第3篇14动态力学分析(DMA)优秀课件
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1
动态力学分析基础
材料的粘弹性
普弹性:外力作用下立即产生形变,外力除去后,形变 立即回复,形变对外力的响应是瞬间的。固体材料都具 有上述弹性。
理想弹性体的应力-应变关系服从虎克定律,即应力与应 变成正比,比例系数为弹性模量: σ=Eε
弹性模量表示材料的刚度,即材料抵抗变形的能力。外 力对材料做的功全部以弹性能的形式储存起来。
材料的粘弹性
聚合物是典型的粘弹性材料,兼有粘性流体和 弹性固体的某些特性。当聚合物作为结构材料 使用时,主要利用它的弹性和强度,要求它在 使用温度范围内有较大的储能模量。当聚合物 作为减震和吸音材料使用时,主要利用它的粘 性,要求在一定频率范围内有较高的阻尼(将
固体机械振动能转变为热能而耗散的材料 )。
2
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
动态粘弹性就是我们所说的动态力学性能,是我们讨 论的重点。
9
动态力学分析基础
= 0°
动态力学性能测量原理
当材料受到正弦交变应力 作用时,对于理想弹性体, 应变对应力的响应是瞬间 的,因而应变响应是与应 力同相位的正弦函数:ε(t) =ε0 sinωt ;对于理想粘性 体,应变响应滞后于应力 90°相位角;对于粘弹性材 Stress 料,应变将始终滞后于应 力0°-90°的相位角δ。
动态力学分析(DMA)
动态力学行为是指材料在振动条件下,即在交 变应力(交变应变)作用下做出的力学响应, 即力学性能(模量、内耗)与温度、频率的关系。
测定材料在一定温度范围内动态力学性能的变 化就是动态力学热分析(Dynamic Mechanical Thermal Analysis,简称DMTA)或动态力学分 析( Dynamic Mechanical Analysis,简称 DMA)。
耗模量E”、力学损耗tgδ
17
Q800 DMA仪器结构图
试样
加热炉 夹具
低质量高刚性夹具
空气轴承 光学编码器
空气轴承轴
源自文库
驱动马达
UNIQUE PATENT DESIGN
损耗模量E″,因粘性形变而以热的形式损耗的能量;
E" = (stress/strain)sin
力学损耗tanδ,损耗模量与储能模量的比值,是材料阻 尼能力的度量。
tan = E"/E'
研究材料的动态力学性能的目的,就是要精确测量各 种因素对动态模量E ‘ 、E″及损耗因子tanδ的影响。
12
动态力学分析技术
4
动态力学分析基础
粘弹行为-时间依赖性 在短时间(高频率)作用下为类似固体的响应 在长时间(低频率)作用下为类似液体的响应 如果时间足够长任何东西都在流动!
5
“Silly Putty”的固体和液体特性
T is short [< 1s]
T is long [24 hours]
6
动态力学分析基础
15
DMA工作原理——强迫非共振法
16
DMA工作原理——强迫非共振法
(1)试样分别与驱动器、应变位移传感器相连接 (2)驱动器将一定频率的正弦交变作用施加到试
样上 (3)由应变位移传感器检测出应变的正弦信号 (4)通过应力振幅与应变振幅的位置比较,得到
应力与应变的相位差 (5)经过仪器的自动处理,得到储能模量E’、损
ε=ε1+ε2+ε3
8
动态力学分析基础
静态粘弹性与动态粘弹性
应力松弛(stress relaxation)指高聚物在恒应变下应力 随时间衰减的现象。
应力松弛不仅反映聚合物的结构特征,而且可帮助了 解在实际生产中,塑料制品成型后形状不稳定(翘曲、 变形、应力开裂)的原因及寻求稳定产品质量的工艺 方法。退火过程实际上就是维持固定形状而促进应力 松弛的过程。
所有先进的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
动态力学分析基础
材料的粘弹性
对于粘弹性材料,力学行为既不服从虎克定律,也不 服从牛顿定律,而是介于两者之间。当受到外力时, 粘弹性材料的应变随时间作非线性变化,去除外力, 所产生的形变随时间逐渐且部分回复,其中弹性形变 部分可以回复,黏性形变部分不能回复。外力对粘弹 体所做的功一部分以弹性能的形式储存起来,另一部 分则以热能的形式消耗掉了。同时具有粘性和弹性两 种特性。
聚合物动态力学试验方法很多,按照形变模式 分为拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切等。测得 的模量取决于形变模式,因而弹性模量有拉伸 模量、压缩模量、剪切模量等之分。
按照振动模式分为自由衰减振动法、强迫共振 法、强迫非共振法等。
13
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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。
Strain
Stress Strain
= 90°
10
动态力学分析基础
动态力学性能测量原理
Phase angle 0°< < 90°
Stress Strain
11
动态力学分析基础
动态力学性能测量原理
储能模量E ' ,表征材料在形变过程中由于弹性形变而 储存的能量:
E' = (stress/strain)cos
7
动态力学分析基础
静态粘弹性与动态粘弹性
材料的静态粘弹性主要表现在蠕变和应力松弛两个方 面。
蠕变(creep)是指材料在恒定应力下,形变随时间增加 而增加的现象。对于高分子材料,高聚物分子构象发 生变化,受分子相互作用的影响,分子相对移动而取 向重排,这种行为不能瞬时完成而需一定的时间,因 此在整个蠕变过程中表现出不同的蠕变阶段。包括三 种形态:即普弹形变、高弹形变和塑性形变。材料的 总形变为:
动态力学分析基础
材料的粘弹性
普弹性:外力作用下立即产生形变,外力除去后,形变 立即回复,形变对外力的响应是瞬间的。固体材料都具 有上述弹性。
理想弹性体的应力-应变关系服从虎克定律,即应力与应 变成正比,比例系数为弹性模量: σ=Eε
弹性模量表示材料的刚度,即材料抵抗变形的能力。外 力对材料做的功全部以弹性能的形式储存起来。
材料的粘弹性
