热分析-DMA
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TMA、DMA
剪切等不同形式的探头。
☺2.用途：
a.软化点温度
b.膨胀系数
c.机械粘弹性参数
d.应力应变
e.蠕变恢复
3.1.1 高聚物的温度－形变曲线
☺一定的力学负荷下，高分子材料的形变量与温 度的关系称为高聚物的温度－形变曲线，或称 热机械曲线。
☺聚合物的T－D曲线（即热-机械曲线，简称 TMA，Thermomechanic Analysis）是研究聚合 物力学性质对温度依赖关系的重要方法之一。
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
关系的方法。 ♫三种方法
☺热膨胀法
♥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。
四.动态热机械分析（DMA）
☺4.1基本定义
♥在程序温度下,测量物质在振动负荷下的动态模量和力 学损耗与温度的关系的技术。
➢ 3.滞后：聚合物在交变应力作用下，形变落后于应力变 化的现象。
➢ 4.内耗：如果形变落后于应力变化，发生滞后，则每一 循环变化中就要消耗功，称为力学损耗。
1.线形和交联聚合物的蠕变全过程
线形聚合物 交联聚合物
形变随时间增加而增大， 蠕变不能完全回复
t
形变随时间增加而增大， 趋于某一值，蠕变可以完 全回复
热分析-DMA
275
采用挠曲探头，将矩形试样在中心处施加负荷进行弯曲试验。 聚碳酸酯的弯曲形变温度几乎接近于它的玻璃化转变温度Tg。 高密度聚乙烯和低密度聚乙烯由于其熔化而逐渐变形，弯曲变形温度分 别为108℃和70℃。 聚氯乙烯的弯曲形变温度为63℃，接近其玻璃化转变温度Tg，迅速变形 下降。
△L PVC
LDPE HDPE
10 8
105 (C1)
6 4
2
0 2 0 20 40 60 80 100
Vectra vol%
例：利用上图数据计算含 Vectra 0%、40%、80%的共 混物的体积热胀系数 解：线性热胀系数与体积热胀系数的关系：
2 V L3 (1 )(1 ) 0 || 2 2 L3 (1 2 2 0 || || || )
nylon 66
polyketone
Water content：0.00 wt% 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 (t[s]^(1/2)
Water content: 0.96 wt% 1800
3、热胀系数测定
1.5443
1.540 1.535 1.530
填充后呈现各向异性
filler type 30 wt% CaCO3
最长方向尺寸 平均值(m) 1.5
x/y-方向平均热胀 系数at 20C, K1 8.7 E5
z-方向热胀系数 at 20C, K1 9.4 E5
kaolin
wollastonite mica short glass fibres
DMA测量系统可以根据不同试样尺寸和特性而选 择三点弯曲、压缩、拉伸、剪切、扭转、平行板、 环行抽动、双悬臂梁和单悬臂梁等多种测量方式， 每种测试方式又有定应力和定应变两种模式。 对于容易成型的橡胶、塑料、纤维等固体高聚物 样品，常采用强迫非共振法、扭摆法测量； 对不易成型的高聚物熔体或粘性溶液等常将样品 浸渍于扭辫仪的辫子上，采用自由振动的方法进 行测试。
动态热机械分析仪DMA原理及方法
DMA研究生
28
同一重运动单元而言，温度越高或所受的 应力越大，则其运动的松弛时间就越短。 任何一重运动单元的运动是否自由，取决 于其运动的松弛时间与观察时间之比。 设在一定的温度下，某一重运动单元运动 的松弛时间为τ，实验观察时间为t，
DMA研究生
29
当t<<τ时，运动单元的运动在这有限的观
察时间内根本表现不出来，在这种情况下，
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。
在液态中，分子的排列只有近程有序而无远程
有序；
在气态中，分子的排列既无远程有序也无近程
有序。 DMA研究生
4
物质按其体积与形状的稳定性，分为固体、 液体和气体。 固体具有一定的体积和形状 液体具有一定的体积但无一定的形状 气体无一定的体积又无一定的形状
这些状态称为物质的各种力学状态。
DMA研究生
5
