23.03.2023 by Martin Rosenschon
Защо ви трябват DMA с висока и ниска производителност
Динамичният механичен анализ (ДМА) е метод, който предоставя информация за еластичното и вискозното поведение на даден материал като функция на температурата и честотата на натоварване. Изпитваната проба се подлага на определено, осцилиращо натоварване и се измерва получената деформация.
Динамичните механични анализатори (DMA) могат да бъдат класифицирани като устройства с ниска сила, които обикновено генерират динамични сили в диапазона от един до средно двуцифрено число нютон, и системи с висока сила, способни да прилагат до няколко килонютона динамично натоварване. В допълнение към динамичната сила DMA обикновено могат да създават статично натоварване върху образеца.
Максималната сила на системата определя режима на изпитване - например опън, огъване или срязване - и деформациите, при които може да се характеризира конкретен материал. Модулът на съхранение E' е ограничаващото свойство на материала в това отношение. Той определя напреженията в материала, които се реализират по време на измерване при дадена деформация. Получената сила се определя от геометрията на изпитвания образец.
На фигура 1 е показано сравнение между режимите на изпитване при 3-точково огъване, опън и натиск с избрани геометрии и различни стойности на модула на съхранение по отношение на съответните изисквания за натоварване. Приема се динамична деформация от 0,1 % (с изключение на 3-точковото огъване с дължина на огъване 50 mm). Постигнатата максимална деформация се основава на коефициент на сила 1,1, който описва съотношението между статичното и динамичното натоварване. Всички показани режими на изпитване изискват статична сила в допълнение към динамичната сила. Това спомага за поддържане на контакта на горния инструмент с образеца (огъване и натиск) и за предотвратяване на огъването на образеца (опън).
Трябва да се отбележи, че фигурата показва само част от възможностите. Чрез намаляване на геометрията на образеца или намаляване на амплитудата на деформацията обикновено може да се разшири спектърът на измеримия модул. Винаги обаче трябва да се вземат предвид произвеждаеми и представителни образци за изпитване.
Почти всички материали могат да се характеризират!
При използване на подходящи параметри на изпитването, като геометрия на образеца и държач на образеца, почти всички материали могат да бъдат характеризирани в системи с ниска сила. Дори материали като алуминий, стомана или керамика, които имат стойности на модула на съхранение от около 70 GPa, 210 GPa и повече, могат да бъдат изпитвани с динамични сили до 10 N при триточково огъване (вж. фигура 1: l: 50 mm, b: 6 mm, h: 1 mm, дин. деформация: 0,05 %). Системите за високо натоварване (500 N и повече) са необходими за анализиране на такива материали при натиск или опън, разбира се, при осигурено правилно затягане на образеца.
Изборът на система и измервателна уредба е свързан също така с температурния диапазон, който трябва да се изследва, и свързаното с него развитие на вискоеластичните свойства. По този начин характеризирането на материалите в определена измервателна уредба често е възможно при определена температура. Ако обаче температурният диапазон се промени и механичните свойства се изместят извън открития диапазон на избраната настройка, анализът вече не може да бъде извършен.
На фигура 2 е показано измерване на DMA на материал WPC (Wood Polymer Compound) при 3-точково огъване с дължина на свободното огъване 50 mm. Материалите WPC се състоят отчасти от пластмаса (в този случай PVC) и отчасти от възобновяем ресурс - дървесина. Типично приложение на WPC са дъските за настилка.
При температура от 15°C материалът има модул на съхранение E' от 8,1 GPa, което е относително твърдо. С увеличаване на температурата стойността намалява почти линейно до приблизително 6,2 GPa при 65°C. При стъкловидния преход при около 78°C полимерните вериги на аморфните области на полимера могат да се движат една спрямо друга и материалът бързо губи твърдост. След стъкловидния преход модулът на съхранение E' е само 302 MPa при 120°C.
Да предположим, че поради спецификация за изпитване или реалистична ситуация на натоварване материалът трябва да се измерва в режим на опън с амплитуда на деформацията 0,1 % (максимална обща деформация: 0,21 %). За модул на съхранение от приблизително 8,1 GPa при 15 °C ще е необходимо напречно сечение с максимална площ от 1,23 mm², за да се характеризира материалът в диапазона на натоварване до 10 N. Освен почти невъзможното приготвяне на такъв образец, не може да се осигури хомогенност на материала, което е особено важно за представителните резултати от измерванията при напълнени материали.
Според фигура 1 материалът може да бъде измерен без проблеми с помощта на образец с площ на напречното сечение 3 mm² в устройство с динамична сила 25 N. За образци с още по-голямо напречно сечение, например 10 mm², ще е необходимо устройство с приблизително 80 N.
NETZSCH Инструменти DMA за вашите специални изисквания
Често е необходимо стандартизирано охарактеризиране на даден материал, което осигурява последователни условия на изпитване и по този начин съпоставимост на резултатите между различните институции. Например еластомерните и каучуковите материали обикновено се изпитват в режим на натиск с образец с височина 10 mm и диаметър 10 mm съгласно DIN 53513[1]. Под температурата на встъкляване тези групи материали имат модул на съхранение до 4 GPa в ненапълнено състояние, често над 8 GPa, когато са напълнени. Изпитването на материалите съответно изисква системи с висока сила (вж. също фигура 1).
Изборът на DMA устройство и на неговия диапазон на сила зависи също от ефекта, който трябва да се характеризира. За типични каучукови явления като ефекта на Пейн или Мълинс са необходими определени нива на деформация, които могат да бъдат постигнати само в устройства с достатъчно голяма максимална сила.
Независимо дали искате да измервате меки еластомери, ненапълнени или напълнени термопласти и термореактивни материали до метали и керамика при огъване, опън, срязване или компресия, NETZSCH Analyzing & Testing предлага DMA уреди, които са специално пригодени за вашите изисквания. Нашите продукти са проектирани за натоварванията, които съответстват на вашето конкретно приложение.
[1] DIN 53513:1990-03: Prüfung von Kautschuk und Elastomeren; Bestimmung der visko-elastischen Eigenschaften von Elastomeren bei erzwungenen Schwingungen außerhalb der Resonanz. Berlin: Beuth-Verlag 1990
