1、動態(tài)力學(xué)分析DMA課件動態(tài)力學(xué)分析DMA課件第14章 動態(tài)力學(xué)分析DMA基本概念實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用第14章 動態(tài)力學(xué)分析DMA基本概念1.基本概念研究材料在交變應(yīng)力下的響應(yīng)。周期性的外力引起試樣周期性的形變，其中一部分以位能的形式貯存在試樣中，沒有損耗。另一部分所做功，在形變時以熱的形式消耗掉。 tan=E”/EE-貯能模量，表示材料彈性大?。籈”-耗能模量，表示材料黏性大小。1.基本概念研究材料在交變應(yīng)力下的響應(yīng)。1.基本概念應(yīng)力()與應(yīng)變()關(guān)系曲線的斜率為材料的模量。對拉伸或彎曲試驗(yàn)，為楊氏模量()；對剪切試驗(yàn)，為剪切模量 (G)。1.基本概念應(yīng)力()與應(yīng)變()關(guān)系曲線的斜率為材料的模量1.基

2、本概念 恒定頻率不同溫度材料的響應(yīng)峰即玻璃化轉(zhuǎn)變峰，材料性能變化較大（E”、tan ），反映分子鏈段開始運(yùn)動，主要是無定形區(qū)的運(yùn)動所引起的。1.基本概念 恒定頻率不同溫度材料的響應(yīng)峰即玻璃化轉(zhuǎn)變峰，1.基本概念以下依次為轉(zhuǎn)變、y轉(zhuǎn)變、轉(zhuǎn)變等。較重要的次級轉(zhuǎn)變是轉(zhuǎn)變，常對應(yīng)于側(cè)鏈(側(cè)基)、端基、鍵角以及鏈段的曲柄運(yùn)動。 這部分轉(zhuǎn)變對模量的影響較小，但y轉(zhuǎn)變、轉(zhuǎn)變對材料在低溫下的韌性影響較大。轉(zhuǎn)變不像玻璃化轉(zhuǎn)變那樣有頻率依賴性。因?yàn)檫@些鏈段的運(yùn)動不像主鏈那樣受頻率的影響。1.基本概念以下依次為轉(zhuǎn)變、y轉(zhuǎn)變、轉(zhuǎn)變等。較重要的次級恒定溫度不同頻率材料的響應(yīng)一定溫度下，分子鏈段都有自己的最可幾頻率 。對

3、應(yīng)最可幾松弛時間 。，當(dāng)外力的作用 。，對于鏈段來說來不及做出相應(yīng)的運(yùn)動，這時鏈段表現(xiàn)出來較強(qiáng)的剛性即玻璃態(tài)。當(dāng) 。鏈段能夠發(fā)生重排，材料表現(xiàn)為高彈性，E“較小 =。 時鏈段從不自由變?yōu)樽杂桑藭r鏈段摩擦力較大、 E“較大、 tan 達(dá)到最大，對應(yīng)著材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。恒定溫度不同頻率材料的響應(yīng)一定溫度下，分子鏈段都有自己的最可頻率對溫度譜的影響 采用不同頻率去測材料的溫度譜， tan 是不一樣的。 轉(zhuǎn)變對應(yīng)著=。 ，當(dāng)頻率增大時，發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變時，材料的。應(yīng)相應(yīng)的增大，而只有溫度增大時， 。增大。當(dāng)頻率增大10倍時，相應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度在溫度譜上上移7-10，如果頻率變化三個數(shù)量級，溫度譜上位移

4、21-30 。 頻率對溫度譜的影響 采用不同頻率去測材料的溫度譜， t時溫等效性原則 粘彈性材料的流變行為存在時溫等效原則，即材料在低溫下的行為相當(dāng)于高頻(相當(dāng)于短時間)下的行為；而材料在高溫下的行為像低頻(相當(dāng)于長時間)下的行為。時溫等效性原則 粘彈性材料的流變行為存在時溫等效原則，即材料時溫等效性原理時溫等效性原理玻璃化轉(zhuǎn)變 溫度（內(nèi)因） 。鏈段的運(yùn)動形態(tài)W 外力的作用頻率玻璃化轉(zhuǎn) 溫度（內(nèi)因） 。W .測量儀器2. 1測量方式/模式主要有拉伸、剪切、壓縮、雙懸臂和三點(diǎn)彎曲5種模式 。.測量儀器2. 1測量方式/模式主要有拉伸、剪切、壓縮、雙2.1測量方式/模式2.1測量方式/模式動態(tài)力學(xué)

