DMA-Introduction 动态热力学分析仪简介

50. 00
time (s)
100. 0
150. 0
200. 0
250. 0
TA Instruments
1.000E7 1.000E7
10.00
c om plianc e (m ^ 2/N)
0 0 2. 5000E-4 5. 0000E-4 7. 5000E-4 1. 0000E-3 1. 2500E-3 1. 5000E-3
DMA 夹具选择指导
样品
夹具
夹具尺寸
High modulus metals or composites
3-point Bend Dual Cantilever Single Cantilever
Unreinforced thermoplastics or Single Cantilever thermosets
能力
➢模量 = 应力/应变
➢材料的三种模量
➢杨氏模量 (弹性模量) E ➢剪切模量 (刚性模量) G ➢体积模量 B
聚合物通常有较宽范围的力学强度
➢ 单个聚合物 能显示极端宽范围的力学强度变化
➢ 十分坚硬的固体 ➢ 从硬至软的橡胶 ➢ 粘弹液体
➢ 聚合物的力学强度 是以下因素的结果
➢ 聚合物的化学组成 ➢ 表明力学性能在哪里会发生变化
Training DMA
DMA Components
Q800 DMA 的内部结构图
Dynamic Mechanical Analyzer (DMA)
测量的实验变量： 时间、频率、温度、应力、力、位移、应变 测量的材料性质： 模量、阻尼、蠕变、应力松弛、玻璃化转变、软化点
DMA 是热分析技术还是流变技术
Sample
Displacement Sensor - Measures Strain
Motor Applies Force (Stress)
内部结构截面图
SAMPLE
AIR BEARING OPTICAL ENCODER
BIFILAR-WOUND FURNACE CLAMPS LOW MASS, HIGH STIFFNESS CLAMPING FIXTURES
SUPER BALL
LOSS
TENNIS
X BALL
STORAGE
DMA 粘弹性参数: 阻尼, tent represented as a vector
G* G"
Phase angle d
G'
The tangent of the phase angle is the ratio of the loss modulus to the storage modulus.
log Frequency
(E' or G') (E" or G")
Temperature
log Time
log Time
100.0 100.0 25.0 50.0
0.01000 75.0 100.0 125.0 150.0 175.0 200.0 225.0 250.0
temperature (Deg C)
50. 00
time (s)
100. 0
150. 0
200. 0
250. 0
TA Instruments
co m p l i a n ce ( m ^ 2 / N )
0 0 2. 0000E-6 4. 0000E-6 6. 0000E-6 8. 0000E-6 1. 0000E-5
Tg 110°C
50. 00
Glassy 70°C
50. 00
time (s)
100. 0
150. 0
200. 0
250. 0
TA Instruments
在各个粘弹区域的蠕变行为
应力控制 DMA截面图
–Stress Controlled DMA (Rheometer) - Also referred to as "single head" or "open loop" design.
tan d = G"/G'
"TAN DELTA" (tan d) is a measure of the damping ability of the material.
动态应变扫描: 材料响应
线性区域: 模量与应变 无关
非线性区域: 模量是应变的函数
E' or G'
Stress
Constant Slope
gc = Critical Strain
Strain (amplitude)
频率扫描: 材料响应
终端区域
橡胶平台区 域
转变区域
类似于玻璃区
12
Storage Modulus (E' or G') Loss Modulus (E" or G")
log Frequency (rad/s or Hz)
动态升温 或步阶恒温扫描: 材料响应
形变 响应
The phase angle d, or phase shift, between the deformation and response is measured.
相位角 d
动态力学测试:经典极限响应
理想弹性响应 (胡克固体)
d = 0°
Stress
Stress
理想粘性响应 (牛顿流体)
➢The complex stress can be separated into two components: 1) An elastic stress in phase with the strain. s' = s*cosd s' is the degree to which material behaves like an elastic solid. 2) A viscous stress in phase with the strain rate. s" = s*sind s" is the degree to which material behaves like an ideal liquid.
➢e
➢模量
=
=
拉伸应变速率, g =
应力 / 应变 [Pa
剪切应变速率
或
dyn/cm
2
]
➢ E = 杨氏或 拉伸模量, G = 剪切模量
➢柔量
=应变
/
应力
[1/Pa
或
cm
2
/dyn]
➢ Typically denoted by J
➢粘度 = 应力 /应变速率 [Pa.s 或 Poise]
➢ Denoted by h
Glassy Region
Transition Region
Rubbery Plateau
Region
Terminal Region
Storage Modulus (E' or G') Loss Modulus (E" or G")
Temperature
粘弹性图谱
(E' or G') (E" or G")
10000 10000 1000 1000
0.1000
ta n (d e lta )
1000000 1000000 100000 100000
1.000
Plateau 150°C
Flow 190°C
G ' (P a ) G '' (P a )
c om plianc e (m ^ 2/N)
0 0 0. 020000 0. 040000 0. 060000 0. 080000 0. 10000 0. 12000
➢ 定义 ➢ 热分析 测量物质的物理性质与温度或时间的函数关系 ➢ 流变学是研究就物质流动和形变的科学 ➢ DMA 是一类仪器的总称，它指的是先机械给予样品形
变 尔后测量样品对于这种形变的响应. 形变可以通过 正弦波的形式施加, 或通过恒定 (或步阶) 方式, 或以固 定速率的方式施加. 可监控这种形变响应与温度或时间 的函数关系 。
Dual Cantilever
GF =
1 F
L3 192I