聚合物是典型的粘弹性材料,兼有粘性流体和 弹性固体的某些特性。当聚合物作为结构材料 使用时,主要利用它的弹性和强度,要求它在 使用温度范围内有较大的储能模量。当聚合物 作为减震和吸音材料使用时,主要利用它的粘 性,要求在一定频率范围内有较高的阻尼(将
固体机械振动能转变为热能而耗散的材料 )。
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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
动态粘弹性就是我们所说的动态力学性能,是我们讨 论的重点。
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动态力学分析基础
= 0°
动态力学性能测量原理
当材料受到正弦交变应力 作用时,对于理想弹性体, 应变对应力的响应是瞬间 的,因而应变响应是与应 力同相位的正弦函数:ε(t) =ε0 sinωt ;对于理想粘性 体,应变响应滞后于应力 90°相位角;对于粘弹性材 Stress 料,应变将始终滞后于应 力0°-90°的相位角δ。
动态力学分析(DMA)
动态力学行为是指材料在振动条件下,即在交 变应力(交变应变)作用下做出的力学响应, 即力学性能(模量、内耗)与温度、频率的关系。
测定材料在一定温度范围内动态力学性能的变 化就是动态力学热分析(Dynamic Mechanical Thermal Analysis,简称DMTA)或动态力学分 析( Dynamic Mechanical Analysis,简称 DMA)。
耗模量E”、力学损耗tgδ
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Q800 DMA仪器结构图
试样
加热炉 夹具
低质量高刚性夹具
空气轴承 光学编码器
空气轴承轴
源自文库
驱动马达
UNIQUE PATENT DESIGN
损耗模量E″,因粘性形变而以热的形式损耗的能量;
E" = (stress/strain)sin
力学损耗tanδ,损耗模量与储能模量的比值,是材料阻 尼能力的度量。
tan = E"/E'
研究材料的动态力学性能的目的,就是要精确测量各 种因素对动态模量E ‘ 、E″及损耗因子tanδ的影响。
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动态力学分析技术
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动态力学分析基础
粘弹行为-时间依赖性 在短时间(高频率)作用下为类似固体的响应 在长时间(低频率)作用下为类似液体的响应 如果时间足够长任何东西都在流动!
5
“Silly Putty”的固体和液体特性
T is short [< 1s]
T is long [24 hours]
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动态力学分析基础
15
DMA工作原理——强迫非共振法
16
DMA工作原理——强迫非共振法
(1)试样分别与驱动器、应变位移传感器相连接 (2)驱动器将一定频率的正弦交变作用施加到试
样上 (3)由应变位移传感器检测出应变的正弦信号 (4)通过应力振幅与应变振幅的位置比较,得到
应力与应变的相位差 (5)经过仪器的自动处理,得到储能模量E’、损
ε=ε1+ε2+ε3
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动态力学分析基础
静态粘弹性与动态粘弹性
应力松弛(stress relaxation)指高聚物在恒应变下应力 随时间衰减的现象。
应力松弛不仅反映聚合物的结构特征,而且可帮助了 解在实际生产中,塑料制品成型后形状不稳定(翘曲、 变形、应力开裂)的原因及寻求稳定产品质量的工艺 方法。退火过程实际上就是维持固定形状而促进应力 松弛的过程。
所有先进的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。
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动态力学分析基础
材料的粘弹性
对于粘弹性材料,力学行为既不服从虎克定律,也不 服从牛顿定律,而是介于两者之间。当受到外力时, 粘弹性材料的应变随时间作非线性变化,去除外力, 所产生的形变随时间逐渐且部分回复,其中弹性形变 部分可以回复,黏性形变部分不能回复。外力对粘弹 体所做的功一部分以弹性能的形式储存起来,另一部 分则以热能的形式消耗掉了。同时具有粘性和弹性两 种特性。
聚合物动态力学试验方法很多,按照形变模式 分为拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切等。测得 的模量取决于形变模式,因而弹性模量有拉伸 模量、压缩模量、剪切模量等之分。
按照振动模式分为自由衰减振动法、强迫共振 法、强迫非共振法等。
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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。
Strain
Stress Strain
= 90°
10
动态力学分析基础
动态力学性能测量原理
Phase angle 0°< < 90°
Stress Strain
11
动态力学分析基础
动态力学性能测量原理
储能模量E ' ,表征材料在形变过程中由于弹性形变而 储存的能量:
E' = (stress/strain)cos
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动态力学分析基础
静态粘弹性与动态粘弹性
材料的静态粘弹性主要表现在蠕变和应力松弛两个方 面。
蠕变(creep)是指材料在恒定应力下,形变随时间增加 而增加的现象。对于高分子材料,高聚物分子构象发 生变化,受分子相互作用的影响,分子相对移动而取 向重排,这种行为不能瞬时完成而需一定的时间,因 此在整个蠕变过程中表现出不同的蠕变阶段。包括三 种形态:即普弹形变、高弹形变和塑性形变。材料的 总形变为: