23.03.2023 by Martin Rosenschon
고출력 및 저출력 DMA가 필요한 이유
동적 기계 분석(DMA)은 온도와 하중 주파수의 함수로서 재료의 탄성 및 점성 거동에 대한 정보를 제공하는 방법입니다. 테스트 샘플에 정의된 진동 하중을 가하고 그 결과 변형을 측정합니다.
동적 기계 분석기 (DMA)는 일반적으로 한 자리 수에서 두 자리 수 중반의 뉴턴 범위의 동적 힘을 생성하는 저력 장치와 최대 수 킬로뉴턴의 동적 하중을 가할 수 있는 고력 시스템으로 분류할 수 있습니다.
시스템의 최대 힘은 테스트 모드(예: 인장, 굽힘 또는 전단)와 특정 재료를 특성화할 수 있는 변형률(예: 인장, 굽힘 또는 전단)을 결정합니다. 저장탄성계수 E'는 이와 관련하여 제한되는 재료 특성입니다. 이는 주어진 변형률에서 측정하는 동안 실현되는 재료의 응력을 정의합니다. 결과적인 힘은 테스트 시편의 기하학적 구조에 의해 결정됩니다.
그림 1은 선택한 지오메트리와 각 하중 요구 사항에 대한 다양한 저장 탄성률 값에 따른 3점 굽힘, 인장 및 압축 테스트 모드 간의 비교를 보여줍니다. 0.1%의 동적 변형이 가정되었습니다(굽힘 길이가 50mm인 3점 굽힘은 제외). 도달한 최대 변형률은 정적 하중과 동적 하중의 비율을 설명하는 힘 계수 1.1을 기준으로 합니다. 표시된 모든 테스트 모드에는 동적 힘 외에 정적 힘이 필요합니다. 이는 상단 도구가 시료와 접촉(굽힘 및 압축)을 유지하고 시료가 좌굴(장력)되는 것을 방지하는 데 도움이 됩니다.
이 그림은 가능성의 일부만을 보여줄 뿐이라는 점에 유의해야 합니다. 시료 형상을 줄이거나 변형 진폭을 줄이면 일반적으로 측정 가능한 모듈러스 스펙트럼을 확장할 수 있습니다. 그러나 제조 가능하고 대표적인 테스트 시편을 항상 고려해야 합니다.
거의 모든 재료 특성화 가능!
시료 형상 및 시료 홀더와 같은 적절한 테스트 파라미터를 사용하면 거의 모든 재료를 저력 시스템에서 특성화할 수 있습니다. 알루미늄, 강철 또는 세라믹과 같이 저장탄성계수 값이 약 70 GPa, 210 GPa 이상인 재료도 3점 굽힘에서 최대 10 N의 동적 힘으로 테스트할 수 있습니다(그림 1 참조: l: 50 mm, b: 6mm, h: 1 mm, dyn. strain: 0.05%). 이러한 재료를 압축 또는 인장 상태에서 분석하려면 고하중 시스템(500N 이상)이 필요하며, 물론 시편의 올바른 클램핑이 보장되어야 합니다.
시스템 및 측정 설정의 선택은 조사할 온도 범위 및 점탄성 특성의 관련 개발과도 관련이 있습니다. 따라서 특정 온도에서는 정의된 측정 설정에서 재료의 특성화가 가능한 경우가 많습니다. 그러나 온도 범위가 변경되고 기계적 특성이 선택한 설정의 감지 범위를 벗어나면 더 이상 분석을 수행할 수 없습니다.
그림 2는 자유 굽힘 길이가 50mm인 3점 굽힘에서 WPC 재료(목재 폴리머 컴파운드)의 DMA 측정을 보여줍니다. WPC 재료는 부분적으로는 플라스틱(이 경우 PVC)과 부분적으로는 재생 가능한 자원인 목재로 구성됩니다. WPC의 일반적인 적용 분야는 데크 보드입니다.
15°C의 온도에서 이 소재의 저장탄성계수 E' 는 8.1 GPa로 비교적 뻣뻣합니다. 온도가 상승함에 따라 이 값은 거의 선형적으로 감소하여 65°C에서 약 6.2 GPa로 감소합니다. 약 78°C의 유리 전이에서는 폴리머의 비정질 영역의 폴리머 사슬이 서로 움직일 수 있으며 재료의 강성이 급격히 떨어집니다. 유리 전이 후 저장탄성계수 E'는 120°C에서 302MPa에 불과합니다.
테스트 사양 또는 실제 응력 상황으로 인해 재료는 변형 진폭이 0.1%(최대 총 변형: 0.21%)인 인장 모드에서 측정해야 한다고 가정합니다. 15°C에서 저장탄성계수가 약 8.1 GPa인 경우, 최대 10N의 하중 범위에서 재료를 특성화하려면 최대 1.23mm²의 단면이 필요합니다. 이러한 샘플의 준비가 거의 불가능할 뿐 아니라 재료의 균질성을 보장할 수 없기 때문에 충전 재료에서 대표적인 측정 결과를 얻기 위해서는 특히 중요합니다.
그림 1에 따르면, 단면적 3mm²의 시편을 사용하여 25N의 동적 힘을 가하는 장치에서 문제 없이 재료를 측정할 수 있습니다. 10mm²와 같이 단면적이 훨씬 더 큰 시료의 경우 약 80N의 장치가 필요합니다.
NETZSCH 특별한 요구 사항을 위한 DMA 상품
종종 재료의 표준화된 특성화가 필요하며, 이를 통해 일관된 테스트 조건을 보장하고 여러 기관 간에 결과를 비교할 수 있습니다. 예를 들어, 엘라스토머 및 고무 재료는 일반적으로 DIN 53513[1]에 따라 높이 10mm, 직경 10mm의 시편을 사용하여 압축 모드에서 테스트합니다. 유리 전이 온도 이하에서 이러한 재료 그룹은 비충진 상태에서 최대 4 GPa의 저장 계수를 가지며, 충진 시에는 8 GPa를 초과하는 경우가 많습니다. 따라서 재료 테스트에는 고강도 시스템이 필요합니다(그림 1 참조).
DMA 장치와 그 힘 범위의 선택은 특성화할 효과에 따라 달라집니다. 페인 또는 멀린스 효과와 같은 일반적인 고무 현상의 경우, 충분한 최대 힘을 가진 장치에서만 달성할 수 있는 특정 변형 수준이 필요합니다.
굽힘, 인장, 전단 또는 압축에서 연질 엘라스토머, 비충진 또는 충진 열가소성 플라스틱 및 열경화성 수지부터 금속 및 세라믹까지 측정하려는 경우, NETZSCH 분석 및 테스트는 고객의 요구 사항에 특별히 맞춤화된 DMA 기기를 제공합니다. 당사의 제품은 특정 응용 분야에 해당하는 하중을 위해 설계되었습니다.
[1] DIN 53513:1990-03: 탄성체 및 엘라스토머의 탄성 시험; 공진 외의 회전 하중에서 엘라스토머의 점탄성 특성 측정. Berlin: Beuth-Verlag 1990
