说明：本文华算科技通过玻璃化转变温度的定义、转变机制、与熔点的区别以及应用，系统性地介绍了什么是“玻璃化转变温度”，读者通过本文可知晓玻璃化转变温度生成的底层逻辑与该性质对于材料设计的意义。
一、玻璃化转变温度的定义
玻璃化转变温度（Tg）是包括无定形聚合物、非晶态无机物等在内的非晶态物质，在升温或降温过程中发生玻璃态与高弹态（或橡胶态）可逆转变的临界温度，作为重要热性能参数，它仅与物质的无定形部分相关。
结晶态物质若结晶度较低可能出现微弱Tg信号，结晶度极高时则无明显Tg或被结晶峰掩盖，这一转变本质是分子链段运动状态的改变，属于无潜热的松弛过程，会伴随比热容、模量等物理性能的突变，且Tg并非固定值，会受升温降温速率、分子结构等因素影响。
二、转变机制
玻璃化转变的本质是分子运动状态的改变，其机制可从能量与分子运动的关系、分子间作用力的约束、松弛过程的连续性三个维度深入介绍（T为材料温度）：
1. T≤Tg
首先，当温度低于Tg时，分子链段的热运动能量未达到克服分子间作用力的阈值。这里的分子间作用力包括范德华力、氢键等，它们对链段的运动形成“束缚”。此时，链段仅能进行局部化的微小振动，无法发生大范围的旋转、滑移或协同运动。
这种运动尺度的局限性导致物质呈现硬脆的玻璃态，力学性能上表现为高模量、低韧性，在外力作用下易发生脆性断裂。
DOI: 10.1021/ja411760t
2. T≥Tg
当温度升高至Tg以上，链段获得足够的热运动能量，能够克服分子间作用力的约束，进入协同运动状态。具体表现为链段可围绕分子主链的单键自由旋转，甚至发生不同链段间的相对滑移。
这种运动的“自由度提升”使物质从硬脆的玻璃态转变为具有高弹性的橡胶态。在外力作用下，链段可通过构象调整实现大形变，外力去除后又能通过链段的熵驱动恢复原状，从而表现出柔韧性和高弹性。
DOI: 10.1021/jacs.3c07110
3. 转变过程
玻璃化转变是一个连续的松弛过程。其核心原因是分子链段的运动具有“时间依赖性”，不同长度、不同刚性的链段，其运动的“松弛时间”存在差异。因此，玻璃化转变不是在某一固定温度下瞬间完成，而是在一个温度区间内逐步发生。
在该区间内，比热容、热膨胀系数、模量等物理性能会连续且显著地变化（如比热容突然增大、模量急剧下降），但整个过程无相变潜热，仅物理状态和力学性能发生“渐变式突变”。
DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2018.03.037
三、与熔点（Tm）的区别
Tg是无定形聚合物、非晶态固体等非晶态物质的链段运动状态发生的转变，其本质是分子链段从“冻结”的受限运动状态向可松弛运动状态的连续过渡，属于非相变的分子运动状态改变。
这类物质因缺乏长程有序的晶格结构，仅以无定形的分子聚集态存在。
在热效应上，Tg转变无潜热产生，仅表现为比热容的变化。分子运动所需的能量随温度变化体现为热容的改变。
状态变化上，是玻璃态与高弹态之间的相互转变，区别在于链段运动自由度：玻璃态下链段基本冻结，材料硬脆；高弹态下链段可松弛运动，材料呈弹性。
转变特征上，Tg是连续的松弛过程，温度范围较宽，这源于非晶物质中分子链段的运动具有多尺度松弛时间，不同链段在不同温度区间逐步松弛，故转变是在较宽温度范围内完成的。
熔点（Tm）则是结晶态聚合物、晶体物质等晶态物质的晶格发生破坏的相变过程，其本质是晶态物质长程有序的晶格结构向无序液态结构的突变。
这类物质具有规整的晶格排列，分子/原子在空间呈周期性有序分布。
热效应上，Tm转变伴随明显的相变潜热，表现为显著的吸热峰或放热峰——晶格破坏/形成需大量能量吸收/释放。
状态变化上，是晶态与液态之间的相互转变，二者结构与物理状态差异显著。转变特征上，Tm是突变过程，温度范围较窄，这是因为晶体晶格破坏具有协同性，大量分子/原子在近似一致的热力学条件下同时发生结构转变，故相变集中在窄温度区间完成。
DOI: 10.1038/s41567-022-01920-5
四、测试方法
差示扫描量热法（DSC）：在程序控温条件下，精确记录样品与参比物的热量差，不仅能捕捉 Tg 对应的比热容突变峰，还可用于分析相变焓、热稳定性等热行为。并且，差示扫描量热法的仪器具有良好的精度与重复性，是热分析领域的核心手段之一。
DOI: 10.7567/apex.10.105601
动态力学分析（DMA）：对样品施加动态机械载荷，通过检测储能模量、损耗模量等力学参数随温度的变化，除了在Tg处出现损耗峰，还能通过模量的量级变化区分玻璃态、高弹态等力学状态，可深入研究材料的粘弹性、交联程度及分子运动的多尺度特征。
DOI: 10.1021/acs.macromol.4c02647
热机械分析（TMA）：通过监测样品在恒定或可变力作用下的尺寸变化，除了确定Tg处的热膨胀系数拐点，还可用于测定材料的软化温度、相变过程中的尺寸突变等，对研究材料的体积效应与热行为的关联具有独特优势。
DOI: 10.1002/app.54526
五、主要应用
聚合物材料选型
Tg是判定聚合物材料使用温度范围的核心依据，它决定了材料在服役环境中的力学状态与性能表现。若需材料在使用温度下保持刚性、强度及尺寸稳定性，应选择Tg高于使用环境温度的材料，这类材料在该温度下处于玻璃态；若需材料具备弹性、柔韧性，需选择Tg低于使用环境温度的材料，这类材料在该温度下处于高弹态。
通过匹配Tg与实际使用场景的温度需求，可避免材料因温度超出Tg范围而出现刚性材料软化、弹性材料脆硬等性能失效问题，从而保障材料在应用中持续保持预期性能。
DOI: 10.1002/pi.6091
加工工艺设计
在聚合物加工环节，Tg是确定加工温度窗口的关键参考。对于注塑、挤出等塑形工艺，加工温度需高于Tg，此时材料从玻璃态转变为高弹态或黏流态，分子链段运动能力提升，材料可塑性增强，便于成型复杂结构；若加工温度低于Tg，材料硬度大、塑性差，不仅难以成型，还易产生裂纹、变形等缺陷。
而对于硫化等涉及化学反应的工艺，需将温度控制在Tg以上，以保证分子链段有充足运动性，使交联反应在材料内部均匀发生，进而获得性能均一的制品。合理把控加工温度与Tg的关系，是提升加工效率、保障产品质量与性能一致性的核心前提。
DOI: 10.1021/acs.macromol.2c00646
产品性能调控
Tg可通过共混、增塑、交联、引入刚性基团等改性手段进行针对性调整，从而实现产品性能的多元化调控。
例如，添加增塑剂可削弱分子间作用力，降低链段运动阻碍，使Tg降低，材料从硬脆向柔韧转变；引入交联结构或刚性基团则会增强分子约束，提高Tg，材料耐热性与刚性提升。
通过这类调控，材料的硬度、柔韧性、耐热性等性能可按需改变，进而拓展应用领域，满足不同产品对力学性能、使用温度区间的特定需求，实现从单一性能向多功能化的延伸。
DOI: 10.1021/acs.macromol.3c00924
材料稳定性评估
材料在长期服役或老化过程中，分子结构会发生交联、降解等变化，这些变化会直接体现为Tg的改变（如交联使Tg升高，降解使Tg降低）。
通过持续测试Tg变化，可定量分析聚合物的老化程度与性能衰减规律，进而预测材料的剩余使用寿命，为材料的维护、更换时机提供科学依据。
同时，还可借助Tg变化评估热、氧、光等环境因素对材料稳定性的影响，为材料的抗老化改性策略制定、服役环境优化提供数据支撑，保障材料在长期使用中的可靠性。
DOI: 10.1126/sciadv.adp0729
简而言之，玻璃化转变温度是描述非晶态材料从硬脆的玻璃态向柔软高弹态转变的关键参数。常用的测定方法包括差示扫描量热法、动态力学分析以及热机械分析等。通过调控材料Tg的大小，我们可以实现材料的诸多性能设计。
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