热机械分析法

*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,第三章 热机械分析法,3.1,热膨胀法（,Dilatometry,，,DIL,）,水平顶杆式热膨胀法激光干涉法,3.2,静态热机械法（,Thermal Mechanical Analysis,，,TMA,）,3.4,动态热机械分析法（,Dynamic Thermal Mechanical Analysis,，,DMA,）,也称动态力学热分析法（,Dynamic Mechanical Thermal Analysis,，,DMTA,）,3.3,静态热机械法相关标准,3.5,动态热机械法相关标准,3.1,热膨胀法（,Dilatometry,，,DIL,）,3.1.1,热膨胀法的定义,物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀,在一定的温度程序、负载力接近于零的情况下，测量样品的尺寸变化随温度或时间的函数关系,热膨胀系数是材料的主要物理性质之一，它是衡量材料的热稳定性好坏的一个重要指标。,可测量固体、熔融金属、粉末、涂料等各类样品，广泛应用于无机陶瓷、金属材料、塑胶聚合物、建筑材料、涂层材料、耐火材料、复合材料等领域,测量与研究材料的如下特性,线膨胀与收缩,玻璃化温度,致密化和烧结过程,热处理工艺优化,软化点检测,相转变过程,添加剂和原材料影响,反应动力学研究,3.1.2,热膨胀测定的意义,提高材料的热稳定性,降低材料的线膨胀系数，提高材料的热稳定性，提高材料的使用安全性,提高材料的强度,如果层状物由两种材料迭置连接而成，则温度变化时，由于两种材料膨胀值不同，若仍连接在一起，体系中要采用一中间膨胀值，从而使一种材料中产生压应力而另一种材料中产生大小相等的张应力，恰当地利用这个特性，可以增加制品的强度。,例：夹层玻璃,3.1.3,材料的热膨胀系数,材料的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀,热膨胀通常用热膨胀系数表示,体积膨胀系数（,V,）,相当于温度升高,1,时物体体积的相对增大值,设试样为一立方体，边长为,L,。当温度从,T,1,上升到,T,2,时，体积也从,V,1,上升到,V,2,，体膨胀系数,由于膨胀系数一般比较小，可忽略高阶无穷小。取一级近似：,(5.1),(5.2),在测量技术上，体膨胀比较难测，通常应用以上关系来估算材料,的体膨胀系数,已足够精确。,3.1.4,线膨胀系数（,L,）,在实际工作中一般都是测定材料的线热膨胀系数。所以对于普通材料，,通常所说膨胀系数是指线膨胀系数。,线膨胀系数是指温度升高,1,后，物体的相对伸长。,设试样在一个方向的长度为,L,。当温度从,T,1,上升到,T,2,时，长度也从,L,1,上升到,L,2,，则平均线膨胀系数,(5.3),几种无机材料的热膨胀曲线,3.1.4,材料热膨胀系数的检测方法,测定无机非金属材料热膨胀系数常用：千分表法、热机械法（光学法、电磁感应法）、体积法 等,它们的共同点都是试样在加热炉中受热膨胀，通过顶杆将膨胀传递到检测系统。不同之处在于检测系统。,卧式膨胀仪,技术参数,可自由更换如下四种炉体：低温炉（,-180 . 500,）、中高温炉（,RT . 1100,）、高温炉（,RT . 1600,）、超高温炉（,RT . 2000,）,升降温速率：,0 . 50 K/min,（取决于不同的炉体类型）,样品支架：石英支架（, 1100C,），氧化铝支架（, 1700,），石墨支架（,2000,）,测量范围：,500,5000,m,样品长度：最大,50 mm,样品直径：最大,12 mm,（另有,19 mm,可选）,L,分辨率：,0.125 nm / 1.25 nm,气氛：惰性、氧化、还原、静态、动态,计算型,DTA,：可在热膨胀测试的同时得到,DTA,曲线，并可用于温度校正,高真空密闭，最高真空度,10-5mbar,（,10-3 Pa,）,可联用，在炉子出口处使用可加热的适配器连接,测定原理（石英,/,氧化铝膨胀仪）,3.1.5,实验过程,试 样 加 工,试样切割,合适的样品尺寸（长度不超过,25mm,，直径,2-5,）,试样打磨,上下两个底面平行,测量初始长度,用游标卡尺,样品放入仪器的支架,设定实验条件,初始温度、终止温度、加热方式（线性,/,等温等）,实验范围内应保证样品不熔融、不大量分解！,分析数据,校正支架的膨胀,1.,试样加工与安装,2.,热历史对玻璃线膨胀系数的影响,玻璃的热历史对玻璃线膨胀系数的影响,淬火：玻璃成形后快速冷却,精密退火：玻璃成形后缓慢冷却,2.,加热速度对线膨胀系数的影响,3.1.6,主要影响因素,3.1.7,实验数据处理,绘制膨胀曲线、计算平均线膨胀系数、求特征点的温度,标出特征点温度,在图上求玻璃的转变温度,Tg,和软化点温度,Tf,。,以,3,个试样的平均值表示实验结果,图中显示的是金属铁的线膨胀曲线和物理膨胀系数曲线。实验在氦气气氛下进行，使用,5K/min,的升温速率。在,906,（物理,Alpha,曲线的峰值温度）处出现收缩现象，这表明此时金属铁发生晶格转变（,bccfcc,），另一个晶格转变出现在,1409,（,fccbcc,）。这两个数值与文献值有所偏差是由于样品中存在少量杂质。