23.03.2023 by Martin Rosenschon
Pourquoi vous avez besoin de DMA de force élevée et de force faible ?
L'analyse mécanique dynamique (DMA) est une méthode qui fournit des informations sur le comportement élastique et visqueux d'un matériau en fonction de la température et de la fréquence de la charge. Un échantillon est soumis à une charge oscillante définie et la DéformationLa Déformation décrit une déformation d’un matériau qui subit une contrainte ou une force mécanique externe. Les formulations d’élastomères présentent des propriétés de fluage, si une charge constante est appliquée.déformation qui en résulte est mesurée.
Lesanalyseurs mécaniques dynamiques (DMA) peuvent être classés en appareils à faible force, qui génèrent généralement des forces dynamiques de l'ordre d'un à deux chiffres de newtons, et en systèmes à forte force capables d'appliquer jusqu'à plusieurs kilonewtons de charge dynamique. En plus de la force dynamique, les DMA peuvent généralement produire une charge statique sur l'échantillon.
La force maximale d'un système détermine le mode d'essai - par exemple, la tension, la flexion ou le cisaillement - et les déformations auxquelles un matériau spécifique peut être caractérisé. Le module de stockage E' est la propriété limitative du matériau à cet égard. Il définit les contraintes dans le matériau qui sont réalisées au cours d'une mesure à une déformation donnée. La force résultante est déterminée par la géométrie de l'éprouvette.
La figure 1 montre une comparaison entre les modes d'essai de flexion, de traction et de compression à 3 points avec des géométries sélectionnées et différentes valeurs de module de stockage concernant les exigences de charge respectives. Une déformation dynamique de 0,1 % a été supposée (à l'exception de la flexion 3 points avec une longueur de flexion de 50 mm). La déformation maximale atteinte est basée sur un facteur de force de 1,1, qui décrit le rapport entre la charge statique et la charge dynamique. Tous les modes d'essai illustrés nécessitent une force statique en plus de la force dynamique. Cela permet de maintenir l'outil supérieur en contact avec l'échantillon (flexion et compression) et d'empêcher l'échantillon de se déformer (tension).
Il convient de noter que la figure ne montre qu'une partie des possibilités. En réduisant la géométrie de l'échantillon ou en diminuant l'amplitude de la déformation, le spectre du module mesurable peut généralement être élargi. Toutefois, il convient de toujours prendre en compte les échantillons d'essai manufacturables et représentatifs.
Presque tous les matériaux sont caractérisables !
En utilisant des paramètres d'essai appropriés, tels que la géométrie de l'échantillon et le porte-échantillon, presque tous les matériaux peuvent être caractérisés dans des systèmes à faible force. Même des matériaux comme l'aluminium, l'acier ou les céramiques, qui ont des valeurs de module de stockage d'environ 70 GPa, 210 GPa et plus, peuvent être testés avec des forces dynamiques allant jusqu'à 10 N en flexion 3 points (voir figure 1 : l : 50 mm, b : 6 mm, h : 1 mm, déformation dynamique : 0,05%). Des systèmes à charge élevée (500 N et plus) sont nécessaires pour analyser ces matériaux en compression ou en tension, en veillant bien sûr à ce que l'échantillon soit correctement serré.
Le choix d'un système et d'un dispositif de mesure est également lié à la plage de température à étudier et à l'évolution des propriétés viscoélastiques qui en découle. Ainsi, la caractérisation des matériaux dans un dispositif de mesure défini est souvent possible à une certaine température. Cependant, si la plage de température change et que les propriétés mécaniques se déplacent en dehors de la plage détectée par le dispositif sélectionné, l'analyse ne peut plus être effectuée.
La figure 2 montre une mesure DMA sur un matériau WPC (Wood Polymer Compound) en flexion 3 points avec une longueur de flexion libre de 50 mm. Les matériaux WPC sont constitués en partie de plastique (dans ce cas le PVC) et en partie de bois, une ressource renouvelable. Les lames de terrasse constituent une application typique du WPC.
À une température de 15°C, le matériau a un module de stockage E' de 8,1 GPa, ce qui est relativement rigide. Au fur et à mesure que la température augmente, la valeur diminue presque linéairement pour atteindre environ 6,2 GPa à 65°C. Lors de la transition vitreuse à environ 78°C, les chaînes de polymère des régions amorphes du polymère peuvent se déplacer les unes contre les autres, et le matériau perd rapidement de sa rigidité. Après la transition vitreuse, le module de stockage E' n'est plus que de 302 MPa à 120°C.
Supposons que, en raison d'une spécification d'essai ou d'une situation de ContrainteLa Contrainte est définie par un niveau de force appliquée sur un échantillon d’une section bien définie. (Contrainte = force/surface). Les échantillons qui possèdent une section rectangulaire ou circulaire peuvent être comprimés ou étirés. Les matériaux élastiques comme les élastomères peuvent être étirés jusqu’à 5 à 10 fois leur longueur initiale.contrainte réaliste, le matériau doive être mesuré en mode de tension avec une amplitude de déformation de 0,1 % (déformation totale maximale : 0,21 %). Pour un module de stockage d'environ 8,1 GPa à 15 °C, une section transversale de 1,23 mm² au maximum serait nécessaire pour caractériser le matériau dans la plage de charge allant jusqu'à 10 N. Outre la préparation pratiquement impossible d'un tel échantillon, l'homogénéité du matériau ne peut être assurée, ce qui est particulièrement important pour obtenir des résultats de mesure représentatifs dans les matériaux remplis.
Selon la figure 1, le matériau peut être mesuré sans problème à l'aide d'un échantillon d'une section transversale de 3 mm² dans un appareil ayant une force dynamique de 25 N. Les échantillons d'une section transversale encore plus grande peuvent être mesurés à l'aide d'une force dynamique de 10 N. Les échantillons d'une section transversale encore plus grande, comme 10 mm², nécessiteraient un appareil d'environ 80 N.
NETZSCH Des instruments DMA pour vos besoins spécifiques
Souvent, une caractérisation normalisée d'un matériau est nécessaire, ce qui garantit des conditions d'essai cohérentes et donc la comparabilité des résultats entre différentes institutions. Par exemple, les élastomères et les caoutchoucs sont généralement testés en compression avec un échantillon de 10 mm de hauteur et de 10 mm de diamètre, conformément à la norme DIN 53513[1]. En dessous de la température de transition vitreuse, ces groupes de matériaux ont un module de stockage pouvant atteindre 4 GPa à l'état non rempli, et souvent plus de 8 GPa lorsqu'ils sont remplis. Les essais de matériaux nécessitent donc des systèmes à force élevée (voir également la figure 1).
Le choix d'un dispositif DMA et de sa gamme de force dépend également de l'effet à caractériser. Pour les phénomènes typiques du caoutchouc, tels que l'effet Payne ou l'effet Mullins, certains niveaux de déformation sont nécessaires et ne peuvent être atteints qu'avec des appareils ayant une force maximale suffisante.
Que vous souhaitiez mesurer des élastomères souples, des thermoplastiques et des thermodurcissables non chargés ou chargés, ainsi que des métaux et des céramiques en flexion, traction, cisaillement ou compression, NETZSCH Analyzing & Testing propose des instruments DMA spécifiquement adaptés à vos besoins. Nos produits sont conçus pour les charges correspondant à votre application spécifique.
[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