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D级MA研松究生弛等
3
DMA的理论基础是聚合物的粘弹性，因此我们
首先讨论聚合物的粘弹性：
一、高聚物力学性能的主要特点
物质按其中分子(或原子、离子)排列的有序性，
可分为晶态、液态和气态。
热分析-DMA分析解析
PS:真空，5℃/min
△L/μm
Tg=100℃
T/℃
2.体膨胀系数 定义：温度升高一度（℃）时，试样体积膨胀（或收缩）
的相对量， ＝ V
V0T
式中：γ——体膨胀系数；V0——起始温度下的原始体积； △V——试样在温差△T下的体积变化量 △T——试验温度差
热机械分析（TMA）
1.定义：在程序控温下，测量物质在非振动负荷下的形变与 温度关系的技术。
250
300
350
温度(C)
1、玻璃化转变温度测定
高交联度、高填充量、共混材料链段运动受限， TMA测定比DSC灵敏度高得多 涂层的Tg用TMA测定非常方便
ΔL
Tg 99℃
Tf172℃
T/℃
聚甲基丙烯酸甲酯的温度-形变曲线
高分子材料在玻璃化 转变区，由于分子链 段的松弛，使其膨胀 系数出现转变，即高 分子在Tg以下时，链 段运动被冻结，热膨 胀主要客服分子间的 次价力，膨胀系数很 小；当温度升到Tg时， 链段开始运动，同时 分子链本身链段的扩 散运动也发生膨胀， 因而膨胀系数较大。 在Tg前后热膨胀曲线 斜率发生转折突变， 得到拐点，就是玻璃 化转变温度。
20
40
60
80
100
120
140
160
180 200
温度(C)
填充聚酮的热胀系数测定
尺寸 (mm)
2.33
2.32
1. 加热
2.31 样品初始尺寸：2.313mm 2.30
2.29
2.28
2.27
2. 冷却
2.26
3.加热
2.25
2.24
2.23 50 25 0 25 50 75 100 125 150
△L/μm
Tg=100℃
T/℃
2.体膨胀系数 定义：温度升高一度（℃）时，试样体积膨胀（或收缩）
的相对量， ＝ V
V0T
式中：γ——体膨胀系数；V0——起始温度下的原始体积； △V——试样在温差△T下的体积变化量 △T——试验温度差
热机械分析（TMA）
1.定义：在程序控温下，测量物质在非振动负荷下的形变与 温度关系的技术。
250
300
350
温度(C)
1、玻璃化转变温度测定
高交联度、高填充量、共混材料链段运动受限， TMA测定比DSC灵敏度高得多 涂层的Tg用TMA测定非常方便
ΔL
Tg 99℃
Tf172℃
T/℃
聚甲基丙烯酸甲酯的温度-形变曲线
高分子材料在玻璃化 转变区，由于分子链 段的松弛，使其膨胀 系数出现转变，即高 分子在Tg以下时，链 段运动被冻结，热膨 胀主要客服分子间的 次价力，膨胀系数很 小；当温度升到Tg时， 链段开始运动，同时 分子链本身链段的扩 散运动也发生膨胀， 因而膨胀系数较大。 在Tg前后热膨胀曲线 斜率发生转折突变， 得到拐点，就是玻璃 化转变温度。
20
40
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100
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温度(C)
填充聚酮的热胀系数测定
尺寸 (mm)
2.33
2.32
1. 加热
2.31 样品初始尺寸：2.313mm 2.30
2.29
2.28
2.27
2. 冷却
2.26
3.加热
2.25
2.24
2.23 50 25 0 25 50 75 100 125 150
dma温度扫描常见曲线_概述说明以及概述
dma温度扫描常见曲线概述说明以及概述1. 引言1.1 概述：本文旨在介绍DMA温度扫描常见曲线的概念、应用领域和分析方法。
DMA（动态力学热分析）是一种广泛应用于材料科学领域的实验技术，通过对材料在受力条件下的热行为进行研究，可以获取有关材料性质和结构的重要信息。
其中，温度扫描常见曲线是DMA测试中的一种重要结果之一，能够反映材料在不同温度下的变形行为。
1.2 文章结构：本文共分为五个部分。
首先是引言部分，在这里将对DMA温度扫描常见曲线进行概述说明，并介绍文章的结构和目的。
其次是第二部分，将详细介绍DMA温度扫描常见曲线的概念、应用领域和分析方法。
第三和第四部分将探讨正文中的相关要点，并提供具体案例和数据支持。
最后，在结论部分总结前文内容，并给出相应建议和展望。
1.3 目的：本文旨在帮助读者了解DMA温度扫描常见曲线及其相关知识。