,3.1.8,典型应用举例,3.2,静态热机械分析法,(TMA),3.2.1 TMA,法的定义及用途,热机械分析技术是在程序温度控制下,(,等速升温、降温、恒温或循环温度,),，测量物质在受非振荡性的负荷,(,如恒定负荷,),时所产生的形变随温度变化的一种技术，简称,TMA,由于各种物质随温度的变化，其力学性能相应地发生变化。因此，热机械分析对研究和测量材料的应用温度范围、加工条件、力学性能等都具有十分重要的意义。,热机械分析虽然涉及的材料对象非常广泛，包括金属、陶瓷、无机、有机等材料，但用它来研究高分子材料的玻璃化温度,Tg,、流动温度,Tf,、相转变点、杨氏模量、应力松弛等更具有特殊的意义。,TMA,可以用来测量与研究材料的如下特性：,线膨胀与收缩性能,玻璃化温度,穿刺性能,薄膜、纤维的拉伸收缩,热塑性材料的热性能分析,相转变,软化温度,分子重结晶效应,应力与应变的函数关系,热固性材料的固化性能,3.2.2,热机械分析仪的种类,热机械分析仪按机械结构形式不同可以分为天平式和直筒式两种,3.2.2.1,天平式,探头和外套管等可用石英、氧化铝瓷或钨等材料制成。由于石英膨胀系数小，故常被采用，但它只适用于,1000,以下的热机械分析仪,氧化铝瓷的膨胀系数比石英大，而且因质而异，不能在生产时控制好，促使用温度高，约,1700,。钨的膨胀系数稳定，在石英和氧化铝瓷之间，适用于高温或超高温，约,2500,，但必须在真空或高纯惰性保护气体中工作,差动变压器的作用是把位移信号转变为电压，其磁心常用铁镍合金、铁氧体，它们导磁率高，涡流和磁滞损耗小。,差动变压器至少有三个线圈，中间线圈用以施加,500-10kHz,的交流电压，两端的两个次级线圈反极性串接，其电压与位移成正比,加压砝码用于改变试样加压时预应力的大小，拉伸砝码,用于改变试样拉伸时预应力的大小,3.2.2.2,直筒式,可分成弹簧型、磁力型和浮子型三种,下皿式的优点是装样方便，因为试样位置与台子高度接近。此外，它不像天平式那样在发生位移运动时带有微小的转动,加热炉,加热炉系统,平台,LVDT,悬浮系统,施力线圈系统,往返步进马达,炉子升降马达,导向螺杆,样品,探头,冷却槽,3.2.2 TMA,的探头及应用,通常热机械分析仪备有线膨胀,(,包括压缩,),探头、拉伸探头、弯曲探头、针入,(,或称穿透,),探头和体膨胀探头等，各种探头有着不同的应用,常用的探头材料有铝合金、石英、氧化铝等,铝合金加工方便，但不能在,600,以上工作,石英探头的优点是膨胀系数很低，测试精度高，可在,1100,下工作，但加工麻烦、加工精度差,氧化铝能耐高温，可在,1500,以下工作,平头膨胀 大面积膨胀 穿透 半球形,3.2.3.1,标准模式,线性升温：力保持恒定，在线性升温程序下检测位移变化，从而得到材料的内在性质。,恒应变,(,收缩力,),：在恒定的应变下，检测线性温度程序下保持应变需要的力。可用于薄膜,/,纤维，评估收缩力。,线性力变化：在恒温的条件下测量线性变化的力所产生的应变，从而得到力位移曲线和模量信息。,3.2.3 TMA,的操作模式,3.2.3.2,应力,/,应变模式,在恒定的温度下，施加线性变化的应力或应变，测量对应的应变或应力,从而得到应力,/,应变曲线及相关的模量信息。另外所计算出的模量作为应力、应变、温度或时间的函数来显示,3.2.3.3,蠕变,/,应力松弛模式,通过瞬态测试,(,蠕变或应力松弛,),得到粘弹特性,在蠕变实验中，应力保持常数，监测应变随时间的变化,在应力松弛实验中，应变保持常数，监测应力衰减,二者均为瞬态测试，用来评估材料的形变和回复性质。这些数据可表征为柔量,(,蠕变模式,),和松弛模量,(,应力松弛模式,),。,5.2.3.4,调制,TMA,模式,(MTMA),在调制,TMA,中，样品经历线性温度变化和既定振幅与周期的正弦温度变化的共同作用，所得到的原始信号通过傅立叶转换得到总位移和热膨胀系数。二者都可以被解析成可逆和不可逆信号。可逆信号包含由于尺寸变化引起的效应,(,如,Tg,),；不可逆信号包含具有时间依赖性的动力学过程,(,如应力松弛,),。,这种测量模式只能在,Q400EM,上实现。,3.2.4 TMA,的校准,(,包括热膨胀,),炉温的校准,使用两种以上覆盖试样测试温度范围的已知熔点金属标样校准炉温,由标样所制金属片的厚度约为,0.1mm,，在与试样所用相同实验条件下测量参样的熔点,在与试样相同负荷下，测量因参样熔化而出现压杆针入的点,按照,ISO11359-3,测定试样的针入温度,3.2.5 TMA,的空白实验,在与试样所用相同的条件下,(,但并无试样,),进行空白实验，,记录,TMA,曲线。,利用空白实验测得的数据校准试样测得的数据,3.2.6 TMA,实验步骤,将试样置于样品支持器上,放置温度传感器使其尽量接近试样,利用位移转换器测定试样在,实验开始时,的长度,L,0,选择温度范围、升降温速率和所施负荷,(,按,ISO 11359-2,或,ISO 113593,或相关材料标准的要求,),记录与温度或时间关系的,TMA,曲线,比较空白实验曲线与实验所得的,TMA,曲线，并做所需的校准,3.3,相关标准,TMA,ASTM E2206-2006 Standard Test Method for Force Calibration Of,Thermomechnical,Analyzers,热机械分析仪的力校验的标准方法,ASTM E831-2006 Standard Test Method for Linear Thermal Expansion