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TGA數據圖譜：如何從曲線中讀取材料的生命故事？
在材料科學的研究領域中，熱重分析（TGA）成為了一個不可或缺的工具。這種方法的核心在於隨著時間推移，隨著溫度變化，連續測量樣品的質量變化。透過這些數據，研究人員可以揭示物理現象（如相變化、吸收、吸附和脫附）以及化學現象（包括化學吸附、熱分解和固氣反應等）的深層次故事。
熱重分析儀概述
熱重分析是通過一種稱為熱重分析儀的儀器來進行的。這種儀器不斷測量樣品的質量，同時從低溫升至高溫。質量、溫度和時間是熱重分析中的基礎測量，而其他多種測量可以從這些基礎數據中推導出來。
一個典型的熱重分析儀包含一個精密稱量裝置，樣品盤位於可控溫度的爐內。
在進行TGA測試時，儀器通常以恆定的速率提高溫度，或在某些應用中，為了保持恆定的質量損失而進行控制。這一過程可以在各種環境下進行，包括常規空氣、真空、惰性氣體、還原氣體等，並且可以在多種壓力下進行。
TGA的類型
TGA技術通常有三種類型：靜態熱重分析、准靜態熱重分析和動態熱重分析。靜態熱重分析是在恆定溫度下隨時間錄觀看樣品質量。準靜態熱重分析則是以階段性升溫加上恆溫間隔的方式進行，直到樣品質量達到穩定。而動態熱重分析則是在變化的溫度環境中加熱樣品。
應用
熱穩定性
TGA可以用來評估材料的熱穩定性。在特定的溫度範圍內，如果某物質是熱穩定的，則不會觀察到質量變化，這在TGA曲線上會表現為幾乎無斜率的趨勢。
TGA還能提供材料的最大使用溫度，超過此溫度材料可能會開始降解。
這在聚合物的分析中尤其重要，因為許多聚合物在分解前會先熔化，TGA主要用於研究這些聚合物的熱穩定性。
氧化和燃燒
最簡單的材料特徵是反應後的殘留物。例如，燃燒反應可以通過將樣品放入正常條件下的熱重分析儀中進行測試。當樣品溫度超過點燃溫度時，會導致燃燒。
熱重分析中最常見的可觀察損失是氧化質量損失。
對於NASA等機構來說，研究銅合金在高氧環境中的抗氧化性能極為重要，這對於重複利用航天材料具有重大意義。
熱重動力學
透過熱重動力學，研究者能更深入了解不同材料的熱分解及燃燒過程反應機理。即使常規的加熱速率較為普遍，恆定的質量損失速率有助於展現特定反應動力學。
與其他儀器的聯合操作
熱重分析常常與其他分析方法聯合使用。例如，TGA儀器能在加熱至高達2000°C的過程中，持續稱量樣品，並與傅立葉轉換紅外光譜（FTIR）及質量光譜氣體分析等技術結合。
隨著溫度的升高，樣品中各成分的分解會顯示出質量變化，研究人員因此能深入了解材料的特性。
隨著科技的進步，熱重分析技術在材料研究中的應用也越來越廣泛。這不僅使得材料的生命故事得以在實驗室中被揭開，也讓我們思考：我們對材料的理解能否進一步推動新材料的開發和應用呢？