通过深入介绍DMA温度扫描常见曲线的概念、应用领域和分析方法，读者能够对该技术有更全面的了解，并在实际工作中正确应用。
同时，本文还致力于以简明清晰的方式呈现相关内容，使读者能够轻松获取所需信息。
希望本文对学术研究人员、工程师以及其他对DMA技术感兴趣的读者有所帮助。
2. dma温度扫描常见曲线概述说明2.1 dma温度扫描常见曲线概念介绍dma温度扫描常见曲线是一种在动态机械分析（DMA）中使用的测试方法。
DMA是一种用于研究材料力学性质的实验技术，可以通过测量材料的弹性和损耗模量来研究其变形和回复的特性。
而dma温度扫描常见曲线则是在不同温度下对材料进行测试，并记录其弹性和损耗模量随温度变化的曲线。
2.2 dma温度扫描常见曲线应用领域dma温度扫描常见曲线广泛应用于各个领域中，尤其在聚合物、橡胶、复合材料等领域具有重要意义。
通过分析dma温度扫描曲线，可以了解材料在不同温度下的力学性能表现，包括玻璃化转变温度、融化温度、交联点等关键特征值。
这些信息对于材料设计、加工和性能评估具有重要指导作用。
dma在材料的应用
dma在材料的应用热分析法在高分子材料中的应用热分析法在高分子材料中的应用一、前言热分析法是指在程序控制温度的条件下, 测量物质的性质与温度关系的一种技术[1]。
在加热或冷却的过程中, 随着物质的结构、相态、化学性质的变化，质量、温度、热熔变化、尺寸及声光电磁及机械特征性都会随之相应改变。
因此，热分析法在定性、定量表征材料的热性能、物理性能、机械性能以及稳定性等方面有着广泛地应用。
随着高分子工业的迅速发展，为了研制新型的高分子材料，控制高分子材料的质量和性能，测定高分子材料的熔融温度、玻璃化转变温度、混合物的组成、热稳定性等是必不可少的。
在这些参数的测定中，热分析是主要的分析工具。
热分析技术主要包括：热重分析法（TG）、差热分析法（DTA）、差示扫描量热法（DSC）、热机械分析法（TMA）、动态热机械分析法（DMA）等。
本文简要介绍了这些热分析技术的原理、仪器及其在高分子材料研究领域的应用。
二、热重分析法（TG）及其在高分子材料方面的应用热重法是在程序控温下，测量物质的质量与温度的关系。
通常热重法分为非等温热重法和等温热重法。
它具有操作简便、准确度高、灵敏快速以及试样微量化等优点。
热重分析主要研究在惰性气体中、空气中、氧气中材料的热的稳定性、热分解作用和氧化降解等化学变化；还广泛用于研究涉及质量变化的所有物理过程，如测定水分、挥发物和残渣，吸附、吸收和解吸，气化速度和气化热，升华速度和升华热；有填料的聚合物或共混物的组成等[2]。
用来进行热重分析的仪器一般称为热天平。
它的测量原理是，在给被测物加温过程中，由于物质的物理或化学特性改变，引起质量的变化，通过记录质量变化时程序所走出的曲线，分析引起物质特性改变的温度点，以及被测物在物理特性改变过程中吸收或者放出的能量，从而来研究物质的热特性。
例如，热重分析法可以准确地分析出高分子材料中填料的含量。
根据填料的物理化学特性，可以判断出填料的种类。
一般情况下，高分子材料在500℃左右基本全部分解，因此对于600-800℃之间的失重，可以判断为碳酸盐的分解，失重量为放出的二氧化碳，并可以计算出碳酸盐的含量。
第3篇14动态力学分析(DMA)
DMA
File: F:...\DMADATA\Peten.tr1 Operator: RRU Run Date: 18-Jan-99 16:10
10000
Tm
l 1000
l
l
l
பைடு நூலகம்
l
l
l
l
lll
l
l
l
l
l
Large scale cooperative Motion: Disruption of crystalline structure
动态力学分析基础
材料的粘弹性
黏性：材料受到外力时，理想黏性体的应变随时间线 性增加，去除外力后，产生的形变完全不可回复。外 力做的功全部以热能的形式消耗掉了，用以克服分子 间的摩擦力从而实现分子间的相对迁移。
理想黏性流体的流变行为服从牛顿定律，即应力与应 变速率成正比，比例系数为黏度。以剪切为例，牛顿 定律表达式为： τ=ηdγ/dt =ηγ
10
10
-150
-100
-50
0
50
100
150
Temperature (°C)
Universal V2.5D TA Instruments
尼龙的扭辫测试
Temperature Ramp at 3°C/min.
