幾乎所有材料——從橡膠、金屬到水和玻璃——受熱時(shí)都會(huì)膨脹。而熱縮管經(jīng)過獨(dú)特設(shè)計(jì)，能在適宜溫度下收縮：溫度既不會(huì)過低導(dǎo)致其在運(yùn)輸或儲(chǔ)存過程中意外收縮，也不會(huì)過高而有損壞內(nèi)部導(dǎo)線及周邊電子元件的風(fēng)險(xiǎn)。此外，大多數(shù)熱縮管還具備阻燃性以保護(hù)精密導(dǎo)線，這就需要對(duì)材料進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

盡管熱縮管已堪稱一項(xiàng)出色的技術(shù)成果，但隨著人工智能數(shù)據(jù)中心的快速擴(kuò)張，市場(chǎng)需求正變得愈發(fā)嚴(yán)苛。數(shù)十年來，數(shù)據(jù)中心一直使用熱縮管對(duì)電纜進(jìn)行標(biāo)識(shí)、捆扎和絕緣處理，以避免電纜遭受損壞和高溫影響。新型人工智能數(shù)據(jù)中心的大功率硬件會(huì)產(chǎn)生更多熱量，因此需要精密的熱管理系統(tǒng)。熱縮管不僅要滿足當(dāng)前的應(yīng)用需求，還需適應(yīng)此類高溫?cái)?shù)據(jù)中心等更具挑戰(zhàn)性的環(huán)境。

材料工程師如何在電線絕緣的熱穩(wěn)定性和熱致收縮之間取得這種微妙的平衡？我們使用三種熱分析技術(shù)對(duì)一款商用熱縮管進(jìn)行了研究，以更好地了解其性能，并展示制造商如何從材料特性的完整表征中受益。

差示掃描量熱分析(DSC)：

測(cè)量管材的熱致變化

差示掃描量熱儀(DSC)用于測(cè)量材料熱轉(zhuǎn)變過程中的溫度和熱流變化。在熱縮管的分析中，DSC是識(shí)別加熱過程中吸熱變化的理想工具。

圖1：熱縮管的DSC曲線

DSC升溫測(cè)試結(jié)果顯示樣品在50℃和88℃下有非預(yù)期的吸熱現(xiàn)象，這兩個(gè)溫度都明顯低于該管材規(guī)格表里的熔點(diǎn)：125℃。一次升溫曲線代表了樣品的熱歷史，用于評(píng)估材料“初始”特性。

50℃時(shí)的低溫吸熱峰可能是樣品的松弛或恢復(fù)過程帶來的，而不是熔融現(xiàn)象，因?yàn)樵诘诙紊郎貢r(shí)該峰沒有出現(xiàn)。可以使用調(diào)制DSC(MDSC?)(每臺(tái)TA儀器Discovery DSC均標(biāo)配)或使用可選的DSC顯微鏡附件進(jìn)一步研究這種轉(zhuǎn)變。調(diào)制DSC技術(shù)通過將可逆(如熔融、熱容)與不可逆(如動(dòng)力學(xué))現(xiàn)象分開來幫助進(jìn)一步解析。

以下圖片來源于TA儀器

圖2：DSC顯微鏡附件下的熱縮管圖片與視頻

我們使用DSC顯微鏡記錄了整個(gè)升溫過程的視頻，并每30秒拍攝一次照片。從圖像和視頻中可以看出，在 80°C 以下時(shí)材料僅發(fā)生微小變化，而在88°C至103°C之間收縮相對(duì)迅速。DSC為熱現(xiàn)象研究提供了初步數(shù)據(jù)，后續(xù)的熱機(jī)械分析(TMA)則進(jìn)一步表征了這些溫度下材料發(fā)生的力學(xué)變化。

熱機(jī)械分析(TMA)：管材如何收縮？

熱機(jī)械分析儀(TMA)用于在受控環(huán)境中，測(cè)量樣品尺寸隨時(shí)間、溫度和力的變化。在熱縮管分析中，TMA對(duì)于了解材料的收縮方式和確定其收縮溫度尤為重要。

