تقنية التحليل الحراري الميكانيكي (TMA) – المبادئ الأساسية والاستعمالات

الشريحة 0: التحليل الحراري الميكانيكي

سيداتي وسادتي
مرحبا بكم في هذه الندوة حول التحليل الحراري الميكانيكي – أو TMA كما يُسمى عادةً.
 
تُعد تقنية التحليل الحراري الميكانيكي (TMA) إحدى تقنيات التحليل المهمة.

والتحليل الحراري الميكانيكي (TMA) هو عبارة عن أنظمة تستخدم لقياس التغير في أبعاد المواد كدالة لدرجة الحرارة أو الزمن.

الشريحة 1: المحتويات

في هذه الندوة، أود أن أشرح المبادئ الأساسية للتحليل الحراري الميكانيكي، وأن أعرض في نفس الوقت اثنتين من أجهزة التحليل الحراري الميكانيكي (TMA) عالية الأداء.

كما أود أيضًا أن أشير إلى عدد من ميزات وفوائد التصميم الهامة، وأن أناقش مختلف أنماط قياس العينات.

وأخيرًا، سأقدم أمثلة لتوضيح إمكانيات الاستعمال المختلفة للتحليل الحراري الميكانيكي (TMA) في صناعات متنوعة.

الشريحة 2: ما التحليل الحراري الميكانيكي (TMA)؟

تعرض الصورة الموجودة على يسار الشريحة مقطعًا من مسار سكة حديدية. فبين الشتاء والصيف أو حتى الليل والنهار في بعض الأماكن، يمكن أن تتغير درجة الحرارة بمقدار يصل إلى 80 درجة مئوية. وستؤدي الزيادة في درجة الحرارة بهذا القدر إلى تمدد مقطع طوله 50 مترًا من المسار الفولاذي بمقدار 6.5 سنتيمترات. لذلك يجب ترك مساحة كافية بين أقسام مسار السكة الحديد من أجل منع الانبعاج.

ومن الناحية العملية، تخضع العديد من المواد الحديثة لنطاق واسع من درجات الحرارة أثناء الاستخدام. وهذا يعني أنه يجب دائمًا مراعاة التمدد والانكماش، على سبيل المثال في تصميم المواد المركبة.

ويُستخدم التحليل الحراري الميكانيكي لتحديد خصائص سلوك التمدد والانكماش وتحديد معامل التمدد الحراري - أو CTE كما يُطلق عليه اختصارًا.

اعتمادًا على طريقة القياس المستخدمة، يسمح لك التحليل الحراري الميكانيكي (TMA) بقياس:
سلوك التمدد والانكماش الحراري،
والتليين، و
تغيرات الخصائص الميكانيكية للمواد الناتجة عن التحولات الفيزيائية أو الكيميائية مثل التزجج، والتبلور، والذوبان، والمعالجة.

وتوضح منحنيات التحليل الحراري الميكانيكي (TMA) في الرسم البياني الموجود على اليمين قياس مادة البولي إيثيلين تيريفثاليت أو قرص PET في وضع الاستطالة. حيث يوضح المنحنى الأعلى سُمك العينة كدالة لدرجة الحرارة، في حين أن المنحنى السفلي هو منحنى معامل التمدد الحراري (CTE) المحسوب.

الشريحة 3: المبادئ الأساسية للتحليل الحراري الميكانيكي (TMA)

يوضح هذا المخطط العلوي مبدأ القياس الأساسي لجهاز التحليل الحراري الميكانيكي (TMA).

حيث يتم وضع العينة على حامل العينة، ثم يتم وضع حمولة ثابتة عليه عن طريق مسبار القياس. ثم يظل المسبار ملامسًا للعينة ويتحرك صعودًا أو هبوطًا بينما يتغير طول العينة، وفي هذه الحالة سُمك العينة، مع درجة الحرارة. ويتم قياس إزاحة المسبار عن طريق محول متغير تفاضلي خطي أو حساس LVDT متصل بالنهاية الأخرى للمسبار. ويختلف إعداد العينة والحمل المستخدم تبعًا لوضع القياس والمعلومات المطلوبة. وستتم مناقشة هذا الأمر بمزيد من التفصيل في وقت لاحق في الندوة.

يعرض الرسم البياني السفلي الأيمن منحنى قياس استطالة نموذجيًا عبر التحليل الحراري الميكانيكي (TMA). وفي هذا الوضع، يتم استخدام قوة منخفضة جدًا على المسبار ويتم قياس طول العينة كدالة لدرجة الحرارة. ويزداد الطول تدريجيًا مع زيادة درجة الحرارة. وعند الوصول إلى درجة حرارة التزجج، Tg، (تي جي)، نلاحظ حدوث زيادة كبيرة في معدل التمدد وميل المنحنى.
ويتم تقييم درجة حرارة التزجج (Tg) كنقطة تقاطع الانحدارات المستنبطة. يتم حساب منحنى معامل التمدد الحراري فوريًا من منحنى الطول. ونلاحظ أن الخطوة مناظرة للتزجج.

الشريحة 4: TMA/SDTA840 و841e

تعرض هذه الشريحة رسمًا تخطيطيًا لاثنين من أجهزة التحليل الحراري الميكانيكي الحديثة، وهما METTLER TOLEDO TMA / SDTA840 وTMA / SDTA841e.