1. 1 0 0 0 .0 0 FreE q0 uency1 = 1 H0 z
G’
Strain = 0.025%
G' (Pa)
1.00
1.00
1.00
Degradation
1. 1 0 .0 00 0E 05 E- 3
1.00
- 2 -0 1 - 0 5 1 . - 0 0 0 5 . 0 0 0 0 . 5 . 0 0 0 1 . 0 1 0 0 5 2 . 0 0 0 2 . 0 0 5 . 0 0 .0
TMA、DMA
理想粘性液体
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
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
热分析-DMA解析
变形模式 : 双悬臂 2x16
振幅 :
30.00 um
DF/CSF : 2.00 N / 0.00 N
PF :
0.00
材料 :
pu
0
50
温度 /℃
温度范围 : 温度段 : 频率 : 气氛 : 流量 : 平滑 :
-120.0/3.0(K/min)/150.0 1/1 1Hz;5Hz;20Hz
未知构科的初步分析
对未知材料进行一次DMA扫描：将所得到 DMA曲线与已知材料的DMA曲线进行对照， 便可初步确定待测材料的类型
表征高聚物材料阻尼特性的应用
在飞机、建筑等结构中为了吸震、防震或吸音、 隔音都要用到阻尼材料。
阻尼材料要求材料具有高内耗，即要求tgδ 大．理想的阻尼材料应该在整个工作温度范围 内都有较大的内耗，即要求材料的tgδ-T：曲 线变化平缓．
拉伸：拉伸模式适合于测量薄膜，纤维或薄的橡胶条。 样品的下端被固定在支架上，上端夹在顶杆上进行振荡 测试。
DMA工作曲线 ------典型非晶态高聚物的DMA温度谱
动态力学分析技术的应用
高聚物的玻璃化转变温度的测定 玻璃化温度Tg是度量高聚物链段运动的特征温 度，在Tg以下，高聚物处于玻璃态，储能模量 大；在Tg以上，非晶态高聚物进入橡胶态，E” 和损耗因子在转变区达到最大值。
仪器 : NETZSCH DMA 242 文件 :
标识 :
1
日期/时间 : 2010-7-7 10:05:06
实验室 : 413
操作者 : t
项目 :
1
样品/形状 : pf/立方体
C:\Documents and Settings\TG\桌面\pf-2.dm2
样品尺寸 : 32.000x3.100x0.490 mm
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。
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）
五大材料热性能分析方法（TG，TMA，DSC，DMA，DETA）
五大材料热性能分析方法（TG，TMA，DSC，DMA，DETA）以下为正文：热分析简介热分析的本质是温度分析。
热分析技术是在程序温度(指等速升温、等速降温、恒温或步级升温等)控制下测量物质的物理性质随温度变化，用于研究物质在某一特定温度时所发生的热学、力学、声学、光学、电学、磁学等物理参数的变化，即P = f(T)。
按一定规律设计温度变化，即程序控制温度：T = (t)，故其性质既是温度的函数也是时间的函数：P =f (T, t)。
材料热分析意义在表征材料的热性能、物理性能、机械性能以及稳定性等方面有着广泛的应用，对于材料的研究开发和生产中的质量控制都具有很重要的实际意义。
热分析简史回顾常用热分析方法解读根据国际热分析协会(ICTA)的归纳和分类，目前的热分析方法共分为九类十七种，常用的热分析方法包括热重分析法（TG）、差示扫描量热法(DSC)、静态热机械分析法(TMA)、动态热机械分析(DMTA)、动态介电分析(DETA)等，它们分别是测量物质重量、热量、尺寸、模量和柔量、介电常数等参数对温度的函数。
(1)热重分析(TG)热重法(TG)是在程序温度控制下测量试样的质量随温度或时间变化的一种技术。
应用范围：(1)主要研究材料在惰性气体中、空气中、氧气中的热稳定性、热分解作用和氧化降解等化学变化；(2)研究涉及质量变化的所有物理过程，如测定水分、挥发物和残渣、吸附、吸收和解吸、气化速度和气化热、升华速度和升华热、有填料的聚合物或共混物的组成等。
原理详解：样品重量分数w对温度T或时间t作图得热重曲线(TG 曲线)：w = f (T or t)，因多为线性升温，T与t只差一个常数。
TG曲线对温度或时间的一阶导数dw/dT 或 dw/dt 称微分热重曲线(DTG曲线)。
图2中，B点Ti处的累积重量变化达到热天平检测下限，称为反应起始温度；C点Tf处已检测不出重量的变化，称为反应终了温度；Ti或Tf亦可用外推法确定，分为G点H点；亦可取失重达到某一预定值(5%、10%等)时的温度作为Ti。
DMA 基本原理
标测试准结模果式中：包测含量数一十定种温可度选程参序数下。E’可、进E行’’多频、扫tgδ描等，参并数计随算温主度曲／线时、间转／变频活率化的能变等化。。 蠕变模式：设定一固定的静态力，在恒温条件下测量材料的形变量随时间的变化。 松弛模式：设定一固定的形变量，在恒温条件下测量维持该形变量所需的静态力随时间 的变化。 应力扫描模式：设定施加在样品上的一系列频率固定而力的大小以一定步长递增的动态 力，在恒温条件下测量相应的振幅值，以此得到在该温度与频率条件下振幅～动态力的 关系图。 应变扫描模式：设定一系列频率固定、而其大小以一定步长递增的振幅，在恒温条件下 测量维持该振幅所需的相应动态力，以此得到在该温度与频率条件下动态力／振幅的关 系图。 T能M得A到模的式材：料在的静线态膨力胀下系进数行等测信试息，。可得到类似热机械分析仪 TMA 或热膨胀仪 DIL 所 在形变模式方面，NETZSCH 动态热机械分析仪 DMA 在提供三点弯曲、单／双悬臂、压缩、 针入、线性剪切和拉伸等标准形变模式之外，还提供单悬臂+自由推杆模式、低导模式、粘 性液体模式等多种应用于特定场合的高级形变模式，并可根据客户的特殊应用定制特殊模 式。此外，NETZSCH 还提供 DMA-DEA 联用，浸入测试，紫外光固化等多种配件，以适 应多种特殊的应用场合。
耐驰仪器（上海）有限公司 应用实验室 张红
2007. 8.