圖3：熱縮管的TMA曲線

TMA測(cè)試結(jié)果顯示，熱縮管在約88°C之前會(huì)發(fā)生輕微膨脹。大多數(shù)材料受熱會(huì)發(fā)生膨脹，這一現(xiàn)象符合預(yù)期。隨后在88°C時(shí)，熱縮管開始收縮，尺寸發(fā)生急劇變化。

該收縮起始溫度與上述DSC分析中檢測(cè)到的大的吸熱峰基本一致。同樣，88°C的收縮起始溫度低于制造商提供的規(guī)格表里的收縮溫度：125°C，測(cè)試表明材料在125°C左右完成整個(gè)收縮過程。結(jié)合測(cè)試結(jié)果，在該示例中，制造商給出的是完全收縮所需的溫度，這為用戶成功實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線絕緣提供了指導(dǎo)。

從上述 DSC 圖像中可以看出，大部分收縮發(fā)生在單一方向上。對(duì)于那些因取向不同而表現(xiàn)出不同性能的材料，TMA 具有特別重要的研究?jī)r(jià)值。對(duì)于含有填料或多層結(jié)構(gòu)的材料，可沿不同方向取樣，如x、y 或 z方向分別進(jìn)行測(cè)試。這樣可以量化材料在不同方向上的膨脹(或收縮)情況。

熱重分析(TGA)：揭示更深層次的材料特性

熱重分析儀(TGA)用于測(cè)量樣品重量變化(損失或增加)以及重量變化速率隨溫度、時(shí)間和氣氛的變化。TGA對(duì)于檢測(cè)高溫下的熱降解尤為有用，有助于確保熱縮管的熱穩(wěn)定性。

圖4：熱縮管的TGA曲線

我們首先采用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行TGA重量變化測(cè)試：將材料從25°C加熱至1000°C時(shí)，發(fā)現(xiàn)在約325°C時(shí)出現(xiàn)重量損失，這表明材料開始分解。該溫度遠(yuǎn)高于熱縮管在常規(guī)使用中可能接觸到的溫度。

如果樣品是簡(jiǎn)單的聚烯烴，其重量導(dǎo)數(shù)曲線應(yīng)僅顯示為一步失重過程。然而，該測(cè)試中TGA重量導(dǎo)數(shù)曲線顯示存在多個(gè)重量變化步驟。這種復(fù)雜性表明該管材由多種材料制成。TA儀器Discovery TGA 5500具備極高的靈敏度，使我們能夠觀察到這種隱藏的材料特性。通過Hi-Res TGA等先進(jìn)方法，可根據(jù)樣品重量損失曲線自動(dòng)調(diào)整加熱速率，輕松分離重疊的轉(zhuǎn)變過程。

材料工程師可從精確的TGA分析中獲益，從而了解材料的降解情況以及看似簡(jiǎn)單的產(chǎn)品中復(fù)雜配方的存在。該熱縮管可能含有多種添加劑，例如抗氧化劑、紫外線穩(wěn)定劑、填料、加工助劑以及與聚烯烴混合的阻燃劑^[1],[2]。材料制造商和工程師利用TGA可量化添加劑含量，并評(píng)估這些添加劑對(duì)使用性能和材料降解的影響。TA儀器Discovery TGA配備兩個(gè)集成的氣體質(zhì)量流量控制器，可自動(dòng)在惰性吹掃氣體和氧化性吹掃氣體之間切換，簡(jiǎn)化測(cè)試流程。

熱分析：全面解析熱縮管特性

DSC測(cè)試結(jié)果顯示在50°C和88°C出現(xiàn)吸熱轉(zhuǎn)變，遠(yuǎn)低于規(guī)格表里的熔融溫度；

TMA測(cè)試表明收縮起始溫度約為88°C，與DSC檢測(cè)到的吸熱轉(zhuǎn)變溫度一致；

TGA重量導(dǎo)數(shù)曲線顯示為復(fù)雜的降解過程，表明樣品中存在改變聚烯烴性能的添加劑。

標(biāo)簽：TA TGA熱分析熱重分析儀