第5章 3-动态热机械分析
动态热机械分析
动态热机械分析概述：动态热机械分析是一种用于研究热机械系统动态行为的方法。
这种方法结合了热力学、机械力学和控制理论等多个学科，旨在分析和优化热机械系统的运行性能和稳定性。
本文将介绍动态热机械分析的基本原理、应用领域，并探讨其在热机械系统设计和性能优化中的重要性。
一、动态热机械分析的基本原理动态热机械分析是建立在热力学和机械力学基础之上的研究方法。
其核心原理是通过建立系统的动态模型，利用动力学方程和控制理论来描述和分析热机械系统的运动和稳定性。
在分析过程中，考虑热传导、热辐射、热对流等传热机制，同时考虑机械运动中的力学载荷和惯性效应，以及控制系统对系统动态特性的影响。
二、动态热机械分析的应用领域1. 燃气轮机系统：燃气轮机是一种常见的动力装置，广泛应用于发电、航空等领域。
动态热机械分析能够帮助设计师深入理解燃气轮机的动态行为，优化控制系统以提高系统响应速度和稳定性。
2. 冷热源系统：冷热源系统广泛应用于工业生产和建筑空调等领域。
通过动态热机械分析，可以研究和优化冷热源系统的运行状态，改善能源利用效率，降低运行成本。
3. 微型热机械系统：微型热机械系统是一种新兴领域，其在微尺度范围内实现能量转换和传递。
动态热机械分析对于微型热机械系统的设计和性能优化至关重要，可以揭示系统的微观动力学特性，提高系统的能量转换效率。
三、动态热机械分析在热机械系统设计中的重要性动态热机械分析在热机械系统设计和性能优化中具有重要的作用，主要体现在以下几个方面：1. 提高系统响应速度：热机械系统的响应速度直接影响其瞬态性能和控制能力。
通过动态热机械分析，可以深入研究系统的动态特性，设计出合理的控制策略，从而提高系统的响应速度。
2. 优化系统稳定性：热机械系统的稳定性是保证系统正常运行的关键因素。
通过动态热机械分析，可以找到系统的稳态和非稳态解，分析系统的稳定性边界，并设计合适的控制器来保持系统的稳定运行。
3. 提高能源利用效率：热机械系统的能源利用效率直接影响系统的运行成本和环境影响。
静态热机械分析及动态热机械分析
必须指出，由于目前调节共振点需要一定的时间，所以不 能用快速程序升温条件，以免在测定过程中使频率变化赶不 上温度的变化。这种方法的精度取决于频率读数的精确性， 为此可以用数字式频率计读数，即能达到足够的精确度。但 是共振类型的仪器，由于模量随温度变化，所以共振频率也 要随之变化。这样就难以严格地在固定频率下测定温度与试 样动态力学性质的关系。当然也难以在一个温度下，测定频 率对试样动态力学性质的影响。但是作为动态热机械分析要 求来说，由于频率仅在一定范围内变化，对得到的谱图作出 分析时影响不太大，所以它还是DMA常用的方法。
主要内容
绪 论 第一节 热重分析（TG）
第二节 差热分析(DTA)
第三节 差热扫描量热分析(DSC)
第四节 静态热机械分析(TMA)
第五节 动态热机械分析(DMA)
第四节 静态热机械分析(Thermomechanical analysis,TMA) 一、TMA的基本原理和仪器
在 程 序温 度控 制 下 ， 对 一物质施加非振荡负载，测 量物质的尺寸变化 ( 形变 ) 、 应力与温度的函数关系的技
4.强迫非共振法——粘弹谱仪
这种方法是目前最好的动态热机械测定法。由于它是强迫 非共振型。温度和频率是两个独立可变的参数，因此它可得 到不同频率下的DMA曲线。同时也可以得到不同定温条件下 的频率与动态力学参数的谱图。这种装置如示意图30所示。
单悬臂梁
拉伸
剪切
样品一端由夹具固定，另一端 由驱动轴固定，由马达施加弯 曲应力
图3.3 样品PU0和PU1.5的损耗角正切对温度的关系.
PS/PB
PVAc/PMA
PVAc-b-PMA
3.4 3.5
用DTA、DSC、TMA均可做上述分析实验。
3-动态热机械分析解读
1 热机械分析 1-1 热膨胀法
体热膨胀法：温度升高1度，试样体积膨 胀（或收缩）的相对量：
γ= △V /（V0 △T）
γ —体膨胀系数（1/K） V0—初始体积 △T—试验温度差
1 热机械分析 1-1 热膨胀法
DIL 402 PC热膨胀仪 德国
1 热机械分析 1-1 热膨胀法
第5章 3-动态热机械分析
Dynamic Thermal Mechanical Analysis, DMA
1 热机械分析 热膨胀法
1、零负荷测定
2、静态负荷测定
静态热机械 动态热机械
3、动态负荷测定
1 热机械分析 1-1 热膨胀法
定义：在程序控温下，测量物质在可忽
略负荷时尺寸与温度关系的技术。
线热膨胀法 体热膨胀法
1 热机械分析 1-2 静态热机械分析
千分表
负荷 介质 压头
温度
样品
例6 塑料维卡软化点测定（针入度）
1 热机械分析 1-2 静态热机械分析
千分表
负荷 介质 压头
温度
样品
例6 塑料热变形温度测定（弯曲法）
1 热机械分析 1-2 静态热机械分析
△L
PC PVC
LDPE HDPE
T/℃
例6 温度-弯曲形变曲线（弯曲法）
2 动态热机械分析 2-3 基本原理
线性粘弹性行为：
σ = ε0 E’ sin(ωt) + ε0 E’’ cos (ωt)
E’ = ( σ0 / ε0 ) COS δ E’’ = ( σ0 / ε0 ) sin δ
