19.01.2023 by Martin Rosenschon
يمكن أن يكون التحليل الحراري ديناميكيًا أيضًا
توصيف خصائص المواد اللزجة المرنة اللزجة باستخدام التحليل الديناميكي الميكانيكي
في عملية التصميم لمنتج أو مكون ما، تعتبر معرفة الخصائص المعتمدة على درجة الحرارة للمواد المستخدمة ذات أهمية محورية. فالإطارات الشتوية، على سبيل المثال، تتكون من خلائط مطاطية مكيّفة خصيصاً لدرجات الحرارة الباردة. وهذا يضمن التماسك الأمثل وكذلك خصائص التآكل وبالتالي القيادة الآمنة.
التحليل الميكانيكي الديناميكي (اختصاراً: DMA) هو طريقة توفر معلومات عن السلوك المرن واللزج للمادة كدالة لدرجة الحرارة وتردد الحمل. يتم تعريض عينة اختبار لحمل متذبذب محدد ويتم قياس التشوه الناتج. يمكن تحديد معاملات معامل التخزين E' ومعامل الفقد E'' ومعامل التخميد tan δ من الإجهاد المطبق σ والإجهاد الناتج ε وإزاحتها δ (انظر الشكل 1). ويمثل معامل التخزين E' السلوك المرن القابل للانعكاس (الشبيه بالزنبرك) ويمثل معامل الفقد E' المكوّن اللزج أو تبديد الطاقة أيضًا. ينعكس الجمع بين كلا البارامترين في tan δ، الذي يصف خصائص التخميد.
وباستخدام حاملات العينات والملحقات وطرق القياس المختلفة، يمكن قياس أي مادة تقريبًا باستخدام جهاز DMA، بدءًا من الوسائط السائلة أو اللزجة إلى اللدائن اللينة، ومن البلاستيك غير المملوء والمقوى بالألياف إلى المعادن والسيراميك.
اعتمادًا على المادة ودرجة الحرارة والحمل، تختلف خصائص خصائص اللزوجة المرنة اختلافًا كبيرًا. في درجة حرارة الغرفة والتشوهات المنخفضة، عادةً ما تكون المعادن وسبائكها مرنة بحتة في درجة حرارة الغرفة والتشوهات المنخفضة، بينما تُظهر البوليمرات في الغالب سلوكًا مختلطًا من اللزوجة والمرونة. للبوليمرات أيضًا ما يسمى بدرجة الحرارة الانتقالية الزجاجية. في درجات الحرارة المنخفضة، تكون قاسية وهشة نسبيًا: كما يوحي الاسم، تشبه الزجاج. وفي المرحلة الانتقالية الزجاجية، يمكن لسلاسل البوليمر غير المتبلورة أن تتحرك نحو بعضها البعض ويزداد الجزء اللزج. بعد ذلك، تكون المادة في حالة الانتروبيا المرنة وتكون - اعتمادًا على المادة - لينة نسبيًا. استنادًا إلى التغير المباشر في الخواص الميكانيكية، يمكن تحديد الانتقال الزجاجي بوضوح من خلال التحليل الميكانيكي الديناميكي. وبالإضافة إلى التحليل الميكانيكي الديناميكي الديناميكي، يمكن تحديده أيضًا باستخدام المسعر التفاضلي بالمسح الضوئي (اختصارًا: DSC) استنادًا إلى التغير الناتج في السعة الحرارية.
ومع ذلك، فإن DMA هي الطريقة الأكثر حساسية في هذا الصدد وتسمح بتحديد التأثيرات التي تنطوي على تغيرات حرارية قليلة أو معدومة. ويوضح الشكل 2 قياس عينة مصنوعة من البولي تترافلوروإيثيلين (PTFE)، المعروف أيضًا باسم العلامة التجارية Teflon®، باستخدام DSC (باللون الأحمر، 10 كلفن/الدقيقة) وDMA (باللون الأسود، 1 هرتز، 2 كلفن/الدقيقة). وأشهر مثال على استخدام مادة PTFE هو الطلاء غير اللاصق للمقالي، ويرجع ذلك إلى مقاومته الحرارية والكيميائية العالية. ومع ذلك، كثيرًا ما يستخدم أيضًا في التطبيقات الطبية أو في الأنظمة الترايبولوجية مثل المحامل.
