障。通过使用功率补偿DSC（例如珀金埃尔默的双炉DSC），生成上述玻璃化转变温度与温度 / 时间关系曲线，可确定Z佳工艺条件。使用此法，即使是高度填充银芯片粘接环氧树脂的玻璃化转变也可以被检测出。这些数据为优化制造工艺提供了极有帮助的信息。

使用DSC技术，可以将固化温度和时间转换至160° C和2.5小时，以此达到优化该环氧树脂固化条件的目的。这一变化使过程稳定并获得一致的玻璃化转变温度值。在珀金埃尔默，DSC不仅被用于优化工艺，而且还通过监测固化产物的玻璃化转变温度值，发挥质量控制工具的作用。

DSC 8000 差示扫描量热仪

DSC 还可以用于确定焊料合金的熔点。用DSC分析含有3%（重量比）铜(Cu)、银(Ag)或铋(Bi)的锡合金。图5中显示的结果表明，不同成分的合金具有非常不同的熔点。含银合金在相同浓度（3%（重量比））下熔点Z低。

图 5. DSC：不同焊接合金在不同湿度环境下的熔点分析

热重分析(TGA)

珀金埃尔默热分析仪有助于设计工程师加深对材料选择的理解。例如，珀金埃尔默TGA 8000®（图6）可以检测出非常小的重量变化，并可用于测量重要的材料参数，如脱气性能和热稳定性。这将间接影响组件的可焊性。图7显示了在230°C 和260° C下具有不同脱气性能的两种环氧树脂封装材料。重量损失（脱气）程度越高，表明与引脚框架接触的环氧树脂密封剂的环氧—引脚框架分离概率越高。

图 6. 珀金埃尔默TGA 8000

图 7. TGA结果显示两种材料具有不同的脱气性能

热机械分析(TMA)

当材料经受温度变化时，TMA可精确测量材料的尺寸变化。对于固化环氧树脂体系，TMA可以输出热膨胀系数(CTE)和玻璃化转变温度。环氧树脂的热膨胀系数是非常重要的参数，因为细金线嵌入环氧化合物中，并且当电子元件经受反复的温度循环时，高热膨胀系数可能导致电线过早断裂。不同热膨胀系数之间的拐点可以定义为玻璃化转变温度（图8）。TMA还可以用于确定塑料部件的软化点和焊料的熔点。

图 8. 显 TMA 4000 测试的典型的 TMA 图

动态力学分析(DMA)

选择材料时，内部封装应力也是关键信息。将DMA与 TMA技术结合，可以获得关于散装材料内应力的定量信息。DMA测量材料的粘弹性，并提供不同温度下材料的模量，具体如图9所示。当材料经历热转变时，模量发生变化，使分析人员能够轻松指出热转变，如玻璃化转变温度、结晶或熔化。

图 9. DMA 8000 测试的典型的 DMA 图

热分析仪用于ASTM® 和IPC材料标准试验、质量控制和材料开发。图10显示了一个涉及热分析仪的IPC试验。珀金埃尔默DMA目前已在半导体行业得到广泛应用。

图 10. DMA：显示透明模塑化合物的内应力

热分析仪是半导体封装行业的重要工具。它们不仅在设计和开发阶段发挥了重要作用，而且还可用于进行故障分析和质量控制。许多标准方法都对热分析的使用进行了描述（图11）。使用珀金埃尔默热分析仪，用户可以优化加工条件并选择合适的材料以满足性能要求，从而确保半导体企业能够生产出高品质的产品。考虑到此类分析可以节省大量成本，热分析仪无疑是一项“必备”试验设备！

图 11. 用于标准方法的热分析仪