2 动态热机械分析 2-3 基本原理
E‘
Tanδ
玻璃化转变 α 次级松弛转变 δ γ
动态热机械分析仪DMA原理及方法
DMA研究生
动态热机械分析仪DMA原理
11
及方法
高聚物熔体具有不同于小分子液体的许多特点 在外力作用下，高聚物熔体除了会发生不可回复塑 性形变外，还不可避免地同时产生弹性形变。 高聚物熔体从圆柱状口模孔中挤出时，形成的料条 直径可能比孔径大，如橡胶入孔时变细，出孔时因形 变回复而又变粗一样。 受搅拌棒搅拌时，熔体沿棒壁上爬；快速挤出时， 型材发生畸变等现象也是熔体中含有弹性的表现 这类现象统称为高聚物的粘性中带有弹性。 高聚物在力学性能上的最大特点是高弹性与粘弹性。
属固体。
玻璃态的普弹性：
固体材料如金属、陶瓷(包括玻璃)等，在力学性能上有 一个共性，那就是具有弹性。
在外力作用下立即发生形变，外力除去后，形变立即回 复，形变对外力的响应是瞬间的，如下图所示
DMA研究生
动态热机械分析仪DMA原理
7
及方法
这种弹性形变很小，例如，小于1% 形变较大时，金属材料可能发生不可回复的塑性变形， 陶瓷材料可能发生脆性断裂。 高聚物固体材料在小形变下也具有上述弹性。这种普遍 存在的弹性称为普弹性。
材料分析与检测 动态热机械分析仪(DMA)
DMA研究生
动态热机械分析仪DMA原理
1
及方法
动态热机械分析仪DMA原理 及方法
动态热机械分析仪(Dynamic Mechanical Analysis简 称DMA)主要是测定在一定条件下，材料的温度、 频率、应力和应变之间的关系，获得材料结构与 分子运动的信息。 实验室美国TA公司的DMA2980可以得到： 储能模量、储能柔量、损耗模量、损耗柔量、复 数模量、动态粘度、应力、应变、振幅、频率、 温度、时间和损耗因子等，可以研究应力松弛、 蠕变、玻璃化温度和次级松弛等
静态热机械分析及动态热机械分析
G*为切变模量时，
= E '+iE"
(3) 实数模量或储能模量(storage modulus)，反应 形变过程由于弹性形变而储存的能量，也叫弹 性模量（flexible modulus）. 与应变相差p/2的虚数模量，是能量的损耗部分, 为耗能模量.
因此在程序控温的条件下不断地测定高聚物 E’、E’’和tand值，
则 可 得 到 如 图 1 . 2 所 示 的 动 态 力 学 — 温 度 谱
（动态热机械曲线）。
图1.2 典型的高聚物动态力学-温度图谱
图1.3 典型非晶态高聚物的DMA温度谱.
二、动态热机械分析仪
动态热机械分析仪的种类很多。主要有： 1.扭摆法（TPA） 2.扭辫法（TBA） 3.强迫共振法DMA——振簧法 4.强迫非共振法——粘弹谱仪 强迫非共振法是目前最好的动态热机械测定法。由于它是强 迫非共振型，温度和频率是两个独立可变的参数，因此它可得 到不同频率下的DMA曲线。同时也可以得到不同定温条件下的
离以及分子链各层次的运动都十分敏感。所以它是研究高聚物
分子运动行为极为有用的方法。
如果施加在试样上的交变应力为 s ，则产生的应变为 e ，由 于高聚物粘弹性的关系其应变将滞后于应力，则 e 、 s 分别可 以下式表示。
s (t) = s0eiwt
(1)
e (t) = e0ei(wt -d)
(2)
一、高聚物的动态力学——温度行为
所谓动态力学是指物质在变负载或振动力的作用下所发生
的松弛行为。DMA就是研究在程序升温条件下测定动态模量
和阻尼随温度的变化一种技术。高聚物是一种粘弹性物质，因 此在交变力的作用下其弹性部分及粘性部分均有各自的反应， 而这种反应又随温度的变化而改变。高聚物的动态力学行为能 模拟实际使用情况，而且它对玻璃化转变，结晶、变联、相分
TMA、DMA
dε σ =ηγ =η dt
.
σ σ0
•
0 t1 t2 t
粘度η 剪切速率 γ
γ&
ε
1
ε2
η
形 变 与 时 间 有 关
σ
0
t1
t2
t
外 力 除 去 后 完 全 不 回 复
弹性与粘性比较
弹性 能量储存 形变回复 虎克固体 粘性 能量耗散 永久形变 牛顿流体
dε σ = ηγ& = η dt
高分子链结构对测定结果的影响
1.聚乙烯（PE） 2.聚苯乙烯（PS) 3.聚氯乙烯（PVC） 4.聚异丁烯（PIB） 5.聚酰胺（PA）
♥各类不同类型的聚合物，由于分子链结构的不同， 表现出的力学性能差异很大。 ♥2、3、4为无定型聚合物，其中PS链柔顺性差，Tg、 Tf很接近，即高弹态很窄，而PIB柔顺性较好，高 弹态平台很宽，PVC介于两者之间。1、5为结晶性 聚合物，由曲线看不到玻璃态向高弹态的转变，高 温温区一定范围内，形变量很小。
温度
20—1600
差示扫描量 热法 （DSC） ） 热重法 （TG） ） 静态热机械 法(TMA)
热量
-170—725
质量
20—1000
…样品尺寸发生的变 化 程序控温条件下，测 量材料的力学性能随 温度、时间、频率或 应力等改变而发生的 变化量
尺寸、体 积
-150—600
动态热机械 法(DMA)
力学性质
2.交联聚合物的温度-形变曲线
☻交联度较小时，存在Tg，但Tf随交联度增加而逐渐 消失。交联度较高时，Tg和Tf都不存在。
3.晶态聚合物的 温度-形变曲线
