DMA动态力学分析基本原理和应用

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）

动态热机械分析仪可测量材料的如下特性：储能模量（刚性）；损耗模量（阻尼）；粘弹性；蠕变与应力松弛；玻璃化转变；软化温度；二级相变；固化过程。

1.       DMA原理

(1)聚合物的粘弹行为

（a）弹性变形体系：应力与应变成正比，满足胡克定律；外力去除后，变形可以完全恢复。外力所做的功完全转化为体系的势能。

（b）粘性体系：外力作用下所产生的变形完全不能恢复，外力对体系所做的功完全转化为热能消耗掉。

（c）粘弹性体系：在外力作用下，聚合物分子链由卷曲状态转变为伸展，该过程所发生的变形属于弹性变形。

(2)振动负荷下的应力与应变

（a）完全弹性体系：如图1（a）所示当材料受到正弦交变应力作用时，应变对应力的响应是瞬间的，每一周期能量无损耗，此时有：

(b)完全粘性体系，如图1（b）所示，应变响应滞后于应力90°相位角；

（c）对于粘弹性材料，应变将始终滞后于应力0°-90°的相位角δ，如图1（c）所示并且应力应变可以用下式来表达：

图1应力（应变）正弦曲线曲线

对于聚合物粘性体系，应力与应变存在相位差

将（3）展开，可以得到：

其中，ω是角频率，δ是相位角，σ0是应力峰值，ε0是应变峰值。

贮能模量：表示在应力作用下能量在样品中的贮存能力，同时也是材料刚性的反映；

损耗模量：与应变相位差90度；表示能量的损耗程度，是材料耗散能量的能力反映；

内耗：应力应变相位角之正切值，是材料贮能与耗能能力的相对强度。

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