研究與學術應用｜材料研發與教學實驗之熱分析與熱物性量測
從陶瓷纖維、生質塑膠到奈米複合材料，新材料的開發始終是技術創新的核心。 在研究與學術領域中，熱分析與熱物性量測可協助科學家與工程師，精確掌握比熱、熔點、 熱膨脹係數、燒結行為與熱導率等關鍵參數，作為材料設計、基礎研究與教學實驗的重要工具。
研究與學術領域為何需要熱分析與熱物性量測？
超過三分之二的技術創新可以直接或間接追溯至新材料的發展。 不論是陶瓷纖維、生質高分子、輕量化合金或奈米結構複合材料，其熱行為與熱物性 在材料設計、模擬與實際應用中都扮演關鍵角色。 在研究與教學實驗室中，透過系統性的熱分析量測，可建立材料的完整「熱學指紋」， 同時也適合作為熱分析課程與實驗教學的示範平台。
- 基礎材料特性：量測比熱、熔點、玻璃轉移溫度與熱膨脹係數，作為材料設計與模擬的輸入參數。
- 新材料研發：針對複合材料、奈米結構與多層薄膜，評估熱傳導與相變行為。
- 燒結與製程研究：觀察燒結收縮、分解與相變反應，優化熱處理與製程條件。
- 跨領域應用：支援汽車、航太、能源、電子與生命科學等領域的材料研究專案。
- 教學與訓練：以標準樣品與典型測試（如氯化鈣、草酸鈣、銅纖維、鋼箔等）作為實驗教材與方法教學。
應用案例一：多層樣品的熱擴散率與熱導率研究（LFA）
在薄膜、多層結構與複合材料研究中，熱傳輸常沿面內與穿透方向呈現截然不同的行為。 透過雷射閃射法（LFA）搭配多層樣品量測模型，可針對塗佈層、黏著層、金屬箔與基材所構成的系統， 取得等效熱擴散率與熱導率，對於電子封裝、熱障塗層與高階複合材料的設計尤其重要。:contentReference[oaicite:0]{index=0}
量測與解析重點：
- 多層樣品建模：利用已知厚度與密度，搭配 LFA 量測結果估算各層的熱擴散率與熱導率。
- 面內／穿透方向差異：比較 in-plane 與 through-plane 熱傳行為，用於導熱路徑與散熱設計。
- 溫度依賴性分析：建立不同工作溫度下的熱物性曲線，支援熱模擬與壽命預測。
此類量測非常適合用於論文研究與跨領域合作專案，尤其是與能源、電子與薄膜技術相關的主題。
應用案例二：纖維增強複合材料與銅纖維的熱分析
纖維增強複合材料（例如金屬纖維或碳纖維增強高分子）結合了低密度與高彈性模數， 在航太與汽車產業備受重視。藉由差示掃描量熱（DSC）、熱重分析（TGA）與熱導率量測， 可同時評估基體樹脂的熱轉變行為、纖維含量與界面熱傳性能。:contentReference[oaicite:1]{index=1}
量測與解析重點：
- DSC 熱轉變：觀察樹脂的玻璃轉移溫度、固化反應與可能的後固化行為。
- TGA 質量變化：由分解階段與殘留量估算纖維含量與無機填料比例。
- 熱導率量測：比較不同纖維種類、排列方式與體積分率對整體熱傳能力的影響。
這些資料有助於開發高導熱、高剛性或低熱膨脹的複合材料，並可作為高階材料課程與研究計畫的重要案例。
應用案例三：草酸鈣 STA、高速量測與金屬箔熱擴散率教學實驗
草酸鈣（calcium oxalate）是熱分析教學中常見的標準範例，其多步分解與放熱／吸熱行為清晰， 非常適合示範同步熱分析（STA：TGA + DSC）的解析能力。同時，利用鋼箔、銅箔與石墨等金屬薄片， 可以透過 LFA 量測面內與穿透方向的熱擴散率與熱導率，作為熱傳學與材料物性課程的實驗題材。:contentReference[oaicite:2]{index=2}
量測與解析重點：
- 草酸鈣 STA：解析多階段質量損失與對應熱流訊號，介紹分解機構與反應動力學。
- 金屬箔 LFA：比較鋼、銅、石墨與耐火材料的熱擴散率與熱導率差異，連結至實際應用。
- 教學模組設計：結合標準樣品與量測方法，規劃適合大學與研究所課程的實驗模組。
透過這類標準化與高度可重現的實驗案例，可有效支援熱分析與材料科學相關課程的實作訓練。
研究與學術領域常用熱分析與熱物性量測技術一覽
- 差示掃描量熱（DSC）：用於量測熔點、玻璃轉移、結晶與固化反應，適合高分子與複合材料研究。
- 同步熱分析（STA：TGA + DSC）：同時取得質量變化與熱流訊號，適合研究多步分解與反應機構。
- 熱膨脹量測（DIL / TMA）：量測線膨脹係數與燒結收縮行為，支援陶瓷、金屬與複合材料的熱處理研究。
- 雷射閃射分析（LFA）：取得固體、薄片與多層結構的熱擴散率與熱導率，適合薄膜與高熱流應用研究。
- 熱導率與熱阻量測（HFM、暫態法等）：用於隔熱材料、導熱填料與結構件的熱傳設計與模擬。
- 比熱容量量測（Cp）：提供熱模擬、相圖計算與能量平衡分析所需的基本熱力學參數。
我們可依材料研究主題與教學需求（如高分子、金屬、陶瓷、複合材料或薄膜技術）， 協助規劃合適的量測技術與實驗模組，並提供試測與技術說明服務，支援研究計畫撰寫、 論文發表與實驗課程設計。
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郭文龍｜FST International｜Email: Allen.kuo@fstintl.com.tw