يتم تصنيع حامل العينة والمسبار من زجاج الكوارتز. ويحتوي هذا الزجاج على معامل منخفض جًدا للتمدد الحراري الخطي في درجات الحرارة التي تصل إلى 1100 درجة مئوية.

ويتم توجيه المسبار بالتوازي ويتحرك بحرية على محامل الاحتكاك باتجاه عمودي ويتبع تغيرات أبعاد العينة بدقة. ويُنتج الحمل المطلوب للمسبار عبر مولد القوة. حيث يقوم المحرك الخطي الكهرومغناطيسي بمواجهة وزن الأجزاء المتحركة ويضمن عمل المسبار على نقل القوة المطلوبة إلى العينة. عادة ما تكون القوة المستخدمة في النطاق من 0 إلى 1 نيوتن.

ويكون حساس الإزاحة عبارة عن محول تفاضلي خطي متغير أو LVDT. حيث تتصل نواة المغناطيسية الحديدية داخل نظام الملف بمسبار القياس وتولد إشارة كهربائية تتناسب مع الإزاحة. ويقاس موضع المسبار بدقة نانومترية.

ويستخدم الغاز الوقائي مثل النيتروجين عادة لحماية الأجزاء الميكانيكية والإلكترونية من تأثيرات منتجات التحلل المسببة للتآكل. كما تتم حماية محول LVDT والأجزاء الأخرى من تغيرات درجة الحرارة باستخدام تنظيم درجة الحرارة وحواجز العاكس.

كما يوجد حساسان لدرجة الحرارة. حيث يقيس أحد الحساسات درجة حرارة الفرن ويتحكم في برنامج درجة الحرارة. أما الحساس الآخر فيكون موجودًا في حامل العينة أسفل العينة مباشرة ويقيس درجة حرارتها، والتي تُشتق منها إشارة SDTA. ويعمل حساس SDTA على قياس التأثيرات الكالوريمترية للعينة.

الشريحة 5: أوضاع القياس

أود الآن مناقشة أوضاع قياس التحليل الحراري الميكانيكي (TMA) المختلفة. حيث يتم تحديد خيار وضع القياس من خلال شكل وخصائص العينة والمعلومات المطلوبة.

ويوضح المخطط العلوي الأيسر في الشريحة وضع قياس التمدد أو الانضغاط. ففي وضع قياس التمدد، تتم تغطية العينة ذات الوجه المتوازي بقرص زجاج الكوارتز لتوزيع القوة بشكل موحد على منطقة التلامس. ويتم استخدام قوة منخفضة تكفي فقط لضمان بقاء المسبار ملامسًا للعينة. ويمكن قياس معامل التمدد الحراري للمواد السائبة بهذه الطريقة. كما يتم قياس سلوك الانضغاط باستخدام قوى أكبر. حيث يُستخدم هذا الوضع لدراسة الخصائص الميكانيكية للمواد اللينة مثل المواد الإسفنجية والهلامية والمطاطية.  

الوضع التالي هو النفاذية. الهدف من قياس الاختراق هو تحديد درجة الحرارة التي تبدأ فيها العينة في التلين أو التشوه تحت تأثير الحمل المستخدم. وكثيراً ما يستخدم مسبار كروي في هذه القياسات من أجل تطبيق قدر كبير من الضغط الأولي أو القوة الأولية لمنطقة كل وحدة. حيث يكون المسبار الكروي في البداية ملامسًا لمنطقة صغيرة جدًا من العينة. وبينما تلين العينة بالتدفئة، يتغلغل المسبار أكثر وأكثر فيها. كما يمكن بدلاً من ذلك استخدام مسبار بمساحة سطح تلامس تبلغ 1 ملليمتر مربع من أجل تطبيق ضغط ثابت.

وكثيرا ما يُستخدم أسلوب الضغط لدراسة سلوك التمدد والانكماش للرقائق والألياف. حيث يتم تحضير العينات خارجيًا باستخدام الملحقات المناسبة. ويتم تثبيت الرقائق البلاستيكية والمعدنية في جهاز إرفاق الرقائق باستخدام مشبكين. بينما يتم تثبيت الألياف والخيوط والأسلاك في مكانها في جهاز إرفاق الألياف باستخدام مشابك نحاسية. وعادة ما يتم تطبيق قوة منخفضة تكفي فقط للتأكد من أن الرقائق أو الألياف ستظل مشدودة قليلاً بين المشبكين ولن تنبعج.

كما تتوفر أيضًا ملحقات خاصة لدراسة سلوك الانتفاش للمواد في المذيبات. حيث يتم وضع عينة متوازية الوجه في قارورة زجاجية وتُغطى بقرص من زجاج الكوارتز. ثم يتم وضع غطاء على الوعاء لمنع تبخر المذيب. ويدخل المسبار من خلال ثقب في الغطاء ويستند على العينة بقوة منخفضة. ويتم حقن المذيب باستخدام إبرة حقن في بداية عملية قياس متساوي الحرارة ويتم قياس التغير في سُمك العينة الناتج عن امتصاص المذيب كدالة للوقت.

