23.03.2023 by Martin Rosenschon
Perché sono necessari i DMA ad alta e bassa potenza
L'analisi meccanica dinamica (DMA) è un metodo che fornisce informazioni sul comportamento elastico e viscoso di un materiale in funzione della temperatura e della frequenza del carico. Un campione di prova viene sottoposto a un carico definito e oscillante e la deformazione risultante viene misurata.
Glianalizzatori meccanici dinamici (DMA) possono essere classificati in dispositivi a bassa forza, che in genere generano forze dinamiche a una o due cifre di newton, e in sistemi ad alta forza in grado di applicare un carico dinamico fino a diversi kilonewton. Oltre alla forza dinamica, i DMA possono generalmente produrre un carico statico sul campione.
La forza massima di un sistema determina la modalità di prova - ad esempio, tensione, flessione o taglio - e le deformazioni a cui può essere caratterizzato uno specifico materiale. Il Elasticità e modulo di elasticitàL'elasticità della gomma o elasticità dell'entropia descrive la resistenza di qualsiasi sistema di gomma o elastomero contro una deformazione o uno sforzo applicato dall'esterno. modulo di accumulo E' è la proprietà limitante del materiale a questo proposito. Esso definisce le sollecitazioni nel materiale che si realizzano durante una misurazione a una determinata deformazione. La forza risultante è determinata dalla geometria del provino.
La Figura 1 mostra un confronto tra le modalità di prova di flessione a 3 punti, tensione e compressione con selectgeometrie e diversi valori del Elasticità e modulo di elasticitàL'elasticità della gomma o elasticità dell'entropia descrive la resistenza di qualsiasi sistema di gomma o elastomero contro una deformazione o uno sforzo applicato dall'esterno. modulo di accumulo in relazione ai rispettivi requisiti di carico. Si è ipotizzata una deformazione dinamica dello 0,1% (ad eccezione della flessione a 3 punti con una lunghezza di flessione di 50 mm). La deformazione massima raggiunta si basa su un fattore di forza di 1,1, che descrive il rapporto tra carico statico e dinamico. Tutte le modalità di prova illustrate richiedono una forza statica in aggiunta alla forza dinamica. Ciò consente di mantenere l'utensile superiore a contatto con il campione (flessione e compressione) e di evitare che il campione si deformi (tensione).
Va notato che la figura mostra solo una sezione delle possibilità. Riducendo la geometria del campione o diminuendo l'ampiezza della deformazione, lo spettro del modulo misurabile può solitamente essere ampliato. Tuttavia, si deve sempre tenere conto di campioni di prova fabbricabili e rappresentativi.
Quasi tutti i materiali sono caratterizzabili!
Utilizzando parametri di prova adeguati, come la geometria e il supporto del campione, quasi tutti i materiali possono essere caratterizzati in sistemi a bassa forza. Anche materiali come l'alluminio, l'acciaio o la ceramica, che hanno valori di Elasticità e modulo di elasticitàL'elasticità della gomma o elasticità dell'entropia descrive la resistenza di qualsiasi sistema di gomma o elastomero contro una deformazione o uno sforzo applicato dall'esterno. modulo di accumulo di circa 70 GPa, 210 GPa e oltre, possono essere testati con forze dinamiche fino a 10 N in flessione a 3 punti (vedi Figura 1: l: 50 mm, b: 6 mm, h: 1 mm, deformazione dinamica: 0,05%). Per analizzare tali materiali in compressione o in trazione sono necessari sistemi ad alto carico (500 N e oltre), ovviamente assicurando un corretto serraggio del provino.
La scelta di un sistema e di una configurazione di misura è anche legata all'intervallo di temperatura da studiare e al relativo sviluppo delle proprietà visco-elastiche. Pertanto, la caratterizzazione dei materiali in una configurazione di misura definita è spesso possibile a una certa temperatura. Tuttavia, se l'intervallo di temperatura cambia e le proprietà meccaniche si spostano al di fuori dell'intervallo rilevato dall'impostazione select, l'analisi non può più essere eseguita.
La Figura 2 mostra una misura DMA su un materiale WPC (Wood Polymer Compound) in flessione a 3 punti con una lunghezza di flessione libera di 50 mm. I materiali WPC sono costituiti in parte da plastica (in questo caso PVC) e in parte dalla risorsa rinnovabile del legno. Un'applicazione tipica del WPC sono i pannelli per decking.
Alla temperatura di 15°C, il materiale ha un Elasticità e modulo di elasticitàL'elasticità della gomma o elasticità dell'entropia descrive la resistenza di qualsiasi sistema di gomma o elastomero contro una deformazione o uno sforzo applicato dall'esterno. modulo di accumulo E' di 8,1 GPa, relativamente rigido. All'aumentare della temperatura, il valore diminuisce quasi linearmente fino a circa 6,2 GPa a 65°C. Nella transizione vetrosa, a circa 78°C, le catene polimeriche delle regioni amorfe del polimero possono muoversi l'una contro l'altra e il materiale perde rapidamente rigidità. Dopo la transizione vetrosa, il Elasticità e modulo di elasticitàL'elasticità della gomma o elasticità dell'entropia descrive la resistenza di qualsiasi sistema di gomma o elastomero contro una deformazione o uno sforzo applicato dall'esterno. modulo di accumulo E' è di soli 302 MPa a 120°C.
Supponiamo che, a causa di una specifica di prova o di una situazione di Lo stressLa sollecitazione è definita come un livello di forza applicato su un campione con una sezione trasversale ben definita. (Sollecitazione = forza/area). I campioni con sezione trasversale circolare o rettangolare possono essere compressi o allungati. I materiali elastici come la gomma possono essere allungati fino a 5-10 volte la loro lunghezza originale.stress realistica, il materiale debba essere misurato in modalità di tensione con un'ampiezza di deformazione dello 0,1% (massima deformazione totale: 0,21%). Per un modulo di accumulo di circa 8,1 GPa a 15 °C, sarebbe necessaria una sezione trasversale di 1,23 mm² al massimo per caratterizzare il materiale nell'intervallo di carico fino a 10 N. Oltre alla preparazione quasi impossibile di un tale campione, non è possibile garantire l'omogeneità del materiale, il che è particolarmente importante per ottenere risultati di misura rappresentativi nei materiali pieni.
Secondo la Figura 1, il materiale può essere misurato senza problemi utilizzando un campione con una sezione trasversale di 3 mm² in un dispositivo con una forza dinamica di 25N. Campioni con una sezione trasversale ancora più larger, come ad esempio 10 mm², richiederebbero un dispositivo con una forza di circa 80N.
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Spesso è necessaria una caratterizzazione standardizzata di un materiale, che garantisca condizioni di prova coerenti e quindi la comparabilità dei risultati tra istituzioni diverse. Ad esempio, i materiali in elastomero e gomma sono comunemente testati in modalità di compressione con un provino di 10 mm di altezza e 10 mm di diametro secondo la norma DIN 53513[1]. Al di sotto della temperatura di transizione vetrosa, questi gruppi di materiali hanno un modulo di accumulo fino a 4 GPa allo stato non riempito, spesso superiore a 8 GPa quando sono riempiti. I test sui materiali richiedono quindi sistemi ad alta forza (si veda anche la Figura 1).
Selectione di un dispositivo DMA e la sua gamma di forze dipende anche dall'effetto da caratterizzare. Per i fenomeni tipici della gomma, come l'effetto Payne o l'effetto Mullins, sono necessari determinati livelli di deformazione che possono essere raggiunti solo in dispositivi con una forza sufficientemente elevata.
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[1] DIN 53513:1990-03: Prüfung von Kautschuk und Elastomeren; Bestimmung der visko-elastischen Eigenschaften von Elastomeren bei erzwungenen Schwingungen außerhalb der Resonanz. Berlino: Beuth-Verlag 1990