如图：2是一般分子量的晶态聚合物。 2'是分子量很大的晶态聚合物
动态热机械分析仪DMA原理及方法
XX,a click to unlimited possibilities
汇报人：XX
目录 /目录
01
点击此处添加 目录标题
02
DMA基本原理
03
DMA实验方法
04
DMA在材料研 究中的应用实 例
05
DMA技术的发 展趋势和未来 展望
01 添加章节标题
02 DMA基本原理
精度和误差：高精度和低误差，确 保测试结果的准确性和可靠性
03 DMA实验方法
DMA实验步骤
准备样品：选 择合适的样品， 并进行必要的 处理和固定。
安装样品：将 样品安装到
DMA仪器的夹 具中，确保夹 具稳定且不会 对样品产生过
大的应力。
设定实验参数： 根据实验需求， 设置测试温度、 测试频率、振
动态热机械分析仪定义
DMA是一种用 于测量材料在 动态载荷下的 热机械行为的
测试仪器
它通过施加正 弦振动负荷并 测量其响应来 评估材料的力
学性能
DMA常用于评 估材料的粘弹 性、弹性模量、
阻尼等性质
在高分子材料、 复合材料、橡 胶、塑料等领 域有广泛应用
DMA工作原理简述
DMA通过测量样品在振动过程中施加力的变化来表征材料的力学性质。 DMA使用一个固定端和一个可动端之间的相对振动来测试样品的动态特性。 当振动施加力时，样品的形变会发生变化，导致施加的力与时间的关系曲线发生变化。 通过分析力与时间的关系曲线，可以获得样品的力学性质，例如弹性模量、阻尼等。
更高温度和压力下的DMA测量技术 新型DMA测量原理和方法的探索 DMA与其他测量技术的结合 DMA技术在材料科学、能源、环境等领域的应用拓展
动态热机械分析仪DMA原理及方法
D
6
二、聚合物的玻璃态、高弹态及粘流态
1、玻璃态： ?物质处于晶态时肯定是固体，处于非晶态时可能是固体，
也可能是液体。
?许多非晶态塑料在室温下处于液态结构的固体；从分子
凝聚态来看，分子排列只有近程有序而无远程有序，应属
液态结构；而从力学状态看，具有一定的体积与形状，又
属固体。
玻璃态的普弹性：
?固体材料如金属、陶瓷(包括玻璃)等，在力学性能上有
D
9
橡胶弹性的热力学驱动力是体系自发趋向于熵最大的状态 ?对于碳-碳高分子链，从不受外力作用时的卷曲状态到外 力作用下完全伸直的状态，伸长比近似地正比于N1/2，N 是该高分子主链上包含的单键数。 ?对高分子而言，N是一个远远超过100的值，因此高弹形 变可高达百分之几百或更大。 ?这种高弹形变的机理与普弹形变的机理完全不同，普弹 形变主要是应力引起原子或离子间键长、键角的变化所致， 如下图(b)
D
8
2、高弹态： ?高聚物在一定的条件下具有一种其他材料不可能呈现的 状态-橡胶态，也称高弹态。 ?高弹态，其凝聚态，属液态；其力学状态，属固体。其 最明显的特点是能产生高达百分之几十到百分之一千的弹 性形变，称为高弹形变。 ?高聚物呈现高弹性原因是高分子链长而柔，在未受外力 作用时，呈无规线团状，而在外力作用下，线团沿外力方 向伸展；外力除去后，分子又自动回复到无规线团状态， 如下图(a)
一个共性，那就是具有弹性。
?在外力作用下立即发生形变，外力除去后，形变立即回
复，形变对外力的响应是瞬间的，如下图所示
D
7
?这种弹性形变很小，例如，小于1% ?形变较大时，金属材料可能发生不可回复的塑性变形， 陶瓷材料可能发生脆性断裂。 ?高聚物固体材料在小形变下也具有上述弹性。这种普遍 存在的弹性称为普弹性。
动态热机械分析仪DMA原理及方法
DMA研究生
实用文档
12
三、高聚物性能与时间的关系 进一步研究高聚物的力学性能，发现它们的性能与时间有关。 所谓与时间有关，是指同一种高聚物材料的力学性能，如刚 度、强度、韧性、阻尼等，都会随试验频率、升温速率、观 察时间等时间因素的变化而发生明显的变化。 有机玻璃在常温下快速拉伸时，是典型的脆性材料，而在慢 速拉伸时，能够屈服并在屈服后继续，产生很大的形变，这 种形变表面上似是塑性形变，实质上却是高弹形变。 橡胶材料，在低频应力作用下表现得柔软而富弹性，但在高 频作用下，会变得相当刚硬。 这类弹性随时间变化，统称为高聚物弹性中带有一定的粘性。
DMA研究生
实用文档
6
二、聚合物的玻璃态、高弹态及粘流态
1、玻璃态：
物质处于晶态时肯定是固体，处于非晶态时可能是固体，
也可能是液体。
许多非晶态塑料在室温下处于液态结构的固体；从分子
凝聚态来看，分子排列只有近程有序而无远程有序，应属
液态结构；而从力学状态看，具有一定的体积与形状，又
属固体。
玻璃态的普弹性：
DMA研究生
实用文档
8
2、高弹态： 高聚物在一定的条件下具有一种其他材料不可能呈现的 状态-橡胶态，也称高弹态。 高弹态，其凝聚态，属液态；其力学状态，属固体。其 最明显的特点是能产生高达百分之几十到百分之一千的弹 性形变，称为高弹形变。 高聚物呈现高弹性原因是高分子链长而柔，在未受外力 作用时，呈无规线团状，而在外力作用下，线团沿外力方 向伸展；外力除去后，分子又自动回复到无规线团状态， 如下图(a)
固体材料如金属、陶瓷(包括玻璃)等，在力学性能上有
一个共性，那就是具有弹性。
在外力作用下立即发生形变，外力除去后，形变立即回
动态热机械分析仪
动态热机械分析仪动态热机械分析仪（DMA）是一种用于测量材料热力学和机械性能的仪器。
它结合了热分析和力学分析的原理，可以对材料的热膨胀、玻璃态转变、塑性变形等性质进行研究分析。
本文将从仪器原理、应用领域以及未来发展进行详细介绍。
首先，动态热机械分析仪的原理是通过施加一定频率和振幅的力学载荷，在一定温度范围内对材料进行热力学和动态机械分析。
其主要包括四个组成部分：1.热环境：通过热流控制装置，可以控制样品与环境之间的温度差。
这样可以在一定温度范围内精确测量材料的热膨胀系数和玻璃态转变等热力学性质。
2.力学装置：通过加载系统对样品施加力学载荷。
可以控制载荷的频率、振幅和形状，以模拟材料在不同载荷条件下的力学响应。
3.测量装置：通过传感器和检测设备，可以测量材料的热力学和机械性能。
比如测量材料的热膨胀、表面形貌、动态模量等性质。
其测量原理可以通过电阻应变计、差示扫描量热计、动态机械分析等技术实现。
4.数据处理和分析软件：通过将测量得到的数据进行处理和分析，可以得到材料的力学响应和热力学性质的参数。
如杨氏模量、损耗因子、玻璃态转变温度等。
1.聚合物材料研究：由于聚合物在温度变化下会发生膨胀和收缩，动态热机械分析仪可以测量聚合物的热膨胀性能，从而了解其材料稳定性和使用寿命。
2.不锈钢和合金腐蚀分析：动态热机械分析仪可以通过测量材料的热膨胀性能和动态模量等参数，评估不锈钢和合金在高温和腐蚀环境下的稳定性。
3.复合材料研究：动态热机械分析仪可以用于评估各种复合材料的热膨胀性能和力学强度，优化材料配方和工艺，提高材料的性能和使用寿命。
4.高分子材料研究：动态热机械分析仪可以测量高分子材料的玻璃化温度和疲劳性能，为材料设计和应用提供依据。
最后，未来发展趋势方面，动态热机械分析仪将进一步发展：1.提高测量精度和分辨率，以应对新材料和新应用的需求。
2.开发多功能和多学科结合的测试仪器，将热分析、力学分析和光学分析等多个技术相结合，提供更全面的材料性能评估和分析。
动态热机械分析
动态热机械分析概述动态热机械分析是一种用于研究热机械系统在动态工况下的性能和行为的方法。
它结合热学和机械学的理论，通过建立数学模型，并应用数值计算方法进行仿真分析，以便了解系统在不同工况下的响应和特性。
动态热机械分析通常用于评估热机械系统的可靠性、效率和性能，在设计过程中起到重要的作用。
它可以帮助工程师优化系统的设计，提高系统的工作效率，降低能耗，并检测系统中可能存在的问题。
研究内容动态热机械分析的研究内容主要包括以下几个方面：1.传热特性分析：传热是热机械系统中的重要过程之一，动态热机械分析可以通过建立传热模型，分析系统中的热传导、对流和辐射等传热过程，从而评估系统的传热特性和热能损失。
2.动力学行为分析：动力学行为是指热机械系统在动态工况下的响应和特性。
动态热机械分析可以通过建立动力学模型，分析系统的动态特性，如响应时间、稳态和非稳态运行等，以及系统的振动、冲击和共振等现象。
3.效率和性能评估：动态热机械分析可以通过建立能量平衡模型，分析系统的能量转换效率和能耗特性，从而评估系统的性能和效率。
它可以帮助工程师找到优化系统的方法，提高系统的工作效率，降低能耗。
4.故障诊断与预测：动态热机械分析可以通过建立故障模型，分析系统中可能发生的故障，如设备损坏、泄漏和堵塞等，以及故障对系统性能和效率的影响。
它可以帮助工程师提前检测系统中的问题，并采取相应的维修和保养措施，避免故障引发的不可预测的风险。
方法与工具动态热机械分析通常采用数值计算方法和仿真工具进行模拟和分析。
常用的方法和工具包括：1.有限元分析：有限元分析是一种常用的数值计算方法，可以用于建立热机械系统的数学模型，并进行仿真分析。
它通过将系统分割成小的有限元单元，利用离散数学方法求解微分方程，得到系统在不同工况下的解。
2.计算流体力学：计算流体力学是一种用于研究流体力学和传热问题的数值计算方法，可以用于分析热机械系统中的流动和传热过程。
它通过建立流体的数学模型和边界条件，利用数值计算方法求解流体的运动和温度场，从而分析系统的传热特性。
TMA、DMA(推荐文档)
观察某种力学响应 或力学松弛现象
低温下长时间观察 高温下短时间观察
较高温度下短时间内的粘弹 性能等同于较低温度下长时 间内的粘弹性能
两种条件下对应 的是同一种分子 运动机理
升高温度与延长时间能够达到同一个结果。 —— 时温等效
☺借助于一个平移因子aT，就可以将某一温度和频率 下测定的力学数据转变为另一温度和频率下的力 学数据。可以将不可能测定的极长时间或极短时 间的力学数据分别通过高温或低温记谱测得。
☺计算公式是WLF方程
lg aT
C1(T TS ) C2 T TS
式中Ts——参考温度，当Ts取Tg值时，C1=17.44，C2=51.6
三.热机械分析（TMA）
♫基本定义
在程序控制温度下测量物质的力学性质随温度 或时间变化的关系。它是研究和物质物理形态 相联系的体积、形状、长度和其它性质与温度
转变温度、应力应变关系 测定等
动态热机械 法(DMA)
程序控温条件下，测 量材料的力学性能随 温度、时间、频率或 应力等改变而发生的 变化量
力学性质
-170—600
阻尼特性，固化、胶化、
玻璃化等转变分析，模量 、粘度测定等
