动态力学分析DMA

第14章动态力学分析DMA基本概念实验技术应用1.基本概念•研究材料在交变应力下的响应。•周期性的外力引起试样周期性的形变，其中一部分以位能的形式贮存在试样中，没有损耗。另一部分所做功，在形变时以热的形式消耗掉。•Δ＝tanδ=E”/E’•E’----贮能模量，表示材料弹性大小；•E”----耗能模量，表示材料黏性大小。1.基本概念•应力(σ)与应变(ε)关系曲线的斜率为材料的模量。对拉伸或弯曲试验，为杨氏模量(σ)；对剪切试验，为剪切模量(G)。1.基本概念恒定频率不同温度材料的响应α峰即玻璃化转变峰，材料性能变化较大（E”、tanδ），反映分子链段开始运动，主要是无定形区的运动所引起的。1.基本概念以下依次为β转变、y转变、δ转变等。较重要的次级转变是β转变，常对应于侧链(侧基)、端基、键角以及链段的曲柄运动。这部分转变对模量的影响较小，但y转变、δ转变对材料在低温下的韧性影响较大。β转变不像玻璃化转变那样有频率依赖性。因为这些链段的运动不像主链那样受频率的影响。恒定温度不同频率材料的响应一定温度下，分子链段都有自己的最可几频率ω。对应最可几松弛时间τ。，当外力的作用ω》ω。，对于链段来说来不及做出相应的运动，这时链段表现出来较强的刚性即玻璃态。当ω《ω。链段能够发生重排，材料表现为高弹性，E“较小ω=ω。时链段从不自由变为自由，此时链段摩擦力较大、E“较大、tanδ达到最大，对应着材料的玻璃化转变温度。频率对温度谱的影响•采用不同频率去测材料的温度谱，tanδ是不一样的。α转变对应着ω=ω。，当频率增大时，发生玻璃化转变时，材料的ω。应相应的增大，而只有温度增大时，ω。增大。当频率增大10倍时，相应的转变温度在温度谱上上移7-10℃，如果频率变化三个数量级，温度谱上位移21-30℃。时温等效性原则•粘弹性材料的流变行为存在时温等效原则，即材料在低温下的行为相当于高频(相当于短时间)下的行为；而材料在高温下的行为像低频(相当于长时间)下的行为。时温等效性原理玻璃化转变温度（内因）ω。链段的运动形态W外力的作用频率２.测量仪器•2.1测量方式/模式•主要有拉伸、剪切、压缩、双悬臂和三点弯曲5种模式。2.1测量方式/模式2.2测量仪器分类•测定动态力学性能的仪器有三类：•(1)自由衰减振动，如扭摆法、扭辫法；•(2)受迫振动的共振类型，如振簧法；•(3)受迫振动的非共振类型，如粘弹性仪。•目前大多数动态力学分析仪都可以用来测定试样的动态力学性能温度谱、频率谱和时间谱，因此仪器的织成部分中一般都包括温控炉、温度控制与记录仪。2.2.1自由哀减振动法•自由衰减振动法是下述一种试验方法：将初始扭转力作用于体系，随即除去外力使该体系自由地发生形变或形变速率x(t)随时•间逐渐衰减的振动，并根据振动频率与振幅衰减速率计算体系的刚度与阻尼。式中，X（t）是随时间变化的振幅包络线外推到零时刻的形变值，fd是阻尼系统的频率；β是衰减常数。2.2.1自由哀减振动法2.2.2.1扭摆法2.2.2.1扭摆法•曲线上振动周期p的例数为频率•曲线上同一方向上相邻振幅之比的对数称为对数减量•把fd及A代入公式2.2.2.1扭摆法I为为体系的转动惯量fd为频率A对振幅的数减量Fc为尺寸校正因子b为试样的宽h为试样的厚2.2.2.2扭辫仪•在扭辫仪中，试样是一根由聚合物与惰性纤维辫子组成的复合材料试样。•先将待测聚合物制成溶液或熔化成熔体，然后浸渍在一根由增强纤维(一般用玻璃纤维，也可以用其它在试验温度范围内情性的纤维)编成的辫子上，在真空条件下除去溶剂或冷却凝固得到所需的复合材料试样。•扭辫试验的基本步骤与上述扭摆试验相同，但由于试样截面不规则，不可能精确计算试样的储能模量与损耗模量，更不可能精确计算其中聚合物基体的储能模量及损耗模量。通常只以1／P2表征试样的相对刚度，以A表征试样的阻尼。这种方法主要用来研究在程序升温中试样动态力学性能的相对变化趋势并确定其特征温度。与扭摆法相比的优点•试样制备简单，因为不一定要制成规则形状。•试样用量少（100mg以下）。•与大多数固体动态力学分析仪相比，扭辫仪适用的模量范围更广，因为试样中有增强纤维支承，即使聚合物基体处于无法承受自重的液态，复合材料试样仍保持相当的刚度。（所以用扔辫仪可以分析从低分子量树脂、橡胶、塑料直至复合材料的各种材料。）2.2.2强迫共振法•任何体系在力振幅恒定的周期性交变力作用下，当激振频率与体系的固有频率相等时，体系的形变振幅达到极大值，即发生共振。