وأخيراً، تكون هناك ثنية ثلاثية النقاط. يُعد هذا الوضع مثاليًا للعينات الصلبة مثل البلاستيك المقوى بالألياف أو البوليمرات الأخرى والمركبات التي لا تظهر أي تشوه قابل للقياس في وضع الانضغاط. وغالبًا ما يتم إجراء قياسات الثني في ما يُسمى بوضع التحليل الحراري الميكانيكي (TMA) للحمل الديناميكي، أو وضع DLTMA، والذي تتبدل القوة المطبقة على العينة بشكل دوري. ويكون هذا الوضع حساسًا للغاية تجاه التغيرات التي تحدث في معامل Young نتيجة للتأثيرات الحرارية للعينة مثل التزجج، والمعالجة، والذوبان.

وتعرض الشرائح التالية منحنيات قياس نموذجية لتوضيح كل وضع من أوضاع القياس.   

الشريحة 6: أوضاع القياس                      قياس الاستطالة

تُظهر الشريحة الأولى قياس التحليل الحراري الميكانيكي (TMA) لقرص بحجم 0.5 ملليمتر مصنوع من مادة البولي إيثيلين تريفثاليت غير البلورية في وضع قياس الاستطالة.

ويسجل المنحنى الموجود في المخطط العلوي سُمك العينة مع زيادة درجة الحرارة. حيث تتمدد العينة أولاً ببطء حتى تصل إلى التزجج ثم يزيد معدل التمدد بشكل ملحوظ عند حدوث المزيد من التسخين بسبب زيادة حركة الجزيئات في الحالة السائلة. وبعد ذلك، تحدث عمليات التليين والبلورة على البارد وتتقلص العينة. وبعد التشكل البلوري، تتمدد العينة مرة أخرى فوق 150 درجة قبل أن تذوب في النهاية. ويرافق الذوبان انخفاض حاد في اللزوجة والسماكة.

ويظهر المنحنى السفلي معامل التمدد الحراري، CTE، كدالة للحرارة. ويتم حساب هذا المعامل من منحنى السُمك وسُمك العينة الأولي. ويظهر منحنى معامل التمدد الحراري عادة زيادة للخطوة عند التزجج. كما يمكن أيضًا تقديم المعلومات في شكل جدول.

الشريحة 7: أوضاع القياس                              النفاذية

تم تنفيذ قياسات النفاذية من خلال نفس القرص المصنوع من مادة البولي إيثيلين تريفثاليت المستخدمة في الشريحة السابقة.
وتظهر النتائج معلومات حول سلوك التخفيف ودرجة حرارة التليين. وقد تم قياس المنحنيين باستخدام حملين مقدارهما 0.1 و0.5 نيوتن. ويتأثر عمق النفاذية بالقوة المطبقة والشكل الهندسي للعينة.

وعند درجات الحرارة المنخفضة، يخترق المسبار العينة ببطء شديد حتى يتم الوصول إلى التزجج، والذي يشير إلى انخفاض يشبه المنحدر في إشارة الإحداثي. كما تنخفض إشارة الإحداثيات في أثناء البلورة على البارد وتبقى بعد ذلك أقل أو أكثر ثباتًا. وتحدث انحدار نفاذ أخرى عند درجة حرارة أعلى عند ذوبان العينة.
 

الشريحة 8: أوضاع القياس                                    الضغط

تعرض هذه الشريحة قياس ألياف البولي إيثيلين تريفثاليت في حالة ضغط.

وفي المنطقة الأقل من 75 درجة مئوية تقريبًا، تأخذ الألياف الحالة الزجاجية، وهي ثابتة الأبعاد.
بعد ذلك، تبدأ العينة بالانكماش بسبب زيادة حركة الجزيئات. ويتم تدريجيًا تدمير اتجاه الجزيئات المنتجة في عملية التمدد خلال تصنيع الألياف.
ويزيد معدل الانكماش مع الاقتراب إلى درجة حرارة الانصهار. ويتم الوصول إلى الحد الأدنى للطول بالقرب من 255 درجة. وبعد ذلك، تنخفض لزوجة العينة بشكل كبير وتبدأ العينة في التدفق.

الشريحة 9: أوضاع القياس                            الانتفاش

يوضح المنحنى الموجود في الرسم البياني انتفاش المادة المطاطية في سائل التولوين.

حيث سُمح للعينة بالتوازن لمدة دقيقتين عند 30 درجة مئوية وتم قياس السمك المبدئي. ثم تم فتح الفرن لفترة وجيزة وتم ملء الوعاء الزجاجي بسائل التولوين عند نفس درجة الحرارة باستخدام إبرة حقن.
ويعمل المسبار على قياس الزيادة في سُمك العينة عند الانتفاش بسبب امتصاص المذيب. وكما نلاحظ، فإنها تنتفش بنسبة 30% تقريبًا في الدقائق العشر الأولى.

الشريحة 10: أوضاع القياس     التحليل الحراري الميكانيكي (TMA) للحمل الديناميكي (DLTMA)

كما ذكرنا سابقًا، يتم إجراء قياسات الانحناء غالبًا في وضع التحليل الحراري الميكانيكي (TMA) للحمل الديناميكي أو DLTMA.

وفي هذا الوضع، يتبدل الحمل المطبق على العينة بشكل دوري بين قوة صغيرة، F1، وقوة كبيرة، F2، كما هو موضح في الرسم التخطيطي العلوي. وعند التطبيق، عادة ما تُستخدم فترة تقارب 12 ثانية. وهذا على النقيض من قياس التحليل الحراري الميكانيكي (TMA) العادي الذي يبقى فيه الحمل ثابتًا.
وتختلف إزاحة أو انحناء العينة مع تغير القوة. ويوضح المنحنى الأزرق في الرسم البياني السفلي استجابة عينة مرنة مثالية كالنابض الفولاذي، والذي يتشوه بدون تأخير تحت تأثير الحمل المتغير. في المقابل، فإن المواد اللزجة مثل البوليمرات تبدي اعتمادًا كبيرًا على الوقت بسبب إعادة ترتيب الجزيئات في أثناء عمليات الانحلال.

