中国报告大厅网讯，在材料科学研究和工业质量控制领域，热分析技术已成为表征材料热稳定性、组成分析及热分解机理的核心手段。随着新材料研发的加速推进和产品质量标准的日益严格，热分析仪的测量精度与数据可靠性受到前所未有的关注。测量不确定度作为评价检测结果可信度的关键指标，其科学评估与有效控制直接关系到材料热性能评价的准确性和一致性。当前，热重分析技术在应用过程中面临诸多影响测量精度的因素，包括仪器性能、环境条件、数据处理方法等，如何系统识别这些不确定度来源并建立完善的验证体系，已成为行业技术规范化的重要课题。通过对热分析仪失重测试全过程的深入剖析与方法学验证，可以为实验室质量管理和检测标准制定提供科学依据，推动热分析技术向更高精度、更可靠的方向发展。

  一、热分析仪测试原理与不确定度评估意义

  《2025-2030年中国热分析仪行业市场调查研究及投资前景分析报告》指出，热重分析技术是指在程序控制温度和一定气氛下连续测量待测样品的质量与温度或时间变化关系的一种热分析技术，主要用于研究物质的分解、化合、脱水、吸附、脱附、升华、蒸发等伴有质量增减的热变化过程。基于热重分析法，可对物质进行定性分析、组分分析、热参数测定和动力学参数测定等，常用于新材料研发和质量控制领域。在实际的材料分析中，热重分析法也常与其他分析方法联用，进行综合热分析，从而全面、准确地分析材料的各项热性质。

  热重分析仪主要由仪器主机(程序温度控制系统、炉体、支持器组件、气氛控制系统、样品温度测量系统、质量测量系统等)、仪器辅助设备(自动进样器、压力控制装置、光照、冷却装置等)、仪器控制和数据采集及处理模块组成。

  测量结果不确定度是判断检测方法和测量结果是否可靠的重要指标。通过不确定度的评估，有助于深入了解影响实验结果正确性的因素和对分析过程的合理控制。近年来，为了满足相关国际标准及国际组织的互认要求，认可认证实验室均需要对检测和校准项目进行不确定度评估。目前关于热分析测试结果的不确定度的评定和方法验证鲜有研究和论述，系统开展不确定度评定的方法和过程研究，识别不确定度的主要来源，并进行方法验证具有重要的实践价值。

  二、热分析仪实验设计与测试流程

  1. 仪器设备与样品准备

  实验使用的主要仪器为同步热分析仪，型号TGA-DSC 3+，温度可控范围室温至1100摄氏度，内置天平的称量范围小于1克，校准的扩展不确定度U=0.012毫克(k=2)。

  使用的主要试剂和耗材包括：一水草酸钙，纯度99%;氧化铝陶瓷坩埚，70微升;标准样品铟、锌和铝，纯度99.9%。

  2. 测试过程

  仪器准备阶段，电源开启后，在进行任何实验前，仪器需要平衡至少半个小时。使用空气在800摄氏度的条件下，对仪器炉膛进行清洁至少30分钟。按照操作手册中描述，使用标准样品铟、锌和铝验证温度的准确性。

  建立升温程序：从室温，以20摄氏度每分钟的速率到800摄氏度，氮气气氛。

  空坩埚的失重确认：将空的陶瓷坩埚放入样品支架，仪器自动记录坩埚的初始质量。然后，按照升温程序，记录升温过程中空坩埚的质量变化。重复测试6次，测试空坩埚的剩余量，记录为Mr，测试6次，计算平均值ΔMr和标准偏差Sr。

  样品的失重确认：使用干净的药勺，称取适量的一水草酸钙标准品，置于样品坩埚中。称量并记录样品的质量M0。按照升温程序(已扣除空白曲线)，记录加热曲线。记录2个失重台阶的质量损失，记录初始温度的样品质量为M1，以及微商曲线的波谷对应的样品质量M2。计算得到的失重百分比ΔMmid。测试3次，记录为ΔMmid-1、ΔMmid-2、ΔMmid-3。计算平均值ΔMmid和标准偏差Smid。

  曲线的数据处理：失重台阶的选取方法是从DTG曲线上相对水平的任意一点作为起点或者终点。

  3. 数学模型

  在进行热重分析时，被测试样品放入加热炉内的试样盘上，试样盘与微量天平用机械相连，随着加热炉温度的升高，试样的质量发生变化。热重曲线就是由热天平记录试样质量随温度和时间变化的曲线。将TG曲线对时间进行求导，得到的质量变化速率对时间的曲线，即DTG曲线。

