.,材料現(xiàn)代研究方法,材料學(xué)院楊光主要參考書：高家武主編，高分子材料近代測(cè)試技術(shù)，北京航空航天大學(xué)出版社，1994.王富恥主編，材料現(xiàn)代分析測(cè)試方法，北京理工大學(xué)出版社，2006.,.,17.靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析,測(cè)量物質(zhì)在靜態(tài)或動(dòng)態(tài)負(fù)荷作用下，力學(xué)量隨溫度的變化按測(cè)定時(shí)的負(fù)荷分類：近于零負(fù)荷：熱膨脹法（TDA）靜態(tài)負(fù)荷：熱機(jī)械分析（TMA）振動(dòng)負(fù)荷：動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析（DMTA）和扭辮分析（TBA）,靜態(tài)力學(xué)熱分析,.,17.1靜態(tài)力學(xué)熱分析,17.1.1熱膨脹法（TDA）在程序控溫下，測(cè)量物質(zhì)在可忽略負(fù)荷時(shí)的尺寸與溫度關(guān)系的技術(shù)。在僅有自身重力條件下體積或長(zhǎng)度變化各種類型相變（固1固2）線脹系數(shù)、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、軟化溫度、熱變形溫度1502500,膨脹或收縮,.,17.1.1熱膨脹法,1.線膨脹系數(shù)定義：溫度升高一度（）時(shí)，沿試樣某一方向上的相對(duì)伸長(zhǎng)（或收縮）量，測(cè)定方法無(wú)相變時(shí)：T1L1，T2L2；L0L1T1T2的選擇：3030（美）；室溫80（日）040（中）有相變時(shí)：連續(xù)升溫；確定不同溫區(qū)的線膨脹系數(shù),.,17.1.1熱膨脹法,TDA原理示意圖測(cè)量試樣分子對(duì)熱能引起的變化的響應(yīng)；晶體結(jié)構(gòu)、晶格振動(dòng)及物理和化學(xué)狀態(tài)的改變熱膨脹曲線PS:真空，5/min,T/,L/m,Tg=100,.,17.1.1熱膨脹法,2.體膨脹系數(shù)定義：溫度升高一度（）時(shí)，試樣體積膨脹（或收縮）的相對(duì)量，式中：體膨脹系數(shù)；V0起始溫度下的原始體積；V試樣在溫差T下的體積變化量T試驗(yàn)溫度差,.,17.1.2熱機(jī)械分析（TMA）,1.定義：在程序控溫下，測(cè)量物質(zhì)在非振動(dòng)負(fù)荷下的形變與溫度關(guān)系的技術(shù)。負(fù)荷方式：拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)和針入等2.測(cè)試原理與線膨脹測(cè)量相似，差別在于TMA必須施加或多或少的靜態(tài)外力；TMA的響應(yīng)是膨脹行為和粘彈效應(yīng)的加和,.,17.1.2熱機(jī)械分析（TMA）,形變溫度曲線測(cè)定法（拉伸或收縮熱形變?cè)囼?yàn)、切變模量軟化溫度試驗(yàn)和針入度試驗(yàn)）、定溫下的形變（或應(yīng)力）時(shí)間曲線測(cè)定法（應(yīng)力松弛和蠕變?cè)囼?yàn)）3.熱機(jī)械曲線非晶態(tài)無(wú)定形線型聚合物的形變溫度曲線,T/,Tg,Tf,.,17.2動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析,17.2.1定義（ICTAC)動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析（DMTA)：在程序控溫下，測(cè)量物質(zhì)在振動(dòng)負(fù)荷下的動(dòng)態(tài)模量和（或）力學(xué)損耗與溫度關(guān)系的技術(shù)。扭辮分析（TBA）：將試樣涂覆于一根絲辮上，在程序控溫下，在一種特殊條件下進(jìn)行測(cè)量的動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析。17.2.2特點(diǎn)：所需試樣量少而獲得的信息豐富；材料結(jié)構(gòu)分子運(yùn)動(dòng)加工與應(yīng)用動(dòng)態(tài)測(cè)量結(jié)果,.,17.2動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析,17.2.3測(cè)試原理材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為是指材料在交變應(yīng)力（或應(yīng)變）作用下的應(yīng)變（或應(yīng)力）響應(yīng)。以動(dòng)態(tài)剪切為例：對(duì)于粘彈性材料其中：模量是復(fù)數(shù)，,儲(chǔ)能模量,損耗模量,損耗因子,.,17.2動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析,動(dòng)態(tài)力學(xué)曲線提供了材料的力學(xué)狀態(tài)、力學(xué)性能和多重轉(zhuǎn)變與溫度關(guān)系等信息。17.2.4動(dòng)態(tài)力學(xué)試驗(yàn)方法按形變模式：拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、剪切和彎曲等；按振動(dòng)模式：自由衰減振動(dòng)、強(qiáng)迫共振、強(qiáng)迫非共振和聲波傳播等,.,自由衰減振動(dòng)法：,在扭轉(zhuǎn)力作用下自由振動(dòng)時(shí)振動(dòng)周期、相鄰兩振幅間的對(duì)數(shù)減量及它們與溫度的關(guān)系。扭擺法：適合于能支撐自身重力的試樣；（185250）對(duì)數(shù)減量：G由曲線求得，與1/P2成正比；,.,扭擺式DMA示意圖及自由衰減振動(dòng)的振幅時(shí)間曲線1.