وتسمح قياسات DLTMA بتحديد معامل Young للعينة، والذي يُعد في الأساس نسبة الضغط إلى الإجهاد. وفي وضع الانضغاط، يكون الضغط هو الفرق بين القوتين، F، (دلتا إف) مقسومًا على المنطقة الموجودة تحت الضغط. بينما يكون الإجهاد هو L، (دلتا إل)، وهو التشوه الناجم عن F، مقسومًا على سُمك العينة الأولي. وبعد إعادة الترتيب، نلاحظ أنه يمكن تحديد المعامل من القوة المستخدمة وسعة الإزاحة المقيسة وهندسة العينة.

ويمكن تطبيق وضع DLTMA على جميع أوضاع القياس، أي الانضغاط والضغط، والانحناء. حيث تكون حساسة للغاية تجاه التغيرات الطارئة على معامل المواد، وبالتالي فهي تُعد تقنية ممتازة لدراسة التحولات الكيميائية والفيزيائية الضعيفة. ويُعد وضع DLTMA في الواقع مثاليًا لتحديد معامل المواد اللينة. ومع ذلك، لقياس نطاق صلابة واسع، نوصي بالتحليل الميكانيكي الديناميكي باستخدام جهاز METTLER TOLEDO DMA/SDTA861e.

الشريحة 11: أوضاع القياس                       الانحناء/DLTMA

يوضح المخطط العلوي قياس انحناء صفائح مكونة من شريحتين معدنيتين مرتبطتين ببعضهما بواسطة لاصق إيبوكسي. وتوضح الأظرف العلوية والسفلية لمنحنى DLTMA التشوه الذي تم قياسه باستخدام قوى تبلغ 0.5 و1.0 نيوتن. حيث يمثل الفرق بين الأظرف قياس مرونة أو امتثال العينة. كما أن المنحنى المتوسط يعادل تقريبًا التشوه الحادث تحت قوة ثابتة قدرها 0.75 نيوتن.  

ويبين الرسم البياني السفلي معامل انحناء هيكل شطيرة محسوب من منحنى DLTMA. وحيث إن معامل المرونة للألواح المعدنية بالكاد يتغير، فإن الانخفاض التدريجي في منحنى المعامل عند حوالي 100 درجة مئوية يرجع إلى تزجج لاصق الإيبوكسي.
وتُعد قياسات الانحناء باستخدام DLTMA حساسة للغاية وهي مثالية لتحديد درجة حرارة معالجة، أو تليين أو تزجج الطلاء، وطبقات الربط اللاصقة، والمواد المتصلدة بالحرارة المملوءة. وعادة ما تكون عملية تحضير العينة عبارة عن عملية تكييف هندسة العينة مع ملحق الانحناء.

الشريحة 12: لماذا نستخدم التحليل الحراري الميكانيكي (TMA)؟

أود الآن أن ألخص الأسباب الرئيسية لاستخدام التحليل الحراري الميكانيكي (TMA).

وكما ذكرنا سابقًا، يمكن استخدام التحليل الحراري الميكانيكي (TMA) لتحديد معامل التمدد الحراري وتحديد خصائص سلوك تمدد وانكماش المواد. حيث يُعد الفهم الجيد لمثل هذا السلوك أمرًا مهمًا، وخصوصًا بالنسبة للمواد التي تخضع لعمليات التمدد أو التوجيه أثناء التصنيع، مثل الرقائق والألياف.

كما يمكن أيضًا قياس درجة حرارة تليين المواد بواسطة التحليل الحراري الميكانيكي (TMA) في تجارب النفاذية. حيث تتلين المواد عادة عند درجة حرارة التزجج أو عند الذوبان.

وتُعد قياسات DLTMA حساسة للغاية تجاه التغيرات في معامل Young للعينة. ويمكن استخدام هذه الطريقة للكشف عن عمليات التزجج الضعيفة التي لا يمكن الكشف عنها بواسطة كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي بالإضافة إلى عمليات المعالجة الحرارية للمواد المركبة.

ويمثل سلوك الاستطالة والتعافي وكذلك سلوك الانتفاش في المذيبات خصائص هامة للمواد المطاطية. كما يمكن استخدام التحليل الحراري الميكانيكي (TMA) لتحديد خصائص مثل هذا السلوك في ظل الظروف متساوية الحرارة.

ومن حيث المبدأ، يمكن قياس أي تحولات كيميائية أو فيزيائية تسبب تغيرات في الأبعاد بواسطة التحليل الحراري الميكانيكي (TMA)، فمثلاً تمثل عملية انفصال طبقات وتحلل لوحات الدارات المطبوعة أحد الاستعمالات النموذجية للتحليل الحراري الميكانيكي (TMA).

وتقدم الشريحة التالية نظرة عامة على التطبيقات المحتملة للتحليل الحراري الميكانيكي (TMA) في صناعات متنوعة.  