5、分析DMA課件2.2 測量儀器分類測定動態(tài)力學(xué)性能的儀器有三類：(1)自由衰減振動，如扭擺法、扭辮法；(2)受迫振動的共振類型，如振簧法；(3)受迫振動的非共振類型，如粘彈性儀。2.2 測量儀器分類測定動態(tài)力學(xué)性能的儀器有三類：動態(tài)力學(xué)分析DMA課件 目前大多數(shù)動態(tài)力學(xué)分析儀都可以用來測定試樣的動態(tài)力學(xué)性能溫度譜、頻率譜和時間譜，因此儀器的織成部分中一般都包括溫控爐、溫度控制與記錄儀。 目前大多數(shù)動態(tài)力學(xué)分析儀都可以用來測定試樣的動態(tài)力學(xué)性能溫2.2.1自由哀減振動法 自由衰減振動法是下述一種試驗(yàn)方法：將初始扭轉(zhuǎn)力作用于體系，隨即除去外力使該體系自由地發(fā)生形變或形變速率x(t)隨時間逐漸衰減的

6、振動，并根據(jù)振動頻率與振幅衰減速率計(jì)算體系的剛度與阻尼。式中，X（t）是隨時間變化的振幅包絡(luò)線外推到零時刻的形變值，fd是阻尼系統(tǒng)的頻率；是衰減常數(shù)。2.2.1自由哀減振動法 自由衰減振動法是下述一種試驗(yàn)方法：2.2.1自由哀減振動法2.2.1自由哀減振動法2.2.2.1扭擺法2.2.2.1扭擺法2.2.2.1扭擺法曲線上振動周期p的例數(shù)為頻率曲線上同一方向上相鄰振幅之比的對數(shù)稱為對數(shù)減量 把fd及A代入公式2.2.2.1扭擺法曲線上振動周期p的例數(shù)為頻率2.2.2.1扭擺法I為為體系的轉(zhuǎn)動慣量fd為頻率A對振幅的數(shù)減量Fc為尺寸校正因子b為試樣的寬h為試樣的厚2.2.2.1扭擺法I為為體系的

7、轉(zhuǎn)動慣量2.2.2.2 扭辮儀 在扭辮儀中，試樣是一根由聚合物與惰性纖維辮子組成的復(fù)合材料試樣。先將待測聚合物制成溶液或熔化成熔體，然后浸漬在一根由增強(qiáng)纖維(一般用玻璃纖維，也可以用其它在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)情性的纖維)編成的辮子上，在真空條件下除去溶劑或冷卻凝固得到所需的復(fù)合材料試樣。2.2.2.2 扭辮儀 在扭辮儀中，試樣是一根由聚合物與惰性 扭辮試驗(yàn)的基本步驟與上述扭擺試驗(yàn)相同，但由于試樣截面不規(guī)則，不可能精確計(jì)算試樣的儲能模量與損耗模量，更不可能精確計(jì)算其中聚合物基體的儲能模量及損耗模量。通常只以1P2表征試樣的相對剛度，以A表征試樣的阻尼。這種方法主要用來研究在程序升溫中試樣動態(tài)力學(xué)性能的

