动态热机械分析仪DMA原理及方法.pptx

材料分析与检测动态热机械分析仪(DMA)DMA研究生动态热机械分析仪(Dynamic Mechanical Analysis简称DMA)主要是测定在一定条件下，材料的温度、频率、应力和应变之间的关系，获得材料结构与分子运动的信息。实验室美国TA公司的DMA2980可以得到：储能模量、储能柔量、损耗模量、损耗柔量、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、玻璃化温度和次级松弛等DMA研究生DMA的理论根底是聚合物的粘弹性，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。在晶态中，分子的排列具有三维远程有序；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。此外，在晶态与液态之间还有一种过渡态-液晶态。 这些状态称为物质分子的各种凝聚态。DMA研究生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研究生聚合物也具有上述所有状态。但需指出的是：除分子量不高的低聚物能处于气态之外，分子量足够高的高聚物者，不存在气态；并非所有的高分子都能结晶，一些分子链结构缺乏规整性的高分子，缺乏结晶能力，因而只能以非晶态存在；分子链结构规整具有结晶能力的高分子，结晶一般也不完善，通常总是以局部结晶的形式，即晶相与非晶相共存的形式存在。DMA研究生二、聚合物的玻璃态、高弹态及粘流态1、玻璃态：物质处于晶态时肯定是固体，处于非晶态时可能是固体，也可能是液体。许多非晶态塑料在室温下处于液态结构的固体；从分子凝聚态来看，分子排列只有近程有序而无远程有序，应属液态结构；而从力学状态看，具有一定的体积与形状，又属固体。玻璃态的普弹性：固体材料如金属、陶瓷(包括玻璃)等，在力学性能上有一个共性，那就是具有弹性。在外力作用下立即发生形变，外力除去后，形变立即回复，形变对外力的响应是瞬间的，如以下图所示DMA研究生这种弹性形变很小，例如，小于1%形变较大时，金属材料可能发生不可回复的塑性变形，陶瓷材料可能发生脆性断裂。高聚物固体材料在小形变下也具有上述弹性。这种普遍存在的弹性称为普弹性。DMA研究生2、高弹态：高聚物在一定的条件下具有一种其他材料不可能呈现的状态-橡胶态，也称高弹态。高弹态，其凝聚态，属液态；其力学状态，属固体。其最明显的特点是能产生高达百分之几十到百分之一千的弹性形变，称为高弹形变。高聚物呈现高弹性原因是高分子链长而柔，在未受外力作用时，呈无规线团状，而在外力作用下，线团沿外力方向伸展；外力除去后，分子又自动回复到无规线团状态，如以下图(a)DMA研究生橡胶弹性的热力学驱动力是体系自发趋向于熵最大的状态对于碳-碳高分子链，从不受外力作用时的卷曲状态到外力作用下完全伸直的状态，伸长比近似地正比于N1/2，N是该高分子主链上包含的单键数。对高分子而言，N是一个远远超过100的值，因此高弹形变可高达百分之几百或更大。这种高弹形变的机理与普弹形变的机理完全不同，普弹形变主要是应力引起原子或离子间键长、键角的变化所致，如以下图(b)DMA研究生3、粘流态高聚物在流动温度或熔点以上转变为液体，也常称之为熔体或粘流体。液体的共性是能够流动。流动，从分子运动的角度看，是分子在外力作用方向上发生了相对迁移；从形变的角度看，是发生了不可回复的塑性形变。流动的难易程度用粘度来衡量，它表征分子间发生相对迁移所需克服摩擦力的大小。DMA研究生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，还不可防止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。DMA研究生三、高聚物性能与时间的关系进一步研究高聚物的力学性能，发现它们的性能与时间有关。所谓与时间有关，是指同一种高聚物材料的力学性能，如刚度、强度、韧性、阻尼等，都会随试验频率、升温速率、观察时间等时间因素的变化而发生明显的变化。有机玻璃在常温下快速拉伸时，是典型的脆性材料，而在慢速拉伸时，能够屈服并在屈服后继续，产生很大的形变，这种形变外表上似是塑性形变，实质上却是高弹形变。橡胶材料，在低频应力作用下表现得柔软而富弹性，但在高频作用下，会变得相当刚硬。这类弹性随时间变化，统称为高聚物弹性中带有一定的粘性。 DMA研究生四、材料粘弹性的概念1