يمكن رؤية ثلاثة تأثيرات في قياس DMA. عند درجة حرارة -123 درجة مئوية (بداية E'، تُظهر المادة انتقالًا زجاجيًا في معامل التخزين E' (الخط الصلب) الذي يُعزى إلى المناطق غير المتبلورة. بين 20 درجة مئوية و40 درجة مئوية، يكون لمادة PTFE تحولان متقاربان من الصلابة إلى الصلابة. في قياس DMA - استنادًا إلى معلمات الاختبار - يمكن رؤية تأثير واحد عند درجة حرارة 29 درجة مئوية (بداية E'). في منحنى DSC (باللون الأحمر)، يمكن تحديد كلا التحولين بدرجات حرارة قصوى عند حوالي 21 درجة مئوية و31 درجة مئوية. علاوة على ذلك، يحدث التحول الزجاجي عند 113 درجة مئوية (بداية E') في منحنى DMA. في حين يمكن تصوير التحولات الصلبة-الصلبة بوضوح بواسطة DSC، لا يمكن تسجيل درجات حرارة الانتقال الزجاجي في هذه الحالة باستخدام هذه الطريقة. نظرًا لانخفاض التدفقات الحرارية، لا يمكن قياسها إلا باستخدام DMA. ونظرًا لأن التحولات الزجاجية تنشأ من الجزء غير المتبلور من المادة، فإن قياسها باستخدام المسعر التفاضلي بالمسح الضوئي غالبًا ما يكون صعبًا، خاصةً بالنسبة للمواد شديدة التبلور، ويتطلب استخدام DMA.
سواءً كانت المواد عالية القوة أو المواد اللينة، والأحمال العالية أو المنخفضة، تقدم NETZSCH نظام DMA المناسب لتطبيقك - بدءًا من الأجهزة التي توضع على الطاولة التي توفر قوى ديناميكية في نطاق رقمين من نيوتن حتى أنظمة القوة العالية بأحمال تصل إلى 1.5 كيلو نيوتن. واعتمادًا على الجهاز والإعداد، يمكن إجراء القياسات من -160 درجة مئوية حتى 1500 درجة مئوية في نطاقات تردد من 0.0001 إلى 200 هرتز.
يمكن أن يجيب تطبيق التحليل الميكانيكي الديناميكي على عدد كبير من الأسئلة. تسمح النتائج باختيار أفضل المواد الممكنة لدرجات حرارة تشغيل وحالات تحميل محددة، كما في مثال الإطارات الشتوية. من خلال تضمين الاعتماد على التردد، يمكن أيضًا تقييم المواد فيما يتعلق بعزل الصوت في نطاق السمع البشري. يمكن استخدام القياسات المقارنة لتقييم تأثير البوليمرات على البوليمرات مثل الألياف الزجاجية والمواد المضافة والملدنات، ويمكن اشتقاق الوصفات. وعلى أساس خصائص المواد اللزجة المرنة، يمكن أيضًا تحليل معلمات المعالجة، مثل ما إذا كان الراتنج يتصلب تمامًا أثناء المعالجة.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن مع الملحقات المناسبة ملاحظة تأثير الرطوبة على المادة أو يمكن فحص تفاعل المادة مع الوسائط السائلة (مثل الزيت أو المذيبات). لهذا الغرض، تتوفر مولدات الرطوبة أو حمامات الغمر لأنظمة DMA.
هذه ليست سوى عدد قليل من الاستخدامات العديدة الممكنة لقياسات DMA. وعادةً ما تحتوي أجهزة DMA على أوضاع قياس أخرى، مثل الاسترخاء وقياسات الزحف وغير ذلك الكثير، والتي توسع أيضًا مجال التطبيق.
في غضون الأسابيع القليلة القادمة، نود أن نقدم لك مجموعة متنوعة من أمثلة التطبيقات التي تم تسجيلها باستخدام أجهزة NETZSCH DMA في مجالات تطبيقية مختلفة ونلهمك لمهامك وتحدياتك المستقبلية. ابقوا معنا!
