熱分析-TMA 熱分析TGDTA及TMA分析技術-以陶瓷材料製程現象為例

提到陶瓷，人們的第一印象就會想到陶瓷藝術品、磁磚或陶瓷器皿等日常生活常見的器具，陶瓷器材隨處可見，充斥在我們的生活周遭，然而一般常見的陶瓷都是屬於傳統陶瓷，不論是藝術品或家中，都是加上玻璃與水泥等材料而成。那到底什麼是陶瓷? 陶瓷具有耐高溫、高抗壓、耐磨損腐蝕等特性，且陶瓷的重量一般都比金屬材料輕許多，充份利用陶瓷在機械上可減輕機械損耗並節省大量能源成本。

近代發展中，對陶瓷的研究發展已是相當全面，利用陶瓷的堅硬、耐磨、耐熱、耐酸堿、耐壓等物化特性，精密的零件中也開發出陶瓷相關元件，例:應用最廣的電子陶瓷，醫學相關的生醫陶瓷等，經過科學家專業研究，陶瓷材料已廣泛應用在耐磨元件、刀具、引擎、生醫、軍事及航太領域上，目前應用最為廣泛的陶瓷材料分為氧化鋁、氧化鋯、碳化矽、氮化矽。

那我們對陶瓷材料的瞭解有多少?為何它具有許多金屬材料所沒有的特性?陶瓷又是如何被研究及開發?陶瓷在製造過程中又有哪些現象會發生?讓我們實際使用陶瓷材料中的高嶺土來做個測試，探討在現今熱分析技術下，高嶺土會有怎樣的現象產生。

高嶺土又稱為瓷土，是一種矽酸鹽礦物粘土，內含有高嶺石，埃洛石等成分，顆粒細膩且成分穩定，是六角型片狀結晶，ㄧ般高嶺石成分約為二氧化矽46.5% 、三氧化二鋁39.5%、水14%，其化學結構式是Al2Si2O5（OH）4。 nH2O，早期較多制程在瓷器等制瓷工藝上，現今較多應用於填料及防火材料。高嶺土材料大都被使用於陶瓷製品，但在制程前題下，最重要的是需要瞭解高嶺土的熱物理性質，例如在對材料進行升溫過程及品質控制時，高嶺土的收縮率和重量減少率。

使用熱重/差熱分析儀（TG/DTA）和熱機械分析儀（TMA）做為用於評估陶瓷材料及升溫過程，這些熱分析設備可用來來衡量陶瓷材料的吸放熱現象，重量變化特性，熱膨脹及熱收縮等特性。實際測試高嶺土與TG/DTA和TMA的測量狀況。此次測試的主要是高嶺土粉。將樣品放置在室溫下乾燥及固化後，加入水並混合。再使用TG/DTA 7300熱重/差熱分析儀和TMA/SS 7300熱機械分析儀進行測量。

測試條件及樣品製備

在TG / DTA測量中，將乾燥後的樣品粉碎成粉末後，取約40mg已製備好的粉末樣品放置于白金樣品盤上後，將樣品以20℃/min加熱，並在空氣中從30℃升溫至1500℃。

在TMA測量中，樣品置於空氣環境下以5℃/min加熱，從30℃升溫至1500℃，乾燥後的樣品裁切成約7mm的矩形，再將樣本垂直放置在陶瓷管柱上，使用陶瓷探針對樣品施力20mN。TMA的測量施力通常是100mN。然而此次測試施力相當小，但由於TMA 7300具有高施力精密度=9.8uN，縱使施力非常小，也可做到準確的測量。

溫度範圍	DTA	TG	TMA	現象
30℃-450℃	-	重量損失	膨脹	水蒸發及熱膨脹
450℃-700℃	吸熱峰	重量損失	收縮	結構水脫水
900℃-1100℃	放熱峰	-	收縮	氧化鋁及矽酸結晶
1200℃-1300℃	放熱峰	-	收縮	方石英及富鋁紅柱石的形成

圖二、顯示出從室溫升溫至200℃的測量資料範圍。

我們可以看到DTA曲線並沒有表現出任何明顯的變化，但從TG曲線上顯示出從常溫升溫到150℃中約有0.36%的微量重量減少。我們再看到TMA曲線上只有約0.1％的擴張。 TG曲線上的0.36%重量損失可能樣品內水分蒸發。此可能是樣品乾燥後的殘餘水分或是乾燥後的高嶺土粉末有吸附到蒸發後的水氣。藉由分析高嶺土粉末內附著水的含量，可用來判斷其吸濕特性。 TMA中的曲線有輕微上升是由於樣品產生了些微熱膨脹所引起。

圖三、顯示出從300℃升溫至900℃的測量資料範圍。

從DTA曲線上清楚的顯示出較廣的吸熱峰，而TG曲線在500℃左右有重量減少11.6%。 TMA曲線顯示了0.7％的收縮。

在此溫度範圍內，高嶺土內的結構水產生脫水反應，所以產生吸熱反應，樣品重量下降及產生收縮現象。藉由TG/DTA實際分析高嶺土的脫水量變化，可以得知高嶺土在升溫過程中的重量減少率及組合成分比例的訊息。

圖四、顯示出從900℃升溫至1500℃的測量資料範圍。

從DTA曲線上我們可看到向上尖銳的放熱峰，而TG曲線在1002℃並沒有任何的重量變化。 TMA曲線則顯示出1.3%的輕微收縮。在此溫度範圍內，氧化鋁及矽酸的升溫結晶產生放熱和收縮現象，此產生結晶反應並不會引起任何重量的變化。 DTA曲線雖顯示出尖銳的放熱峰，高嶺土放熱峰的溫度、大小和形狀變化主要取決於採取高嶺土的地方。某些情況下不會有放熱峰產生。

圖五、顯示出從1050℃升溫至1500℃的測量資料範圍。

DTA曲線顯示出在1257℃有小的放熱峰。 TG曲線則沒有顯示出任何的重量變化。 TMA曲線上顯示出14%的收縮率。在此高溫度範圍內，莫來石和方英石的形成會導致放熱及收縮現象。莫來石及方英石的形成不會引起重量的變化，在此溫度範圍內的收縮率是最大的。瞭解陶瓷材料在高溫的收縮率，對於製造陶瓷器具或其他應用是相當具有參考價值。

結論

使用TG/DTA和TMA從低溫到高溫實際測試高嶺土，其結果測試來說，附著水的蒸發，結構水脫水，氧化鋁和矽酸的結晶現象，以及莫來石和方英石的形成，從TG曲線、 DTA曲線及TMA曲線來看，都顯示出陶瓷材料的獨特放熱峰和收縮變化。經過實際的熱分析，我們可以實際瞭解在陶瓷材料-高嶺土升溫過程中每個溫度範圍內吸放熱變化、重量損失率和收縮率的測定，藉由這些現象及特點，來對加工制程條件做更準確的判斷。