8、相對變化趨勢并確定其特征溫度。 扭辮試驗(yàn)的基本步驟與上述扭擺試驗(yàn)相同，但由于試樣截面不規(guī)則與扭擺法相比的優(yōu)點(diǎn)試樣制備簡單，因?yàn)椴灰欢ㄒ瞥梢?guī)則形狀。試樣用量少（100mg以下）。與大多數(shù)固體動態(tài)力學(xué)分析儀相比，扭辮儀適用的模量范圍更廣，因?yàn)樵嚇又杏性鰪?qiáng)纖維支承，即使聚合物基體處于無法承受自重的液態(tài)，復(fù)合材料試樣仍保持相當(dāng)?shù)膭偠?。（所以用扔辮儀可以分析從低分子量樹脂、橡膠、塑料直至復(fù)合材料的各種材料。）與扭擺法相比的優(yōu)點(diǎn)試樣制備簡單，因?yàn)椴灰欢ㄒ瞥梢?guī)則形狀。2.2.2強(qiáng)迫共振法 任何體系在力振幅恒定的周期性交變力作用下，當(dāng)激振頻率與體系的固有頻率相等時，體系的形變振幅達(dá)到極大值，即發(fā)生共振。振

9、動體系的形變振幅DA或形變速率振幅RA在包括共振頻率在內(nèi)的頻率范圍內(nèi)隨頻率f的變化曲線叫做共振曲線。2.2.2強(qiáng)迫共振法 任何體系在力振幅恒定的周期性強(qiáng)迫共振法是指強(qiáng)迫試樣在一定頻率范圍內(nèi)的桓幅力作用下發(fā)生振動，測定共振曲線，從共振曲線上的共振頻率與共振峰寬度得到儲能模量與損耗因子的方法。試驗(yàn)頻率范圍可以包括一個以上的共振階數(shù)。強(qiáng)迫共振法是指強(qiáng)迫試樣在一定頻率范圍內(nèi)的桓幅力作用下發(fā)生振動共振曲線共振曲線共振曲線上圖給出了以DA-f關(guān)系表示的共振曲線，表示該體系有多個共振峰，頻率最低的第一個共振峰稱為1階共振，也叫做基頻共振，更高頻率下的共振依次稱為2，3，4階共振。共振頻率用fri表示。共振曲

10、線上圖給出了以DA-f關(guān)系表示的共振曲線，表示該體系有動態(tài)力學(xué)分析DMA課件共振曲線上 處所對應(yīng)的兩個頻率之差 稱為共振峰寬度。振動體系的儲能模量正比于fn2，損耗因子正比于共振曲線上 處所對應(yīng)的兩個頻率之2.2.3.1 振簧法 BK 核心部件示意圖2.2.3.1 振簧法 BK 核心部件示意圖誤差主要來源粘貼的金屬片引起的附加剛度。為此，國際標(biāo)推規(guī)定，如要求模量值的誤差不超過4，則金屬片的質(zhì)量不得超過被測試樣質(zhì)量的1，金屬片的長度不得超過試樣長度的2；夾持效應(yīng)，試樣在央頭中的部分不可能與振動完全隔離，所以實(shí)際參與振動的試樣長度大于自由長度，如果計(jì)算中忽略了這個附加長度，則模量計(jì)算值將會偏低。此

11、外，激振器與槍振器信號之間的互相干擾也是誤差來源之一，一般要使兩者間距盡量大。一階振動受夾頭阻尼的影響最大，而高階振動的振幅又隨頻率迅速衰減，所以最好用中階振動進(jìn)行試驗(yàn)。誤差主要來源扳手的類型扳手的類型2.2.2.2懸線法（自由-自由） 懸線法共振儀的組成部分如下圖所示：一根購端自由的試樣被懸吊在兩根柔軟的細(xì)線上，細(xì)線位子試樣共振的波節(jié)點(diǎn)上。音頻訊號發(fā)生器產(chǎn)生的音頻電訊號通過激扼振換能器轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動，由一根懸線傳給試樣，激發(fā)試樣振動。試樣的機(jī)械振動再通過另一根懸線傳遞給校振換能器，還原成電訊號，經(jīng)放大后，在指示儀表上顯示出來。調(diào)節(jié)訊號源的結(jié)出頻率，可測定共振曲線。2.2.2.2懸線法（自由-

