ASTM E831-19 通过热机械分析对固体材料线性热膨胀进行的标准测试方法

美国材料与试验协会（ASTM）发布的标准《ASTM E831-19通过热机械分析测定固体材料线性热膨胀的标准试验方法》描述了一种利用热机械分析技术测定固体材料线性热膨胀技术系数的试验方法。该测试方法适用于在整个测试温度范围内表现出足够硬度的固体材料，以使传感探头不会压痕样品。本测试方法测得的线性热膨胀系数的推荐下限为5µm/(米度)。该测试方法可用于较低（或负）膨胀水平，但准确度和灵敏度较低。此测试方法适用于零下120度至零上900度的温度范围。根据所使用的仪器和校准材料，温度范围可以进一步扩大。

标准“ASTM E473-21a 热分析和流变学标准术语”和“ASTM E1142-11 热物理性质标准术语”中给出的所有术语和定义均适用于本测试方法，包括热分析术语、线性热膨胀系数、热膨胀法和热机械分析。此外，平均线性热膨胀系数，即相对于环境温度下样品长度的长度变化，表示由测量温度范围的中点温度定义的单位温度的变化。

该测试方法使用热机械分析仪或类似装置来确定固体材料在恒定加热速率下线性热膨胀。样品长度的变化作为温度的函数以电子方式记录。根据记录的数据可以计算出线性热膨胀系数。

例如，线性热膨胀系数可用于设计目的，以及确定由两种不同材料组成的固体在受到温度变化时是否会因热应力而发生失效。该测试方法与用于测试电绝缘材料的标准“ASTM D3386-00电绝缘材料线性热膨胀系数的标准测试方法”相当，但涵盖了更广泛的固体材料组，并更具体地定义了测试条件。与 ASTM E228-22 和 ASTM D696-16 标准中定义的测试方法相比，该测试方法使用的样本更小，并且设备也有很大不同。该测试方法可用于研究、规范验收、法规遵从和质量保证。

这些测试中使用了热机械分析设备。该测试方法所需的提供最低热机械分析或热膨胀能力的仪器包括：

• 刚性样品架：由惰性、低膨胀系数的材料制成，用于将样品置于炉子的中心，并将样品机械固定到底座上。
• 刚性膨胀探头：一种惰性、低系数膨胀材料，与施加到样品上的压力接触。
• 传感元件：线性，最小范围为 50 毫米，用于测量由于样品长度变化引起的刚性膨胀探头的位移，最大位移量程为正负 2 纳米。
• 重量或力传感器：通过刚性膨胀探头对样品施加 1 mn 至 100 mn（0,1 g 至 10 g）的恒定力。
• 烤箱：能够对样品进行均匀控制加热（冷却）至恒定温度或以 2 度/分钟至 10 度/分钟之间的恒定速率加热（冷却），适用温度范围为零下 150 度至零上 1000 度。
• 温度控制器：一种等温温度装置，能够通过在选定的温度限制之间操作炉子来运行特定的温度程序，温度变化率在 2 度/分钟到 10 度/分钟之间，固定为正负 0,1 度/分钟或固定为正负 0,5 度。
• 温度传感器：可以附着在样品上、与样品接触或可重复地放置在靠近样品的位置，并可指示正负 0,5 度的温度。
• 以 10 mL/min 至 50 mL/min 的吹扫气体速率维持样品周围环境的一种方法。一般来说，当担心空气中的氧化时，应使用纯度高于 99% 的氮气、氩气或氦气。如果不研究湿度的影响，建议使用干燥吹扫气体，并且必须在低于环境温度的温度下操作。
• 数据采集​​设备：提供采集、存储和显示测量或计算信号（或两者）的方法。热机械分析所需的最小输出信号是线性尺寸、温度和时间的变化。

测试中还需要冷却能力来维持低于环境温度的样品温度（如果要进行低于环境温度的测量）或加速样品从高温冷却。

样品长度应在 2 毫米至 10 毫米之间，并且两端应平直且平行，误差不超过正 7 负 25 微米。横向尺寸不得超过 10 毫米。可以使用其他尺寸的样品，但必须报告尺寸。据观察，某些材料无法达到这种程度的平整度和平行度。不符合这些要求的样品可能会导致灵敏度损失增加。样品通常在收到时进行测量。如果在测试之前对样品进行了一些热处理或机械处理，则应在报告中注明。某些材料，特别是复合材料，可能需要在测试前进行热处理来调节样品，以消除应力或变形。任何此类热处理都应包括在报告中。

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