金屬與合金產業應用｜熔融行為、熱膨脹與熱導率量測
金屬與合金是現代工業與科技的關鍵材料，從鋼鐵、鋁合金、鎳基超合金，到特殊低膨脹合金與高導熱材料， 其性能往往取決於精準的成分控制與熱處理歷程。透過熱分析與熱物性量測，可在實驗室條件下重現熔融、 凝固與服役過程中的熱行為，協助材料研發、製程優化與品質檢驗。
金屬與合金為何需要熱分析與熱物性量測？
合金是由至少兩種元素（其中一種必為金屬）所組成的金屬材料，透過合金化可顯著改變機械與熱物性， 例如強度、硬度、耐蝕性與熱膨脹係數。這些特性高度依賴成分比例、熔煉與凝固條件，以及後續熱處理歷程。 利用熱分析與熱物性量測，可在小試樣上快速取得與實際製程高度相關的關鍵參數。
- 熔點與固相／液相線：作為鑄造、焊接與熱處理工藝設計的重要基準。
- 相變與熱處理行為：觀察退火、時效與馬氏體轉變等過程中的吸放熱與結構變化。
- 熱膨脹與尺寸穩定性：評估配合件、封裝與高精度零件在溫度變化下的尺寸匹配。
- 熱導率與比熱：支持高溫元件、散熱結構與熱交換器的設計與模擬。
- 品質與批次一致性：建立合金「熱學指紋」，用於來料檢驗與製程監控。
應用案例一：金屬與合金的熔融、固化與相變化分析（DSC / STA）
在鋼鐵與高溫合金的開發與品質控管中，精確掌握熔點、固相線／液相線與相變溫度極為重要。 透過差示掃描量熱（DSC）與同步熱分析（STA：TGA + DSC），可在受控氣氛中量測熔融與凝固過程， 並觀察共析反應、析出相與再結晶等熱事件。
量測與解析重點：
- 熔融與凝固峰：取得固相線／液相線位置與熔融焓，用於確認成分與鑄造視窗。
- 固態相變行為：例如奧氏體／鐵素體轉變、析出硬化反應與再結晶溫區。
- 合金配方比較：藉由 DSC 曲線比較不同合金含量對熔點與相變範圍的影響。
這些資料可直接用於鋼種設計、鑄造與熱處理工藝優化，並作為合金來料檢驗與批次放行的客觀依據。
應用案例二：合金熱膨脹係數與相變應變評估（DIL）
在模具鋼、焊接結構、電子封裝與低膨脹合金應用中，材料的線膨脹係數 (CTE) 與相變引起的體積變化， 會直接影響尺寸精度與熱應力。透過熱膨脹儀（Dilatometer），可量測從室溫到高溫的膨脹曲線， 並解析馬氏體轉變、析出與其他相變行為對尺寸的影響。
量測與解析重點：
- 線膨脹係數：比較不同鋼種、Fe–Ni 低膨脹合金與鋁合金的 CTE，作為配合件匹配依據。
- 相變點與體積變化：由膨脹曲線斜率與不連續變化判讀相變溫度與對應尺寸變化。
- 熱處理變形控制：模擬淬火、回火或等溫退火路徑，預估零件尺吋變化與殘餘應力風險。
對於需高尺寸穩定性的量測治具、精密零件與封裝結構，這類熱膨脹資料是設計與材料選擇的重要基礎。
應用案例三：金屬與合金熱導率、熱擴散率與比熱量測（LFA / THB）
在汽車、航太與高功率電子領域中，鋁合金、銅合金與高導熱金屬常被用作散熱基板、熱交換器與結構件。 其熱導率與比熱容量會隨溫度與合金成分而變化，直接影響系統的熱管理與溫度均勻性。 透過雷射閃射法（LFA）與暫態熱線／熱橋量測（如 THB），可取得溫度依賴的熱擴散率與比熱，進而計算熱導率。
量測與解析重點：
- 熱導率 vs. 成分：比較不同鋁合金或銅合金配方在室溫與高溫下的熱導率差異。
- 溫度依賴性：建立 25–500 °C 等工作區間的熱擴散率與比熱曲線，用於熱設計模擬。
- 散熱與安全裕度：評估在極端工況（熱衝擊、局部過熱）下的熱傳能力與溫升風險。
這些熱物性數據可為熱交換器設計、電子模組散熱與高溫結構件的熱管理策略提供量化依據。
金屬與合金常用熱分析與熱物性量測技術一覽
- 差示掃描量熱（DSC）：量測熔點、固相線／液相線、相變與析出反應，適用於鋼鐵與高溫合金研發。
- 同步熱分析（STA：TGA + DSC）：同時取得質量變化與熱流訊號，用於氧化、分解與反應行為研究。
- 熱膨脹量測（DIL / TMA）：量測線膨脹係數與相變引起的體積變化，支援尺寸穩定性與熱處理設計。
- 熱導率與熱擴散率量測（LFA、THB、HFM 等）：取得固體與薄板金屬的熱傳特性，用於散熱與高溫元件設計。
- 比熱容量量測（Cp）：提供熱平衡計算與熱處理模擬所需熱力學參數。
我們可依金屬與合金實際應用情境（鑄造、鍛造、熱處理、散熱與高溫結構件）， 協助規劃合適的量測技術與溫度範圍，並提供試測與技術說明服務，支援材料開發、製程優化與品質控管。
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郭文龍｜FST International｜Email: Allen.kuo@fstintl.com.tw