上图中绿色曲线是储能模量 E’，代表了材料的刚性部分；蓝色曲线是损耗模量 E’’，代表了 材料的阻尼部分；红色曲线是损耗因子 tgδ，为损耗模量与储能模量的比值，代表了材料 吸收外加能量的能力。每一类曲线均包含不同线型的多条线，此为多频扫描在不同频率下的 结果。可以通过分析软件对各自曲线进行分析。 NETZSCH 的动态机械分析仪 DMA 242 C 有如下六种测量模式：
耐驰仪器（上海）有限公司 应用实验室 张红
2007. 8.
上图中绿色曲线是储能模量 E’，代表了材料的刚性部分；蓝色曲线是损耗模量 E’’，代表了 材料的阻尼部分；红色曲线是损耗因子 tgδ，为损耗模量与储能模量的比值，代表了材料 吸收外加能量的能力。每一类曲线均包含不同线型的多条线，此为多频扫描在不同频率下的 结果。可以通过分析软件对各自曲线进行分析。 NETZSCH 的动态机械分析仪 DMA 242 C 有如下六种测量模式：
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
热分析-DMAPPT课件
热膨胀法
热膨胀法（TDA） 在程序控温下，测量物质在可忽略负荷时的尺寸
与温度关系的技术。 在仅有自身重力条件下 膨胀或收缩 体积或长度变化
各种类型相变（固1→固2） 线胀系数、玻璃化转变温度、软化温度、热变形
温度 -150～2500℃
1.线膨胀系数
⑴定义：温度升高一度（℃）时，沿试样某一方向 上的相对伸长（或收缩）量，
△L PC
PVC
HDPE
LDPE
T/℃ 温度-弯曲形变曲线（弯曲法）
△L
硬PVC
LDPE 苯丙共聚
纤维素
T/℃ 温度-拉伸形变曲线（拉伸法）
测定非晶高聚物的Tg及结晶高聚物的熔点。
△V
非晶高聚物
Tg Tg
结晶高聚物
Tm
T/℃
天然橡胶体膨胀曲线（膨胀法）
研究水份对尺寸的影响
Expansion (mm)
Tg, 熔点,固化过程
粘度,凝胶点 熔融,粘度,凝胶点 蠕变
软化温度，Tg，熔点
尺寸变化 (m)
0 -500
31.18C
铟
156.62 C
锡
5000
228.71 C
265.26 C
-
1500
铅
319.84 C
-
TMA的温度校正
2000
-
2500 0
50
100
150
200
250
300
温度350(C)
平探头/小负 荷 膨胀
测定量 膨胀 体积变化
薄膜
压入/大负荷 压入深度
纤维或薄膜 拉伸
液体
平板
支撑样品 弯曲
单向拉伸 或收缩
距离
热膨胀法（TDA） 在程序控温下，测量物质在可忽略负荷时的尺寸
与温度关系的技术。 在仅有自身重力条件下 膨胀或收缩 体积或长度变化
各种类型相变（固1→固2） 线胀系数、玻璃化转变温度、软化温度、热变形
温度 -150～2500℃
1.线膨胀系数
⑴定义：温度升高一度（℃）时，沿试样某一方向 上的相对伸长（或收缩）量，
△L PC
PVC
HDPE
LDPE
T/℃ 温度-弯曲形变曲线（弯曲法）
△L
硬PVC
LDPE 苯丙共聚
纤维素
T/℃ 温度-拉伸形变曲线（拉伸法）
测定非晶高聚物的Tg及结晶高聚物的熔点。
△V
非晶高聚物
Tg Tg
结晶高聚物
Tm
T/℃
天然橡胶体膨胀曲线（膨胀法）
研究水份对尺寸的影响
Expansion (mm)
Tg, 熔点,固化过程
粘度,凝胶点 熔融,粘度,凝胶点 蠕变
软化温度，Tg，熔点
尺寸变化 (m)
0 -500
31.18C
铟
156.62 C
锡
5000
228.71 C
265.26 C
-
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铅
319.84 C
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TMA的温度校正
2000
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2500 0
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200
250
300
温度350(C)
平探头/小负 荷 膨胀
测定量 膨胀 体积变化
薄膜
压入/大负荷 压入深度
纤维或薄膜 拉伸
液体
平板
支撑样品 弯曲
单向拉伸 或收缩
距离
DSC与DMA研究方法
T4T-PTMO1000 /PDO的相态结构
A：是由PTMO分子链构成的无定形区， B：是均一链长的T4T构成的结晶相，片晶的厚度为T4T的链长； C：T4T-PDO聚合物的无定形相， D：T4T-PDO聚合物的结晶相，其中 PDO参与了结晶， E：处于晶体的边缘，以邻近折叠形式存在的PDO链，
2.研究材料结构与性能的关系
差热分析(△T与T的关系)
只能读出转变温度,不能得到转变时焓的变化
示差热分析（DSC）
示差热分析利用了装置在试样和参比物下面的两组补偿加热丝，当试 样在加热过程中由于热反应而出现温度差△T时，通过差热放大和差动热 量补偿使流入补偿丝的电流发生变化。
当试样吸热时，补偿使试样一边的电流(Is)立即增大；反之，在试样 放热时则是参比物一边的电流增大，直至两边热量平衡，温度△T差消失 为止。
1
0 PET-2
-1 -2 -3
-4
-5
-6
-7
198
-8
203
208
-9
213
-10
-4.5 -4.0 -3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5
lnt
X /% t
四. 调制DSC(MDSC)
