北航材料現(xiàn)代研究方法靜動態(tài)力學熱分析

1、14. 靜、動態(tài)力學熱分析靜、動態(tài)力學熱分析測量物質(zhì)在靜態(tài)或動態(tài)負荷作用下，力學量隨溫度的測量物質(zhì)在靜態(tài)或動態(tài)負荷作用下，力學量隨溫度的變化變化按測定時的負荷分類：按測定時的負荷分類：近于零負荷：熱膨脹法（近于零負荷：熱膨脹法（TDA）靜態(tài)負荷：熱機械分析（靜態(tài)負荷：熱機械分析（TMA）振動負荷：動態(tài)力學熱分析（振動負荷：動態(tài)力學熱分析（DMTA）和扭辮分析）和扭辮分析（TBA）靜態(tài)力學熱分析靜態(tài)力學熱分析14.1靜態(tài)力學熱分析靜態(tài)力學熱分析14.1.1熱膨脹法（熱膨脹法（TDA）在程序控溫下，測量物質(zhì)在可忽略負荷時的尺寸與溫在程序控溫下，測量物質(zhì)在可忽略負荷時的尺寸與溫度關系的技術。度關系的

2、技術。在僅有自身重力條件下在僅有自身重力條件下 體積或長度變化體積或長度變化 各種類型相變（固各種類型相變（固1固固2）線脹系數(shù)、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、軟化溫度、熱變形溫度線脹系數(shù)、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、軟化溫度、熱變形溫度1502500膨脹或收縮膨脹或收縮14.1.1熱膨脹法熱膨脹法1.線膨脹系數(shù)線膨脹系數(shù)定義：溫度升高一度（定義：溫度升高一度（）時，沿試樣某一方向上的）時，沿試樣某一方向上的相對伸長（或收縮）量，相對伸長（或收縮）量，測定方法測定方法無相變時：無相變時：T1L1，T2L2；L0L1T1T2的選擇：的選擇：3030（美）；室溫（美）；室溫80（日）（日） 040（中）（中）有相變時：連續(xù)

3、升溫；確定不同溫區(qū)的線膨脹系數(shù)有相變時：連續(xù)升溫；確定不同溫區(qū)的線膨脹系數(shù)0LLT14.1.1熱膨脹法熱膨脹法TDA原理示意圖原理示意圖測量試樣分子對熱能引起的測量試樣分子對熱能引起的變化變化的響應；的響應；晶體結(jié)構(gòu)、晶格振動及物理和化學狀態(tài)晶體結(jié)構(gòu)、晶格振動及物理和化學狀態(tài)的改變的改變熱膨脹曲線熱膨脹曲線 PS:真空，真空，5/minT/L/mTg=10014.1.1熱膨脹法熱膨脹法2.體膨脹系數(shù)體膨脹系數(shù)定義：溫度升高一度（定義：溫度升高一度（）時，試樣體積膨脹（或收）時，試樣體積膨脹（或收縮）的相對量，縮）的相對量，式中：式中：體膨脹系數(shù)；體膨脹系數(shù)；V0起始溫度下的原始體積；起始溫度下

4、的原始體積； V試樣在溫差試樣在溫差T下的體積變化量下的體積變化量 T試驗溫度差試驗溫度差0VVT14.1.2熱機械分析（熱機械分析（TMA）1.定義：在程序控溫下，測量物質(zhì)在非振動負荷下的形定義：在程序控溫下，測量物質(zhì)在非振動負荷下的形變與溫度關系的技術。變與溫度關系的技術。負荷方式：拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)和針入等負荷方式：拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)和針入等2.測試原理測試原理與線膨脹測量相似，差別在于與線膨脹測量相似，差別在于TMA必須施加或多或少必須施加或多或少的靜態(tài)外力；的靜態(tài)外力；TMA的響應是膨脹行為和粘彈效應的的響應是膨脹行為和粘彈效應的 加和加和14.1.2熱機械分析（熱機械分析（

