09.12.2025 by Sascha Riegler
Jak dynamiczna analiza mechaniczna z użyciem dużej siły pomaga zrozumieć rzeczywiste zachowanie materiału
Elementy gumowe stosowane w lotnictwie, górnictwie, obronności i sportach motorowych są narażone na ekstremalne obciążenia mechaniczne w rzeczywistej pracy - znacznie wykraczające poza to, co mogą odtworzyć standardowe testy. High-Force DMA umożliwia pomiar i symulację tych naprężeń, ujawniając krytyczne zachowania, takie jak gromadzenie się ciepła, zmęczenie oraz efekty Payne'a i Mullinsa. Dzięki zaawansowanej technologii testowania producenci mogą lepiej przewidywać wydajność, zapobiegać awariom i projektować bezpieczniejsze, trwalsze materiały gumowe.
Zachowanie gumy pod dużym obciążeniem
Niezależnie od tego, czy są to opony lotnicze, górnicze taśmy przenośnikowe, wojskowe podkładki torowe czy opony wyścigowe Formuły 1 - guma jest często narażona na ekstremalne obciążenia mechaniczne. Ale jak ten złożony materiał zachowuje się w rzeczywistych warunkach? I w jaki sposób producenci mogą niezawodnie testować i symulować te obciążenia? W tym miejscu niezbędna staje się dynamiczna analiza mechaniczna (DMA) z użyciem dużej siły, przeprowadzana przez NETZSCH.
Dlaczego High-Force DMA?
DMA jest nieniszczącą metodą badawczą stosowaną do analizy dynamicznego zachowania mechanicznego lepkosprężystych ciał stałych. Podczas gdy konwencjonalne DMA są odpowiednie dla próbek small i liniowych testów lepkosprężystości, osiągają swoje granice, gdy materiały są narażone na duże siły, wysokie częstotliwości lub odkształcenia large - wszystkie z nich są powszechne w rzeczywistych zastosowaniach.
NETZSCH oferuje przyrządy DMA o dużej sile, takie jak DMA 503 Eplexor® i DMA 523 Eplexor®, zdolne do przykładania sił statycznych do 6000 N i dynamicznych do 4000 N. Systemy te umożliwiają testowanie próbek large i symulowanie realistycznych warunków obciążenia - od ciężkich opon po tłumiki drgań.
Odkryj gamę produktów NETZSCH High-Force DMA
Nagrzewanie i wydmuchiwanie - Elastomery do granic możliwości
Jednym z głównych wyzwań w testowaniu gumy jest akumulacja ciepła pod cyklicznym obciążeniem. Elastomery mają słabą przewodność cieplną. Gdy poddawane są wysokim naprężeniom dynamicznym, generowane jest więcej ciepła niż może zostać rozproszone, co prowadzi do wzrostu temperatury wewnętrznej - zjawisko znane jako Heat Build-Up (HBU).
Testy Blow-Out idą o krok dalej: próbka jest poddawana dynamicznym naprężeniom aż do jej zniszczenia. Dzięki High-Force DMA możliwe jest zmierzenie nie tylko wzrostu temperatury, ale także właściwości lepkosprężystych, takich jak moduł magazynowania, Moduł lepkościModuł zespolony (składnik lepkościowy), moduł stratności lub G'' to "urojona" część ogólnego modułu zespolonego próbki. Ten lepki składnik wskazuje na reakcję próbki pomiarowej podobną do cieczy lub poza fazą. moduł stratności i tłumienie (tan δ) - wszystko w jednym teście.
Praktyczny przykład pokazał, że podczas gdy termopara powierzchniowa mierzyła wzrost temperatury tylko o 20°C, temperatura wewnętrzna - mierzona za pomocą termopary igłowej - wzrosła nawet o 70°C. Takie spostrzeżenia mają kluczowe znaczenie, ponieważ wewnętrzne przegrzanie może prowadzić do tworzenia się wnęk, wzrostu pęknięć, a ostatecznie do katastrofalnej awarii.
Efekt Payne'aEfekt Payne'a polega na zmniejszeniu wypełnionego, usieciowanego układu elastomerowego wraz ze wzrostem amplitudy odkształcenia.Efekt Payne'a - gdy guma mięknie pod wpływem ruchu
Efekt Payne'aEfekt Payne'a polega na zmniejszeniu wypełnionego, usieciowanego układu elastomerowego wraz ze wzrostem amplitudy odkształcenia.Efekt Payne'a opisuje spadek sztywności (modułu sprężystości) wypełnionych elastomerów pod wpływem rosnącego odkształcenia dynamicznego. Efekt ten staje się istotny, gdy elementy gumowe, takie jak opony, wycieraczki przedniej szyby lub tłumiki drgań, są poddawane powtarzającym się odkształceniom.
