北航材料現(xiàn)代研究方法靜動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析

1、14. 靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析測(cè)量物質(zhì)在靜態(tài)或動(dòng)態(tài)負(fù)荷作用下，力學(xué)量隨溫度的測(cè)量物質(zhì)在靜態(tài)或動(dòng)態(tài)負(fù)荷作用下，力學(xué)量隨溫度的變化變化按測(cè)定時(shí)的負(fù)荷分類(lèi)：按測(cè)定時(shí)的負(fù)荷分類(lèi)：近于零負(fù)荷：熱膨脹法（近于零負(fù)荷：熱膨脹法（TDA）靜態(tài)負(fù)荷：熱機(jī)械分析（靜態(tài)負(fù)荷：熱機(jī)械分析（TMA）振動(dòng)負(fù)荷：動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析（振動(dòng)負(fù)荷：動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析（DMTA）和扭辮分析）和扭辮分析（TBA）靜態(tài)力學(xué)熱分析靜態(tài)力學(xué)熱分析14.1靜態(tài)力學(xué)熱分析靜態(tài)力學(xué)熱分析14.1.1熱膨脹法（熱膨脹法（TDA）在程序控溫下，測(cè)量物質(zhì)在可忽略負(fù)荷時(shí)的尺寸與溫在程序控溫下，測(cè)量物質(zhì)在可忽略負(fù)荷時(shí)的尺寸與溫度關(guān)系的技術(shù)。度關(guān)系的

2、技術(shù)。在僅有自身重力條件下在僅有自身重力條件下 體積或長(zhǎng)度變化體積或長(zhǎng)度變化 各種類(lèi)型相變（固各種類(lèi)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(shí)，沿試樣某一方向上的）時(shí)，沿試樣某一方向上的相對(duì)伸長(zhǎng)（或收縮）量，相對(duì)伸長(zhǎng)（或收縮）量，測(cè)定方法測(cè)定方法無(wú)相變時(shí)：無(wú)相變時(shí)：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(shí)：連續(xù)

3、升溫；確定不同溫區(qū)的線膨脹系數(shù)有相變時(shí)：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(cè)量試樣分子對(duì)熱能引起的測(cè)量試樣分子對(duì)熱能引起的變化變化的響應(yīng)；的響應(yīng)；晶體結(jié)構(gòu)、晶格振動(dòng)及物理和化學(xué)狀態(tài)晶體結(jié)構(gòu)、晶格振動(dòng)及物理和化學(xué)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(shí)，試樣體積膨脹（或收）時(shí)，試樣體積膨脹（或收縮）的相對(duì)量，縮）的相對(duì)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(yàn)溫度差試驗(yàn)溫度差0VVT14.1.2熱機(jī)械分析（熱機(jī)械分析（TMA）1.定義：在程序控溫下，測(cè)量物質(zhì)在非振動(dòng)負(fù)荷下的形定義：在程序控溫下，測(cè)量物質(zhì)在非振動(dòng)負(fù)荷下的形變與溫度關(guān)系的技術(shù)。變與溫度關(guān)系的技術(shù)。負(fù)荷方式：拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)和針入等負(fù)荷方式：拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)和針入等2.測(cè)試原理測(cè)試原理與線膨脹測(cè)量相似，差別在于與線膨脹測(cè)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(yīng)是膨脹行為和粘彈效應(yīng)的的響應(yīng)是膨脹行為和粘彈效應(yīng)的 加和加和14.1.2熱機(jī)械分析（熱機(jī)械分析（

5、TMA）形變溫度曲線測(cè)定法（拉伸或收縮熱形變?cè)囼?yàn)、切形變溫度曲線測(cè)定法（拉伸或收縮熱形變?cè)囼?yàn)、切變模量軟化溫度試驗(yàn)和針入度試驗(yàn)）、定溫下的形變變模量軟化溫度試驗(yàn)和針入度試驗(yàn)）、定溫下的形變（或應(yīng)力）時(shí)間曲線測(cè)定法（應(yīng)力松弛和蠕變?cè)囼?yàn)）（或應(yīng)力）時(shí)間曲線測(cè)定法（應(yīng)力松弛和蠕變?cè)囼?yàn)）3.熱機(jī)械曲線熱機(jī)械曲線非晶態(tài)無(wú)定形線型非晶態(tài)無(wú)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(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析14.2.1定義（定義（ICTAC)動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析（動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析（DMTA)：在程序控溫下，測(cè)量物質(zhì)：在程序控溫下，測(cè)量物質(zhì)在振動(dòng)負(fù)荷下的動(dòng)態(tài)模量和（或）力學(xué)損耗與溫度關(guān)在

