FAQ Thermal Analysis
除了電池安規測試外，我們還能做些甚麼？
最近 Samsung Galaxy Note 7 電池爆炸、燃燒的意外事件，讓消費者與政府更嚴肅看待這些內含鋰電池產品的安全性。這些意外事件，輕者傷害消費者的人身安全，嚴重者對於一家大型企業、甚至是一國的經濟，也都會造成一定程度的危害。然而，這些電子產品都已經通過安規測試，而且在出貨前，都已經完成品質測試，為何還會發生這些出人意料的意外？可見得電池爆炸、燃燒的潛在風險，通常隱藏於不良的電池零件、不當的軟硬體設計、欠周延的機構散熱設計。通常需要將產品使用一段時間之後，這些隱藏的缺陷，才會讓電池失控，造成爆炸、燃燒的意外。可見得不是現有安規測試，或產品的生產QC流程，便能偵測出問題。加上電子產品的市場競爭激烈，新一代的處理器開始量產不久，這些 3C 產品的廠商就必須抓住市場先機，急著將產品上市，短時間內更加不容易發現這些潛在風險，行動裝置成為一顆不定時炸彈！
ARC (Accelerating Rate Calorimeter) 加速失控量熱儀，是一種專門為電池安全測試與化學物質安全測試所設計的一系列檢測儀器。不同於傳統的通用熱分析儀器，ARC加速失控量熱儀，更進一步將所有可能發生的電池安全事故，一起考量進儀器設計中。讓研究者，能夠以高於正常使用的環境條件、以更嚴苛的條件，加諸於樣品上，並加速模擬各種可能發生的電池燃燒、爆炸意外。
ARC 系列加速失控量熱儀，具備一個很大的防爆樣品槽，並將其設計成一個絕熱系統，能容納完整的電池模組，甚至產品，實際模擬電池在使用過程中，可能發生失控的條件，包含電池過充、過放的使用情境。並可持續讓電池到達它的安全容忍極限，最後在控制之下，讓電池在樣品槽內發生爆炸、燃燒為止，藉此得到電池的耐受極限資料，與相關的參數。
3C電子產品，如電話手機，所可能發生的電池燃燒、爆炸危害，不外乎是不良的設計、低成本的電子零件，讓電池發生外部短路、內部短路、外部過熱、內部過熱、電池內隔板受損的情形。或者因為配置劣質的充電器，或者是消費者不當的使用行為，造成電池的過充、過放、或短路的情形，進而讓電池失控、最終造成燃燒、爆炸的意外。從產品隱藏缺陷開始產生問題，一直到意外發生，通常會經過一系列的過程。這個過程，如同以下的流程圖：
對於不良的零件、產品設計失誤、外部不當的操作，若是手機的散熱速度，基本上大於產品本身放熱的速度，那麼產品發生燃燒、爆炸意外的機率便會降低。反之，如果某些潛在問題，比方某個APP當機，讓手機的 CPU 長時間以全速運作，且造成過度放電，手機持續無限升溫，之後會發生甚麼狀況，就很難說了。(我想不少讀者，都有過手機莫名溫度持續升高，直到重開機才恢復正常的經驗）
ARC加速失控量熱儀，便能以施予產品進入失控的條件，讓電池與局部的產品零件，在儀器的安全控制的範圍內，到達失控的邊緣、並進入真正失控的狀況。以這種方式，來了解風險程度，了解發生意外的極限，改進產品的設計，進一步避免不必要的意外發生。在測試的過程中， ARC 加速失控儀，能夠維護測試人員的人身安全，在 Under Control 的狀況下，觀察產品 Out of Control 的條件，與最糟的狀況。
若您需要對 ARC 加速失控量熱儀有進一步的了解，歡迎您聯絡勢動科技的服務人員。我們會盡可能地協助您評估需要的儀器設備。