12、自由） 懸線法共振儀的組成部分如懸線法共振儀1懸線法共振儀1懸線法共振儀2懸線法共振儀22.2.2.3 s形共振法（固定-固定）2.2.2.3 s形共振法（固定-固定）DMA982 核心部件DMA982 核心部件共振法的缺點(diǎn)由于試樣模量隨溫度而變，從而共振頻率也隨溫度變化，因此不可能得到固定頻率下的溫度譜。另一方面，如果要用強(qiáng)迫共振法獲得試樣在同一溫度但不同頻率下的性能，則只能通過在寬闊的頻率范圍內(nèi)測多階共振曲線才能得到，但階數(shù)越高，訊號越弱，且容易引起整個測試系統(tǒng)的共振。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，最多能測16階的共振曲線。因此用共振法測頻率譜比較困難。共振法的缺點(diǎn)由于試樣模量隨溫度而變，從而共振頻率也隨溫

13、度變化2.2.3 強(qiáng)迫非共振法 強(qiáng)迫非共振法是指強(qiáng)迫試樣以設(shè)定頻率振動，測定試樣在振動時的應(yīng)力、應(yīng)變幅值以及應(yīng)力與應(yīng)變之間的相位差。強(qiáng)迫非共振儀的商品型號很多，可分為兩大類： 一類主要適合于測試固體，一類適合于測試流體，后者稱為動態(tài)流變儀。2.2.3 強(qiáng)迫非共振法 強(qiáng)迫非共振法是指強(qiáng)迫試樣以設(shè)定頻率2.2.4強(qiáng)迫非共振法所有的先進(jìn)強(qiáng)迫非共振儀都包含有多種形變模式，如拉伸、壓縮、剪切、彎曲(包括三點(diǎn)彎曲、單懸臂梁與雙懸臂梁彎曲)等，有些儀器中還有桿、棒的扭轉(zhuǎn)模式。在每一種形變模式下，不僅可以在固定頻率下測定寬闊溫度范圍內(nèi)的動態(tài)力學(xué)性能溫度譜或在固定溫度下測定寬頻率范圍內(nèi)的頻率譜，而且還允許多種變

14、量組合在一起的復(fù)雜試驗(yàn)?zāi)Ｊ健?.2.4強(qiáng)迫非共振法所有的先進(jìn)強(qiáng)迫非共振儀都包含有多種形變3.實(shí)驗(yàn)技術(shù)3.1 制樣要求（1）要求樣品的材質(zhì)必須均勻、無氣泡、無雜質(zhì)、加工平整；（2）樣品的尺寸沒有統(tǒng)一規(guī)定，但要求測量準(zhǔn)確。3.實(shí)驗(yàn)技術(shù)3.1 制樣要求3.2 振動頻率和位移的選擇（1）頻率 低頻有利于檢測大分子結(jié)構(gòu)中，小運(yùn)動單元的松弛特征。（2）位移（振幅）硬試樣：要求設(shè)定的振幅要小，否則會造成過載現(xiàn)象，超出儀器的最大外力負(fù)荷；軟試樣：振幅要大，否則測不準(zhǔn)，誤差大。3.2 振動頻率和位移的選擇（1）頻率3.3 靜態(tài)力 動態(tài)力的控制強(qiáng)迫共振法 試樣必須和激振器檢測頭貼緊，再加以動態(tài)力檢測，原則上使靜態(tài)力大于動態(tài)力。3.3 靜態(tài)力 動態(tài)力的控制強(qiáng)迫共振法 試樣必須和激振器檢測3.3 掃描模式溫度掃描模式 材料的耐寒性、耐熱性、低溫韌性等頻率掃描模式不同頻率下材料的性能次級轉(zhuǎn)變時間掃描模式恒溫、恒頻下材料的性能隨時間的變化 固化 老化等動態(tài)應(yīng)力掃描動態(tài)應(yīng)力 應(yīng)變曲線 拉伸試驗(yàn)蠕變回復(fù)掃描模式恒應(yīng)力掃描模式3.3 掃描模式溫度掃描模式 4. 動態(tài)力學(xué)熱分析的特點(diǎn)直接 表征材料剛度的儲能模量E表征材料阻尼特性的損耗模量E”或損耗因子tan 反映材料的力學(xué)屬性但在動態(tài)力學(xué)熱分析中，正是利用上述兩項(xiàng)參數(shù)隨溫度、頻