الشريحة 13: الصناعات والاستعمالات

كما نرى من الجدول، فإن الاستعمال الرئيسي للتحليل الحراري الميكانيكي (TMA) هو تحديد معامل التمدد الحراري لمجموعة كبيرة من المواد مثل البوليمرات، والمعادن، والسبائك، والمركبات في صناعات متنوعة. على سبيل المثال، في صناعة الإلكترونيات، يُعد تحديد معامل التمدد الحراري ودرجة حرارة التزجج وانفصال طبقات لوحات الدوائر المطبوعة بواسطة التحليل الحراري الميكانيكي (TMA) اختبارًا قياسيًا.

كما يمكن استخدام التحليل الحراري الميكانيكي (TMA) أيضًا لتحديد درجات حرارة التليين للطلاء، والدهانات، والمواد اللاصقة للتحقق من أن المعالجة كافية. وفي صناعات المنسوجات والتعبئة، عادةً ما يُستخدم التحليل الحراري الميكانيكي (TMA) لتحديد خصائص سلوك التمدد والانكماش للرقائق والألياف. كما تمثل استطالة وتعافي المواد المطاطية لاستعمالات الختم أحد الاستعمالات المهمة أيضًا.

أما في الجامعات والأوساط الأكاديمية، فتتم دراسة تغيرات الأبعاد في المواد وفقًا للشروط التجريبية الأكثر تنوعًا.

في الشرائح التالية، أود تقديم العديد منأمثلة الاستعمالات المختلفة التي توضح القوة التحليلية وتنوع الاستعمالات التي تتميز بها تقنية التحليل الحراري الميكانيكي (TMA).

الشريحة 14: الاستعمال 1                       تحديد معامل التمدد الحراري

من المعروف أن المواد تتمدد أو تنكمش نتيجة زيادة أو نقصان درجة الحرارة. حيث تظهر سلوكًا مختلفًا للتمدد والانكماش في درجات الحرارة المختلفة. ويجب أن نأخذ في الاعتبار إمكانية حدوث تغيرات في الأبعاد بسبب تغير درجة الحرارة عند تصميم المواد المركبة من مواد مختلفة، وفي العديد من الاستعمالات الهندسية. وبخلاف ذلك، يمكن أن تحدث شقوق وأضرار وتؤدي إلى فشل المنتج.
ويبين الرسم البياني تحديد معامل التمدد الحراري، CTE، للعديد من المواد غير العضوية المختلفة بواسطة التحليل الحراري الميكانيكي (TMA).
وتتمثل المتطلبات الأساسية لتحقيق نتائج دقيقة لمعامل التمدد الحراري في انخفاض تشويش الإشارة، وانخفاض معدل التسخين، وغياب الطرح. وتُعد المواد ذات التمدد الحراري غير المنتظم ذات أهمية خاصة:
وتشمل هذه المواد الإينفار، وهي سبيكة تتكون من الفولاذ والنيكل بنسبة 36%، ويبلغ تمددها الحراري عمليًا صفرًا عند درجة الحرارة المحيطة. أما زجاج الدوران، مثل معظم المواد الزجاجية المعدنية، فلديه معامل منخفض جداً للتمدد تحت درجة حرارة التزجج. كما يتمدد الكوارتز البلوري، المقيس هنا في اتجاه المحور c، بشكل مطرد حتى التحول الصلب-الصلب عند حوالي 575 درجة مئوية وبعد ذلك يبدأ في التقلص.

الشريحة 15: الاستعمال 2             تحديد خصائص لوحات الدارات المطبوعة (PCB)

تعرض هذه الشريحة استعمالاً نموذجيًا للتحليل الحراري الميكانيكي (TMA) في صناعة الإلكترونيات.

تُعد لوحة الدارة المطبوعة (أو PCB باختصار) عبارة عن صفائح تتكون من عدة طبقات من مواد الدعم المرتبطة معاً براتنجات مصفوفة متصلدة بالحرارة. وتتمتع لوحات الدارات المطبوعة عالية الأداء العديد من الخصائص المهمة:
أولاً، الصلابة الهيكلية ودقة الأبعاد؛
ثانيًا، درجة الحرارة العالية بما فيه الكفاية لتليين أو تزجج راتنجات المصفوفة لمنع تدهور الخصائص الميكانيكية والعزل؛
ثالثًا، متانة التحمل الحرارية الكافية واستقرار راتنجات المصفوفة لتحمل درجة حرارة حمام اللحام والتراكم الحراري المحتمل في التشغيل اللاحق.
ويقترن أي تدهور لراتنجات المصفوفة بإطلاق الغازات، التي يمكن أن تفصل الطبقات عن بعضها، مما يسبب التصفح، وبالتالي تدمير الصفائح.
وتوضح هذه الشريحة كيفية تمييز هذه الخصائص باستخدام التحليل الحراري الميكانيكي (TMA).

حيث تم قياس العينة في وضع الاستطالة. وهي تتمدد تدريجيًا عند تسخينها إلى درجة حرارة التزجج بالقرب من 94 درجة مئوية. وعند درجات الحرارة الأعلى، يصبح ميل منحنى التمدد أكثر حدة. يُظهر المنحنى عملية تزجج نموذجية، والتي يمكن تقييمها كنقطة تقاطع انحدارين في منحنى التحليل الحراري الميكانيكي (TMA).