调制DSC在常规的线性升温的基础上，叠加了正弦振荡波升温 曲线,样品的温度随时间的变化不再是线性增长；
研究共混体系的结晶和熔融
聚3-羟基丁酸酯[P(3HB)]和聚3-羟基丙酸酯[P(3HP)]
左-结晶试样；右-无定型试样
多重熔融是由存在多尺度晶体，升温时晶体变形，微晶优化和再结晶造成
3.3 研究氢键相互作用及凝胶转变温度
Heat Flow Endo Up >(mW)
DMA资料解析
态过程。这是系统以线性粘弹为主导。应力和应变的 值是线性相关的，同时任何流体的行为可以完全描述 为时间的单一函数。" (Written by Bill Graessley,
Princeton University)
Reference: Mark, J.,et.al., Physical Properties of Polymers, American Chemical Society, 1984, p. 102.
Stress
d = 0°
Stress
纯粘性响应 (牛顿流体)
d = 90°
Strain
Strain
动态力学测试 : 粘弹体的响应
Strain Stress
Phase angle 0°< d < 90°
DMA 粘弹性参数：The Complex, Elastic, & Viscous Stress
各向同性弹性材料模量与泊松比的关系
➢ 各向同性材料：在材料任何一点的任何方 向上性能相同。没有取向的无定型高分子 材料和退火的玻璃为各向同性材料。
➢ 如果一个均匀的各向同性材料的任何两个 弹性常数确定，我们可以计算出其它两个 常数。
E = 2G(1 + n) = 3B(1 + 2n)
1. Nielsen, Lawrence E., Mechanical Properties of Polymers and Composites, Marcel Dekker, Inc., New York, 1974, p. 1. 2. Hayden, H. W., Moffatt, W.G., and Wulff, J., The structure and Properties of Materials, Volume III, Mechanical Behavior, John Wiley & Sons, Inc, New York, 1965, p.26.
Princeton University)
Reference: Mark, J.,et.al., Physical Properties of Polymers, American Chemical Society, 1984, p. 102.
Stress
d = 0°
Stress
纯粘性响应 (牛顿流体)
d = 90°
Strain
Strain
动态力学测试 : 粘弹体的响应
Strain Stress
Phase angle 0°< d < 90°
DMA 粘弹性参数：The Complex, Elastic, & Viscous Stress
各向同性弹性材料模量与泊松比的关系
➢ 各向同性材料：在材料任何一点的任何方 向上性能相同。没有取向的无定型高分子 材料和退火的玻璃为各向同性材料。
➢ 如果一个均匀的各向同性材料的任何两个 弹性常数确定，我们可以计算出其它两个 常数。
E = 2G(1 + n) = 3B(1 + 2n)
1. Nielsen, Lawrence E., Mechanical Properties of Polymers and Composites, Marcel Dekker, Inc., New York, 1974, p. 1. 2. Hayden, H. W., Moffatt, W.G., and Wulff, J., The structure and Properties of Materials, Volume III, Mechanical Behavior, John Wiley & Sons, Inc, New York, 1965, p.26.
热分析-DMA
⑶TDA原理示意图 测量试样分子对热能引起的变化的响应； 晶体结构、晶格振动及物理和化学状态 的改变 ⑷热膨胀曲线
PS:真空，5℃/min
△L/μm
Tg=100℃
T/℃
2.体膨胀系数 定义：温度升高一度（℃）时，试样体积膨胀（或收缩）
的相对量， ＝ V
V0T
式中：γ——体膨胀系数；V0——起始温度下的原始体积； △V——试样在温差△T下的体积变化量 △T——试验温度差
(t[s]^(1/2)
3、热胀系数测定
探头位置(mm)
1.5443 1.540 1.535 1.530 1.525 1.520 1.515 1.510 1.505 1.500
1.494 5
环氧印刷线路板
先消除残余应力的作用
一次加热
热胀系数=270.7490E6/C
二次加热
X=121.775C Y=1.5052mm 热胀系数=50.5089E6/C
在程序控制温度下,测量物质在振动负荷下 的动态模量（刚性）和(或)力学损耗（能量 耗损）与温度的关系的技术。(A technique in which the dynamic modulus and/or damping of a substance under oscillatory load is measured as a function of temperature whilst the substance is subjected to a controlled temperature programme.)
Transverse direction
25
Temperature (C)
150
MD TD MD
TD
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这一技术与经典的静态力学方法相比 有下列特点：
第一，动态力学分析通常只需要用一个很小的试样就可以 在宽阔的频率或温度范围内连续地进行测定，因而可在较 短的时间内获得材料的动态力学性能频率谱或温度谱。
第二，对于在动态载荷条件下使用的产品，动态测量结果 比静态测量结果更接近实际，因而对产品设计更重要。
表征高聚物材料阻尼特性的应用 在飞机、建筑等结构中为了吸震、防震或吸音、 隔音都要用到阻尼材料。 阻尼材料要求材料具有高内耗，即要求tgδ 大．理想的阻尼材料应该在整个工作温度范围 内都有较大的内耗，即要求材料的tgδ-T：曲 线变化平缓．
评价材料耐环境能力 评价内容往往包括两方面：高聚物材料老化前 后的性能变化；分沂造成性能变化的结构变化 本质．
双悬臂弯曲：样品的两端及中心负载点均被夹紧。该模式 特别适合于中等模量的样品（橡胶，热塑性塑料等）。可 选的支架包括从 2 到 32 mm 三种不同的弯曲长度。若样 品一端不夹，则为单悬臂模式。
压缩：样品（橡胶，泡沫，生物高分子，糊状材料等）置于 样品支架的平面上，从上往下使用端面为平盘的推杆施加压 力。端面直径有多种规格可选，最大为 30mm。若推杆的顶 端为针状而非平盘状，则为针入模式，较适合于测试涂层一 类的材料。
[1]
800
600
2
0.15 0.10 0.05 400
[1]
200
-50
主窗口 2010-10-19 15:52 用户: TG
0
温度 /℃
50
100
150
仪器 : NETZSCH DMA 242 文件 : 标识 : 1 日期/时间 : 2010-7-7 10:05:06 实验室 : 413 操作者 : t 项目 : 1 样品/形状 : pf/立方体
拉伸：拉伸模式适合于测量薄膜，纤维或薄的橡胶条。 样品的下端被固定在支架上，上端夹在顶杆上进行振荡 测试。
DMA工作曲线 ------典型非晶态高聚物的DMA温度谱
动态力学分析技术的应用
高聚物的玻璃化转变温度的测定 玻璃化温度Tg是度量高聚物链段运动的特征温 度，在Tg以下，高聚物处于玻璃态，储能模量 大；在Tg以上，非晶态高聚物进入橡胶态，E” 和损耗因子在转变区达到最大值。 Tg是非晶态塑料的使用温度上限，是橡胶的 使用温度下限，测定Tg无论对橡胶和非晶塑料 都具有重要意义。
动态力学分析(Dynamic Mechanical Analysis )
简称DMA,基本原理是在程序控制温度下，测量物质在振 动负荷下的动态模量和阻尼与温度关系的一种技术．广泛 应用于热塑性与热固性塑料、橡胶、涂料、金属与合金、 无机材料、复合材料等领域。
测量材料的如下特性：储能模量（刚性）；损耗模量 （阻尼）；粘弹性；蠕变与应力松弛；玻璃化转变； 软化温度；二级相变；固化过程等。
600
0.10 400 2
[1]
0.05 200 103 -50
主窗口 2010-10-19 15:54 用户: TG
0
温度 /℃
50
100
150
仪器 : NETZSCH DMA 242 文件 : 标识 : 1 日期/时间 : 2010-7-7 10:05:06 实验室 : 413 操作者 : t 项目 : 1 样品/形状 : pf/立方体
皮革涂饰剂的材料DMA评价试验
聚氨酯(polyurethane，PU)作为一种新兴的皮 革涂饰材料，已经在制革整饰领域里应用开来， 并越发受到人们的重视，特别是水性聚氨酯涂 饰剂。
聚氨酯又称聚氨基甲酸酯，它是由二元或多元 异氰酸酯与二元或多元羟基化合物作用而成的 高分子化合物的总称。PU所成薄膜柔软平滑， 光泽宜人，并具有耐摩擦、耐曲折、耐老化、 耐热、耐寒及抗溶剂等优良性能，是皮革涂饰 剂最理想的成膜物质之一。
-120.0/3.0(K/min)/150.0 1/1 1Hz;5Hz;20Hz 0 ml/min 3e-005/0.1 - 7
校正 : 校正 : 校正 : 校正 : 温度校正 :
401dynamic_mass.mm2 401ESC.em2 INITIAL3.cm3 401_1a16_rotation_tuning.rm2 TCALZERO.TMX
E'' /MPa E' /MPa 105 峰值: -49.6 ℃, 1452 MPa tgδ
[1]
0.30 5 峰值: -40.8 ℃, 0.251 0.25 2 0.20 104 起始点: -54.3 ℃ 0.15 5 峰值: 143.5 ℃, 569.7 MPa
[1]
1400
1200
1000
800
动态力学分析技术的应用