此外，您也可以從本文，「HWS過程中，ARC能看到些甚麼？」，了解更多 ARC 加速失控量熱儀的功能。
絕熱過程與等溫過程有何不同？
絕熱過程 (Adiabatic Process) 與等溫過程 (Isothermal Process) 是熱力學在討論熱變化時，常見的能量變化過程。
要了解絕熱過程與等溫過程有何不同及兩者差異，可以先從了解卡諾熱循環熱機下手。本文分成以下幾部分，為您提供一些參考資料：
DSC示差掃描量熱法的應用有哪些？
DSC差示掃描量熱儀的應用領域
示差掃描量熱法 (DSC, Differential Scanning Calorimetry) 被廣泛使用於許多應用中，無論是作為一般品質測試，或是作為一種研究工具，它都是一種有效的方法。DSC是一種快速可靠的熱分析方法，適用於許多場合的應用，可協助科學家或研發人員完成許多其他儀器所作不到的研究與測試。以下列舉一些常見的DSC測試應用：
氧化穩定性
使用示差掃描量熱法研究樣品的氧化穩定性，通常需要放置於氣密樣品室中，給定一個恆溫並與外界溫度隔絕。通常是將樣品室填充惰性氣體（一般是氮氣），加溫至待測溫度，然後施以氧化氣體。過程中，任何細微的氧化反應變化，都可以透過 DSC 觀察。DSC 可以用於分析材料或化合物的穩定性，以及他們的最佳存儲條件。
安全篩選
DSC當作初步的安全篩選工具。在這類應用中，可將樣品放置於不會反應、且能承受高壓 (100 bar) 的坩堝中 (通常是純金，或者是鍍金鋼)，藉此可以觀察樣品對熱的穩定性。但由於在這樣的設置下，靈敏度會比一般的設置差（因為厚重的坩堝，通常升溫速度是每分鐘 2-3 °C）。加上活化能是未知的，必須從開始觀測放熱時的溫度，扣除約75-100 °C之後，才能決定材料的最高建議溫度。否則，可使用絕熱量熱儀，以獲得更精準的數據，然而這樣的測試，可能需要花2到3天的時間，讓溫度以每半小時3℃的速度遞增。
陶瓷材料應用
對於研製新型的陶瓷材料以及製造過程中條件的控制，DSC 可用在陶瓷材料的相變溫度和相圖的測定，可提供極為有用的資料。例如BaO-TiO2-Al2O3-SiO2玻璃陶瓷材料的DSC 曲線，可發現該材料在鐵電結晶放熱峰和熔融峰之間另有一個結晶相，利用DSC 可證明這種結晶相是這類玻璃陶瓷材料的最佳狀態。
金屬材料應用
DSC在金屬應用上，它可以測試金屬和合金的熔融、結晶、玻璃化轉變、二次相變以及比熱等重要的物理化學性能，同時還可以測試腐蝕、氧化、還原、磁性變化以及熱穩定性等。
對於比熱 (比熱容) 的量測，並不容易，尤其像熱絕緣 (Thermal Insulation) 的材料，更是不容易，因為這些材料通常是多孔隙的構造，同時也是低熱容量、低導熱綠的材料。傳統僅在底部有溫度感測器的 DSC 量熱儀，表現並不理想。SETARAM 的 C80 卡爾維式三維量熱儀，利用三維全包覆式的量熱方式，精準測量樣品的吸熱、放熱能量，得以精密計算物質的比熱。關於 C80 微量熱儀的特色，請參考本文 「DSC 的進化 - C80 卡爾維式三維量熱儀」。
儲氫材料應用
儲氫材料一般可分為金屬氫化物(Metal Hydride)、化學氫化物(Chemical Hydride)與吸附型儲氫材料(Sorbents)。吸附型儲氫材料在近幾年已被廣泛應用在氫氣儲存的研究上，其中最常見的就是金屬有機骨架化合物(MOF)。MOF 因具有純度高、結晶度高、成本低、能夠大批量生產和結構可控等優點，在氣體存儲尤其是氫的存儲方面展示出廣闊的應用前景。DSC在此類的應用中主要可以量測各式MOF 儲氫材料與氫氣作用下的吸附熱(Heat of Adsorption)。