5、TMA）形變溫度曲線測定法（拉伸或收縮熱形變試驗、切形變溫度曲線測定法（拉伸或收縮熱形變試驗、切變模量軟化溫度試驗和針入度試驗）、定溫下的形變變模量軟化溫度試驗和針入度試驗）、定溫下的形變（或應力）時間曲線測定法（應力松弛和蠕變試驗）（或應力）時間曲線測定法（應力松弛和蠕變試驗）3.熱機械曲線熱機械曲線非晶態(tài)無定形線型非晶態(tài)無定形線型聚合物的溫度形變曲線聚合物的溫度形變曲線T/TgTf14.2 動態(tài)力學熱分析動態(tài)力學熱分析14.2.1定義（定義（ICTAC)動態(tài)力學熱分析（動態(tài)力學熱分析（DMTA)：在程序控溫下，測量物質(zhì)：在程序控溫下，測量物質(zhì)在振動負荷下的動態(tài)模量和（或）力學損耗與溫度關在

6、振動負荷下的動態(tài)模量和（或）力學損耗與溫度關系的技術。系的技術。扭辮分析（扭辮分析（TBA）：將試樣涂覆于一根絲辮上，在程）：將試樣涂覆于一根絲辮上，在程序控溫下，在一種特殊條件下進行測量的動態(tài)力學熱序控溫下，在一種特殊條件下進行測量的動態(tài)力學熱分析。分析。14.2.2特點：特點：所需試樣量少而獲得的信息豐富；所需試樣量少而獲得的信息豐富；材料結(jié)構(gòu)分子運動加工與應用材料結(jié)構(gòu)分子運動加工與應用動態(tài)測量結(jié)果動態(tài)測量結(jié)果14.2 動態(tài)力學熱分析動態(tài)力學熱分析14.2.3測試原理測試原理材料的動態(tài)力學行為是指材料在交變應力（或應變）材料的動態(tài)力學行為是指材料在交變應力（或應變）作用下的應變（或應力）響

7、應。作用下的應變（或應力）響應。以動態(tài)剪切為例：以動態(tài)剪切為例： 對于對于粘粘彈彈性材料性材料 其中：其中： 模量是復數(shù)，模量是復數(shù)， 0sintt 00sincossinsincosttttt 00sincostGtGt0000cossinGG*GGiGGtgG儲能模量損耗模量損耗因子14.2動態(tài)力學熱分析動態(tài)力學熱分析動態(tài)力學曲線提供了材料的力學狀態(tài)、力學性能和多動態(tài)力學曲線提供了材料的力學狀態(tài)、力學性能和多重轉(zhuǎn)變與溫度關系等信息。重轉(zhuǎn)變與溫度關系等信息。14.2.4 動態(tài)力學試驗方法動態(tài)力學試驗方法按形變模式：按形變模式： 拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、剪切和彎曲等；拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、剪切和彎曲等；

8、按振動模式：按振動模式： 自由衰減振動、強迫共振、強迫非共振和聲波傳播等自由衰減振動、強迫共振、強迫非共振和聲波傳播等自由衰減振動法：自由衰減振動法：在扭轉(zhuǎn)力作用下自由振動時振動周期、相鄰兩振幅間的對數(shù)減量在扭轉(zhuǎn)力作用下自由振動時振動周期、相鄰兩振幅間的對數(shù)減量及它們與溫度的關系。及它們與溫度的關系。扭擺法：適合于能支撐自身重力的試樣；（扭擺法：適合于能支撐自身重力的試樣；（185250）對數(shù)減量對數(shù)減量：G由曲線求得，與由曲線求得，與1/P2成正比；成正比；A0A1A2Pt01120112lnlnlnlnlnlnAAAAAAAA GGtg扭擺式扭擺式DMA示意圖及自由衰減振動的振幅時間曲線示

9、意圖及自由衰減振動的振幅時間曲線1.上夾具（固定）上夾具（固定） 2.試樣試樣 3.擺錘擺錘 4.下夾具下夾具 5.關心擺桿關心擺桿不同交聯(lián)度的酚醛樹脂的扭擺曲線不同交聯(lián)度的酚醛樹脂的扭擺曲線圖中數(shù)字表示固化劑六亞甲基四胺的質(zhì)量分數(shù)；圖中數(shù)字表示固化劑六亞甲基四胺的質(zhì)量分數(shù)；1dyn=10-5N 自由衰減振動法：自由衰減振動法：扭辮法：基本步驟與扭擺法相同；試樣截面不規(guī)則扭辮法：基本步驟與扭擺法相同；試樣截面不規(guī)則通常以通常以1/P2表征試樣的剛度，以表征試樣的剛度，以表征試樣的阻尼；表征試樣的阻尼；扭辮法的優(yōu)點：扭辮法的優(yōu)點：試樣制備簡單；試樣制備簡單；適用的模量范圍更寬；適用的模量范圍更寬

10、；溫度范圍：溫度范圍：180600自由振動的典型頻率范圍：自由振動的典型頻率范圍：101101Hz強迫共振法強迫共振法指強迫試樣在一定頻率范圍內(nèi)的恒幅力作用下發(fā)生振指強迫試樣在一定頻率范圍內(nèi)的恒幅力作用下發(fā)生振動，測定共振曲線，從共振曲線上的共振頻率與共振動，測定共振曲線，從共振曲線上的共振頻率與共振峰寬度得到儲能模量與損耗因子的方法。峰寬度得到儲能模量與損耗因子的方法。共振峰寬度：共振曲線上共振峰寬度：共振曲線上 處所對應處所對應的兩個頻率之差的兩個頻率之差 ；儲能模量正比于儲能模量正比于 ；損耗因子正比于損耗因子正比于振簧法振簧法溫度范圍：溫度范圍：150300；A2A1frf2f共振曲線

11、2A21fff 2rifiriff強迫共振法中常用的形變模式和試樣夾持方式強迫共振法中常用的形變模式和試樣夾持方式 強迫非共振法強迫非共振法指強迫試樣以設定頻率振動，測定試樣在振動中的應指強迫試樣以設定頻率振動，測定試樣在振動中的應力與應變幅值以及應力與應變之間的相位差，按定義力與應變幅值以及應力與應變之間的相位差，按定義直接計算儲能模量、損耗因子等參數(shù)。直接計算儲能模量、損耗因子等參數(shù)。DMTA型：型：0.001318Hz；150600試驗模式：應變控制下試驗模式：應變控制下單點測定（溫度、頻率、應變）單點測定（溫度、頻率、應變）應變掃描應變掃描試樣載荷或應力與應變之間的關系試樣載荷或應力與

12、應變之間的關系溫度掃描溫度掃描試樣的特征溫度試樣的特征溫度頻率掃描（最常用的頻率范圍頻率掃描（最常用的頻率范圍0.01100Hz）頻率溫度掃描（時溫疊加頻率溫度掃描（時溫疊加TTS軟件）軟件）時間掃描時間掃描材料的反應動力學材料的反應動力學均相非晶態(tài)線形高聚物典型的均相非晶態(tài)線形高聚物典型的DMTA溫度譜溫度譜 強迫非共振法強迫非共振法其他試驗模式：應力控制下其他試驗模式：應力控制下多頻溫度掃描（一次試驗得到多個頻率下的多頻溫度掃描（一次試驗得到多個頻率下的DMTA譜）譜）蠕變?nèi)渥?熱機械分析熱機械分析應力松弛（應變控制下的靜態(tài)模式）應力松弛（應變控制下的靜態(tài)模式）形變模式：形變模式：單單/雙

13、懸臂梁雙懸臂梁三點彎曲三點彎曲拉伸拉伸壓縮（軟材料）壓縮（軟材料）剪切剪切DMTA的六種動態(tài)形變模式示意圖的六種動態(tài)形變模式示意圖 14.2.5應用應用提供參數(shù)：動態(tài)儲能模量、損耗模量或損耗角正切提供參數(shù)：動態(tài)儲能模量、損耗模量或損耗角正切DMTA溫度譜溫度譜特征溫度特征溫度DMTA頻率譜頻率譜特征頻率特征頻率特征松弛時間特征松弛時間活化能活化能DMTA時間譜時間譜反應動力學參數(shù)反應動力學參數(shù)反應動力學反應動力學利用時溫疊加原理，有限頻段利用時溫疊加原理，有限頻段不同溫度下的不同溫度下的DMTA頻率譜頻率譜頻率頻率跨越十幾個數(shù)量級的主曲線跨越十幾個數(shù)量級的主曲線力學內(nèi)耗參數(shù)力學內(nèi)耗參數(shù)阻尼特性