S(1 +
)
L 2A
Single Cantilever
GF =
1 F
L3 12I

2S(1 +
)
L A

3-Point Bend
GF =
L3 48I

S(1 +
)
L 2A
L = Sample Length
G" = (stress/strain)sind
Tan Delta:
Measure of material damping - such as vibration or sound damping.损耗因 子
Tan d= G"/G'
Storage and Loss of a Viscoelastic Material
AIR BEARING SLIDE
独特专利-悬浮设计
DRIVE MOTOR
模量计算
The instrument applies all calibrations and measures raw sample storage and loss stiffnesses (Ks). Modulus = Stiffness * Geometry Factor = Ks*GF
固体的流变学?
➢流变学
➢研究物质流动与 形变 的科学.
研究固体聚合物流变学的重要性
➢ 高聚物的广泛使用
➢ 所需的力学性能 ➢ 经济适用
➢ 对于聚合物的广泛应用, 聚合物的力学性能被认为是在
聚合物的所有 物理和化学性能中最重要的性能
➢ 聚合物在应用过程中常须考虑的几个重要因素
➢ 需要力学行为的基础知识 ➢ 需要了解力学行为是如何被变化的因素所改变的
Phase angle d
Complex Stress, s*
s* = s' + is"
Strain, e
DMA 粘弹性参数
模量: Measure of materials overall resistance to deformation.
G = Stress/Strain
弹性 (储存) 模量: Measure of
elasticity of material. The ability of the material to store energy.弹性储存能指 标
G' = (stress/strain)cosd
粘性 (损耗)模量:
The ability of the material to dissipate energy. Energy lost as heat.变形消耗 能量指标
➢ 聚合物的物理结构 ➢ 力学性能会发生多大程度的变化
基本参数和单位
➢应力 = 力 /面积[Pa, 或 dyn/cm ] 2
➢ s = 拉伸应力, t = 剪切应力
➢应变 = 几何形状改变 [无单位]
➢ e = 拉伸应变, g = 剪切应变
. . ➢应变 或剪切速率 = 速度梯度 或d(strain)/dt [1/s]
动态力学或振荡测试
动态力学测试
An oscillatory (sinusoidal) deformation (stress or strain) is applied to a sample.
The material response (strain or stress) is measured.
流变学
典型无定形聚合物的粘弹性图谱
玻璃态
很僵硬的固体
转变区域
橡胶平台区
终端区域
粘弹液体
硬至软的橡胶
储存模量 (E' or G') 损耗模量 (E" or G")
Temperature
固体的变形和模量
➢在施加的应力下，所有的材料会在形状或体
积或二者兼而有之 发生变化
➢模量测量的是施加外力时，材料抵御形变的
time (s)
100.0
150.0
TA Instruments
200.0
250.0
c om plianc e (m ^2/N )
0 0 5. 0000E-8 1. 0000E-7 1. 5000E-7 2. 0000E-7 2. 5000E-7 3. 0000E-7 3. 5000E-7 4. 0000E-7 4. 5000E-7
d = 90°
Strain
Strain
动态力学测试:粘弹性材料响应
Strain Stress
Phase angle 0° < d < 90°
DMA 粘弹性参数:复合, 弹性, & 粘性应力
➢The stress in a dynamic experiment is referred to as the complex stress s*
I = Geometric Moment
(distance between clamps)
1 12
T3=W
for rectangular samples
A = Cross Sectional Area = Poisson's Ratio
F = Clamping Factor (~ 0.9) S = Shearing Factor (~1.5)