6、振動(dòng)負(fù)荷下的動(dòng)態(tài)模量和（或）力學(xué)損耗與溫度關(guān)系的技術(shù)。系的技術(shù)。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(jìn)行測(cè)量的動(dòng)態(tài)力學(xué)熱序控溫下，在一種特殊條件下進(jìn)行測(cè)量的動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析。分析。14.2.2特點(diǎn)：特點(diǎn)：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(yùn)動(dòng)加工與應(yīng)用材料結(jié)構(gòu)分子運(yùn)動(dòng)加工與應(yīng)用動(dòng)態(tài)測(cè)量結(jié)果動(dòng)態(tài)測(cè)量結(jié)果14.2 動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析14.2.3測(cè)試原理測(cè)試原理材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為是指材料在交變應(yīng)力（或應(yīng)變）材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為是指材料在交變應(yīng)力（或應(yīng)變）作用下的應(yīng)變（或應(yīng)力）響

7、應(yīng)。作用下的應(yīng)變（或應(yīng)力）響應(yīng)。以動(dòng)態(tài)剪切為例：以動(dòng)態(tài)剪切為例： 對(duì)于對(duì)于粘粘彈彈性材料性材料 其中：其中： 模量是復(fù)數(shù)，模量是復(fù)數(shù)， 0sintt 00sincossinsincosttttt 00sincostGtGt0000cossinGG*GGiGGtgG儲(chǔ)能模量損耗模量損耗因子14.2動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析動(dòng)態(tài)力學(xué)曲線提供了材料的力學(xué)狀態(tài)、力學(xué)性能和多動(dòng)態(tài)力學(xué)曲線提供了材料的力學(xué)狀態(tài)、力學(xué)性能和多重轉(zhuǎn)變與溫度關(guān)系等信息。重轉(zhuǎn)變與溫度關(guān)系等信息。14.2.4 動(dòng)態(tài)力學(xué)試驗(yàn)方法動(dòng)態(tài)力學(xué)試驗(yàn)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(dòng)模式：按振動(dòng)模式： 自由衰減振動(dòng)、強(qiáng)迫共振、強(qiáng)迫非共振和聲波傳播等自由衰減振動(dòng)、強(qiáng)迫共振、強(qiáng)迫非共振和聲波傳播等自由衰減振動(dòng)法：自由衰減振動(dòng)法：在扭轉(zhuǎn)力作用下自由振動(dòng)時(shí)振動(dòng)周期、相鄰兩振幅間的對(duì)數(shù)減量在扭轉(zhuǎn)力作用下自由振動(dòng)時(shí)振動(dòng)周期、相鄰兩振幅間的對(duì)數(shù)減量及它們與溫度的關(guān)系。及它們與溫度的關(guān)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(duì)數(shù)減量對(duì)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(dòng)的振幅時(shí)間曲線示

9、意圖及自由衰減振動(dòng)的振幅時(shí)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(guān)心擺桿關(guān)心擺桿不同交聯(lián)度的酚醛樹(shù)脂的扭擺曲線不同交聯(lián)度的酚醛樹(shù)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?jǐn)?shù)；圖中數(shù)字表示固化劑六亞甲基四胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；1dyn=10-5N 自由衰減振動(dòng)法：自由衰減振動(dòng)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(diǎn)：扭辮法的優(yōu)點(diǎn)：試樣制備簡(jiǎn)單；試樣制備簡(jiǎn)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(dòng)的典型頻率范圍：自由振動(dòng)的典型頻率范圍：101101Hz強(qiáng)迫共振法強(qiáng)迫共振法指強(qiáng)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(qiáng)迫試樣在一定頻率范圍內(nèi)的恒幅力作用下發(fā)生振動(dòng)，測(cè)定共振曲線，從共振曲線上的共振頻率與共振動(dòng)，測(cè)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(chǔ)能模量與損耗因子的方法。峰寬度得到儲(chǔ)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(duì)應(yīng)處所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)頻率之差的兩個(gè)頻率之差 ；儲(chǔ)能模量正比于儲(chǔ)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(qiáng)迫共振法中常用的形變模式和試樣夾持方式強(qiáng)迫共振法中常用的形變模式和試樣夾持方式 強(qiáng)迫非共振法強(qiáng)迫非共振法指強(qiáng)迫試樣以設(shè)定頻率振動(dòng)，測(cè)定試樣在振動(dòng)中的應(yīng)指強(qiáng)迫試樣以設(shè)定頻率振動(dòng)，測(cè)定試樣在振動(dòng)中的應(yīng)力與應(yīng)變幅值以及應(yīng)力與應(yīng)變之間的相位差，按定義力與應(yīng)變幅值以及應(yīng)力與應(yīng)變之間的相位差，按定義直接計(jì)算儲(chǔ)能模量、損耗因子等參數(shù)。直接計(jì)算儲(chǔ)能模量、損耗因子等參數(shù)。DMTA型：型：0.001318Hz；150600試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑簯?yīng)變控制下試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑簯?yīng)變控制下單點(diǎn)測(cè)定（溫度、頻率、應(yīng)變）單點(diǎn)測(cè)定（溫度、頻率、應(yīng)變）應(yīng)變掃描應(yīng)變掃描試樣載荷或應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系試樣載荷或應(yīng)力與

12、應(yīng)變之間的關(guān)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(shí)溫疊加頻率溫度掃描（時(shí)溫疊加TTS軟件）軟件）時(shí)間掃描時(shí)間掃描材料的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)材料的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)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(qiáng)迫非共振法強(qiáng)迫非共振法其他試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑簯?yīng)力控制下其他試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑簯?yīng)力控制下多頻溫度掃描（一次試驗(yàn)得到多個(gè)頻率下的多頻溫度掃描（一次試驗(yàn)得到多個(gè)頻率下的DMTA譜）譜）蠕變?nèi)渥?熱機(jī)械分析熱機(jī)械分析應(yīng)力松弛（應(yīng)變控制下的靜態(tài)模式）應(yīng)力松弛（應(yīng)變控制下的靜態(tài)模式）形變模式：形變模式：?jiǎn)螁?雙

13、懸臂梁雙懸臂梁三點(diǎn)彎曲三點(diǎn)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(dòng)態(tài)形變模式示意圖的六種動(dòng)態(tài)形變模式示意圖 14.2.5應(yīng)用應(yīng)用提供參數(shù)：動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能模量、損耗模量或損耗角正切提供參數(shù)：動(dòng)態(tài)儲(chǔ)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(shí)間特征松弛時(shí)間活化能活化能DMTA時(shí)間譜時(shí)間譜反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)利用時(shí)溫疊加原理，有限頻段利用時(shí)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(gè)數(shù)量級(jí)的主曲線跨越十幾個(gè)數(shù)量級(jí)的主曲線力學(xué)內(nèi)耗參數(shù)力學(xué)內(nèi)耗參數(shù)阻尼特性

14、，復(fù)合阻尼特性，復(fù)合材料的界面粘接性材料的界面粘接性tgEET14.2.5應(yīng)用應(yīng)用材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的測(cè)定材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的測(cè)定靈敏度比靈敏度比DSC高高23個(gè)數(shù)量級(jí)個(gè)數(shù)量級(jí)（但（但DSC在測(cè)熔點(diǎn)方面的靈敏度高于在測(cè)熔點(diǎn)方面的靈敏度高于DMTA）能檢測(cè)材料的微小轉(zhuǎn)變能檢測(cè)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(cè)試頻率和升溫速率有關(guān)，略高于靜態(tài)法與測(cè)試頻率和升溫速率有關(guān)，略高于靜態(tài)法Tg14.2.5應(yīng)用應(yīng)用評(píng)價(jià)材料的短期耐熱性和耐寒性評(píng)價(jià)材料的短期耐熱性和耐寒性耐熱性評(píng)價(jià)：耐熱性評(píng)價(jià)：工程上：熱變形溫度、維卡軟化點(diǎn)、馬丁耐熱溫度等工程上：熱變形溫度、維卡軟化點(diǎn)、馬丁耐熱溫度等共性：等

15、速升溫中測(cè)量規(guī)定尺寸的試樣在規(guī)定應(yīng)力下共性：等速升溫中測(cè)量規(guī)定尺寸的試樣在規(guī)定應(yīng)力下形變量達(dá)到規(guī)定值時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度形變量達(dá)到規(guī)定值時(shí)對(duì)應(yīng)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(shè)計(jì)要求所對(duì)應(yīng)的溫度；設(shè)計(jì)要求所對(duì)應(yīng)的溫度；耐寒性評(píng)價(jià)：耐寒性評(píng)價(jià)：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(cè)定材料低溫?fù)p耗峰的位置和強(qiáng)度測(cè)定材料低溫?fù)p耗峰的位置和強(qiáng)度14.2.5應(yīng)用應(yīng)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(xué)內(nèi)耗材料在使用溫度與頻率范圍內(nèi)具有較高的力學(xué)內(nèi)耗理想的阻尼材料理想的

16、阻尼材料設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)思想減振結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)剛度）減振結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)剛度）儲(chǔ)能模量和力學(xué)損耗頻率譜儲(chǔ)能模量和力學(xué)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(jì)高分子材料的脆性和韌性。估計(jì)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(yīng)用應(yīng)用評(píng)價(jià)材料的耐環(huán)境能力評(píng)價(jià)材料的耐環(huán)境能力評(píng)價(jià)內(nèi)容：評(píng)價(jià)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(dòng)如：玻璃化轉(zhuǎn)變峰向高溫移動(dòng) 產(chǎn)生新峰產(chǎn)生新峰15.應(yīng)用應(yīng)用預(yù)浸料或樹(shù)脂的固化工藝研究和質(zhì)量控制預(yù)浸料或樹(shù)脂的固化工藝研究和質(zhì)量控制整個(gè)固化歷程，凝固相不影響靈敏度整個(gè)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(yù)固化溫度預(yù)固化溫度固化溫度固化溫度后處理溫度后處理溫度EtgSTgelThT15.應(yīng)用應(yīng)用金屬玻璃材料的研究金屬玻璃材料的研究 玻璃化