熱分析

熱分析は、温度によって変化する材料の特性を研究する 材料科学の分野です。一般的に使用されている方法はいくつかありますが、測定される特性によって区別されます。

• 誘電熱解析：誘電率と損失係数
• 示差熱分析：温度差と温度または時間の関係
• 示差走査熱量測定：温度または時間に対する熱流の変化
• 膨張測定法：温度変化による体積変化
• 動的機械分析：温度、時間、周波数に対する貯蔵弾性率（剛性）と損失弾性率（減衰）を測定します。
• 発生ガス分析：物質の加熱中に発生するガス（通常は分解生成物）の分析
• 等温滴定熱量測定
• 等温マイクロカロリメトリー
• レーザーフラッシュ分析：熱拡散率と熱伝導率
• 熱重量分析：温度または時間に対する質量変化
• 熱機械分析：温度または時間に対する寸法変化
• 熱光学分析：光学特性
• 誘導体化法：熱分析における複雑な方法^[1]

同時熱分析とは、一般的に、単一の機器で同じサンプルに熱重量分析と示差走査熱量測定を同時に適用することを指します。熱重量分析と示差走査熱量測定の信号に対するテスト条件は完全に同一です (同じ雰囲気、ガス流量、サンプルの蒸気圧、加熱速度、サンプルるつぼとセンサーへの熱接触、放射線効果など)。同時熱分析機器をフーリエ変換赤外分光法や質量分析法などの進化ガス分析装置と組み合わせることで、収集される情報をさらに強化することもできます。

他に、あまり一般的ではない方法として、サンプルからの音や光の放出、誘電体からの放電、または応力を受けた標本の機械的緩和を測定します。これらすべての技術の本質は、サンプルの反応が温度 (および時間) の関数として記録されることです。

通常、温度は、一定の速度で温度を連続的に上昇または下降させる (線形加熱/冷却) か、さまざまな温度で一連の測定を実行する (段階的等温測定) かのいずれかの方法で事前に決められた方法で制御されます。振動 (通常は正弦波または矩形波) 加熱速度を使用する (変調温度熱分析) か、システムの特性の変化に応じて加熱速度を変更する (サンプル制御熱分析) より高度な温度プロファイルが開発されています。

サンプルの温度を制御することに加えて、その環境 (大気など) を制御することも重要です。測定は、空気中または不活性ガス (窒素やヘリウムなど) 下で実行できます。還元性または反応性の雰囲気も使用され、サンプルを水または他の液体で囲んだ状態で測定を行うこともできます。逆ガスクロマトグラフィーは、ガスおよび蒸気と表面との相互作用を研究する技術です。測定は多くの場合、さまざまな温度で行われるため、これらの実験は熱分析の範疇に入ると考えられます。

原子間力顕微鏡は、微細なスタイラスを使用して、表面の地形と機械的特性を高い空間分解能でマッピングします。加熱された先端部やサンプルの温度を制御することで、空間分解能のある熱分析を実行できます。

熱解析は、構造を通じた熱伝達の研究を指す用語としてもよく使用されます。このようなシステムをモデル化するための基本的なエンジニアリング データの多くは、熱容量と熱伝導率の測定から得られます。

ポリマーは、熱分析が広く応用されているもう 1 つの大きな分野です。熱可塑性ポリマーは、日常の包装や家庭用品によく使用されていますが、原材料の分析では、使用されている多くの添加剤 (安定剤や着色剤を含む) の影響や、使用されている成形または押し出し加工の微調整を、示差走査熱量測定法を使用して行うことができます。一例として、示差走査熱量測定法による酸化誘導時間があります。これにより、熱可塑性 (通常はポリオレフィン) ポリマー材料に含まれる酸化安定剤の量を測定できます。組成分析は、多くの場合、熱重量分析法を使用して行われ、充填剤、ポリマー樹脂、およびその他の添加剤を分離できます。熱重量分析法では、熱安定性や難燃剤などの添加剤の影響も示されます ( JHFlynn、LAWall J.Res.Nat.Bur. Standards、General Treatment of the Thermogravimetry of Polymers Part A、1966 V70A、No5 487 を参照)。

炭素繊維複合材やガラスエポキシ複合材などの複合材料の熱分析は、多くの場合、動的機械分析を使用して実行されます。動的機械分析では、材料の弾性率と減衰（エネルギー吸収）特性を決定することで、材料の剛性を測定できます。航空宇宙企業は、製造中の製品が必要な強度仕様を満たしていることを確認するために、日常的な品質管理でこれらの分析装置を使用することがよくあります。F1レーシングカーメーカーにも同様の要件があります。示差走査熱量測定は、複合材料に使用される樹脂の硬化特性を決定するために使用されます。また、樹脂が硬化できるかどうか、そのプロセス中にどれだけの熱が発生するかを確認することもできます。予測速度論分析のアプリケーションは、製造プロセスを微調整するのに役立ちます。別の例として、熱重量分析を使用して、サンプルを加熱して熱を加えて樹脂を取り除き、残りの質量を決定することで、複合材料の繊維含有量を測定できます。

多くの金属（鋳鉄、ねずみ鋳鉄、ダクタイル鋳鉄、圧縮黒鉛鋳鉄、3000シリーズアルミニウム合金、銅合金、銀、複合鋼）の生産は、熱分析とも呼ばれる生産技術によって支援されています。^[2]液体金属のサンプルを炉または取鍋から取り出し、熱電対が埋め込まれたサンプルカップに注ぎます。次に温度を監視し、状態図の停止点（液相線、共晶線、固相線）を記録します。この情報から、状態図に基づく化学組成を計算したり、亜共晶Al-Si鋳造合金のシリコン形態など、鋳造サンプルの結晶構造を推定したりできます。^[3] 厳密に言えば、これらの測定値は冷却曲線であり、サンプル制御熱分析の一種であり、サンプルの冷却速度はカップの材質（通常は結合砂）とサンプル量（標準サイズのサンプルカップを使用するため通常は一定）に依存します。相の進化とそれに対応する特性温度を検出するには、冷却曲線とその一次微分曲線を同時に考慮する必要があります。冷却曲線と微分曲線の検査は、適切なデータ分析ソフトウェアを使用して行われます。このプロセスは、プロット、スムージング、曲線フィッティング、および反応点と特性パラメータの特定で構成されます。この手順は、コンピューター支援冷却曲線熱分析として知られています。^[4]

高度な技術では、微分曲線を使用して、ガス穴や収縮などの吸熱変曲点、または炭化物、ベータ結晶、結晶間銅、ケイ化マグネシウム、リン化鉄などの凝固時の発熱相を特定します。検出限界は、体積の約 0.01% ～ 0.03% のようです。

さらに、ゼロ曲線と 1 次導関数の間の面積の積分は、凝固のその部分の比熱の尺度となり、相の体積率の大まかな推定値につながります。(相の比熱と全体の比熱について、何かがわかっているか、または仮定されている必要があります。) この制限にもかかわらず、この方法は 2 次元のミクロ分析からの推定値よりも優れており、化学溶解よりもはるかに高速です。

ほとんどの食品は、製造、輸送、保管、調理、消費の過程で、低温殺菌、滅菌、蒸発、調理、冷凍、冷蔵などの温度変化にさらされます。温度変化は食品成分の物理的・化学的性質の変化を引き起こし、最終製品の全体的な性質、例えば味、外観、食感、安定性に影響を及ぼします。加水分解、酸化、還元などの化学反応が促進されたり、蒸発、融解、結晶化、凝集、ゲル化などの物理的変化が起こることもあります。食品の特性に対する温度の影響をより深く理解することで、食品メーカーは加工条件を最適化し、製品の品質を向上させることができます。したがって、食品科学者は、温度変化時に食品に生じる変化を監視する分析技術を持つことが重要です。これらの技術は、多くの場合、熱分析という一般的な見出しの下にグループ化されます。原則として、ほとんどの分析技術は、食品の温度依存特性の監視に使用できます (または簡単に適応できます)。たとえば、分光学的 (核磁気共鳴、紫外可視、赤外分光法、蛍光)、散乱 (光、X 線、中性子)、物理的 (質量、密度、レオロジー、熱容量) などです。ただし、現在、熱分析という用語は通常、温度による食品の物理的特性の変化を測定する狭い範囲の技術 (TG/DTG、 ^{[説明が必要]}示差熱分析、示差走査熱量測定、遷移温度)を指します。

電力消費は、今日の PCB ^{[明確化が必要]}設計における重要な問題です。電力消費は温度差をもたらし、チップに熱の問題をもたらします。信頼性の問題に加えて、過剰な熱は電気性能と安全性にも悪影響を及ぼします。したがって、IC の動作温度は、最悪の場合の最大許容限度以下に維持する必要があります。一般に、接合部温度と周囲温度はそれぞれ 125 °C と 55 °C です。チップ サイズが縮小し続けると、熱が小さな領域に集中し、電力密度が高くなります。さらに、モノリシック チップに集まるトランジスタの密度が高くなり、動作周波数が高くなると、電力消費が悪化します。熱を効果的に除去することが、解決すべき重要な問題になります。

• 熱分析、ケンブリッジ大学
• 国際熱分析・熱量測定連盟