23.03.2023 by Martin Rosenschon
Miksi tarvitset High- ja Low-force DMA:ta?
Dynaaminen mekaaninen analyysi (DMA) on menetelmä, jolla saadaan tietoa materiaalin elastisesta ja viskoosisesta käyttäytymisestä lämpötilan ja kuormitustaajuuden funktiona. Testinäyte altistetaan määritellylle, värähtelevälle kuormitukselle, ja siitä johtuva muodonmuutos mitataan.
Dynaamiset mekaaniset analysaattorit (DMA ) voidaan luokitella pienivoimaisiin laitteisiin, jotka tyypillisesti tuottavat dynaamisia voimia yhden tai keskimmäisen kaksinumeroisen newtonin alueella, ja suurivoimaisiin järjestelmiin, jotka kykenevät jopa useiden kilonewtonien dynaamiseen kuormitukseen. Dynaamisen voiman lisäksi DMA-laitteet voivat yleensä tuottaa näytteeseen staattisen kuorman.
Järjestelmän maksimivoima määrittää testaustavan - esimerkiksi veto, taivutus tai leikkaus - ja rasitukset, joilla tiettyä materiaalia voidaan luonnehtia. Varastointimoduuli E' on tässä suhteessa rajoittava materiaaliominaisuus. Se määrittelee materiaalissa olevat jännitykset, jotka toteutuvat mittauksen aikana tietyllä venymällä. Tuloksena oleva voima määräytyy testikappaleen geometrian mukaan.
Kuvassa 1 esitetään vertailu 3-pisteen taivutus-, veto- ja puristuskoetilojen välillä valituilla geometrioilla ja erilaisilla varastointimoduulien arvoilla kunkin kuormitusvaatimuksen osalta. Dynaamisen muodonmuutoksen oletettiin olevan 0,1 % (poikkeuksena 3-pisteen taivutus, jossa taivutuspituus on 50 mm). Saavutettu enimmäisvenymä perustuu voimakertoimeen 1,1, joka kuvaa staattisen ja dynaamisen kuormituksen suhdetta. Kaikki esitetyt testausmoodit edellyttävät dynaamisen voiman lisäksi staattista voimaa. Tämä auttaa pitämään ylemmän työkalun kosketuksessa näytteeseen (taivutus ja puristus) ja estämään näytteen taipumisen (veto).
On huomattava, että kuvassa esitetään vain osa mahdollisuuksista. Pienentämällä näytteen geometriaa tai pienentämällä rasitusamplitudia voidaan mitattavaa moduulispektriä yleensä laajentaa. Valmistettavat ja edustavat koekappaleet on kuitenkin aina otettava huomioon.
Lähes kaikki materiaalit karakterisoitavissa!
Sopivia testausparametreja, kuten näytteen geometriaa ja näytteenpidikettä, käyttämällä lähes kaikki materiaalit voidaan karakterisoida matalan voiman järjestelmissä. Jopa alumiinin, teräksen tai keramiikan kaltaiset materiaalit, joiden varastointimoduuliarvot ovat noin 70 GPa, 210 GPa ja enemmän, voidaan testata jopa 10 N:n dynaamisilla voimilla 3-pisteen taivutuksessa (ks. kuva 1: l: 50 mm, b: 6 mm, h: 1 mm, dyn. venymä: 0,05 %). Tällaisten materiaalien analysoimiseksi puristuksessa tai vedossa tarvitaan suurikuormitusjärjestelmiä (500 N ja enemmän), joissa näytteen oikea kiinnitys on tietenkin varmistettava.
Järjestelmän ja mittausjärjestelyjen valinta liittyy myös tutkittavaan lämpötila-alueeseen ja siihen liittyvään viskoelastisten ominaisuuksien kehitykseen. Näin ollen materiaalien karakterisointi tietyssä mittausasetelmassa on usein mahdollista tietyssä lämpötilassa. Jos lämpötila-alue kuitenkin muuttuu ja mekaaniset ominaisuudet siirtyvät valitun asetelman havaitun alueen ulkopuolelle, analyysiä ei voida enää suorittaa.
Kuvassa 2 on esitetty DMA-mittaus WPC-materiaalille (Wood Polymer Compound) kolmipistetaivutuksessa, kun vapaa taivutuspituus on 50 mm. WPC-materiaalit koostuvat osittain muovista (tässä tapauksessa PVC:stä) ja osittain uusiutuvasta puusta. Tyypillinen WPC:n käyttökohde on terassilauta.
Materiaalin varastointimoduuli E' on 15 °C:n lämpötilassa 8,1 GPa, mikä on suhteellisen jäykkä. Lämpötilan noustessa arvo laskee lähes lineaarisesti noin 6,2 GPa:han 65 °C:ssa. Lasimuutoksessa noin 78 °C:ssa polymeerin amorfisten alueiden polymeeriketjut voivat liikkua toisiaan vasten, ja materiaali menettää nopeasti jäykkyyttä. Lasittumisen jälkeen varastointimoduuli E' on vain 302 MPa 120 °C:ssa.
Oletetaan, että testauseritelmän tai realistisen jännitystilanteen vuoksi materiaali on mitattava jännitysmoodissa, jossa muodonmuutosamplitudi on 0,1 % (suurin kokonaismuodonmuutos: 0,21 %). Jos varastointimoduuli on noin 8,1 GPa 15 °C:ssa, materiaalin karakterisoimiseksi kuormitusalueella 10 N:iin asti tarvittaisiin enintään 1,23 mm²:n poikkileikkaus. Sen lisäksi, että tällaisen näytteen valmistaminen on lähes mahdotonta, materiaalin homogeenisuutta ei voida varmistaa, mikä on erityisen tärkeää edustavien mittaustulosten kannalta täytetyissä materiaaleissa.
Kuvan 1 mukaan materiaalia voidaan mitata käyttämällä näytettä, jonka poikkipinta-ala on 3 mm², laitteessa, jossa on 25 N:n dynaaminen voima, ilman ongelmia. Näytteet, joiden poikkipinta-ala on vielä suurempi, esimerkiksi 10 mm², vaatisivat laitteen, jonka dynamiikka on noin 80 N.
NETZSCH DMA-kojeet erityistarpeisiisi
Usein tarvitaan materiaalin standardoitu karakterisointi, jolla varmistetaan yhdenmukaiset testausolosuhteet ja siten tulosten vertailukelpoisuus eri laitosten välillä. Esimerkiksi elastomeeri- ja kumimateriaaleja testataan yleisesti puristustilassa 10 mm korkealla ja 10 mm halkaisijaltaan olevalla näytteellä standardin DIN 53513[1] mukaisesti. Lasittumislämpötilan alapuolella näiden materiaaliryhmien varastointimoduuli on täyttämättömässä tilassa jopa 4 GPa ja täytettynä usein yli 8 GPa. Materiaalien testaaminen edellyttää näin ollen suuria voimia käyttäviä järjestelmiä (ks. myös kuva 1).
DMA-laitteen ja sen voima-alueen valinta riippuu myös luonnehdittavasta vaikutuksesta. Tyypilliset kumiilmiöt, kuten Paynen tai Mullinsin vaikutus, edellyttävät tiettyjä rasitustasoja, jotka voidaan saavuttaa vain laitteilla, joissa on riittävän suuri voima.
Halusitpa sitten mitata pehmeitä elastomeerejä, täyttämättömiä tai täytettyjä kestomuoveja ja kestokovetteja tai jopa metalleja ja keraameja taivutuksessa, veto-, leikkaus- tai puristusjännityksessä, NETZSCH Analyzing & Testing tarjoaa DMA-laitteita, jotka on räätälöity juuri sinun tarpeisiisi. Tuotteemme on suunniteltu juuri sinun sovellustasi vastaaville kuormituksille.
.
[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