Korzystając z NETZSCH DMA 503 Eplexor® , test z obciążeniem wykazał, że moduł magazynowania pozostawał stały w liniowym obszarze lepkosprężystym, a następnie znacznie spadł - o prawie dwie trzecie - po rozpoczęciu nieliniowego zachowania. Współczynnik strat (tan δ) początkowo wzrósł, osiągnął szczyt, gdy wewnętrzne sieci wypełniaczy zostały najbardziej uszkodzone, a następnie ponownie spadł.
Po zmniejszeniu odkształcenia dynamicznego materiał nie powrócił do swojego pierwotnego stanu. Zamiast tego wykazywał histerezę: częściowe odzyskanie, ale nie pełne przywrócenie. Dowodzi to, że Efekt Payne'aEfekt Payne'a polega na zmniejszeniu wypełnionego, usieciowanego układu elastomerowego wraz ze wzrostem amplitudy odkształcenia.efekt Payne'a jest tylko częściowo odwracalny w krótkim okresie - pełna regeneracja wymaga dłuższych okresów odpoczynku, ponieważ wiązania wypełniacz-wypełniacz ulegają ponownej aglomeracji.
Efekt MullinsaEfekt Mullinsa opisuje zjawisko typowe dla materiałów gumowych.Efekt Mullinsa - nieodwracalne zmiękczenie
Podczas gdy Efekt Payne'aEfekt Payne'a polega na zmniejszeniu wypełnionego, usieciowanego układu elastomerowego wraz ze wzrostem amplitudy odkształcenia.efekt Payne'a jest odwracalny w czasie, Efekt MullinsaEfekt Mullinsa opisuje zjawisko typowe dla materiałów gumowych.efekt Mullinsa opisuje trwałe zmiękczenie wypełnionego elastomeru po wielokrotnym obciążaniu i rozładowywaniu w warunkach quasi-statycznych.
Efekt ten odgrywa kluczową rolę w takich zastosowaniach jak
- Docieranie opon
- Długoterminowa wydajność uszczelnienia O-ringów
- Zmiany w wydajności tłumienia wibracji
Testy High-Force DMA pokazują, że po początkowym cyklu obciążenia, kolejne krzywe naprężenie-odkształcenie podążają bardziej miękkimi ścieżkami. Wskazuje to na nieodwracalne zmiany strukturalne, w tym uszkodzenie wiązań polimer-wypełniacz i przegrupowanie łańcuchów polimerowych. Różnica między pierwotną a późniejszą krzywą naprężenie-odkształcenie jest znana jako uszkodzenie Mullinsa - kluczowy parametr dla modelowania predykcyjnego i symulacji materiałowych.
Przemyślenia końcowe
Guma jest bardzo wszechstronnym, a jednocześnie złożonym materiałem. Jego zachowanie pod wpływem naprężeń obejmuje kombinację efektów mechanicznych, termicznych i mikrostrukturalnych - wszystkie oddziałują jednocześnie. Ich zrozumienie wymaga zaawansowanych technik testowania.
Systemy High-Force DMA firmy NETZSCH Analyzing & Testing umożliwiają inżynierom i badaczom symulację rzeczywistych warunków obciążenia i przechwytywanie krytycznych danych dotyczących zmęczenia, gromadzenia się ciepła, wydajności tłumienia i zmian mikrostrukturalnych.
Jak powiedział kiedyś słynny projektant Formuły 1 Adrian Newey:
"Te fragmenty gumy, które faktycznie przenoszą przyczepność na asfalt, są prawdopodobnie najsłabiej poznane - a jednak są najbardziej kluczowe"
Na stronie NETZSCH możemy nie znać wszystkich odpowiedzi, ale zapewniamy narzędzia, które pomagają w testowaniu materiałów i zrozumieniu gumy o krok dalej.
Chcesz dowiedzieć się więcej na temat rozwiązań DMA i testowania z dużą siłą? Zapraszamy do kontaktu!
Kontakt lokalny
Obejrzyj te webinaria, aby dowiedzieć się więcej:
Udostępnij ten artykuł: