23.03.2023 by Martin Rosenschon
Proč potřebujete DMA s vysokým a nízkým výkonem
Dynamická mechanická analýza (DMA) je metoda, která poskytuje informace o elastickém a viskózním chování materiálu v závislosti na teplotě a frekvenci zatížení. Zkušební vzorek je vystaven definovanému kmitavému zatížení a měří se výsledná deformace.
Dynamické mechanické analyzátory (DMA) lze rozdělit na zařízení s nízkou silou, která obvykle vytvářejí dynamické síly v rozmezí od jednoho do středního dvojciferného čísla newtonu, a na systémy s vysokou silou, které jsou schopny vyvinout dynamické zatížení až několik kilonewtonů. Kromě dynamické síly mohou DMA obecně vytvářet i statické zatížení vzorku.
Maximální síla systému určuje režim zkoušení - například tah, ohyb nebo smyk - a deformace, při kterých lze konkrétní materiál charakterizovat. Modul skladovatelnosti E' je v tomto ohledu limitující vlastností materiálu. Definuje napětí v materiálu, které se realizuje během měření při dané deformaci. Výsledná síla je určena geometrií zkušebního vzorku.
Na obrázku 1 je uvedeno srovnání způsobů zkoušení v tříbodovém ohybu, tahu a tlaku s vybranými geometriemi a různými hodnotami modulu skladovatelnosti s ohledem na příslušné požadavky na zatížení. Předpokládala se dynamická deformace 0,1 % (s výjimkou tříbodového ohybu s délkou ohybu 50 mm). Maximální dosažená deformace vychází ze silového faktoru 1,1, který popisuje poměr statického a dynamického zatížení. Všechny uvedené zkušební režimy vyžadují kromě dynamické síly i sílu statickou. To pomáhá udržet horní nástroj v kontaktu se vzorkem (ohyb a tlak) a zabránit vybočení vzorku (tah).
Je třeba poznamenat, že obrázek ukazuje pouze část možností. Zmenšením geometrie vzorku nebo snížením amplitudy deformace lze obvykle rozšířit spektrum měřitelných modulů. Vždy je však třeba brát v úvahu vyrobitelné a reprezentativní zkušební vzorky.
Téměř všechny materiály charakterizovatelné!
Při použití vhodných zkušebních parametrů, jako je geometrie vzorku a držák vzorku, lze v systémech s nízkou silou charakterizovat téměř všechny materiály. Dokonce i materiály, jako je hliník, ocel nebo keramika, které mají hodnoty modulu skladovatelnosti kolem 70 GPa, 210 GPa a více, lze testovat dynamickými silami do 10 N ve tříbodovém ohybu (viz obrázek 1: d: 50 mm, b: 6 mm, h: 1 mm, dyn. deformace: 0,05 %). K analýze takových materiálů v tlaku nebo tahu jsou zapotřebí systémy s vysokým zatížením (500 N a více), samozřejmě se zajištěním správného upnutí vzorku.
Výběr systému a měřicího zařízení souvisí také s rozsahem zkoumaných teplot a s tím souvisejícím vývojem viskoelastických vlastností. Charakterizace materiálů v definovaném měřicím uspořádání je tedy často možná při určité teplotě. Pokud se však teplotní rozsah změní a mechanické vlastnosti se posunou mimo zjištěný rozsah zvoleného nastavení, analýzu již nelze provést.
Obrázek 2 ukazuje měření DMA na materiálu WPC (Wood Polymer Compound) ve tříbodovém ohybu s délkou volného ohybu 50 mm. Materiály WPC se skládají částečně z plastu (v tomto případě PVC) a částečně z obnovitelného zdroje dřeva. Typickou aplikací WPC jsou terasová prkna.
Při teplotě 15 °C má materiál skladovací modul E' 8,1 GPa, což je poměrně tuhý materiál. Se zvyšující se teplotou tato hodnota téměř lineárně klesá na přibližně 6,2 GPa při 65 °C. Při skelném přechodu při teplotě kolem 78 °C se polymerní řetězce amorfních oblastí polymeru mohou pohybovat proti sobě a materiál rychle ztrácí tuhost. Po skelném přechodu je skladovací modul E' při 120 °C pouze 302 MPa.
Předpokládejme, že vzhledem ke zkušební specifikaci nebo reálné napěťové situaci musí být materiál měřen v tahovém režimu s amplitudou deformace 0,1 % (maximální celková deformace: 0,21 %). Pro Pružnost a modul pružnostiPružnost pryže nebo entropická pružnost popisuje odolnost jakéhokoli pryžového nebo elastomerového systému proti vnější deformaci nebo deformaci. modul skladovatelnosti přibližně 8,1 GPa při 15 °C by byl pro charakterizaci materiálu v rozsahu zatížení do 10 N zapotřebí průřez o maximální ploše 1,23 mm². Kromě téměř nemožné přípravy takového vzorku nelze zajistit homogenitu materiálu, což je zvláště důležité pro reprezentativní výsledky měření u plněných materiálů.
Podle obrázku 1 lze materiál bez problémů měřit pomocí vzorku o průřezu 3 mm² v zařízení s dynamickou silou 25 N. V případě, že se jedná o vzorek o průřezu 3 mm², je možné jej použít k měření. Vzorky s ještě větším průřezem, například 10 mm², by vyžadovaly zařízení s přibližně 80 N.
NETZSCH Přístroje DMA pro vaše speciální požadavky
Často je nutná standardizovaná charakterizace materiálu, která zajišťuje jednotné podmínky testování, a tím i srovnatelnost výsledků mezi různými institucemi. Například elastomerové a pryžové materiály se běžně zkoušejí v kompresním režimu se vzorkem o výšce 10 mm a průměru 10 mm podle normy DIN 53513[1]. Pod teplotou skelného přechodu mají tyto skupiny materiálů v nenaplněném stavu Pružnost a modul pružnostiPružnost pryže nebo entropická pružnost popisuje odolnost jakéhokoli pryžového nebo elastomerového systému proti vnější deformaci nebo deformaci. modul skladovatelnosti až 4 GPa, po naplnění často více než 8 GPa. Zkoušení materiálů proto vyžaduje systémy s velkou silou (viz také obrázek 1).
Výběr zařízení DMA a jeho silového rozsahu závisí také na účinku, který má být charakterizován. Pro typické pryžové jevy, jako je Paynův nebo Mullinsův jev, jsou nutné určité úrovně deformace, kterých lze dosáhnout pouze v zařízeních s dostatečně velkou maximální silou.
Ať už chcete měřit měkké elastomery, neplněné nebo plněné termoplasty a termosety až po kovy a keramiku v ohybu, tahu, smyku nebo tlaku, NETZSCH Analyzing & Testing nabízí přístroje DMA, které jsou speciálně přizpůsobeny vašim požadavkům. Naše výrobky jsou navrženy pro zatížení, které odpovídá vaší konkrétní aplikaci.
[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
