YYVIP易游揭秘矢量热分析：从机理突破国产仪器技术壁垒——访北京科技大学李荣斌副教授

　　YYVIP易游·(中国有限公司)官方网站近期，仪器信息网对北京科技大学李荣斌副教授进行了专访，深入剖析了矢量热分析技术从萌芽到成熟的完整历程、其背后的推动因素以及未来的发展趋势与展望。

　　热分析应用于物质热物理变化和反应过程的检测已历经两百余年，期间包括联用技术的各类硬件不断更新、升级、换代，其主要目标在于更科学分析反应过程的动态特征。然而，面对实际复杂反应过程时，基于物质总包变化的热分析方法仍以各类单纯的、主观经验性数学手段为主，尚缺乏具有准确物理内涵的理论和方法体系。

　　北京科技大学李荣斌、中国科学院工程热物理研究所夏红德等人经过十余年的磨砺，提出基于摩尔计量的矢量化逻辑分析反应过程，构建了多参数高维检测表征信号与（复杂）反应本征信息之间的矢量化方程，形成了高度自洽的解析算法和完整的矢量热分析(vector Thermal Analysis)理论框架，既为复杂反应过程的检测分析提供了科学的研究范式，更从根本原理上支撑国产热分析仪器发展打破国外技术壁垒，并实现未来的技术引领。近期，研究成果以

　　那么什么是“矢量热分析技术”？它相较于传统热分析技术，在哪些维度上实现了创新与超越？展望未来，这项技术又将迎接哪些发展机遇？带着这些问题，仪器信息网荣幸地采访了北京科技大学李荣斌副教授，深入剖析该技术的研究精髓与未来展望，带您一窥科研成果背后的故事。中国科学院工程热物理研究所夏红德老师作为文章的共同作者一同接受了采访。

　　李荣斌，北京科技大学，副教授。2013年于西安交通大学获得博士学位，先后在中科院工程热物理研究所、清华大学从事科学研究工作。研究方向为涉及能源、冶金等领域内的反应过程热分析及动力学、非线性数据解析及智能算法、新技术开发应用等，并在Anal Chim Acta，Fuel，Fuel Process Technol，Ecotox Environ Safe等期刊上发表了相关研究成果‌。

　　采访之初，李荣斌老师简单回顾了他与“热分析技术”结缘的过程。李荣斌老师博士毕业于西安交通大学，曾先后在中科院工程热物理研究所和清华大学工作，研究主要聚焦于能源与冶金领域。“这两个行业的研究内容基本都是面向各种反应过程开展，广泛的涵盖了各类简单或复杂反应过程。实际上，我的研究集中在探索和开发前沿分析方法实现反应过程的辨识和机理分析，从而为行业领域的技术难题拆解和工艺优化革新提供指导和帮助。矢量热分析方法就是我们最新建立的一套反应热分析方法，它能够科学合理地辨识反应机理，拆解复杂反应过程中的子反应，以实现对整个反应过程的清晰认知，并进而解决子反应过程中的定量问题。”李老师如是说。

　　正是因为在工程热物理所工作的这段时间，他结识了夏红德老师。“夏老师总能为我们带来新的想法、思路和方向，且在这些方面的把控上极为精准到位。而我则更倾向于在战术层面或是具体的实施细节上深耕细作。在这个过程中，也时常会就某个问题展开激烈的争论、争吵，但更多的深入讨论与交流反而促使问题在一次次的探讨中得到解决，新的理论方法逐步建立、完善，最终得到成功应用。”

　　从硬件与数据分析两大维度，详细阐述了该领域所取得的进步。硬件方面，以差热分析为例，早期的热电偶仅用于单一的温度监测，而如今已能见到配备128个甚至256个热电偶堆的测量设备，测温精度得以大幅度提升。硬件自动化水平得到显著提升，如大部分热分析仪已具备自动进样功能，极大地提升了分析效率。未来智能化装备有望得到更广泛的应用。数据分析方面，总体来讲从单维总包信息逐步向多维全信息、矢量化解析方向发展，例如早期数据分析可能仅限于直观的曲线解读，通过观察失重曲线来简单判断物质性质。进一步，高斯分峰法得到发展和应用，能够辨别更加丰富的失重台阶信息，量热领域的TOPEM（随机多频调制量热）将热流细分为潜在热流与显热热流，促使更精确地研究相变过程中的相变点、相变热等关键参数。近年来联用技术得到广泛应用，这其实也是数据信息维度拓展的一个方面，同步热分析将数据信息拓展到质量、能量两个维度，TG/DSC-MS（也即热质联用）还将气相组分信息融入到质量、能量维度上，形成多维度信息，提供了更加全面的反应过程解析所需信息。李老师还畅想，在多维度、全信息数据的矢量化解析得到发展完善的基础上，AI智能算法的引入十分有望推动反应过程分析再上一个台阶。

　　精准。主要指测量精准度的提升，不论是获取检测信号，还是控制样品的状态，硬件层面的精准性均得到了显著提升，这是长达数百年的发展过程中最为突出的一点。特别是二战后，自动化手段的应用又进一步提升了热分析设备的精准度。