评价材料的耐寒性和低温韧性 DMA图谱不仅提供了一种评价材料的耐寒性和 冲击韧性的有效方法，而且试样制备简单，重 现性好． 评价塑料耐寒性的主要依据是测定塑料低温损 耗峰的位置和强度。 评价橡胶耐寒性的依据主要是它的Tg的高低。
未知构科的初步分析 对未知材料进行一次DMA扫描：将所得到 DMA曲线与已知材料的DMA曲线进行对照， 便可初步确定待测材料的类型
E'' /MPa E' /MPa 1 2 104 峰值: -52.1 ℃, 1356 MPa 起始点: -56.8 ℃ tgδ 0.50
[1]
1400 0.45 0.40 0.35 1200
5 峰值: -43.3 ℃, 0.244
1000 0.30 0.25 0.20 峰值: 139.8 ℃, 551.4 MPa
0
温度 /℃
温度范围 : 温度段 : 频率 : 气氛 : 流量 : 平滑 :
50
100
仪器 : NETZSCH DMA 242 文件 : 标识 : 1 日期/时间 : 2010-7-7 10:05:06 实验室 : 413 操作者 : t 项目 : 1 样品/形状 : pf/立方体
-120.0/3.0(K/min)/150.0 1/1 1Hz;5Hz;20Hz 0 ml/min 3e-005/0.1 - 0
实验条件
聚氨酯材料：来源于巴斯夫公司的涂饰剂pf 形变模式：双悬臂弯曲 实验仪器：动态力学分析仪 型号 DMA242C（德国Netzsch）
E'' /MPa E' /MPa tgδ
18000 16000 14000
1.000 Hz 5.000 Hz 20.000 Hz
[1]
0.8 1400 0.7 1200
C:\Documents and Settings\TG\桌面\pf-2.dm2 样品尺寸 : 32.000x3.100x0.490 mm 变形模式 : 双悬臂 2x16 振幅 : 30.00 um DF/CSF : 2.00 N / 0.00 N PF : 0.00 材料 : pu
温度范围 : 温度段 : 频率 : 气氛 : 流量 : 平滑 :
德国Netzsch（热分析的领跑者）
动态力学分析仪 型号 DMA242C
DMA242结构示意图
各种形变模式的介绍
三点弯曲：样品搁于两个支点上，推杆顶端从上往下对样品 施加负载。两个支点间的距离遵从 DIN 53457 标准，共有 10 到 50 mm 四档可选。该形变模式适合于高储能模量的样 品，如填充或增强型的热塑性塑料与热固性树脂（复合材 料），以及金属、合金、陶瓷、玻璃等。
这一技术与经典的静态力学方法相比 有下列特点：
第三，动态力学分析技术是测定高聚物的各种转变，评价 高聚物的耐热性、耐寒性、相容性、减震阻尼效率等的一 种简便方法，并可为研究高分子的聚集态结构提供信息。 因为高聚物的玻璃化转变、结晶、取向、交联、相分离等 结构变化都与分子运动状态的变化密切相关，而分子运动 的变化又能灵敏地反映在动态力学性能上，因而动态力学 分析是研究高聚物结构——分子运动——性能的一种有效 手段。
-120.0/3.0(K/min)/150.0 1/1 1Hz;5Hz;20Hz 0 ml/min 3e-005/0.1 - 7
校正 : 校正 : 校正 : 校正 : 温度校正 :
401dynamic_mass.mm2 401ESC.em2 INITIAL3.cm3 401_1a16_rotation_tuning.rm2 TCALZERO.TMX
热分析之动态力学分析
(Dynamic Mechanical Analysis )
著名高分子物理学家A.V. Tobolsky曾说过： “如果对聚合物样品只允许你作一次实验，那 么所作的选择应该是一个固体试样在宽温度范 围内的动态力学实验”。
许多高聚物部件常常在动态载荷(交变载荷) 下使用，例如各种轮胎在转动中、塑料齿 轮在传动中，以及减震阻尼材料在使用中 都承受周期性变化的载荷作用。因此在设 计上述产品时，为了使设计方案更合理， 最好采用材料在动态测试条件下的力学性 能数据。
C:\Documents and Settings\TG\桌面\pf-2.dm2 样品尺寸 : 32.000x3.100x0.490 mm 变形模式 : 双悬臂 2x16 振幅 : 30.00 um DF/CSF : 2.00 N / 0.00 N PF : 0.00 材料 : pu
温度范围 : 温度段 : 频率 : 气氛 : 流量 : 平滑 :
[1]
104 9 8 7 6 5 4 3
1200 0.7 1000
0.6
0.5 800 0.4
2 峰值: -47.0 ℃, 0.217
峰值: 136.9 ℃, 516.9 MPa
[1]
600 0.3
0.2 103 9 8 7 6 -50
主窗口 2010-10-19 15:50 用户: TG