
19.01.2023 by Martin Rosenschon
열 분석도 동적일 수 있습니다
동적-기계 분석을 이용한 점탄성 재료 특성 분석
제품이나 부품의 설계 과정에서 사용되는 재료의 온도에 따른 특성에 대한 지식은 매우 중요합니다. 예를 들어, 겨울용 타이어는 추운 온도에 맞게 특별히 조정된 고무 혼합물로 구성됩니다. 이를 통해 최적의 접지력과 내마모성을 보장하여 안전한 주행을 보장합니다.
동적 기계 분석(약어: 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. 매개변수 저장 탄성률 E', 손실 탄성률 E'' 및 감쇠 계수 tan δ는 적용된 응력 σ, 결과 변형률 ε 및 그 오프셋 δ로부터 결정할 수 있습니다(그림 1 참조). 저장탄성계수 E''는 탄성 가역적(스프링과 같은) 거동을 나타내고 손실탄성계수 E''는 점성 성분 또는 에너지 소산을 나타냅니다. 두 파라미터의 조합은 감쇠 특성을 설명하는 탄 δ에 반영됩니다.

다양한 시료 홀더, 액세서리 및 측정 방법을 사용하여 액체 또는 점성 매질부터 연질 엘라스토머, 비충진 및 섬유 강화 플라스틱부터 금속 및 세라믹에 이르기까지 거의 모든 재료를 DMA로 측정할 수 있습니다.
재료, 온도 및 하중에 따라 점탄성 특성은 크게 달라집니다. 상온에서 변형이 적은 경우 금속과 그 합금은 일반적으로 순수 탄성인 반면, 폴리머는 대부분 점성과 탄성이 혼합된 거동을 보입니다. 폴리머는 또한 소위 유리 전이 온도가 있습니다. 저온에서는 이름에서 알 수 있듯이 유리처럼 비교적 뻣뻣하고 부서지기 쉽습니다. 유리 전이에서는 비정질 폴리머 사슬이 서로를 향해 움직일 수 있고 점성 부분이 증가합니다. 그 후, 재료는 엔트로피 탄성 상태가 되며 재료에 따라 비교적 부드러워집니다. 기계적 특성의 직접적인 변화를 바탕으로 동적 기계 분석을 통해 유리 전이를 명확하게 식별할 수 있습니다. DMA 외에도 열용량의 변화를 기반으로 시차 주사 열량 측정법(약칭: DSC)을 사용하여 결정할 수도 있습니다.
그러나 DMA는 이 점에서 훨씬 더 민감한 방법이며 열 변화가 거의 또는 전혀 없는 효과도 분석할 수 있습니다. 그림 2는 테플론®이라는 브랜드명으로도 알려진 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)으로 만든 샘플을 DSC(빨간색, 10K/min) 및 DMA(검은색, 1Hz, 2K/Min)를 사용하여 측정한 결과를 보여줍니다. PTFE의 가장 잘 알려진 사용 사례는 높은 내열성과 내화학성 때문에 팬에 붙지 않는 코팅을 하는 것입니다. 하지만 의료용이나 베어링과 같은 마찰 시스템에도 자주 사용됩니다.
DMA 측정에서는 세 가지 효과를 확인할 수 있습니다. 123°C(시작점 E')에서 이 소재는 비정질 영역에 기인하는 저장탄성계수 E'(실선)에서 유리 전이를 보여줍니다. 20°C와 40°C 사이에서 PTFE는 두 개의 밀접한 간격으로 고체-고체 전이를 보입니다. 테스트 매개변수를 기반으로 한 DMA 측정에서는 29°C에서 한 가지 효과를 볼 수 있습니다(온셋 E'). DSC 곡선(빨간색)에서는 약 21°C와 31°C의 피크 온도에서 두 가지 변형을 모두 확인할 수 있습니다. 또한 DMA 곡선에서는 113°C(시작 E')에서 유리 전이가 발생합니다. 고체-고체 변환은 DSC로 명확하게 묘사할 수 있지만, 이 경우의 유리 전이 온도는 이 방법으로 기록할 수 없습니다. 열 흐름이 낮기 때문에 DMA를 통해서만 측정할 수 있습니다. 유리 전이는 재료의 비정질 부분에서 발생하기 때문에 시차 주사 열량계를 사용한 측정은 특히 고결정성 재료의 경우 어려운 경우가 많으며, DMA를 사용해야 합니다(
).

고강도 또는 연질 소재, 고하중 또는 저하중에 관계없이 NETZSCH 는 두 자릿수 뉴턴 범위의 동적 힘을 제공하는 테이블 탑 장치부터 최대 1.5 kN의 고하중 시스템까지 고객의 어플리케이션에 적합한 DMA 시스템을 제공합니다. 장치와 설정에 따라 0.0001~200Hz의 주파수 범위에서 -160°C에서 최대 1500°C까지 측정을 수행할 수 있습니다.
동적 기계 분석을 적용하면 large 수많은 질문에 답할 수 있습니다. 결과를 통해 겨울용 타이어의 예에서와 같이 특정 작동 온도 및 하중 사례에 가장 적합한 소재를 선택할 수 있습니다. 주파수 의존성을 포함함으로써 사람의 청각 범위에서 차음성과 관련하여 소재를 평가할 수도 있습니다. 비교 측정을 통해 유리 섬유, 첨가제 및 가소제와 같은 충전재가 폴리머에 미치는 영향을 평가하고 레시피를 도출할 수 있습니다. 점탄성 재료 특성을 기반으로 수지가 가공 중에 완전히 경화되는지 여부와 같은 공정 파라미터도 분석할 수 있습니다.
또한 적절한 액세서리를 사용하면 습도가 재료에 미치는 영향을 관찰하거나 재료와 액체 매체(예: 오일 또는 용제)의 반응을 검사할 수 있습니다. 이를 위해 습도 발생기 또는 침지 배스를 DMA 시스템에 사용할 수 있습니다.
이는 DMA 측정의 가능한 많은 용도 중 일부에 불과합니다. DMA 장치에는 일반적으로 이완, 크리프 측정 등과 같은 다른 측정 모드가 있어 적용 분야가 더욱 넓어집니다.
앞으로 몇 주 안에 다양한 응용 분야에서 NETZSCH DMA 장치로 기록된 다양한 응용 사례를 소개하고 향후 작업과 도전에 대한 영감을 드리고자 합니다. 기대해 주세요!