　　高维。热分析技术通过捕捉多种信号来感知化学反应，进而揭示物质的多方面信息。随着热分析及其联用技术的进步，能够以多维化的角度呈现反应信息，从而确保所得结果更加准确合理。

　　科学。通俗地说，反应过程分析就是着重于寻找获得物质基本属性、以及物质演化的规律，借助于测量手段获得上述数据，然后依靠过数学或科学方法将这些数据描述出来。而在这一过程中，关键是要把握所发现的规律是否具有普适性、正确性如何，以及它能否在未来很长一段时间内继续适用，这也正是科学不断前进的动力。

　　正如前所述，热分析技术正朝着高维方向不断发展。在解析物质随温度变化产生的复杂现象时，单一的热分析技术往往显得力不从心。因此，热分析联用技术如TG-DTA、TG-DSC、TG-MS等应运而生，这些技术实现了多维数据的获取，在区分复杂的反应过程行为方面展现出很大优势，其自身的应用领域也得到了极大的拓展。

　　还主要侧重于硬件上联用，尚未能真正实现数据链的全封闭、以及对数据封闭性的物理本质探讨。例如，在TG-MS技术中，TG检测的是物质质量的变化，而质谱得到的是离子流强度的信息，这两种信号之间缺乏直接的关联性，且难以转化为统一的物理量进行比对分析。

　　矢量热分析方法能够精确且实时地将离子流强度信号转化为各气体的绝对物理量参数，实现了质量、能量检测数据解析的封闭性问题。可以认为，这是热分析数据处理方面的一大进步，也是热分析领域在理论探索与技术发展上的重要突破。这一方法打破了“联用”技术的桎梏，为矢量热分析技术的发展奠定了理论基础。

　　“始于简单，归于复杂”。从能源行业中最为基础的问题出发：如何准确区分碳酸钙（CaCO3）和碳粉（C）混合物中各组分的质量。这一问题具有实际应用背景：锅炉燃烧后产生的飞灰中含有一定量的碳，含碳量这一指标对锅炉燃烧效率及性能评估至关重要。然而，传统测量手段易受其他成分干扰，导致数据误差极大。

　　面对这一问题，他们首先想到能否用热分析仪器将这一问题解决，经过不懈的探索与实践，不仅成功实现了碳含量的精准定量，将飞灰含碳量的测量精度相比传统灼烧减重法提高了1000倍，在总结归纳后逐步构建了一个科学且相对普适的矢量热分析方法体系。在体系建立完成后，进一步将其应用于更为复杂的反应过程中。

　　“化学计量关系和物质结构关系都有约束关系，利用这种约束关系解析化学反应，是建立矢量热化学反应的出发点。进而建立物质与检测信号的关系式并解析它。最后通过检测信号反映化学反应过程的本质。这就是矢量热分析技术建立的整个路径。”李老师做了进一步说明。

　　矢量热分析强调“矢量”这一核心概念，它不再局限于传统热分析领域，而是深入探索反应过程物质质量变化、能量变化、以及质能关联特性，注重复杂反应参数与多维检测信号之间的关系建立，基于最基本的质量、能量守恒、化学反应计量关系约束等原则，实现复杂反应过程的分析和物质变化的定量。可以讲，这一思维方式的转变、多维数据解析手段的应用，是使得矢量热分析技术能够更准确地揭示化学反应本质的关键所在。

　　当前热分析市场虽然仪器设备层出不穷，但同质化竞争和内卷现象严重，导致技术进步缓慢。矢量热分析技术的出现，为国产热分析厂商带来了突破性的机遇。首先可以利用矢量热分析技术对现有产品进行重新包装，通过硬件上的OEM合作，提升产品的市场竞争力。其次，可以为热分析厂商提供技术服务，做到远程的自动控制、数据分析等。最后，可以利用原创理论支持下的完全自主知识产权，注册相关商标，研发全新的热分析设备。随着行业研究的深入与市场的拓展，矢量热分析技术无疑将迎来更加广阔的应用前景与无限的发展潜力。

　　将矢量热分析技术与人工智能（AI）相融合。对此，李老师阐述了如下缘由：首要的是，矢量热分析与AI均要处理大规模数据集，从底层的数学逻辑层面审视，两者具有一致性；其次，它们的目标是一致的，都聚焦于识别与量化分析。“正因为两者有底层数学逻辑和解决方法上的一致性，加之化学反应固有的计量关系与物质结构变化这两个的强约束关系，将AI融入矢量热分析中，将极大提升分析的效率与精确度。”

　　矢量热分析技术是开展反应过程分析的一种全新的研究范式。研究人员构建了热分析表观检测信号与反应本征信息之间的多参数、高维度、矢量化的映射关系式，已初步形成了完整的基础理论体系，给出了高度自洽的解析算法和原理框架。这一技术能够为热分析仪发展，特别是国产仪器打破国外技术壁垒提供重要支撑。然而作为国内自主原创的技术方法，为了持续保持既有国际领先地位，目前仍需持续努力从理论、关键技术和应用等方面做好更多扎实的基础性工作。

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