1.2 热分析的主要优点
1. 可在宽广的温度范围内对样品进行研究； 2. 可使用各种温度程序(不同的升降温速率)； 3. 对样品的物理状态无特殊要求； 4. 所需样品量可以很少(0.1g - 10mg)； 5. 仪器灵敏度高(质量变化的精确度达10-5)； 6. 可与其他技术联用； 7. 可获取多种信息。
热量
-170—725
与DTA大致相同，但能定量 测定多种热力学和动力学 参数，如比热、反应热、 反应速度等
热重法 （TG）
动态热机械分析仪
动态热机械分析仪动态热机械分析仪简介动态热机械分析仪是一种用于研究材料的物理特性和性能的分析工具。
它采用了动态机械载荷和热量加热的方法，通过监测样品在不同温度和应力条件下的热力学响应，来研究材料的热膨胀、热导性、热变形和热分解等特性。
动态热机械分析仪广泛应用于塑料、高分子材料、陶瓷、金属、复合材料等领域的材料研究和生产过程中。
动态热机械分析仪的工作原理动态热机械分析仪通过施加动态载荷和热量加热来模拟材料在实际使用条件下的力学和热学环境。
它由一个电炉、一个机械载荷系统和一个检测系统构成。
在实验中，样品被夹在两个机械夹具之间，然后施加动态载荷和恒定温度。
在载荷作用下，样品会发生热膨胀和热变形，通过检测样品的力学和热学响应，可以获得材料的热力学性质。
动态热机械分析仪的应用动态热机械分析仪可以用于研究材料的热膨胀性能。
材料的热膨胀是指随着温度的升高或降低，材料的体积发生变化的现象。
热膨胀性能对于很多工程应用来说是非常重要的，比如在航空航天、电子器件和建筑结构等领域。
通过动态热机械分析仪，可以测量材料在不同温度下的热膨胀系数，并进一步研究其与温度之间的关系。
此外，动态热机械分析仪还可以用于研究材料的热导性能。
热导性是指材料传导热量的性能，它与材料的导热系数和温度梯度有关。
测量材料的热导性能对于研究材料的导热机制和改善热耗散效果非常重要。
通过动态热机械分析仪，可以测量材料在不同温度下的热导率，并进一步研究其与温度和材料结构之间的关系。
此外，动态热机械分析仪还可以用于研究材料的热变形性能。
材料的热变形是指在高温下受力作用下的变形行为。
研究材料的热变形性能对于设计和制造高温工作环境下的零部件和结构件非常重要。
通过动态热机械分析仪，可以测量材料在不同应力和温度条件下的热变形行为，并进一步研究其与材料的晶体结构和成分之间的关系。
此外，动态热机械分析仪还可以用于研究材料的热分解性能。
材料的热分解是指在高温下分解为不同组分的过程。
热分析-TG-DSC
PMMA、PTFE—几乎全部分解为单体，解聚； LDPE—分解为含5-7个碳原子的片段，无规裂解。
（2）研究高分子材料的共聚物和共混物
苯乙烯-α-甲基苯乙烯共聚物的热稳定性
共混物的TG曲线
共混物的TG曲线中，各组分的失重温度没有太大变化，各 组
分失重量是各组分纯物质的失重乘以百分含量叠加的结果。
• 阻燃剂在聚合物中有特殊效果，阻燃剂的种类和用 量选择适当，可大大改善聚合物材料的阻燃性能。
无机阻 燃剂
（4）研究聚合物固化
酚醛树脂等温固化的TG曲线
(5) 测定高分子材料的氧化诱导期
在恒定温度下，从通氧开始（TG曲线上有个小的换气波 动），直到TG曲线上发生增重之间的时间，称为热氧化诱导 期。根据诱导期的长短可以评定高分子材料的耐热氧化稳定 性。
1.2.1 热重法和微商热重法
（1）热重法：在程序控制温度下，测量物质的质量与 温度，或在恒温下测量物质的质量与时间关系的技 术。
W=f（T或t）
式中：W—物质质量；T—温度；t—时间
（2）微商热重法（DTG）：表示质量随时间的变化 率(dm/dt)与温度(或时间)的函数关系。
纵坐标—质量变化率dm/dt或dm/dT
•发泡剂的性能和用量直接影响泡沫材料的性能和制 造工艺条件。
在N2气流中以100℃/min的升温速率将低密度聚乙烯泡沫塑 料加热至180 ℃ ，使发泡剂开始分解，然后以5 ℃的升温速 率从180 ℃缓慢加热至210 ℃ ，以确保发泡剂在聚乙烯降解 前从样品中挥发。样品1和2中发泡剂的含量分别为5.5%和 14.25%。
试样摊成薄层，有利热传导、扩散和 挥发。
③ 挥发物冷凝的影响
影响的原因：试样分解、升华、逸出的挥 发性物质在仪器的温度较低位置处冷凝， 特别挥发物冷凝在称重的体系中（如悬 丝），这部分残留的冷凝物的质量的变化 将叠加到待测试样中。
动态热机械分析仪DMA原理及方法
05
DMA技术发展趋势与挑战
技术创新方向探讨
更高频率范围
开发能够在更高频率下工作的DMA技术， 以满足对材料高频响应特性的研究需求。
多功能集成
将DMA与其他分析技术（如热分析、光学分析等） 相结合，实现多功能一体化分析。
智能化与自动化
利用人工智能和机器学习技术，提高DMA 测试的自动化程度和数据分析的准确性。
DMA可测定聚合物在不同温度和频率下的储能模量和损耗模量， 揭示材料的粘弹性行为。
蠕变与松弛行为研究
DMA可用于研究聚合物的蠕变和松弛行为，为材料长期性能预测 提供依据。
金属材料疲劳寿命预测
疲劳裂纹扩展速率
测定
DMA可测定金属材料在不同温度 和加载频率下的疲劳裂纹扩展速 率，为疲劳寿命预测提供关键参 数。
100%
温度控制
