动态力学分析DMA

悬线法共振仪1
悬线法共振仪2
2.2.2.3 s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。
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。
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。
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
• 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。
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
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。
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，
• 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
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。
1.基本概念
• 应力(ζ)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 (ζ)；对剪切试验，为剪切模量 (G)。
1.基本概念
应
恒定频率不同温度材料的响
α峰即玻璃化转变 峰，材料性能变 化较大（E”、tan δ ），反映分子链 段开始运动，主 要是无定形区的 运动所引起的。
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η 。，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、 tan δ 达到最大，对应着材 料的玻璃化转变温度。
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 • 时间扫描模式
• 不同频率下材料的性能 • 次级转变
• 恒温、恒频下材料的性能随时间的变化 固化 老化等
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。
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。
• 动态应力扫描
• 恒应力扫描模式
• 动态应力 应变曲线 拉伸试验
• 蠕变回复扫描模式
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
tan δ 反用上述两项参数 •
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”、 tan δ的变化和材料本身的结构相 联系，反映材料内部结构特征。
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
W 温度（内因） ω。 链段的运动形态 外力的作用频率
２.测量仪器
• 2. 1测量方式/模式
• 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。
• 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。
频率对温度谱的影响
•
采用不同频率去测材料的温度谱， tan δ 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 ℃。
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
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。