23.03.2023 by Martin Rosenschon
Hvorfor du har brug for DMA'er med høj og lav kraft
Dynamisk mekanisk analyse (DMA) er en metode, der giver oplysninger om et materiales elastiske og viskøse opførsel som en funktion af temperatur og belastningsfrekvens. En testprøve udsættes for en defineret, svingende StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning, og den resulterende deformation måles.
Dynamiske mekaniske analysatorer (DMA'er) kan klassificeres i enheder med lav kraft, som typisk genererer dynamiske kræfter på et enkelt til et mellemstort tocifret antal newton, og systemer med høj kraft, der er i stand til at påføre op til flere kilonewton dynamisk StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning. Ud over den dynamiske kraft kan DMA'er generelt producere en statisk StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning på prøven.
Den maksimale kraft i et system bestemmer testtilstanden - for eksempel træk, bøjning eller forskydning - og de belastninger, hvormed et specifikt materiale kan karakteriseres. Lagringsmodulet E' er den begrænsende materialeegenskab i denne henseende. Det definerer de spændinger i materialet, der opstår under en måling ved en given tøjning. Den resulterende kraft bestemmes af prøveemnets geometri.
Figur 1 viser en sammenligning mellem 3-punktsbøjning, træk- og trykprøvning med udvalgte geometrier og forskellige lagringsmodulværdier i forhold til de respektive belastningskrav. Der blev antaget en dynamisk tøjning på 0,1 % (med undtagelse af 3-punktsbøjning med en bøjningslængde på 50 mm). Den maksimale StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning er baseret på en kraftfaktor på 1,1, som beskriver forholdet mellem statisk og dynamisk StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning. Alle de viste testtilstande kræver en statisk kraft ud over den dynamiske kraft. Dette hjælper med at holde det øverste værktøj i kontakt med prøven (bøjning og kompression) og forhindrer prøven i at knække (spænding).
Det skal bemærkes, at figuren kun viser et udsnit af mulighederne. Ved at reducere prøvegeometrien eller mindske belastningsamplituden kan det målbare modulspektrum normalt udvides. Der skal dog altid tages hensyn til fremstillelige og repræsentative prøveemner.
Næsten alle materialer kan karakteriseres!
Ved hjælp af passende testparametre, såsom prøvegeometri og prøveholder, kan næsten alle materialer karakteriseres i systemer med lav kraft. Selv materialer som aluminium, stål eller keramik, som har lagringsmodulværdier på ca. 70 GPa, 210 GPa og mere, kan testes med dynamiske kræfter på op til 10 N i 3-punktsbøjning (se figur 1: l: 50 mm, b: 6 mm, h: 1 mm, dyn. strain: 0,05%). Systemer med høj belastning (500 N og derover) er nødvendige for at analysere sådanne materialer i kompression eller spænding, selvfølgelig med en korrekt fastspænding af prøven.
Valget af system og måleopstilling hænger også sammen med det temperaturområde, der skal undersøges, og den dermed forbundne udvikling af viskoelastiske egenskaber. Karakterisering af materialer i en defineret måleopstilling er således ofte mulig ved en bestemt temperatur. Men hvis temperaturområdet ændres, og de mekaniske egenskaber skifter uden for det detekterede område i den valgte opsætning, kan analysen ikke længere udføres.
Figur 2 viser en DMA-måling på et WPC-materiale (Wood Polymer Compound) i 3-punktsbøjning med en fri bøjningslængde på 50 mm. WPC-materialer består dels af plast (i dette tilfælde PVC) og dels af den vedvarende ressource træ. En typisk anvendelse af WPC er terrassebrædder.
Ved en temperatur på 15 °C har materialet et lagringsmodul E' på 8,1 GPa, hvilket er relativt stift. Når temperaturen stiger, falder værdien næsten lineært til ca. 6,2 GPa ved 65 °C. I glasovergangen ved omkring 78 °C kan polymerkæderne i de amorfe områder af polymeren bevæge sig mod hinanden, og materialet mister hurtigt sin stivhed. Efter glasovergangen er lagringsmodulet E' kun 302 MPa ved 120 °C.
Antag, at materialet på grund af en testspecifikation eller en realistisk stresssituation skal måles i spændingstilstand med en belastningsamplitude på 0,1 % (maksimal total deformation: 0,21 %). For et lagringsmodul på ca. 8,1 GPa ved 15 °C kræves der et tværsnit på maksimalt 1,23 mm² for at karakterisere materialet i belastningsområdet op til 10 N. Ud over den næsten umulige forberedelse af en sådan prøve kan materialets homogenitet ikke sikres, hvilket er særligt vigtigt for repræsentative måleresultater i fyldte materialer.
Ifølge figur 1 kan materialet uden problemer måles ved hjælp af en prøve med et tværsnitsareal på 3 mm² i en enhed med 25 N dynamisk kraft. Prøver med et endnu større tværsnit, f.eks. 10 mm², ville kræve et apparat med ca. 80 N.
NETZSCH DMA-instrumenter til dine særlige behov
Ofte er det nødvendigt med en standardiseret karakterisering af et materiale, som sikrer ensartede testbetingelser og dermed sammenlignelighed af resultater mellem forskellige institutioner. For eksempel testes elastomer- og gummimaterialer almindeligvis i kompressionstilstand med en prøve på 10 mm i højden og 10 mm i diameter i henhold til DIN 53513[1]. Under glasovergangstemperaturen har disse materialegrupper et lagringsmodul på op til 4 GPa i ufyldt tilstand, ofte over 8 GPa, når de er fyldte. Materialetestning kræver derfor systemer med høj kraft (se også figur 1).
Valg af DMA-enhed og dens kraftområde afhænger også af den effekt, der skal karakteriseres. For typiske gummifænomener som Payne- eller Mullins-effekten kræves der visse belastningsniveauer, som kun kan opnås i enheder med tilstrækkelig maksimal kraft.
Uanset om du vil måle bløde elastomerer, ufyldte eller fyldte termoplaster og hærdeplast til metaller og keramik i bøjning, træk, forskydning eller kompression, tilbyder NETZSCH Analyzing & Testing DMA-instrumenter, der er specifikt skræddersyet til dine krav. Vores produkter er designet til de belastninger, der svarer til din specifikke applikation.
[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