振动体系的形变振幅DA或形变速率振幅RA在包括共振频率在内的频率范围内随频率f的变化曲线叫做共振曲线。•强迫共振法是指强迫试样在一定频率范围内的桓幅力作用下发生振动，测定共振曲线，从共振曲线上的共振频率与共振峰宽度得到储能模量与损耗因子的方法。•试验频率范围可以包括一个以上的共振阶数。共振曲线共振曲线•上图给出了以DA-f关系表示的共振曲线，表示该体系有多个共振峰，频率最低的第一个共振峰称为1阶共振，也叫做基频共振，更高频率下的共振依次称为2，3，4……阶共振。共振频率用fri表示。•共振曲线上处所对应的两个频率之差称为共振峰宽度。振动体系的储能模量正比于fn2，损耗因子正比于2.2.3.1振簧法B＆K核心部件示意图误差主要来源•①粘贴的金属片引起的附加刚度。为此，国际标推规定，如要求模量值的误差不超过4％，则金属片的质量不得超过被测试样质量的1％，金属片的长度不得超过试样长度的2％；•②夹持效应，试样在央头中的部分不可能与振动完全隔离，所以实际参与振动的试样长度大于自由长度，如果计算中忽略了这个附加长度，则模量计算值将会偏低。•③此外，激振器与枪振器信号之间的互相干扰也是误差来源之一，一般要使两者间距尽量大。•④一阶振动受夹头阻尼的影响最大，而高阶振动的振幅又随频率迅速衰减，所以最好用中阶振动进行试验。扳手的类型2.2.2.2悬线法（自由-自由）•悬线法共振仪的组成部分如下图所示：一根购端自由的试样被悬吊在两根柔软的细线上，细线位子试样共振的波节点上。音频讯号发生器产生的音频电讯号通过激扼振换能器转换为机械振动，由一根悬线传给试样，激发试样振动。试样的机械振动再通过另一根悬线传递给校振换能器，还原成电讯号，经放大后，在指示仪表上显示出来。调节讯号源的结出频率，可测定共振曲线。悬线法共振仪1悬线法共振仪22.2.2.3s形共振法（固定-固定）DMA982核心部件共振法的缺点•由于试样模量随温度而变，从而共振频率也随温度变化，因此不可能得到固定频率下的温度谱。另一方面，如果要用强迫共振法获得试样在同一温度但不同频率下的性能，则只能通过在宽阔的频率范围内测多阶共振曲线才能得到，但阶数越高，讯号越弱，且容易引起整个测试系统的共振。实践中发现，最多能测1~6阶的共振曲线。因此用共振法测频率谱比较困难。2.2.3强迫非共振法•强迫非共振法是指强迫试样以设定频率振动，测定试样在振动时的应力、应变幅值以及应力与应变之间的相位差。•强迫非共振仪的商品型号很多，可分为两大类：一类主要适合于测试固体，一类适合于测试流体，后者称为动态流变仪。2.2.4强迫非共振法•所有的先进强迫非共振仪都包含有多种形变模式，如拉伸、压缩、剪切、弯曲(包括三点弯曲、单悬臂梁与双悬臂梁弯曲)等，有些仪器中还有杆、棒的扭转模式。•在每一种形变模式下，不仅可以在固定频率下测定宽阔温度范围内的动态力学性能温度谱或在固定温度下测定宽频率范围内的频率谱，而且还允许多种变量组合在一起的复杂试验模式。3.实验技术•3.1制样要求•（1）要求样品的材质必须均匀、无气泡、无杂质、加工平整；•（2）样品的尺寸没有统一规定，但要求测量准确。3.2振动频率和位移的选择•（1）频率低频有利于检测大分子结构中，小运动单元的松弛特征。•（2）位移（振幅）硬试样：要求设定的振幅要小，否则会造成过载现象，超出仪器的最大外力负荷；软试样：振幅要大，否则测不准，误差大。3.3静态力动态力的控制•强迫共振法试样必须和激振器检测头贴紧，再加以动态力检测，原则上使静态力大于动态力。3.3扫描模式•温度扫描模式•材料的耐寒性、耐热性、低温韧性等•频率扫描模式•不同频率下材料的性能•次级转变•时间扫描模式•恒温、恒频下材料的性能随时间的变化固化老化等•动态应力扫描•动态应力应变曲线拉伸试验•蠕变回复扫描模式•恒应力扫描模式4.动态力学热分析的特点•直接表征材料刚度的储能模量E’•表征材料阻尼特性的损耗模量E”或损耗因子tanδ反映材料的力学属性•但在动态力学热分析中，正是利用上述两项参数随温度、频率随时间的变化而派生出一系列新的参数。•间接E’、E”、tanδ的变化和材料本身的结构相联系，反映材料内部结构特征。4.动态力学热分析的特点•有关阻尼的信息，非动态力学试验不可能得到。•关于材料的刚度和热行为，虽然可以分别用静态力学方法和其他热分析方法（如DSC）测定。•所需试样量少而获得就能获得有关刚度、阻尼、特征温度、特征频率、特征时间等许多信息。