كما يُظهر منحنى معامل التمدد الحراري (CTE) زيادة في الانحدار من حوالي 80 جزءًا في المليون لكل درجة إلى 320 جزءًا في المليون لكل درجة. من المهم ملاحظة أن لوحات الدائرة المطبوعة متباينة الخواص وتُظهر قيم CTE مختلفة إلى حد ما لكل من الطول والعرض والسمك. ومن ثم للحصول على معلومات كاملة، يجب قياس CTE في جميع الاتجاهات الثلاثة.

ويلاحظ التطبّق كأزرار وبروزات في منحنى TMA، فتبدأ من حوالي 320 درجة وتصبح أكثر خطورة في الدرجات الأعلى من 360 درجة.

الشريحة 16: الاستعمال 3                        التليين في الدهانات

توضع طبقات طلاء على الركائز في العديد من التطبيقات الصناعية لتحسين خواص السطح للركائز. ويُعد الاستقرار الحراري والميكانيكي لهذه الدهانات وسمكها من الخصائص التي تلعب دورًا مهمًا في جودة المنتج ومراقبة العملية والتحكم في التكاليف.

وفي هذا الاستعمال، تم قياس سلكين من النحاس، هما A وB، عليهما دهانات عازلة من المينا مختلفة من المينا في وضع نفاذ TMA.
وفي كلتا الحالتين، تظهر منحنيات TMA منحدرين. والمنحدر الأول بكل منحنى عند حوالي 150 درجة مئوية يرجع إلى تليين الدهانات العازلة الفردية. أما المنحدر الثاني الموجود عند أعلى من 200 درجة فهي مناظرة لتحلل الدهانات. في العينة A، يحدث كلا التأثيرين عند ما يقارب 20 درجة أعلى من درجة الحرارة الأعلى مقارنةً بالتأثيرات في العينة B. وهذا يُثبت أن الثبات الحراري والميكانيكي للمادة العازلة في السلك A فائقة.

وغالبًا ما يكون وضع نفاذ TMA هو الطريقة الأكثر حساسية لقياس تليين أو تزجج الطلاءات الرقيقة.
كما يمكن أيضًا تقدير سمك الطلاءات عن طريق إضافة ارتفاعات المنحدرين معًا وقسمته على اثنين لأن الطبقتين السفلية والعلوية تساهمان في المنحدرات.
وتوضح النتائج أن الدهانات بسمك 12 إلى 15 ميكرون.  

الشريحة 17: الاستعمال 4                  انكماش رقائق البوليمر

غالباً ما يكون للرقائق الممتدة اتجاه مفضّل وبالتالي تتمتع بخصائص ميكانيكية متباينة. ويمكن تمييز هذه الخصائص بقياس سلوك التمدد أو الانكماش باستخدام التحليل الحراري الميكانيكي (TMA).

وتُظهر الشريحة منحنيات التحليل الحراري الميكانيكي (TMA) لعينتين من الرقائق المستندة إلى البولي إيثر سلفون.
بينما تظهر المنحنيات الحمراء النتائج التي تم الحصول عليها من الرقائق الممتدة المقيسة داخل وعبر اتجاه التمدد، أما المنحنيات الزرقاء فتظهر النتائج المستمدة من الرقائق غير الممدودة.

وتتميز العينة غير الممدودة بأنها موحدة الخصائص وتظهر نفس السلوك في كلا اتجاهي القياس.
بينما يختلف سلوك العينة الممدودة بشكل كبير في الاتجاه الممتد مقارنة بالزاوية اليمنى. وفي الاتجاه الممتد، تنكمش الرقائق من حوالي 100 درجة مئوية فصاعدًا، بينما يزيد طول الرقائق مع زيادة درجة الحرارة عبر الاتجاه الممتد.
.

الشريحة 18: الاستعمال 5                  معالجة طلاء الإيبوكسي

يمكن استخدام العديد من تقنيات التحليل الحراري لتحديد خصائص سلوك معالجة المواد المتصلدة بالحرارة.
ويُعد كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (أو DSC) التقنية المستخدمة عادةً لمتابعة عملية التشابك عن طريق قياس الحرارة المتطورة في التفاعل. ومع ذلك، لا يمكن أن تحدد طريقة DSC الزيادة في اللزوجة أو معامل المرونة في أثناء المعالجة.
كما يُعد قياس انحناء التحليل الحراري الميكانيكي (TMA) خيارًا جيدًا لربط التأثيرين كليهما. ويوضح هذا التطبيق كيف تم دمج التحليل الحراري الميكانيكي (TMA) ووظيفة DTA المتزامنة، SDTA، في جهاز TMA/SDTA840.

حيث كانت العينة المستخدمة في هذا التطبيق عبارة عن شفرة حلاقة بطبقة 0.3 مم من مادة الإيبوكسي اللاصقة المخلوطة حديثًا والمطلية من جانبها السفلي. وتم إجراء القياس بمعدل تسخين 5 درجات في الدقيقة باستخدام حمل متناوب مقداره 0.02 و0.04 نيوتن. ويعرض الرسم البياني العلوي منحنيات قياس DLTMA وSDTA.