of Solid Materials by,Thermomechanical,Analysis,JIS K7197-1991 Testing method for linear thermal expansion coefficient of plastics by,thermomechanical,analysis,JIS K7196-1991 Testing method for softening temperature of thermoplastics film and sheeting by,thermomechanical,analysis,BS ISO 11359-3-2002 Plastics -,Thermomechanical,analysis (TMA) - Determination of penetration temperature,BS ISO 11359-1-1999 Plastics -,Thermomechanical,analysis (TMA) - General principles,BS ISO 11359-2-1999 Plastics -,Thermomechanical,analysis (TMA) - Determination of coefficient of linear thermal expansion and glass transition temperature,ISO 11359-2-1999 Plastics -,Thermomechanical,analysis (TMA) - Part 2: Determination of coefficient of linear thermal expansion and glass transition temperature,热膨胀,(DIL),BS 7030-1988 Method for determination of the coefficient of mean linear thermal expansion of glass,DIN 53752-1980 Testing of plastics; determination of the coefficient of linear thermal expansion,DIN ISO 7991-1998 Glass - Determination of coefficient of mean linear thermal expansion (ISO 7991:1987),DIN 51739-1998 Testing of solid fuels - Determination of the dilatation of coal,JIS Z2285-2003 Measuring method of coefficient of linear thermal expansion of metallic materials,JIS R3102-1995 Testing method for average linear thermal expansion of glass,ISO 7991-1987 Glass; Determination of coefficient of mean linear thermal expansion,BS EN 14581-2005 Natural stone test methods - Determination of linear thermal expansion coefficient,BS EN 14617-11-2005 Agglomerated stone - Test methods - Determination of linear thermal expansion coefficient,DIN EN 13471-2001 Thermal insulating products for building equipment and industrial installations - Determination of the coefficient of thermal expansion; German version EN 13471:2001,DIN EN 14581-2005 Natural stone test methods - Determination of linear thermal expansion coefficient; German version EN 14581:2004,DIN 51177-2008 Vitreous and porcelain enamels - Preparation of,enamelled,samples and determination of thermal expansion coefficient,DIN EN 13009-2000,Hygrothermal,performance of building materials and products - Determination of,hygric,expansion coefficient; German version EN 13009:2000,JIS H7404-1993 Test method for linear thermal expansion coefficient of fiber reinforced metals,NF B10-639-2005 Natural stone test method - Determination of linear thermal expansion coefficient,EN 13471-2001 Thermal insulating products for building equipment and industrial installations - Determination of the coefficient of thermal expansion; German version EN 13471:2001,EN 14581-2004 Natural stone test methods - Determination of linear thermal expansion coefficient; German version EN 14581:2004,EN 13009-2000,Hygrothermal,performance of building materials and products - Determination of,hygric,expansion coefficient; German version EN 13009:2000,ASTM E228-2006 Standard Test Method for Linear Thermal Expansion of Solid Materials With a Push-Rod Dilatometer,ASTM D2765-2001(2006). Standard Test Methods for Determination of Gel Content and Swell Ratio of,Crosslinked,Ethylene Plastics,BS EN 1770-1998 Products and systems for the protection and repair of concrete structures - Test methods - Determination of the coefficient of thermal expansion,BS EN 13471-2001 Thermal insulating products for building equipment and industrial installations - Determination of the coefficient of thermal expansion,BS EN 13009-2000,Hygrothermal,performance of building materials and products - Determination of,hygric,expansion coefficient,BS ISO 14420-2005 Carbonaceous products for the production of,aluminium,- Baked anodes and shaped carbon products - Determination of the coefficient of linear thermal expansion,DIN EN 14617-11-2005 Agglomerated stone - Test methods - Part 11: Determination of linear thermal expansion coefficient; German version EN 14617-11:2005,JIS R3251-1995 Measuring method of the linear thermal expansion coefficient for low expansion glass by laser,interferometry,ISO 14420-2005 Carbonaceous products for the production of,aluminium,- Baked anodes and shaped carbon products - Determination of the coefficient of linear thermal expansion,ISO 4897-1985 Cellular plastics; Determination of the coefficient of linear thermal expansion of rigid materials at sub-ambient temperatures,NF P50-765-2000,Hygrothermal,performance of building materials and products - Determination of,hygric,expansion coefficient,NF P18-939-1998 Products and systems for the protection and repair of concrete structures. Test methods. Determination of the coefficient of thermal expansion,NF P75-418-2002 Thermal insulating products for building equipment and industrial installations - Determination of the coefficient of thermal expansion,NF B10-602-11-2005 Agglomerated stone - Test methods - Part 11 : determination of linear thermal expansion coefficient,EN 14617-11-2005 Agglomerated stone - Test methods - Part 11: Determination of linear thermal expansion coefficient; German version EN 14617-11:2005,ASTM D6341-1998(2005). Standard Test Method for Determination of the Linear Coefficient of Thermal Expansion of Plastic Lumber and Plastic Lumber Shapes Between -30 and 140&176F (-34.4 and 60&176C),ASTM C531-2000(2005) Standard Test Method for Linear Shrinkage and Coefficient of Thermal Expansion of Chemical-Resistant Mortars, Grouts, Monolithic,Surfacings, and Polymer Concretes,BS 6319-12-1992 Testing of resin and polymer/cement compositions for use in construction - Methods for measurement of unrestrained linear shrinkage and coefficient of thermal expansion,DIN EN 1770-1998 Products and systems for the protection and repair of concrete structures - Test methods - Determination of the coefficient of thermal expansion; German version EN 1770:1998,NF T70-313-1995 Energetic materials for defense. Physical-chemical analysis and properties. Coefficient of linear thermal expansion by direct measurement,EN 1770-1998 Products and systems for the protection and repair of concrete structures - Test methods - Determination of the coefficient of thermal expansion; German version EN 1770:1998,国内相关标准,GB/T 11998-1989,塑料玻璃化温度测定方法 热机械分析法,WJ 2291-1995,热机械分析仪检定规程,YBB 0021-2003,线性膨胀系数测定法,QB/T 2298-1997,双线法测玻璃线热膨胀系数,QJ 1867-1990,胶粘剂平均线膨胀系数测试方法,QJ 1490-1988,复合固体推进剂线膨胀系数测定方法,QB/T 1321-1991,陶瓷材料平均线热膨胀系数测定方法,YB B0021(03)-2003,线热膨胀系数的测定法（试行）,YBB 0020(03)-2003,平均线热膨胀系数的测定法（试行）,JB/T 7758.5-2008,柔性石墨板,.,线膨胀系数测定方法,JC/T 679-1997,玻璃 平均线性热膨胀系数试验方法,HB 5367.8-1986,碳石墨密封材料热膨胀系数,.,试验方法,YBB 0020-2003,平均线热膨胀系数测定法,GB/T 16920-1997,玻璃 平均线热膨胀系数的测定,QJ 1522-1988,刚性固体低温线性热膨胀系数测试方法,SJ/T 11036-1996,电子玻璃平均线热膨胀系数的测试方法,GB/T 2572-2005,纤维增强塑料平均线膨胀系数试验方法,GB/T 1036-2008,塑料,-30,30,线膨胀系数的测定 石英膨胀计法,GB/T 16535-2008,精细陶瓷线热膨胀系数试验方法,.,顶杆法,YS/T 63.4-2006,铝用炭素材料检测方法第,4,部分：热膨胀系数的测定,GB/T 20673-2006,硬质泡沫塑料 低于环境温度的线膨胀系数的测定,GB/T 7962.16-1987,无色光学玻璃测试方法 线膨胀系数和转变温度测试方法,GB/T 3074.4-2003,石墨电极测定方法 