上夾具（固定）2.試樣3.擺錘4.下夾具5.關(guān)心擺桿,.,不同交聯(lián)度的酚醛樹脂的扭擺曲線圖中數(shù)字表示固化劑六亞甲基四胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；1dyn=10-5N,.,自由衰減振動(dòng)法：,扭辮法：基本步驟與扭擺法相同；試樣截面不規(guī)則通常以1/P2表征試樣的剛度，以表征試樣的阻尼；扭辮法的優(yōu)點(diǎn)：試樣制備簡(jiǎn)單；適用的模量范圍更寬；溫度范圍：180600自由振動(dòng)的典型頻率范圍：101101Hz,.,強(qiáng)迫共振法,指強(qiáng)迫試樣在一定頻率范圍內(nèi)的恒幅力作用下發(fā)生振動(dòng)，測(cè)定共振曲線，從共振曲線上的共振頻率與共振峰寬度得到儲(chǔ)能模量與損耗因子的方法。共振峰寬度：共振曲線上處所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)頻率之差；儲(chǔ)能模量正比于；損耗因子正比于振簧法溫度范圍：150300；,共振曲線,.,強(qiáng)迫共振法中常用的形變模式和試樣夾持方式,.,強(qiáng)迫非共振法,指強(qiáng)迫試樣以設(shè)定頻率振動(dòng)，測(cè)定試樣在振動(dòng)中的應(yīng)力與應(yīng)變幅值以及應(yīng)力與應(yīng)變之間的相位差，按定義直接計(jì)算儲(chǔ)能模量、損耗因子等參數(shù)。DMTA型：0.001318Hz；150600試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑簯?yīng)變控制下單點(diǎn)測(cè)定（溫度、頻率、應(yīng)變）應(yīng)變掃描試樣載荷或應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系溫度掃描試樣的特征溫度頻率掃描（最常用的頻率范圍0.01100Hz）頻率溫度掃描（時(shí)溫疊加TTS軟件）時(shí)間掃描材料的反應(yīng)動(dòng)力學(xué),.,均相非晶態(tài)線形高聚物典型的DMTA溫度譜,.,強(qiáng)迫非共振法,其他試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑簯?yīng)力控制下多頻溫度掃描（一次試驗(yàn)得到多個(gè)頻率下的DMTA譜）蠕變/熱機(jī)械分析應(yīng)力松弛（應(yīng)變控制下的靜態(tài)模式）形變模式：?jiǎn)?雙懸臂梁三點(diǎn)彎曲拉伸壓縮（軟材料）剪切,.,DMTA的六種動(dòng)態(tài)形變模式示意圖,.,17.2.5應(yīng)用,提供參數(shù)：動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能模量、損耗模量或損耗角正切DMTA溫度譜特征溫度DMTA頻率譜特征頻率特征松弛時(shí)間活化能DMTA時(shí)間譜反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)利用時(shí)溫疊加原理，有限頻段不同溫度下的DMTA頻率譜頻率跨越十幾個(gè)數(shù)量級(jí)的主曲線力學(xué)內(nèi)耗參數(shù)阻尼特性，復(fù)合材料的界面粘接性,.,17.2.5應(yīng)用,材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的測(cè)定靈敏度比DSC高23個(gè)數(shù)量級(jí)（但DSC在測(cè)熔點(diǎn)方面的靈敏度高于DMTA）能檢測(cè)材料的微小轉(zhuǎn)變?nèi)N定義Tg的方法與測(cè)試頻率和升溫速率有關(guān)，略高于靜態(tài)法Tg,.,17.2.5應(yīng)用,評(píng)價(jià)材料的短期耐熱性和耐寒性耐熱性評(píng)價(jià)：工程上：熱變形溫度、維卡軟化點(diǎn)、馬丁耐熱溫度等共性：等速升溫中測(cè)量規(guī)定尺寸的試樣在規(guī)定應(yīng)力下形變量達(dá)到規(guī)定值時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度DMTA溫度譜：特征溫度（Tg或Tm），或模量不低于設(shè)計(jì)要求所對(duì)應(yīng)的溫度；耐寒性評(píng)價(jià)：工程上：脆化溫度Tb（塑料）；Tg（橡膠）測(cè)定材料低溫?fù)p耗峰的位置和強(qiáng)度,.,17.2.5應(yīng)用,表征材料的阻尼特性材料在使用溫度與頻率范圍內(nèi)具有較高的力學(xué)內(nèi)耗理想的阻尼材料設(shè)計(jì)思想減振結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)剛度）儲(chǔ)能模量和力學(xué)損耗頻率譜,.,一種高溫阻尼橡膠（a）和一種高溫阻尼合金（b）的DMTA溫度譜,.,根據(jù)材料的阻尼特性，還可有效地估計(jì)高分子材料的脆性和韌性。,聚甲基丙烯酸甲酯（SHINKO-LACMDP）的DMTA溫度譜,.,17.2.5應(yīng)用,評(píng)價(jià)材料的耐環(huán)境能力評(píng)價(jià)內(nèi)容：材料老化前后性能變化分析造成性能變化的結(jié)構(gòu)變化本質(zhì)DMTA溫度譜如：玻璃化轉(zhuǎn)變峰向高溫移動(dòng)產(chǎn)生新峰,.,17.2.5應(yīng)用,預(yù)浸料或樹脂的固化工藝研究和質(zhì)量控制整個(gè)固化歷程，凝固相不影響靈敏度軟化溫度Ts；凝膠溫度Tgel；硬化溫度Th；預(yù)固化溫度固化溫度后處理溫度,E,.,17.2.5應(yīng)用,金屬玻璃材料的研究玻璃化轉(zhuǎn)變