23.03.2023 by Martin Rosenschon
Γιατί χρειάζεστε DMA υψηλής και χαμηλής ισχύος
Η δυναμική μηχανική ανάλυση (DMA) είναι μια μέθοδος που παρέχει πληροφορίες σχετικά με την ελαστική και ιξώδη συμπεριφορά ενός υλικού ως συνάρτηση της θερμοκρασίας και της συχνότητας φόρτισης. Ένα δείγμα δοκιμής υποβάλλεται σε καθορισμένο, ταλαντευόμενο φορτίο και μετράται η προκύπτουσα παραμόρφωση.
Οιδυναμικοί μηχανικοί αναλυτές (DMA ) μπορούν να ταξινομηθούν σε συσκευές χαμηλής δύναμης, οι οποίες συνήθως παράγουν δυναμικές δυνάμεις σε μονοψήφιο έως μεσαίο διψήφιο αριθμό Newton, και σε συστήματα υψηλής δύναμης ικανά να εφαρμόζουν έως και μερικά κιλονότονα δυναμικού φορτίου. Εκτός από τη δυναμική δύναμη, τα DMA μπορούν γενικά να παράγουν ένα στατικό φορτίο στο δείγμα.
Η μέγιστη δύναμη ενός συστήματος καθορίζει τον τρόπο δοκιμής -για παράδειγμα, εφελκυσμό, κάμψη ή διάτμηση- και τις τάσεις στις οποίες μπορεί να χαρακτηριστεί ένα συγκεκριμένο υλικό. Το μέτρο αποθήκευσης E' είναι η περιοριστική ιδιότητα του υλικού από την άποψη αυτή. Καθορίζει τις τάσεις στο υλικό που πραγματοποιούνται κατά τη διάρκεια μιας μέτρησης σε μια δεδομένη τάση. Η προκύπτουσα δύναμη καθορίζεται από τη γεωμετρία του δοκιμίου.
Στο σχήμα 1 παρουσιάζεται μια σύγκριση μεταξύ των τρόπων δοκιμής κάμψης 3 σημείων, εφελκυσμού και θλίψης με γεωμετρίες selected και διαφορετικές τιμές του μέτρου αποθήκευσης όσον αφορά τις αντίστοιχες απαιτήσεις φορτίου. Θεωρήθηκε δυναμική παραμόρφωση 0,1% (με εξαίρεση την κάμψη 3 σημείων με μήκος κάμψης 50 mm). Η μέγιστη παραμόρφωση που επιτυγχάνεται βασίζεται σε έναν συντελεστή δύναμης 1,1, ο οποίος περιγράφει τον λόγο του στατικού προς το δυναμικό φορτίο. Όλοι οι παρουσιαζόμενοι τρόποι δοκιμής απαιτούν μια στατική δύναμη επιπλέον της δυναμικής δύναμης. Αυτό συμβάλλει στη διατήρηση του ανώτερου εργαλείου σε επαφή με το δείγμα (κάμψη και συμπίεση) και στην αποφυγή λυγισμού του δείγματος (εφελκυσμός).
Πρέπει να σημειωθεί ότι το σχήμα δείχνει μόνο ένα τμήμα των δυνατοτήτων. Με τη μείωση της γεωμετρίας του δείγματος ή τη μείωση του πλάτους παραμόρφωσης, το φάσμα του μετρήσιμου μέτρου μπορεί συνήθως να επεκταθεί. Ωστόσο, θα πρέπει πάντα να λαμβάνονται υπόψη τα κατασκευάσιμα και αντιπροσωπευτικά δοκίμια.
Σχεδόν όλα τα υλικά μπορούν να χαρακτηριστούν!
Χρησιμοποιώντας κατάλληλες παραμέτρους δοκιμής, όπως η γεωμετρία του δείγματος και η υποδοχή του δείγματος, σχεδόν όλα τα υλικά μπορούν να χαρακτηριστούν σε συστήματα χαμηλής δύναμης. Ακόμα και υλικά όπως το αλουμίνιο, ο χάλυβας ή τα κεραμικά, τα οποία έχουν τιμές μέτρου αποθήκευσης περίπου 70 GPa, 210 GPa και περισσότερο, μπορούν να δοκιμαστούν με δυναμικές δυνάμεις έως 10 N σε κάμψη 3 σημείων (βλ. Σχήμα 1: l: 50 mm, b: 6 mm, h: 1 mm, δυναμική παραμόρφωση: 0,05%). Για την ανάλυση τέτοιων υλικών σε θλίψη ή εφελκυσμό απαιτούνται συστήματα υψηλού φορτίου (500 N και άνω), φυσικά με διασφάλιση της σωστής σύσφιξης του δοκιμίου.
Η επιλογή ενός συστήματος και μιας διάταξης μέτρησης συνδέεται επίσης με το εύρος της θερμοκρασίας που πρόκειται να διερευνηθεί και τη σχετική εξέλιξη των ιξωδοελαστικών ιδιοτήτων. Έτσι, ο χαρακτηρισμός των υλικών σε μια καθορισμένη διάταξη μέτρησης είναι συχνά δυνατός σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία. Ωστόσο, εάν το εύρος θερμοκρασίας αλλάξει και οι μηχανικές ιδιότητες μετατοπιστούν εκτός του εύρους που ανιχνεύεται από τη διάταξη selected, η ανάλυση δεν μπορεί πλέον να πραγματοποιηθεί.
Στο Σχήμα 2 παρουσιάζεται μια μέτρηση DMA σε ένα υλικό WPC (Wood Polymer Compound) σε κάμψη 3 σημείων με ελεύθερο μήκος κάμψης 50 mm. Τα υλικά WPC αποτελούνται εν μέρει από πλαστικό (στην προκειμένη περίπτωση PVC) και εν μέρει από τον ανανεώσιμο πόρο ξύλο. Μια τυπική εφαρμογή του WPC είναι οι σανίδες καταστρώματος.
Σε θερμοκρασία 15°C, το υλικό έχει μέτρο αποθήκευσης E' 8,1 GPa, το οποίο είναι σχετικά άκαμπτο. Καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, η τιμή μειώνεται σχεδόν γραμμικά σε περίπου 6,2 GPa στους 65°C. Κατά την υαλώδη μετάβαση στους 78°C περίπου, οι πολυμερικές αλυσίδες των άμορφων περιοχών του πολυμερούς μπορούν να κινηθούν η μία έναντι της άλλης και το υλικό χάνει γρήγορα την ακαμψία του. Μετά τη υαλώδη μετάβαση, το μέτρο αποθήκευσης E' είναι μόνο 302 MPa στους 120°C.
Ας υποθέσουμε ότι, λόγω μιας προδιαγραφής δοκιμής ή μιας ρεαλιστικής κατάστασης καταπόνησης, το υλικό πρέπει να μετρηθεί σε κατάσταση εφελκυσμού με πλάτος παραμόρφωσης 0,1% (μέγιστη συνολική παραμόρφωση: 0,21%). Για ένα μέτρο αποθήκευσης περίπου 8,1 GPa στους 15 °C, θα απαιτούνταν μια διατομή μέγιστης επιφάνειας 1,23 mm² για τον χαρακτηρισμό του υλικού στην περιοχή φορτίσεων έως 10 N. Εκτός από την σχεδόν αδύνατη προετοιμασία ενός τέτοιου δείγματος, δεν μπορεί να εξασφαλιστεί η ομοιογένεια του υλικού, κάτι που είναι ιδιαίτερα σημαντικό για αντιπροσωπευτικά αποτελέσματα μετρήσεων σε πληρωμένα υλικά.
Σύμφωνα με το Σχήμα 1, το υλικό μπορεί να μετρηθεί χρησιμοποιώντας ένα δείγμα με επιφάνεια διατομής 3 mm² σε μια συσκευή με δυναμική δύναμη 25N χωρίς προβλήματα. Δείγματα με ακόμη μεγαλύτερη διατομή larger, όπως 10 mm², θα απαιτούσαν μια συσκευή με περίπου 80 N.
NETZSCH Όργανα DMA για την ειδική σας απαίτηση
Συχνά, είναι απαραίτητος ένας τυποποιημένος χαρακτηρισμός ενός υλικού, ο οποίος εξασφαλίζει σταθερές συνθήκες δοκιμής και, συνεπώς, συγκρισιμότητα των αποτελεσμάτων μεταξύ διαφορετικών ιδρυμάτων. Για παράδειγμα, τα ελαστομερή και τα ελαστικά υλικά δοκιμάζονται συνήθως σε λειτουργία συμπίεσης με δοκίμιο ύψους 10 mm και διαμέτρου 10 mm σύμφωνα με το DIN 53513[1]. Κάτω από τη θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης, αυτές οι ομάδες υλικών έχουν συντελεστή αποθήκευσης έως και 4 GPa σε μη γεμισμένη κατάσταση, συχνά πάνω από 8 GPa όταν είναι γεμισμένα. Η δοκιμή των υλικών απαιτεί συνεπώς συστήματα υψηλής δύναμης (βλέπε επίσης σχήμα 1).
Selectο ιόν μιας συσκευής DMA και το εύρος της δύναμης εξαρτάται επίσης από το φαινόμενο που πρόκειται να χαρακτηριστεί. Για τυπικά φαινόμενα από καουτσούκ, όπως το φαινόμενο Payne ή Mullins, απαιτούνται ορισμένα επίπεδα παραμόρφωσης που μπορούν να επιτευχθούν μόνο σε συσκευές με επαρκώς μέγιστη δύναμη.
Είτε θέλετε να μετρήσετε μαλακά ελαστομερή, μη γεμισμένα ή γεμισμένα θερμοπλαστικά και θερμοσκληρυνόμενα μέχρι μέταλλα και κεραμικά σε κάμψη, εφελκυσμό, διάτμηση ή συμπίεση, η NETZSCH Analyzing & Testing προσφέρει συσκευές DMA που είναι ειδικά προσαρμοσμένες στις απαιτήσεις σας. Τα προϊόντα μας είναι σχεδιασμένα για τα φορτία που αντιστοιχούν στη συγκεκριμένη εφαρμογή σας.
[1] DIN 53513:1990-03: Prüfung von Kautschuk und Elastomeren- Bestimmung der visko-elastischen Eigenschaften von Elastomeren bei erzwungenen Schwingungen außerhalb der Resonanz. Berlin: Berlin: Beuth-Verlag 1990