石墨电极热膨胀系数,(CTE),测定方法,GB/T 5594.3-1985,电子元器件结构陶瓷材料性能测试方法 平均线膨胀系数测试方法,3.4,动态热机械分析法（,Dynamic Thermal Mechanical Analysis,，,DMA,）,3.4.1 DMA,的定义,动态热机械分析法,(DMA),是在程序温度控制下测量物质在承受振荡件负荷,(,如正弦负荷,),时模量和力学阻尼随温度变化的一种方法,它在测量分子结构单元的运动，特别在低温时比其他分析方法更为灵敏、更为有用,聚合物的机械性能取决于：,操作温度,交变载荷类型,交变载荷的频率以及加载时间,聚合物的模量不是常数，而是温度、时间以及交变载荷频率的函数,动态力学实验的方法：强制共振，强制非共振，声波传布,异步,-,粘性,同步,-,弹性,o,时间,o,时间,o,时间,= 0,= 90,o,o,o,时间,o,k,DMA,通常采用交变信号,拉伸 弯曲 旋转,协同运动,应力,时间,应变,k,粘弹性,ex.,模,量,(,Modulus),粘,度(,Viscosity),阻尼相(,tan,) ,微小的相,变,化,ex.,g- transition,用,DSC/TMA,难以测得的,Tg,预测,材料使用,寿,命,ex. Creep Recovery, Time-temp. superposition ,模拟生产,及,使用中的环境变,化,对材料的影响,ex. Curing process, controlled humidity, Solvent Immersion ,DMA,的优势,非晶,聚合物在不同的温度下，分别呈现三种不同的力学状态和两种转变区,玻璃态,高弹态,粘流态,非晶聚合物的力学状态,玻璃化转变区,粘弹转变区,理想的,DMA,曲线,E/Pa,Temperature /K,T,m,- melting (1),Rubbery Plateau (2),T,a,or T,g,T,b,(6),(5)(4)(3)(2)(1),localbendsidegraduallargechain,motionsandgroupsmainscaleslippage,stretchchainchain,T,g,(6),Rubbery plateau is related to M,e,between crosslinks or entanglements.,For thermosets,no T,m,occurs.,Beta transitions are often,related to the toughness.,Tg is related to Molecular mass,up to a limiting value.,For purely crystalline,materials, no T,g,occurs.,In semicrystalline polymers,a crystal-crystal slip, T,a,* occurs.,T,ll,in some,amorphous,polymers,(5),(4),(3),-200 -100 0 100 200,0,-1,-2,-3,log(tan),温度,C,峰,可能,为苯基绕主链的运动。,峰据认为是存在头头结构所致；,峰是苯环绕与主链连接键的运动,聚苯乙烯的次级转变,3.4.2,与,DMA,有关的几个术语,模量,(Modulus),材料在受力状态下应力与应变之比,相应于不同的受力状态，有不同的称谓,例如，拉伸模量（,E,）；剪切模量（,G,）；,体积模量,（,K,）；纵向压缩量（,L,）等。,该词由拉丁语“小量度”演化而来,原来专指材料在弹性极限内的一个力学参数。,在不加任何定冠词时往往就认为指弹性模量，即应力与应变之比是一常数,该值的大小是表示此材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力,模量的性质依赖于形变的性质。剪切形变时的模量称为剪切模量，用,G,表示；压缩形变时的模量称为压缩模量，用,K,表示。模量的倒数称为柔量，用,J,表示。,弹性模量,(Modulus of Elasticity),又称杨氏模量,材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系（即符合,胡克定律,），其比例系数称为弹性模量,是弹性材料的一种最重要、最具特征的力学性质,是物体弹性变形难易程度的表征，用,E,表示，以单位面积上承受的力表示，单位为牛,/,米,2,。,正切模量,(Tangent Modulus),在静态应力,-,应变曲线上每点的斜率，称为正切模量,通常塑性材料应力,-,应变曲线是非线性的，一般来说某点的正切模量是由该点附近应力变化量与应变变化量之比进行计算。,塑性材料不同于金属材性，它具有黏弹性，这就导致力与形变关系不是线性关系,。,工程上希望知道其相关模量，从而提出正切模量,该模量只能看作是非弹性极限范围内的宏观的模量的一种表述，为设计提供一种参考,动态模量,(Dynamic Modulus),由于应力导致应变一个相位角，使得应变分成了两个部分，第一部分为弹性贡献，与应变成线性关系，第二部分为粘性贡献，与应变速率成线性关系。即弹性响应与粘性响应分别造成各自的应力，其线性加和就是材料的总应力。,公式：,E(t,)=|,(t)|/|(t,)|=/(1),式中,:,E(t,),为动态模量,;,(t,),、,(t,),为应力和应变时间,函数,;,、,分别为应力和应变的振幅。