通过PID算法等精确控制加热元 件的功率，实现样品温度的精确 控制。
80%
温度范围
根据测试需求，加热系统可提供 从室温到高温（如600℃）的宽 温度范围。
冷却系统
冷却方式
采用液氮、压缩空气等作为冷 却介质，实现样品的快速冷却 。
温度控制
通过控制冷却介质的流量和温 度，精确控制样品的冷却速率 和最终温度。
现状
目前，DMA已经成为材料科学研究领域的重要工具之一，随着新材料和新技术的不断涌现，DMA的应用前景将 更加广阔。同时，DMA技术也在不断发展和完善，如高温DMA、高压DMA等新型仪器的出现，为材料科学研究 提供了更多的可能性。
02
DMA系统组成与功能
加热系统
80%
加热元件
通常采用电阻丝、红外线灯等作 为加热元件，提供均匀稳定的热 源。
与其他技术的联合应 用
第五章动态热力分析
（四）动态力学频率谱 在一定温度下，聚合物动态力学性能随频率的变化称为
动态力学频率谱，即DMA频率谱。用于研究材料力学性能 与速率的依赖性。
图5-13 典型非晶态聚合物的DMA频率谱
28
二、动态热力分析仪器
表5-1 动态力学试验方法
振动模式 自由振动 强迫共振
强迫非共振
声波传播
形变模式
扭转 固定-自由弯曲 自由-自由弯曲
16
聚合物材料是典型的粘弹性材料，这种粘弹性表现 在聚合物的一切力学行为上。
聚合物的力学性质随时间的变化统称为力学松弛。 根据聚合物材料受到外部作用的情况不同，可以观 察到不同类型的力学松弛现象，最基本的有蠕变、应力 松弛、滞后和力学损耗（内耗）等。
17
（二）内耗 聚合物在交变应力作用下，应变落后于应力变化的现象 称为滞后现象。 滞后现象的发生是由于链段在运动时要受到内摩擦力的 作用，滞后相位角δ越大，说明链段运动越困难，越是跟不 上外力的变化。 应变的变化落后于应力的变化，发生滞后现象，则每一 循环变化中就要消耗功，称为力学损耗，也称内耗。 聚合物内耗的大小与试样本身的结构有关，还与温度、 频率、时间、应力（或应变）及环境因素（如湿度、介质等 ）有关。
负荷作用下，试样弯曲形状达到规定值时的温度。 国标规定，升温速度为12℃/6min，弯曲应力为
18.5kg/cm2或4.6kg/cm2，弯曲变形量为0.21mm。
13
（四）拉伸法 采用拉伸探头，将纤维或薄膜试样装在专用夹具上，
然后放在内外套管之间，外套管固定在主机架上，内套管 上端施加负荷，测定试样在程序控温下的温度-形变曲线。
热机械分析仪有两种类型，即浮筒式和天平式。 负荷的施加方式有压缩、弯曲、针入、拉伸等，常用 的是压缩力。
3-动态热机械分析解析
1 热机械分析 1-1 热膨胀法
体热膨胀法：温度上升1度，试样体积膨 胀〔或收缩〕的相对量：
γ= △V /〔V0 △T〕 γ—体膨胀系数〔1/K〕
V0—初始体积 △T—试验温度差
1 热机械分析 1-1 热膨胀法
DIL 402 PC热膨胀仪 德国
1 热机械分析 1-1 热膨胀法
E’ 尼龙6
硬PVC 0.90GPa
T T1 T2
3 在高分子材料中的应用
3-3 耐寒性或低温韧性评价
1、塑料：非晶态的玻璃态〔T<Tg). 2、塑料：晶态+玻璃态〔T<Tg). 3、塑料：晶态+橡胶态〔T>Tg).
塑料耐寒性：低温下可运动单元状况。
3-3 耐寒性或低温韧性评价
E‘
E‘’，Tanδ
(Dynamic Mechanical Analysis, DMA)
2 动态热机械分析 2-2 根本特点
特点1：小样品，宽温度、频率范围。 特点2：表征构造变化-分子运动- 性能。 特点3：动态载荷产品设计〔轮胎〕。
玻璃化转变、结晶、取向、交联、相分别
2 动态热机械分析 2-3 根本原理
粘性 弹性 粘弹性 应力 应变
2 动态热机械分析
2-3 根本原理
线性粘弹性行为：
ε = ε0 sin (ωt) σ = σ0 sin (ωt + δ )
ω–角频率 δ–相位差
2 动态热机械分析 2-3 根本原理 线性粘弹性行为： σ = σ0 sin(ωt) cosδ + σ0cos (ωt)sinδ
ε = ε0 sin (ωt)
第5章 3-动态热机械分析
Dynamic Thermal Mechanical Analysis, DMA
动态热机械分析
动态热机械分析动态热机械是指将动力学及热力学原理应用于工程设计的领域。
它主要研究各种动力机械在运行中产生的热和能量互换问题，解决机械系统中的能量转换、储存和传递等问题。
本文将从以下几个方面展开对动态热机械的分析：1. 动态热机械的基础理论动态热机械的理论基础有两部分，即动力学和热力学。
其中，动力学涉及机械能、动能、势能等概念，描述物体运动时的力学规律；热力学则研究热力学系统内所含的能量，以及它们之间的变化和转换过程。
通过这两部分知识的结合，动态热机械提供了一种处理热与动能之间相互作用的方法，使得在设计和优化机械系统时可以更加准确地估计能量使用和损失情况。
2. 动态热机械的应用动态热机械的应用范围非常广泛，包括航空航天、汽车和发电机等领域。
例如，在汽车领域，动态热机械将运动学和热力学应用于发动机、离合器和传动系统等部分，以优化燃油效率和功率输出；在航空航天领域，动态热机械则关注于推进系统中的各种动力元件，如涡轮风扇、引擎喷嘴等，使其能够更加高效地吸收并利用燃气能量。
3. 动态热机械的优化随着技术的不断更新和完善，人们开始集中精力研究如何最大限度地提高动态热机械的效率。
目前，一些先进材料、计算机辅助设计和新型测试技术正在被广泛应用于这一领域，从而更好地掌握和利用热和动能的转换规律。
以下是两个具体的例子：汽车发动机的优化：为了提高燃油效率，并降低车辆对环境的影响，目前采用了诸如直接喷射燃料、升级点火系统、改进排气管等技术手段。
此外，一些企业还投资研究新型发动机，如电动汽车和混合动力系统，通过利用多种能源来驱动车辆，从而更好地节约燃料和减少二氧化碳排放量。
风力发电机的优化：风力发电机是将风能转换为电能的一种设备。
为了提高它的效率和产生能力，人们不断尝试改进叶轮设计和气流管道结构，优化输电线路的电阻和损耗等方面。
例如，采用单独控制多个导向板的微调装置，可以更加精确地调整叶片方向来适应复杂的风向变化；同时，使用辨识模型和模型预测控制的方法可以更加有效地监测和控制发电机的运行状态及其输出功率与频率。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
3 在高分子材料中的应用
3-5 未知高分子材料初步判断 T=-80℃ T=-80℃ T=-40℃ T=-40℃ T=-5℃ T=三种ABS的Tanδ 三种ABS的Tanδ-T曲线
3 在高分子材料中的应用
3-6 表征高分子材料的阻尼特性
σ = ε0 E’ sin(ωt) + ε0 E’’ cos (ωt) sin(ω (ω
E’ = ( σ0 / ε0 ) COS δ E’’ = ( σ0 / ε0 ) sin δ
2 动态热机械分析 2-3 基本原理 E‘ Tanδ Tanδ 玻璃化转变 α 次级松弛转变 δ γ β T
非晶态高聚物DMA温度谱 频率一定） 非晶态高聚物DMA温度谱（频率一定） 温度谱（
玻璃化转变、结晶、取向、交联、相分离 玻璃化转变、结晶、取向、交联、
2 动态热机械分析 2-3 基本原理
粘性 弹性 粘弹性 应力 应变
在应力下产生流动的能力 应力后恢复原状的能力 同时具粘性液体与纯弹性质 单位面积上承受的力 ε = △L/L0
2 动态热机械分析 2-3 基本原理
模量 柔量 泊松比
LDPE 苯 共 纤维
T/℃ T/℃ 例6 温度-拉伸形变曲线（拉伸法） 温度-拉伸形变曲线（拉伸法）
1 热机械分析 1-2 静态热机械分析 △V
Tg Tm Tg
T/℃ T/℃
例7 天然橡胶体膨胀曲线（膨胀法） 天然橡胶体膨胀曲线（膨胀法）
2 动态热机械分析 2-1 基本定义
定义：在程序控温下，测量物质在振 定义：在程序控温下，测量物质在振 动载荷下的动态模量和（或）力学损耗与 动载荷下的动态模量和 下的动态模量 力学损耗与 温度的关系。 温度的关系。 的关系
2 动态热机械分析 2-4 分析仪器
DMA 242 C动态热机械分析仪 C动态热机械分析仪
2 动态热机械分析 2-4 分析仪器 F 三点弯曲
2 动态热机械分析 2-4 分析仪器 双悬臂梁
F
2 动态热机械分析 2-4 分析仪器 单悬臂梁
F
2 动态热机械分析 2-4 分析仪器 纤维延伸
F
2 动态热机械分析 2-4 分析仪器 薄膜延伸
3 在高分子材料中的应用
3-3 耐寒性或低温韧性评价 1、塑料：非晶态的玻璃态（T<Tg). 塑料：非晶态的玻璃态（ 2、塑料：晶态+玻璃态（T<Tg). 塑料：晶态+玻璃态（ 3、塑料：晶态+橡胶态（T>Tg). 塑料：晶态+橡胶态（ 塑料耐寒性：低温下可运动单元情况。 塑料耐寒性：低温下可运动单元情况。
3-3 耐寒性或低温韧性评价 E‘ E‘’，Tanδ E‘’，Tanδ 玻璃化转变 α 次级松弛转变 δ γ β T
非晶态高聚物DMA温度谱 频率一定） 非晶态高聚物DMA温度谱（频率一定） 温度谱（
3 在高分子材料中的应用
塑料耐寒性：低温下可运动单元情况。 塑料耐寒性：低温下可运动单元情况。 在DMA谱图上低温损耗峰位置越低，强度 DMA谱图上低温损耗峰位置越低 谱图上低温损耗峰位置越低， 越强，则塑料的低温度韧性越好。 越强，则塑料的低温度韧性越好。
γ
β 尼龙66吸水前后性能变化 尼龙66吸水前后性能变化
T
3 在高分子材料中的应用
3-4 评价高分子耐环境能力 Tanδ Tanδ 老化12h 老化12h 未老化 老化24 老化24 h T UV-固化硫醇树脂老化前后DMA UV-固化硫醇树脂老化前后DMA
3 在高分子材料中的应用
3-4 评价高分子耐环境能力 环境因素（ 环境因素（光、热、水、氧等） 氧等）
3 在高分子材料中的应用
ASTM落锤冲击试验 ASTM落锤冲击试验： 落锤冲击试验： 测试样品多达30个以上， 29℃ 测试样品多达30个以上，在-29℃下调节 个以上 24小时。（测试结果重复性差） 24小时。（测试结果重复性差） 小时。（测试结果重复性差
3 在高分子材料中的应用
3-4 评价高分子耐环境能力 Log(Tanδ Log(Tanδ) 50%湿度 50%湿度 a 100%湿度 100%湿度 干态
2 动态热机械分析 2-3 基本原理 lgE‘ lgE’’ Tanδ Tanδ Tanδ Tanδ E‘