حيث نلاحظ انه عند درجة حرارة أقل من 90 درجة مئوية، يكون تأثير المادة اللاصقة السائلة على تشوه شفرة الحلاقة ضئيلاً. وبما أن المادة اللاصقة تُعالج وتتصلد، فإن تشوه شفرة الحلاقة يصبح أكثر تقييدًا وينقص بشكل كبير. ويوضح منحنى معامل Young في الرسم البياني السفلي بوضوح كيفية زيادة المعامل خلال عملية المعالجة.
حيث ينتج تفاعل المعالجة قمة طاردة للحرارة تتراوح بين 50 و150 درجة مئوية على منحنى SDTA. وينتج عن دمج نتائج القمة منحنى التحول الموضح باللون الأزرق. ونلاحظ أن الخط الرأسي الأسود المنقط عند التحول بنسبة 65% يناظر تقريبًا إضافة المادة اللاصقة. كما أنه يتقاطع مع منحنى معامل Young الأخضر عند ثلثي تغييره.

كما أن نفس الإعداد الأساسي يسمح أيضًا بتحديد درجة حرارة تزجج الراتنج المعالج في دورة تسخين ثانية.

الشريحة 19: الاستعمال 6                   تخثر المواد اللاصقة

تكون المادة اللاصقة في البداية في الحالة السائلة. وفي أثناء المعالجة الحرارية المتساوية، تزداد لزوجة الراتنج بالحرارة مع زيادة التحول، ويخضع الراتنج للتشابك ليشكل مادة صلبة. ومن الناحية الفنية، تكون نقطة الهلام في أثناء عملية المعالجة مهمة بشدة لأنها النقطة التي يصبح عندها اللاصق متصلاً بالهيكل المطلوب.

وقد تم إدخال العينة في خلية قياس سابقة للموازنة وقياسها عبر DLTMA باستخدام قوى متناوبة تبلغ ±0.1 نيوتن. وفي البداية، وبينما لا تزال العينة في الحالة السائلة، فإن المسبار ينتقل بين أعلى وأدنى موضع تحت تأثير الحمل المتغير، كما يتضح من سعة التشوه الكبيرة. ومع مزيد من المعالجة، فإن العينة تخضع للمعالجة والتصلب يصبح المسبار في النهاية عالقًا في العينة. ويتطابق زمن التفاعل الذي لا يمكن بعده رفع المسبار عن العينة مع نقطة الهلام. حيث تظهر نتائج القياس أن نقطة الهلام الموجودة عند 10 درجات مئوية تبلغ 26 دقيقة تقريبًا.

لكن التحليل الميكانيكي الديناميكي هو أفضل تقنية لقياس نقطة الهلام. وفي هذه التقنية، يتم قياس نقطة الهلام كنقطة تقاطع لمعامل التخزين والفقد.

الشريحة 20: الاستعمال 7          استطالة عينات مطاط ستايرين بوتادين (SBR) المبركنة بشكل مختلف

تتمثل أهم خصائص المواد المطاطية المستخدمة في استعمالات الختم معامل المرونة وسلوك الاستطالة والتدفق اللزج. حيث تشير الاستطالة إلى تشوه المواد المطاطية والبلاستيكية المرتبط بالوقت والحرارة لإحدى المواد عندما تتعرض إلى حمل أو ضغط. ويتكون تشوه الاستطالة من عنصرين، وهما انحلال الاستطالة والتدفق اللزج غير القابل للانعكاس. وتتم استعادة التشوه السابق مع مرور الوقت عند تقليل الضغط أو إزالته. لكن التدفق اللزج يسبب تشوهًا دائمًا وتغيرًا هندسيًا وغالبًا ما يؤدي إلى فشل المنتج.

ويتم تحديد التشوه المرن المستقل عن الوقت لإحدى المواد الخاضعة لحمل معين بواسطة معامل Young الخاص بها. والذي يشير إلى قدرة تشوه المادة تحت تأثير الضغط المطبق.

ويمكن دراسة جميع هذه الخصائص بسهولة عبر التحليل الحراري الميكانيكي (TMA) في تجارل الاستطالة والاسترداد متساوية الحرارة. ففي مثل هذه التجارب، يتم الحفاظ على العينة بشكل متساوي الحرارة عند درجة حرارة محددة، ويتم تطبيق قوة معينة وتثبيتها لفترة معينة، ثم تتم إزالتها بسرعة. ويتم تسجيل الإجهاد، أي التغير النسبي في سُمك العينة، كدالة للوقت.

وفي هذا التطبيق، تم فحص مطاط ستايرين بوتادين بدرجات مختلفة من التصليب (البركنة) عند 30 درجة مئوية.
وتظهر عينة SBR0 اللا مبركنة أكبر تشوه مطاطي كما هو موضح بالسهم الأسود على يمين الرسم التخطيطي. ومع زيادة درجة البركنة، فإن تشوه عينات SBR المبركنة من 1 إلى 3 يتناقص تدريجيًا بينما يزيد معامل المرونة.
وتتمتع عينة SBR0 أيضًا بأكبر درجة من الانحلال المطاطي اللزج، بينما، في المقابل، يكون انحلال عينات SBR المتشابكة أقل وضوحًا.
وعلاوة على ذلك، تحتوي عينة SBR0 على أكبر مكون تشوه غير قابل للانعكاس. ويظهر هذا الأمر بواسطة السهم الأسود الموجود على يمين الرسم البياني. ومع ذلك، يجب أن يكون قطاع استرداد الاستطالة أطول بشكل ملحوظ لمراقبة الاسترداد الكامل. ولا تزال عينات SBR1 وSBR2 تظهر كمية معينة من التدفق اللزج، بينما في عينة SBR3 لم يعد يتم ملاحظة هذا العنصر من التشوه بسبب ارتفاع درجة التشابك.