,由于相位差的存在，动态模量是一个复数，,G=,G+iG,，,G,是弹性响应的系数，称为储能模量；,G/,为黏性响应的系数，故称为损耗模量。,G,和,G,合称动态模量,阻尼,(Damping),是指任何,振动,系统在振动中，由于外界作用和,/,或系统本身固有的原因引起的振动幅度逐渐下降的特性，以及此一特性的量化表征。,损耗模量与弹性模量之比，又称阻尼因子,(damping factor),或内耗,(internal dissipation),或损耗角正切,(loss tangent),，是每周期耗散能量与在一周期内的最大贮能之比。,对剪切应力而言，损耗因子,tan =G/G,；对法向应力而言，损耗因子,tan =E/E,。,如果,=0,，作用力完全有效地用于橡胶变形，没有内耗；,如果作用力完全用于克服橡胶的黏性阻力,(,内摩擦,),，损耗角的大小代表了动态变形下能量损耗的大小。,损耗因子,(Loss Factor),柔量,(compliance),是一个弹性常数，它等于应变（或应变分量）对应力（或应力分量）之比。,对一个理想的弹性材料来说，它是,弹性模量的,倒数，即材料每单位应力的变形率,常见的实验测定的柔量有拉伸柔量、剪切柔量、蠕变柔量等,刚度（,stiffness,）,刚度（,k,）是指弹性体抵抗变形（弯曲、拉伸、压缩等）的能力,计算公式：,k=P/,P,是作用于机构的恒力，,是由于力而产生的形变。,刚度的国际单位是牛顿每米（,N/m,）,一般来说，刚度和弹性模量是不一样的。弹性模量是物质组分的性质；而刚度是固体的性质。也就是说，弹性模量是物质微观的性质，而刚度是物质宏观的性质。,3.4.3,由,DMA,直接得到的信息,是研究材料的刚度和阻尼性能随温度、频率等变化的热技术,不仅可得到单一的模量数据，同时可以得到储存模量和损耗模量,损耗模量,(E),和储能模量,(E),的比值就是,tan,E”,E,3.4.4,由,DMA,直接得到的信息,DMA,的模量计算,输出数据,储能模量,应变,损耗模量,振幅,相位角（,或,Tan,）,频率,复合粘度,温度,动态粘度,位置,存储柔量,静态力,损耗柔量,时间,应力,线性升温速率,/,多振幅扫描,线性升温速率,/,单频率实验,步阶升温和定温,/,单频率实验,步阶升温和定温,/,多频率扫描,等温,-,定频率,/,应变扫描,应变扫描,应力,/,应变,蠕变和恢复,应力松驰,线性应力变化,TMA,模式,Autotension,(,恒力或动态力的百分比,),在三点弯曲、压缩和拉伸模式下。,3.4.5 DMA,实验的操作模式,压缩 /针入,单 / 双悬臂,剪切,预应力,(,静态),振荡,样品,拉伸,3,点弯曲,3.4.6 DMA,实验的测量模式,准确的尺寸测量对精确计算模量非常重要,3.4.7,不同测量模式的模量计算,室温下在拉伸模式下测得的不同材料的储能模量,材料,E / MPa,铝,ca. 71000,钢,ca. 212000,玻璃,ca. 80000,LDPE,200 - 500,HDPE,700 - 1400,PA 66,1600 - 3400,PS,3200 - 3250,ABS,1500 - 2700,LDPE (,玻纤增强,),1800 - 3200,HDPE (,玻纤增强,),3200 - 6700,PA 66 (,玻纤增强,),5000 - 13000,聚酯树脂,填充,10000 - 35000,橡胶混合物,10 - 50,E,E,iE,”,3.4.8 DMA,的仪器结构,试样,加热炉,夹具,空气,轴承轴,空气,轴承,光学,编码器,驱动,马达,低,质量高刚性夹具,动态质量校正,确定位移传感器和振荡器的灵敏度,(,系统常数),空系统校正,确定振荡器加载到测量系统的力,系统刚性校正,确定系统柔性,旋转调整,确定电路系统导致的相移,(,只在测量刚性很高的样品时需要),温度校正,确定实验温度和标称温度之间的差异,DMA 242C d/03.01,3.4.9 DMA,的校正,Influencing Factors,频率,载荷/应力(动态, 静态),样品形状，尺寸测量,应变模式，样品支架,样品夹持,温度范围,加热和冷却速率,目标振幅/,应变,样品制备,样品气氛,校正精确度,3.4.10 DMA,的影响因素,随着样品在玻璃化转变之后软化，样品载荷随之下降，以保证样品应变振幅不超过目标振幅,30,m,。,振幅,储能模量,E,样品载荷,3.4.11 DMA,的测量过程,由,DMA,得到的主要信号,损耗模量,tan,储能模量,Sample:Hostaflon,Deformation mode:,3-point bending,Dyn. force:4 N,Heating rate:3 K/min,Frequency:1 Hz,聚四氟乙烯,(,PTFE,),摩擦环,3.4.12 DMA,的常规应用举例,熔融之前，,PTFE,在宽广的温度范围内清晰地展现出,3,个转变,PTFE,可以用作温度和刚性,(E),标准物质,Vol,464| 11 March 2010| doi:10.1038/nature08863,3.4.13,控制测试环境下,DMA,的应用,湿度试验,聚合物的增塑（水分的影响）,纤维,水分对纸张的影响,天然产品,储存性能,浸入式流体浴,极低的温度,生物材料的软化点,在特种液体中的聚合物降解,胶囊或者涂层的溶解特性,油漆和涂料特性,紫外线环境,树脂固化,电子材料中紫外敏感型粘合剂,光固化涂层,紫外降解,湿度测试,尼龙,3.5 