  针对样品失重百分比数学模型如下：ΔM为样品分解每段的失重百分比;M0为样品初始质量;Mi为每段热分解后的样品剩余质量。

  三、热分析仪空坩埚与样品失重测试结果

  1. 空坩埚热重曲线分析

  将空的陶瓷坩埚放入样品支架，重量清零，仪器自动记录坩埚的初始质量。然后，按照升温程序，记录升温过程中空坩埚的质量变化。重复测试6次，记录结果如表所示。6次测试的空坩埚质量变化分别为0.6140毫克、0.6230毫克、0.4989毫克、0.6737毫克、0.6614毫克、0.6844毫克，平均值为0.6259毫克，通过计算得到空白试样的标准偏差Sr为0.0682毫克。

  2. 一水草酸钙失重结果

  称取25毫克左右的一水草酸钙标准品，置于样品坩埚中。按照升温程序进行热重分析测试，重复测试6次，得到TG曲线，处理后得到3段失重的百分比。

  第1段失重(低温区)的6次测试结果分别为13.2323%、13.6457%、13.6013%、13.0975%、13.7296%、13.2260%，平均值13.4221%，标准偏差0.2670%。

  第2段失重(中温区)的6次测试结果分别为18.8087%、19.2195%、19.1245%、19.2555%、18.8882%、19.0334%，平均值19.0550%，标准偏差0.1795%。

  第3段失重(高温区)的6次测试结果分别为30.3154%、29.9413%、30.0359%、30.4716%、30.2563%、30.5944%，平均值30.2692%，标准偏差0.2494%。

  四、热分析仪方法验证与性能评价

  1. 失重检测限与定量限

  参考标准ASTM E1970，经过6次空白试验，空白试样的标准偏差是0.068毫克，样品的平均质量是26.151毫克，换算成百分含量为0.26%。

  该方法的失重检测限等于3.3乘以空白试样的标准偏差Sr，即得到该方法的失重检测限是0.86%。计算过程如下：DL=3.3×0.068毫克÷26.515毫克=3.3×0.26%=0.86%。

  该方法的失重定量限等于10乘以空白试样的标准偏差Sr，即得到该方法的失重定量限是2.60%。计算过程如下：QL=10×0.068毫克÷26.515毫克=10×0.26%=2.60%。

  2. 失重重复性

  由实验数据可知，通过实验得到的3段失重的标准偏差分别为Smin=0.2670%、Smid=0.1795%和Smax=0.2494%。

  针对3组的标准偏差，计算失重的相对合成标准偏差等于0.23%，计算过程如下：r=√[(0.2670²+0.1795²+0.2494²)÷3]=0.23%。

  3. 线性评价

  由实验数据可知，得到一水草酸钙的3段失重的实际测试值，分别为13.42%、19.06%和30.27%。整理以上得到一水草酸钙的3段失重的理论值和实测值：第1段失重理论值12.32%、实测值13.42%;第2段失重理论值19.17%、实测值19.06%;第3段失重理论值30.14%、实测值30.27%。

  以一水草酸钙的失重的标称值为X轴，实际测试的失重百分比为Y轴，作图得到一次曲线。利用最小二乘法拟合，得到拟合曲线：Y=0.9527X+0.0135。得到斜率k和截距b的最佳值，k=0.9527，b=0.0135。

  根据最佳线性拟合计算偏差：ΔYmin=13.42%-(0.9527×12.32%+1.35%)=0.34%;ΔYmid=19.06%-(0.9527×19.17%+1.35%)=-0.55%;ΔYmax=30.14%-(0.9527×30.27%+1.35%)=-0.05%。

  比较3个数值可知，由最佳线性拟合得到的最大偏差的绝对值Largest S=0.55%。由最大偏差除以最大失重标准物质的标称值，即得到线性L的数值：L=0.55%÷30.14%=1.82%。

  4. 准确度验证

  将实际测试得到失重值和标称值进行对比，并计算了相对误差，第1、2和3段失重误差分别是8.9%、0.6%和0.4%，失重的误差均在10%以内。

  五、热分析仪不确定度评定与结果表达

  1. 不确定度来源分析

  从测量原理分析，测量不确定度的来源有以下几个方面：测试的重复性;内置天平称量的准确性;实验室环境;数值修约;数据处理。

  2. 各分量相对标准不确定度的评定

  测试重复性引入的不确定度分量：一水草酸钙的热分解有3段，可以分为第1段分解(低温区)，第2段分解(中温区)，第3段分解(高温区)。

  第1段分解：由测量的重复性引起的失重百分比平均值的标准不确定度为u1(yΔM)=S÷√6=0.109%。

  第2段分解：由测量的重复性引起的失重百分比不确定度为u2(yΔM)=S÷√6=0.073%。

  第3段分解：由测量的重复性引起的失重百分比不确定度为u3(yΔM)=S÷√6=0.102%。

  内置天平称量的准确性引入的不确定度分量：仪器的内置天平根据第三方校准报告，扩展不确定度U=0.012毫克(k=2)，除以量程为1克，换算成百分比，U=0.000012%(k=2)。一般仪表引起的误差服从均匀分布，则测试中引起的不确定度为ubla=0.000012%÷√3=0.0000069%≈0。

  实验室环境引入的不确定度分量：将同步热分析仪放置在满足要求的实验室，并按要求配置空调、除湿机等环境监控设备，以保证实验室始终处于可控的温湿度环境条件中。并且检测人员在检测过程中每天进行温湿度记录，确认其在控制条件范围内，避免环境条件发生偏离给检测结果造成的不良影响。在此忽略实验室环境条件引入对结果不确定度的影响，ue=0。

  数值修约引入的不确定度分量：对失重百分比测量结果进行了数值修约，修约间隔为0.01，则数值修约引起的不确定度为uxy-ΔM=0.01÷(2×√3)=0.0029%。

  曲线数据处理引入的不确定度分量：选取样品第1段分解，温度段的起点是程序升温的初始温度，而终点的选取标准是TG一阶导数DTG曲线相对水平的某个点作为温度段的终点。比较平坦的温度段，选左边、中间和右边3处画失重台阶，计算对应的失重百分比，来评估曲线的数据处理引入的不确定分量。

  靠后位置6次测试失重百分比分别为14.3554%、14.6971%、14.0864%、14.5893%、14.2834%、14.4413%，平均值14.4088%，标准偏差0.2382%。

  热分析仪行业现状分析指出，中间位置6次测试失重百分比分别为13.2323%、13.6457%、13.0975%、13.7296%、13.2260%、13.4221%，平均值13.5589%，标准偏差0.2670%。

  靠前位置6次测试失重百分比分别为12.6285%、13.6457%、12.1648%、12.8414%、12.2393%、12.8535%，平均值12.8955%，标准偏差0.6464%。

  根据公式计算得到不确定度如下：uposition=√[(0.2382²+0.2670²+0.6464²)÷3]=0.42%。

  3. 合成标准不确定度的评定

  对同步热分析的失重量的不确定度来源进行了分析，并针对每个来源进行了不确定度的评定，发现主要来源是曲线的数据处理。

  第1段失重的合成标准不确定度：U1(ΔM)=√(0.11²+0.0000069²+0+0.0029²+0.42²)=0.43%。

  第2段失重的合成标准不确定度：U2(ΔM)=√(0.07²+0.0000069²+0+0.0029²+0.42²)=0.43%。

  第3段失重的合成标准不确定度：U3(ΔM)=√(0.102²+0.0000069²+0+0.0029²+0.42²)=0.43%。

  4. 扩展不确定度的评定与结果表示

  取置信概率p=95%，k=2，则3段失重的扩展不确定度均是U=2×0.43%≈0.86%。

  综上，测量结果表示为：

  第1段分解：YΔM1=13.42%，UΔM1=0.86%，k=2。

  第2段分解：YΔM2=19.06%，UΔM2=0.86%，k=2。

  第3段分解：YΔM3=30.27%，UΔM3=0.86%，k=2。

  综上所述，详细分析了利用热重分析仪测试失重和分解温度的过程中不确定度的来源，探讨了天平的准确度、环境、修约和曲线的数据处理等因素对测量结果不确定度的影响。结果显示，曲线的数据处理是影响失重和分解温度的测试结果的准确度的关键参数。热分析仪对一水草酸钙中的3段失重分析的不确定度结果是0.86%(包含因子k=2)，不确定度的主要来源是曲线的数据处理。同时，从检出限、定量限、重复性、线性和准确度等多个角度对方法进行了验证，结果分别是检出限0.86%、定量限2.60%、重复性0.23%、线性1.82%，相对误差小于10%。验证了热分析仪方法的可靠性，并能指导检测工作者识别热分析测试中主要的误差来源。随着2026年材料科学研究的深入和工业质量控制标准的提升，热分析仪的不确定度评估与方法验证将成为实验室质量管理体系的核心组成部分，推动热分析技术向标准化、精准化、智能化方向持续演进，为新材料研发和产品质量控制提供更加可靠的技术支撑。