Setaram 的高溫 DSC 示差掃描量熱儀，能夠提供非常好的性能，是最適合這類研究的儀器。
TGA熱重分析法的應用有哪些？
熱重分析儀的相關應用
熱重分析 (Thermogravimetry Analysis， TGA) 是在程式控溫條件下，測量在升溫、降溫、或恒溫過程中樣品質量與溫度(或時間)相互關係的一種技術，常用來研究各種材料的熱穩定性及組成，是一種快速可靠的熱分析方法，適用於許多場合的應用，可協助科學家或研發人員完成許多其他儀器所作不到的研究與測試。以下列舉一些常見的TGA測試應用：
陶瓷材料應用
碳化矽(SiC) 陶瓷具有密度低、高溫強度高、耐腐蝕、耐燒蝕、耐磨損、熱膨脹係數小等優點，是在1300 ℃以上使用的最有前途的高溫結構材料之一，常用於耐熱、耐磨和使用環境苛刻的場合 。
熱壓燒結碳化矽(HP-SiC)陶瓷，具有緻密度高、抗彎強度大等優點，一直是研究重點之一，但由於氧化是導致SiC 陶瓷高溫使用時失效的重要因素，嚴重限制了其應用範圍和領域 ，因此研究SiC陶瓷的高溫氧化過程行為，對於提高其使用溫度和壽命具有指標的作用。利用TGA可測試SiC在不同溫度的氧化增重率曲線及其等溫氧化動力學曲線，進而得知SiC高溫氧化增重速率，研究SiC陶瓷抗高温氧化性能。
金屬材料應用
TGA在金屬材料應用上，它可以測試金屬和合金的成份組成、金屬材料的熱穩定性及其壽命、 金屬材料的裂解的動力學、金屬材料高溫時氧化/還原行為及金屬材料腐蝕測定等等。
碳捕捉
近期利用CaO系列材料於碳減量技術有其潛在研究價值，特別是CaO材料。因其具有捕碳轉化率高且形成CaCO3速率快並且是屬於熱力學上相當穩定的物質等等特性。
CaO固體材料捕捉CO2性能可藉由TGA進行解析，由於CO2被固體材料捕捉屬於擴散控制機制，在高溫下捕捉的CO2與CaO材料表面形成緻密的CaCO3層，在高溫分解過程因燒結現象而使得表面積變小，造成長時間捕捉性能衰退主因。因此在利用TGA研究碳捕捉反應機制時，測試方法為多次重複之捕捉與除碳再生，以評估材料之捕捉容量及高溫穩定性。
化學迴圈
化學迴圈程序(Chemical Looping Process， CLP) 為一項兼具有能源效率與二氧化碳捕捉的能源技術，為未來二氧化碳捕獲與封存(Carbon Capture and Storage， CCS)之技術之ㄧ。化學迴圈程序為一種同時具有高能源效率及二氧化碳捕獲之新穎能源程序，程序機制為燃料反應器中，將反應器中的金屬氧化物載氧體(以Fe2O3)與燃料(CxHy)反應，由載氧體提供燃料氧化所需的氧，使燃料轉化為二氧化碳與水，而載氧體則還原為較低氧化態的Fe/FeO；再將Fe/FeO 輸送至空氣反應器， 由空氣將載氧體氧化回最高氧化態Fe2O3。透過載氧體在兩個反應器間的重複地迴圈循環，可有效的平衡載氧體在兩個反應器中進行還原與氧化之吸放熱，同時提昇二氧化碳排放純度，減少分離程序之需求。在此程序中可利用熱重分析儀(TGA)進行還原-氧化反應測試其載氧能力，並可利用TGA設定多次迴圈測試其穩定度。
高分子聚合物應用
某些高分子材料中，有些吸水性非常高，我們可以利用TGA設定在某個溫度下恆溫ㄧ段時間來觀察水份的損失量。或是高分子聚合物材料可能添加一些無機物(碳酸鈣或玻璃纖維)來增加其硬度，因為有添加物可能和材料的裂解溫度不同，我們可藉由TGA多段升溫曲線來測定添加劑的含量。另外，也可以利用TGA來測定高分子材料灰份含量。
熱分析的技術可被應用在哪些領域？
熱分析儀的應用領域
醫藥原料
DSC和TGA常被用於分析製藥材料（原料藥）的特徵。DSC 能以不同的加熱速率，區別出不同的多晶結構，可以研究該多晶型轉變過程中所產生的變化。通過使用適當的加熱速率，多晶型的純度就可以被量測，通常加熱速率可高達每分鐘750度(℃)。TGA常被用來測量殘餘的溶劑和水分，但也可以被用來確定藥品的材料在溶劑中的溶解度。
聚合物
熱塑性聚合物常見於日常的包裝和家用物品，但對於塑膠原料的分析，DSC可用來分析添加劑的效果（包括穩定劑和顏色）與最佳化材質的可塑性與加工流程。舉例來說，用DSC研究氧化誘導時間（OIT），可確定熱塑性塑料（通常為聚烯烴），其聚合物抗氧化穩定劑的添加量。聚合物組成分析則是使用TGA，它分離填料，聚合物樹脂和其它添加劑。TGA也可以測試熱穩定性，以及添加劑的效果與影響，如阻燃劑。
複合材料，諸如碳纖維複合材料或玻璃環氧複合材料的熱分析，通常使用DMA。可透過測量材料的模量和阻尼性質，來瞭解材料的硬度。航太、汽車、機車、自行車，這些產業經常使用這些分析儀作為生產時，品質控制的利器。DSC是用來確定在複合材料中，樹脂的固化特性，並且還可以確認的樹脂是否是可被重塑，並確認該過程中有多少熱量在過程中產生。預測動力學分析中的應用，可以幫助製造工藝的最佳化。比如，TGA可透過加熱樣品並移除樹脂，然後測定剩餘的質量來瞭解複合材料的纖維含量。
金屬
金屬製造業（鑄鐵，灰口鑄鐵，球墨鑄鐵，蠕墨鑄鐵，3000系列鋁合金，銅合金，銀，和複雜的鋼鐵）也是熱分析的應用領域之一。液態金屬樣品從爐中取出，並倒入具有熱電偶溫度感測器的樣品杯。然後將溫度進行監測，並紀錄相變化圖表（液相，共結晶相，固相）。根據相變圖的資料，金屬鑄件的化學成分或者其晶體結構，能夠被計算出來。
先進技術使用微分曲線來定位吸熱轉折點（如氣孔，材料收縮），或者是固化放熱的相（如碳化物，β晶體，除結晶的銅，鎂，矽化鐵磷化物）。檢測極限大約是體積的0.01％到0.03％。
食品
大多數食品的變化都跟溫度有關，主要是在生產，運輸，儲存，準備，消費的過程。例如，巴氏低溫殺菌，滅菌，蒸發，蒸煮，冷凍，冷卻，等過程造成食物成分物理和化學性質的變化，並影響最後的成品，如味道，外觀，質地和穩定性。某些化學反應會因此增強，如水解，氧化或還原反應，也可能造成食物的物理變化，如蒸發，熔化，結晶，聚合或凝膠化。更精準地瞭解溫度對食物的特性的影響，會使食品製造商提升生產技術，提高產品的品質。原則上，大多數的分析技術都可以在食品業應用上，並監控食品品質，例如，光譜法（NMR，UV-Vis，可見光，紅外光，螢光），漫射（光線，X光，中子） ，物理性質（質量，密度，流變性，熱容量）等。熱分析通常應用範圍比較少，主要用來衡量隨溫度變化時，食物的物理性質（TG / DTG，DTA，DSC）。
印刷電路板（PCB）
功耗是當今PCB設計的一個重要問題。功耗會導致溫度差異，造成散熱問題的晶片。除了可靠性的問題，多餘的熱量也將影響設備的性能和安全性。一個積體電路的工作溫度，應保持低於會讓電路損壞的極限。熱分析因此也是印刷電路板產業能夠使用的儀器設備。