DMA,的相关标准,BS EN ISO 6721-1-2002 Plastics - Determination of dynamic mechanical properties - General principles,BS ISO 18437-4-2008. Mechanical vibration and shock - Characterization of the dynamic mechanical properties of,visco,-elastic materials - Dynamic stiffness method,ISO 18437-4-2008. Mechanical vibration and shock - Characterization of the dynamic mechanical properties of,visco,-elastic materials - Part 4: Dynamic stiffness method ANSI/ASTM D5026-2001 Test Method for Measuring the Dynamic Mechanical Properties of Plastics in Tension,ANSI/ASTM D5279-2001 Test Method for Measuring the Dynamic Mechanical Properties of Plastics in Torsion,ANSI/ASTM D4065-2001 Practice for Determining and Reporting Dynamic Mechanical Properties of Plastics,ANSI/ASTM D4092-2001 Definitions and Description of Terms Relating to Dynamic Mechanical Measurements on Plastics,ANSI/ASTM D4440-2001 Practice for Rheological Measurement of Polymer Melts Using Dynamic Mechanical Procedures,ANSI/ASTM D4473-2001 Measuring the Cure Behavior of Thermosetting Resins Using Dynamic Mechanical Properties,ANSI S2.22-1998 Resonance Method for Measuring the Dynamic Mechanical Properties of,Viscoelastic,Materials,ANSI/ASTM D5024-2001 Test Method for Measuring the Dynamic Mechanical Properties of Plastics in Compression,ANSI S2.23-1998 Single Cantilever Beam Method for Measuring the Dynamic,Mechanical Properties of,Viscoelastic,Materials,ASTM D5026-2006 Standard Test Method for Plastics: Dynamic Mechanical Properties: In Tension,ASTM E1867-2006 Standard Test Method for Temperature Calibration of Dynamic Mechanical Analyzers,ASTM D6382-1999(2005) Standard Practice for Dynamic Mechanical Analysis and,Thermogravimetry,of Roofing and Waterproofing Membrane Material,ASTM E1640-2009 Standard Test Method for Assignment of the Glass Transition ASTM D5024-2007 Temperature By Dynamic Mechanical Analysis,Standard Test Method for Plastics: Dynamic Mechanical Properties: In Compression,ASTM D4440-2008 Standard Test Method for Plastics: Dynamic Mechanical Properties Melt,Rheology,ASTM E2425-2005 Standard Test Method for Loss Modulus Conformance of Dynamic Mechanical Analyzer,ASTM E2254-2009. Standard Test Method for Storage Modulus Calibration of Dynamic Mechanical Analyzers,ASTM D406