وقد أظهرت النتائج أن زيادة درجة التشابك بين المواد المطاطية عن طريق البركنة تُعد طريقة فعالة لزيادة معامل المرونة وتقليل التدفق اللزج غير المرغوب فيه في استعمالات الختم.

الشريحة 21: الاستعمال 8                       انتفاش البوليمرات

غالباً ما يكون سلوك انتفاش المواد المطاطية في المذيبات المختلفة موضع اهتمام لاستخدامها العملي في وقت لاحق.
وفي هذا التطبيق، تمت دراسة سلوك الانتفاش لأربعة أنواع من المواد المطاطية التقنية في سائل التولوين عند درجة حرارة الغرفة:
MQ وهو الاستومر سيليكون الميثيل،
وEPDM وهو إيثيلين - بروبيلين - ديورين تيربوليمر،
وNBR وهو مركب أكريلونيتريل - بوتادين الصناعي، و
FPM وهو المطاط الفلوري.
ويوضح الرسم البياني منحنيات التحليل الحراري الميكانيكي (TMA) الطبيعية كدالة للوقت. ينتفش FPM فقط بنسبة 2% في التولوين. ومن الواضح أن المادة شديدة المقاومة للتولوين. ويمكن استخدامها على سبيل المثال كحلقة مانعة للتسرب في هذا المذيب. ولكن الوضع مختلف تمامًا مع المواد المطاطية الأخرى، وخصوصًا مطاط السيليكون الذي ينتفش بنسبة تزيد عن 35%.
وتسمح قياسات الانتفاش بتحديد المواد المطاطية والحلقات المانعة للتسرب خصيصًا لاستعمالات معينة.

الشريحة 22: الملخص:                    TMA/SDTA 840 و841e

تلخص هذه الشريحة مزايا وفوائد TMA / SDTA840 و841e.

حيث يُعد التحليل الحراري الميكانيكي تقنية ممتازة لدراسة سلوك التمدد ودرجة حرارة تليين المواد المختلفة مثل اللدائن الحرارية، والمواد المتصلدة بالحرارة، والمواد المطاطية، والمواد اللاصقة ومواد الطلاء، والرقائق، والألياف، والمعادن، والسيراميك، والمركبات. كما تُعد تقنية التحليل الحراري الميكانيكي (TMA) أيضًا طريقة حساسة جدًا ويمكن استخدامها لتحديد التحولات الفيزيائية الضعيفة المرتبطة بالتغيرات التي تحدث في المعامل والمعالجة والتطهير.

وتتمثل إحدى الميزات والمزايا الرئيسية التي تتمتع بها أجهزة METTLER TOLEDO للتحليل الحراري الميكانيكي (TMA) في حساس القياس متوازي التوجيه. فبفضل هذا التصميم الميكانيكي الحاصل على براءة اختراع، يتحرك مسبار القياس لأعلى ولأسفل بدون احتكاك، مما يضمن أن تكون النتائج ذات جودة عالية. كما تمكن الدقة النانومترية الأجهزة من الكشف عن تغيرات الأبعاد الصغيرة جدًا. ويسمح نطاق القياس الواسع البالغ ±5 مليمترات بقياس كل من التغيرات الصغيرة والكبيرة.

يتوفر الحمل الديناميكي للتحليل الحراري الميكانيكي (TMA) لجميع أوضاع التشغيل. وهي تقنية قوية لقياس التحولات الضعيفة مثل التزجج للمركبات عالية التعبئة من خلال التغيير في معامل Young.

حيث تعطي إشارة DTA المتزامنة معلومات كالوريمترية إضافية حول التأثيرات الحرارية مثل المعالجة والذوبان. كما توفر معايرة دقيقة لدرجة الحرارة باستخدام المواد المرجعية مع نقاط انصهار محددة بشكل جيد.

وعلاوة على ذلك، تضمن الخلية المقيدة بالغاز إمكانية إجراء القياسات في جو محدد. ويمكن أن تقترن إداة TMA/SDTA840 بمقياس الطيف الكتلي أو FTIR لتحليل وتحديد المنتجات الغازية المتصاعدة من العينات.  

الشريحة 23: لمزيد من المعلومات حول التحليل الحراري الميكانيكي (TMA)

أخيرًا، أود أن ألفت انتباهكم إلى المعلومات المتعلقة بالتحليل الحراري الميكانيكي، والتي يمكنكم تنزيلها من الإنترنت.
حيث تنشر METTLER TOLEDO مقالات عن التحليل الحراري والاستعمالات في مجالات مختلفة مرتين في السنة في مجلة UserCom، وهي مجلة عملاء METTLER TOLEDO نصف السنوية الفنية الشهيرة.

ويمكن تنزيل الإصدارات السابقة من مجلة UserCom للتحليل الحراري كملفات بتنسيق PDF من www.mt.com/usercoms.

وبالإضافة إلى ذلك، يمكنكم تنزيل معلومات حول الندوات عبر الويب أو كتيبات الاستعمال أو المعلومات ذات الطبيعة الأكثر عمومية من عناوين الإنترنت الواردة في هذه الشريحة.

الشريحة 24: شكرًا لكم

بهذا أختتم عرضي المتعلق بالتحليل الحراري الميكانيكي. شكرًا جزيلاً لكم على اهتمامكم وانتباهكم.