E’’ lgω lgω 非晶态高聚物DMA频率谱 温度一定） 非晶态高聚物DMA频率谱（温度一定） 频率谱（
2 动态热机械分析 2-3 基本原理 高聚物 DMA频率谱（温度一定） DMA频率谱 温度一定） 频率谱（ 高聚物 DMA温度谱（频率一定） DMA温度谱 频率一定） 温度谱（ 由于调节温度比调频率 更容易，因此DMA DMA温度谱 更容易，因此DMA温度谱 最常用。 最常用。
应力与应变之比，刚性量度。 应力与应变之比，刚性量度。 模量的倒数，柔性量度。 模量的倒数，柔性量度。 外力下纵、横向应变之比。 外力下纵、横向应变之比。
μ= -ε2/ε1
E=2G（1+μ E=2G（1+μ）
E—杨 ，G—
2 动态热机械分析 2-3 基本原理 线性粘弹性行为： 线性粘弹性行为：
ε = ε0 sin (ωt) (ω (ω σ = σ0 sin (ωt + δ )
α= △L /（L0 △T） /（
美国：-30-30℃ 美国： 30-30℃ 日本： 25日本： 25-80℃ 我国： 我国： 0-40℃ 注意：要求测试温度范围内无相转变 注意：
1 热机械分析 1-1 热膨胀法
体热膨胀法：温度升高1度，试样体积膨 体热膨胀法： 胀（或收缩）的相对量： 或收缩）的相对量：
第5章 3-动态热机械分析
Dynamic Thermal Mechanical Analysis, DMA
1 热机械分析 热膨胀法
1、零负荷测定 2、静态负荷测定 3、动态负荷测定
静态热机械 动态热机械
1 热机械分析 1-1 热膨胀法
定义：在程序控温下，测量物质在可忽 定义：在程序控温下， 关系的技术 略负荷时尺寸与温度关系的技术。 略负荷时尺寸与温度关系的技术。 尺寸
3-2 耐热性能评价 特点：热变形温度（维卡软化点） 特点：热变形温度（维卡软化点）测 定结果仅适合于同种材料间的相对比较， 定结果仅适合于同种材料间的相对比较， 不能全面衡量材料的耐热性能。 不能全面衡量材料的耐热性能。
3 在高分子材料中的应用
3-2 耐热性能评价 E’
硬PVC 0.90GPa 尼龙6 尼龙6 T T1 T2
(Dynamic Mechanical Analysis, DMA) DMA)
2 动态热机械分析 2-2 基本特点 特点1 小样品，宽温度、频率范围。 特点1：小样品，宽温度、频率范围。 特点2 表征结构变化-分子运动- 性能。 特点2：表征结构变化-分子运动- 性能。 特点3 动态载荷产品设计（轮胎）。 特点3：动态载荷产品设计（轮胎）。
γ= △V /（V0 △T） /（
γ—体膨胀系数（1/K） 体膨胀系数（1/K） V0—初始体积 △T—试验温度差
1 热机械分析 1-1 热膨胀法
DIL 402 PC热膨胀仪 德国 热膨胀仪
1 热机械分析 1-1 热膨胀法
DIL 402 C热膨胀仪 德国 热膨胀仪
1 热机械分析 1-1 热膨胀法
Tf Tg T/℃ T/℃
例1 PMMA 温度-形变曲线（压缩） 温度-形变曲线（压缩）
1 热机械分析 1-2 静态热机械分析 △L
LDPE
HDPE T/℃ T/℃
例3 PE 线膨胀系数（压缩） 线膨胀系数（压缩）
1 热机械分析 1-2 静态热机械分析 △L
d △L/dt
Tg=128℃ =128℃
T/℃ T/℃
例4 环氧树脂 线膨胀系数（压缩） 线膨胀系数（压缩）
1 热机械分析 1-2 静态热机械分析 针
Tg1 Tg2
T/℃ T/℃ 例5 聚酯/聚酰亚胺（针入度） 聚酯/聚酰亚胺（针入度）
1 热机械分析 1-2 静态热机械分析 负 介质 压头 样 例6 塑料维卡软化点测定（针入度） 塑料维卡软化点测定（针入度） 温
结构改变（交联、断链、结晶、化学基团） 结构改变（交联、断链、结晶、化学基团）
DMA分析（Tanδ DMA分析（Tanδ-T, E’’-T) E’’分析
3 在高分子材料中的应用
3-5 未知高分子材料初步判断 未知样品DMA谱图 未知样品DMA谱图 已知样品DMA谱图 已知样品DMA谱图
进行DMA 进行DMA谱图分析比较 DMA谱图分析比较
1 热机械分析 1-2 静态热机械分析 负 介质 压头 样 例6 塑料热变形温度测定（弯曲法） 塑料热变形温度测定（弯曲法） 温
1 热机械分析 1-2 静态热机械分析 △L PC PVC
LDPE HDPE
T/℃ T/℃
例6 温度-弯曲形变曲线（弯曲法） 温度-弯曲形变曲线（弯曲法）
1 热机械分析 1-2 静态热机械分析 △L 硬PVC
线热膨胀法 体热膨胀法
1 热机械分析 1-1 热膨胀法
线热膨胀法：温度升高1度，试样某一方 线热膨胀法： 向上相对伸长（或收缩）量： 向上相对伸长（或收缩）
α= △L /（L0 △T） /（
α—线膨胀系数（1/K） 线膨胀系数（1/K） L0—初始长度 △T—试验温度差
1 热机械分析 1-1 热ຫໍສະໝຸດ 胀法3 在高分子材料中的应用
3-1 玻璃化温度测定
例1 NBR/CoCl2体系
3 在高分子材料中的应用
3-2 耐热性能评价
负 介质 压头
温
样 例6 塑料维卡软化点测定（针入度） 塑料维卡软化点测定（针入度）
负 介质 压头
温
样 例6 塑料热变形温度测定（弯曲法） 塑料热变形温度测定（弯曲法）
3 在高分子材料中的应用