14、，復合阻尼特性，復合材料的界面粘接性材料的界面粘接性tgEET14.2.5應用應用材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的測定材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的測定靈敏度比靈敏度比DSC高高23個數(shù)量級個數(shù)量級（但（但DSC在測熔點方面的靈敏度高于在測熔點方面的靈敏度高于DMTA）能檢測材料的微小轉(zhuǎn)變能檢測材料的微小轉(zhuǎn)變?nèi)N定義三種定義Tg的方法的方法與測試頻率和升溫速率有關，略高于靜態(tài)法與測試頻率和升溫速率有關，略高于靜態(tài)法Tg14.2.5應用應用評價材料的短期耐熱性和耐寒性評價材料的短期耐熱性和耐寒性耐熱性評價：耐熱性評價：工程上：熱變形溫度、維卡軟化點、馬丁耐熱溫度等工程上：熱變形溫度、維卡軟化點、馬丁耐熱溫度等共性：等

15、速升溫中測量規(guī)定尺寸的試樣在規(guī)定應力下共性：等速升溫中測量規(guī)定尺寸的試樣在規(guī)定應力下形變量達到規(guī)定值時對應的溫度形變量達到規(guī)定值時對應的溫度DMTA溫度譜：特征溫度（溫度譜：特征溫度（Tg或或Tm），或模量不低于），或模量不低于設計要求所對應的溫度；設計要求所對應的溫度；耐寒性評價：耐寒性評價：工程上：脆化溫度工程上：脆化溫度Tb（塑料）；（塑料）； Tg （橡膠）（橡膠）測定材料低溫損耗峰的位置和強度測定材料低溫損耗峰的位置和強度14.2.5應用應用表征材料的阻尼特性表征材料的阻尼特性材料在使用溫度與頻率范圍內(nèi)具有較高的力學內(nèi)耗材料在使用溫度與頻率范圍內(nèi)具有較高的力學內(nèi)耗理想的阻尼材料理想的

16、阻尼材料設計思想設計思想減振結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)的動態(tài)剛度）減振結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)的動態(tài)剛度）儲能模量和力學損耗頻率譜儲能模量和力學損耗頻率譜 一種高溫阻尼橡膠（一種高溫阻尼橡膠（a）和一種高溫阻尼合金（）和一種高溫阻尼合金（b）的）的DMTA溫度譜溫度譜 根據(jù)材料的阻尼特性，還可有效地根據(jù)材料的阻尼特性，還可有效地估計高分子材料的脆性和韌性。估計高分子材料的脆性和韌性。-150-100-500501001501E-30.010.1110 Temperature,oCE and E,GPa E E1E-30.010.11tg tg聚甲基丙烯酸甲酯（聚甲基丙烯酸甲酯（SHINKO-LAC MDP）的）的DMTA溫

17、度譜溫度譜 14.2.5應用應用評價材料的耐環(huán)境能力評價材料的耐環(huán)境能力評價內(nèi)容：評價內(nèi)容：材料老化前后性能變化材料老化前后性能變化分析造成性能變化的結(jié)構(gòu)變化本質(zhì)分析造成性能變化的結(jié)構(gòu)變化本質(zhì)DMTA溫度譜溫度譜如：玻璃化轉(zhuǎn)變峰向高溫移動如：玻璃化轉(zhuǎn)變峰向高溫移動 產(chǎn)生新峰產(chǎn)生新峰15.應用應用預浸料或樹脂的固化工藝研究和質(zhì)量控制預浸料或樹脂的固化工藝研究和質(zhì)量控制整個固化歷程，凝固相不影響靈敏度整個固化歷程，凝固相不影響靈敏度軟化溫度軟化溫度Ts；凝膠溫度凝膠溫度Tgel；硬化溫度硬化溫度Th；預固化溫度預固化溫度固化溫度固化溫度后處理溫度后處理溫度EtgSTgelThT15.應用應用金屬玻璃材料的研究金屬玻璃材料的研究 玻璃化