23.03.2023 by Martin Rosenschon
Por qué necesita DMA de alta y baja potencia
El análisis mecánico dinámico (AMD) es un método que proporciona información sobre el comportamiento elástico y viscoso de un material en función de la temperatura y la frecuencia de carga. Una muestra de ensayo se somete a una carga oscilante definida y se mide la deformación resultante.
Los analizadores mecánicos dinámicos (AMD) pueden clasificarse en dispositivos de baja fuerza, que suelen generar fuerzas dinámicas de entre uno y dos dígitos de newtons, y sistemas de alta fuerza capaces de aplicar hasta varios kilonewtons de carga dinámica. Además de la fuerza dinámica, los DMA generalmente pueden producir una carga estática sobre la muestra.
La fuerza máxima de un sistema determina el modo de ensayo -por ejemplo, tracción, flexión o cizalladura- y las deformaciones a las que se puede caracterizar un material específico. El módulo de almacenamiento E' es la propiedad limitante del material a este respecto. Define las tensiones que se producen en el material durante una medición con una deformación determinada. La fuerza resultante viene determinada por la geometría de la probeta.
La figura 1 muestra una comparación entre los modos de ensayo de flexión en 3 puntos, tracción y compresión con geometrías seleccionadas y diferentes valores del módulo de almacenamiento en relación con los requisitos de carga respectivos. Se asumió una deformación dinámica del 0,1% (a excepción de la flexión en 3 puntos con una longitud de flexión de 50 mm). La deformación máxima alcanzada se basa en un factor de fuerza de 1,1, que describe la relación entre la carga estática y la dinámica. Todos los modos de ensayo mostrados requieren una fuerza estática además de la fuerza dinámica. Esto ayuda a mantener la herramienta superior en contacto con la muestra (flexión y compresión) y a evitar que la muestra se pandee (tracción).
Cabe señalar que la figura sólo muestra una parte de las posibilidades. Por lo general, reduciendo la geometría de la muestra o disminuyendo la amplitud de deformación se puede ampliar el espectro de módulos medibles. No obstante, siempre deben tenerse en cuenta las probetas de ensayo fabricables y representativas.
Casi todos los materiales son caracterizables
Utilizando parámetros de ensayo adecuados, como la geometría de la muestra y el portamuestras, casi todos los materiales pueden caracterizarse en sistemas de baja fuerza. Incluso materiales como el aluminio, el acero o la cerámica, que tienen valores de módulo de almacenamiento de unos 70 GPa, 210 GPa y más, pueden ensayarse con fuerzas dinámicas de hasta 10 N en flexión de 3 puntos (véase la figura 1: l: 50 mm, b: 6 mm, h: 1 mm, deformación din.: 0,05%). Para analizar este tipo de materiales en compresión o tracción se requieren sistemas de alta carga (500 N y más), por supuesto garantizando una sujeción correcta de la probeta.
La elección de un sistema y una configuración de medición también está relacionada con el intervalo de temperatura que debe investigarse y el desarrollo relacionado de las propiedades viscoelásticas. Así, la caracterización de materiales en una configuración de medición definida suele ser posible a una temperatura determinada. Sin embargo, si el intervalo de temperatura cambia y las propiedades mecánicas se desplazan fuera del intervalo detectado de la configuración seleccionada, ya no se puede realizar el análisis.
La figura 2 muestra una medición DMA en un material WPC (Wood Polymer Compound) en flexión en 3 puntos con una longitud de flexión libre de 50 mm. Los materiales WPC están compuestos en parte de plástico (en este caso, PVC) y en parte de madera, un recurso renovable. Una aplicación típica del WPC son las tablas de entarimado.
A una temperatura de 15°C, el material tiene un módulo de almacenamiento E' de 8,1 GPa, que es relativamente rígido. A medida que aumenta la temperatura, el valor disminuye casi linealmente hasta aproximadamente 6,2 GPa a 65°C. En la transición vítrea, a unos 78°C, las cadenas poliméricas de las regiones amorfas del polímero pueden moverse unas contra otras, y el material pierde rápidamente rigidez. Tras la transición vítrea, el módulo de almacenamiento E' es de sólo 302 MPa a 120°C.
Supongamos que, debido a una especificación de ensayo o a una situación de tensión realista, el material debe medirse en modo de tensión con una amplitud de deformación del 0,1% (deformación total máxima: 0,21%). Para un módulo de almacenamiento de aproximadamente 8,1 GPa a 15 °C, se necesitaría una sección transversal de un máximo de 1,23 mm² para caracterizar el material en el rango de carga de hasta 10 N. Además de la preparación casi imposible de una muestra de este tipo, no puede garantizarse la homogeneidad del material, lo que es especialmente importante para obtener resultados de medición representativos en materiales rellenos.
De acuerdo con la figura 1, el material puede medirse sin problemas utilizando una muestra con una sección transversal de 3 mm² en un dispositivo con una fuerza dinámica de 25N. Las muestras con una sección transversal aún mayor, como 10 mm², requerirían un dispositivo con aproximadamente 80 N.
NETZSCH Instrumentos de DMA para sus necesidades especiales
A menudo, es necesaria una caracterización normalizada de un material, que garantice unas condiciones de ensayo coherentes y, por tanto, la comparabilidad de los resultados entre diferentes instituciones. Por ejemplo, los materiales de elastómero y caucho se suelen ensayar en modo de compresión con una probeta de 10 mm de altura y 10 mm de diámetro según la norma DIN 53513[1]. Por debajo de la temperatura de transición vítrea, estos grupos de materiales tienen un módulo de almacenamiento de hasta 4 GPa en estado sin relleno, y a menudo de más de 8 GPa cuando están rellenos. En consecuencia, los ensayos de materiales requieren sistemas de alta fuerza (véase también la figura 1).
La selección de un dispositivo de DMA y su rango de fuerza también depende del efecto que se desee caracterizar. Para los fenómenos típicos del caucho, como el efecto Payne o Mullins, se requieren determinados niveles de deformación que sólo pueden alcanzarse en dispositivos con una fuerza máxima suficiente.
Tanto si desea medir elastómeros blandos, termoplásticos y termoestables rellenos o sin rellenar hasta metales y cerámica en flexión, tracción, cizalladura o compresión, NETZSCH Analyzing & Testing ofrece instrumentos de DMA que se adaptan específicamente a sus requisitos. Nuestros productos están diseñados para las cargas que corresponden a su aplicación específica.
[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
