مبانی تحلیل مکانیکی دینامیکی (DMA)

تجزیه و تحلیل مکانیکی دینامیکی (DMA) یک روش تعیین مشخصات است که می تواند برای مطالعه رفتار مواد در شرایط مختلف مانند دما، فرکانس، زمان و غیره مورد استفاده قرار گیرد. ریشه های آن در رئولوژی (همچنین به «مبانی رئولوژی» مراجعه کنید)، یک رشته علمی که خواص ویسکوالاستیک مواد مختلف از مایعات تا جامدات را مطالعه می کند. در این متن، اصول بنیادی، مبانی DMA، حالت های مختلف اندازه گیری و سیستم های اندازه گیری مورد بحث قرار می گیرد.

DMA چیست؟

در اندازه گیری های DMA، رفتار مواد ویسکوالاستیک نمونه های جامد مانند آنالیز می شود. برای تعیین تغییر شکل یا ویژگی های جریان وابسته به زمان و دما، نمونه تحت یک تنش (یا کرنش) سینوسی مشخص قرار می گیرد و پاسخ ماده اندازه گیری می شود.

DMA چه چیزی می تواند به ما بگوید؟

در اندازه گیری های DMA، خواص ویسکوالاستیک یک ماده مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد. مدول ذخیره و تلفات E و E و ضریب تلف یا میرایی tanδ مقادیر اصلی خروجی هستند. بسته به تنظیمات آزمایش، می توان در مورد چندین ویژگی مختلف مواد مانند خواص فیزیکی (دمای انتقال شیشه ای T) اظهاراتی را بیان کرد._g، حرکات مولکولی، تبلور، پخت/پیوند متقاطع، و غیره)، خواص مکانیکی (مدول های استاتیکی و دینامیکی، رفتار میرایی، رفتار خزش و آرامش، و غیره) و همچنین رفتار طولانی مدت مواد (برهم نهی دمای زمانی (TTS)).

مدول ذخیره سازی E’ MPa اندازه گیری انرژی ذخیره شده در فاز بار

مدول اتلاف E” MPa اندازه گیری انرژی تلف شده (به طور غیرقابل برگشت) در طول فاز بار به دلیل اصطکاک داخلی.

DMA چگونه کار می کند؟

نمونه ای از ماده مورد بررسی تحت فشار یا کرنش سینوسی خاصی (تغییر شکل محوری یا پیچشی) قرار می گیرد و واکنش ماده اندازه گیری می شود (شکل 1). یک ماده ایده آل الاستیک بلافاصله و بدون هیچ تاخیری واکنش نشان می دهد. منحنی های تنش و کرنش سینوسی هیچ تغییر فازی را نشان نمی دهند، بنابراین δ صفر است. منحنی های تنش و کرنش یک ماده چسبناک ایده آل، زاویه تغییر فاز δ = 90 درجه را نشان می دهد. و همانطور که از اصطلاح ویسکوالاستیک نشان می دهد، رفتار مواد ویسکوالاستیک مخلوطی از این دو است. بنابراین، زاویه تغییر فاز 0 درجه است<δ <90°.

در شکل 2، اصطلاحات مهم و تعاریف ریاضی آنها به تصویر کشیده شده است.

اندازه گیری های رایج DMA

علاوه بر تغییر دامنه و فرکانس تنش مکانیکی ، که توسط درایو خطی یا چرخشی ابزار DMA داده می شود ، پارامترهای محیطی مانند دما یا رطوبت نسبی با استفاده از یک محفظه آزمایش محیطی قابل تنظیم است.

دامنه جارو (AS)

اندازه گیری جارو دامنه برای تعیین دامنه ویسکوالاستیک خطی یک ماده (LVE) انجام می شود. در اینجا ، عمدتا تغییر شکل الاستیک (برگشت پذیر) رخ می دهد ، که برای انواع تجزیه و تحلیل DMA بسیار مهم است ، زیرا اندازه گیری مقادیر صحیح و مطلق را بدون از بین بردن ساختار نمونه امکان پذیر می کند.

تست های جارو دامنه در دمای ثابت و فرکانس انجام می شود ، در حالی که فقط دامنه کرنش اعمال شده در حد مشخصی متفاوت است. شکل 3 منحنی نماینده برای جارو دامنه را نشان می دهد. مدول ذخیره و از دست دادن به عنوان توابع تغییر شکل مقادیر ثابت را در سویه های پایین (مقدار فلات) در محدوده LVE نشان می دهد.

جارو فرکانس (FS)

جارو فرکانس به طور کلی اطلاعاتی در مورد رفتار مواد وابسته به زمان در محدوده تغییر شکل غیر مخرب ارائه می دهد. در طول آزمایش ، فرکانس متفاوت است ، در حالی که دما و کرنش یا استرس اعمال شده ثابت نگه داشته می شود. در صورت لزوم ، تنوع کرنش در محدوده LVE امکان پذیر است. این اغلب با جارو دما ترکیب می شود تا یک منحنی اصلی که برای رشد دمای زمان (TTS) استفاده می شود ، تولید شود.

رمپ دما

اندازه گیری DMA با یک رمپ دما برای تعیین دمای انتقال (مناطق) نمونه انجام می شود. برای پلیمرها ، دمای انتقال شیشه (TG) مورد توجه ویژه ای است. رویکردهای مختلف برای تعیین TG در بخش مربوطه مورد بحث قرار خواهد گرفت.

اندازه گیری ها از جمله رمپ دما معمولاً تحت فرکانس ثابت (به عنوان مثال 1 هرتز) و استرس یا کرنش ثابت انجام می شود. در محدوده LVE ، تنوع کرنش کاربردی امکان پذیر است.

رطوبت

رطوبت نسبی اطراف ممکن است تأثیر عمده ای بر خصوصیات مکانیکی یک نمونه نیز داشته باشد. این آزمایشات معمولاً در دمای ثابت و فرکانس انجام می شود. برای برخی از نمونه ها ، تغییر در تغییر شکل برای افزایش دقت منحنی اندازه گیری شده معنی دارد. با این وجود ، ماندن در محدوده LVE مهم است.

جارو کردن

در این نوع آزمایش ، دما و فرکانس ثابت نگه داشته می شود و رفتار مادی با گذشت زمان بررسی می شود. به عنوان مثال. از آن برای بررسی واکنشهای درمانی رزین ها استفاده می شود. در این آزمایشات ، رفتار مادی از یک مایع به حالت جامد قابل تجزیه و تحلیل است. از آنجا که خصوصیات مواد نمونه های مایع و جامد بسیار متفاوت رفتار می کنند ، تغییر تغییر شکل (در محدوده LVE) می تواند به افزایش دقت اندازه گیری کمک کند.

انتقال حرارتی

با استفاده از دستگاه DMA ، دمای انتقال حرارتی را می توان با مشخصات آزمایش از جمله رمپ دما تعیین کرد. این دمای انتقال مورد توجه ویژه ای برای پلیمرها است زیرا آنها تغییرات قابل توجهی در سختی آنها در دمای خاص نشان می دهند. برای ایجاد یک انتخاب مناسب مواد برای یک برنامه خاص ، شناخت رفتار مواد وابسته به دما از پلیمرها از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

رفتار وابسته به دما از یک پلیمر ترموپلاستیک آمورف معمولی در شکل 5 نشان داده شده است.

همانطور که در نمودار نشان داده شده است ، انتقال در واقع در یک دمای دقیق اتفاق نمی افتد ، بلکه در یک محدوده دما خاص که خواص مواد تغییر می کنند. بنابراین ، رویکردهای مختلفی برای تعیین دمای انتقال شیشه وجود دارد:

• قله منحنی برنزه
• قله منحنی e ‘
• روش مرحله روی منحنی E
• روش نقطه تورم روی منحنی e´

همه این روش ها جوانب مثبت و منفی خود را دارند و منجر به نتایج کمی متفاوت می شوند. بنابراین استفاده از همان روش هنگام مقایسه مواد مختلف مهم است. همچنین باید در نظر داشته باشید که دمای انتقال مناطق انتقال و ارزشهای کاملاً مشخص نیست.

حالت های عملکرد DMA

از آنجا که سیستم های DMA می توانند طیف گسترده ای از مواد مختلف را تجزیه و تحلیل کنند ، سیستم های اندازه گیری مختلف و انواع مختلف بار مورد نیاز است.

• تنش
• خم
• پیچ خوردگی/برشی
• تراکم

برای آزمایش DMA در تنش ، خم و فشرده سازی ، می توان از سیستم های DMA مستقل کلاسیک مجهز به یک درایو خطی استفاده کرد. در اینجا ، نمونه با یک نیروی محوری بارگیری می شود. برای اندازه گیری در پیچشی یا برشی ، یک درایو چرخشی مورد نیاز است.

لطفاً توجه داشته باشید: انواع مختلف بار (نیروی محوری یا بار چرخشی) منجر به مدول های مختلف می شود. مدول یا مدول کششی جوان (همچنین به عنوان مدول الاستیک نیز شناخته می شود ، E-modulus برای کوتاه) با استفاده از یک نیروی محوری اندازه گیری می شود و مدول برشی (G-modulus) در پیچ و برشی اندازه گیری می شود. از آنجا که اندازه گیری DMA در نوسان انجام می شود ، مقادیر اندازه گیری شده مدول های پیچیده E* و G* هستند. این دو مقدار از طریق نسبت پواسون ν وصل می شوند: $ g^* = $ برای مواد ایزوتروپیک.

این بدان معنی است که ، اگر نسبت پواسون از مواد مورد بررسی شناخته شده باشد ، می توان نتایج را از یک نوع آزمایش به دیگری تبدیل کرد. از طرف دیگر ، می توان نسبت پواسون را تعیین کرد که می توان G* و E* یک ماده را اندازه گیری کرد.

لطفاً توجه داشته باشید: با توجه به روشهای مختلف تعیین E و E* (استاتیک در مقابل پویا) ، مقادیر یک و یک ماده یکسان نیستند. معمولاً مقادیر مدول پیچیده از مقادیر استاتیک بالاتر است.

سیستم های اندازه گیری

همانطور که در بالا ذکر شد ، طیف وسیعی از موادی که با استفاده از سیستم های DMA قابل آزمایش هستند بسیار زیاد است: از مواد مدول بسیار کم مانند فوم های پلیمری با وزن کم بسیار نرم ((~0. 01 تا 0. 1 MPa) به الاستومرها و ترموپلاستیک (~0. 1 تا 50،000 مگاپاسکال) و پلیمرهای تقویت شده فیبر (~10،000 تا 300،000 MPa). برای تجزیه و تحلیل این انواع بسیار متمایز از مواد ، سیستم های اندازه گیری مختلفی مورد نیاز است:

جدول 1: نمای کلی از سیستم های اندازه گیری DMA ، حالت های تغییر شکل و نمونه هایی برای نمونه های مناسب

انتخاب مواد بر اساس ویژگی های استنباط شده از تجزیه و تحلیل مکانیکی پویا

شکل 6 نمای کلی از مدول ضرر Tanδ و مدول جوان را ارائه می دهد. آنها از طریق تجزیه و تحلیل مکانیکی پویا از مواد مختلف و کلاس های مواد در دمای 30 درجه سانتیگراد نتیجه گرفتند.

جدول 2: مخفف اصطلاحات موجود در نمودار

تلاش برای برآورده کردن بسیاری از الزامات فنی مربوط به کلیه محصولات یا مؤلفه های قابل تصور با تعداد تقریباً غیرقابل کنترل مواد همراه است. این مواد از کلاسهای مختلف مواد مانند فلزات ، مواد سرامیکی ، پلاستیک و غیره ناشی می شوند. تصاویر مانند نمونه فوق ، انتخاب کلاس ها و مواد مناسب مواد را برای کاربردهای خاص امکان پذیر می کند. این می تواند به شناسایی گزینه های احتمالی در ابتدا در نظر گرفته شود.

نمودار نشان می دهد ، به عنوان مثالاین سرامیک های فنی به مقادیر مدول بسیار بالایی می رسند ، اما به سختی ظرفیت میرایی ندارند. برای برنامه هایی که نیاز به ترکیبی از مقاومت در برابر تغییر شکل بالا و ظرفیت میرایی متوسط دارند ، مواد فلزی یا کامپوزیت های پلیمری مناسب تر هستند ، همانطور که در نمودار نشان داده شده است. در مقابل ، اگر رفتار میرایی خوب در یک کاربرد از اهمیت عمده ای برخوردار باشد ، اما ظرفیت بارگذاری مکانیکی ناچیز است ، مواد موجود در زمینه فوم های پلیمری انتخاب مناسبی هستند.

به این ترتیب ، یک طراح محصول می تواند در یک نگاه ببیند که کلاس مواد نیازهای مکانیکی یک برنامه خاص را برآورده می کند تا پیش از انتخاب مواد مناسب را انجام دهد. برای یک دانشمند مادی که می خواهد یک ماده را از نزدیک بررسی کند ، نمودار تخمین از خواص مکانیکی مورد انتظار را مجاز می کند. این می تواند هنگام انتخاب سیستم های اندازه گیری مناسب و ایجاد مشخصات آزمون از ارزش بسیار خوبی برخوردار باشد.