09.12.2025 by Sascha Riegler
Hur dynamisk mekanisk analys med hög kraft hjälper till att förstå verkliga materialbeteenden
Gummikomponenter som används inom flyg, gruvdrift, försvar och motorsport utsätts för extrema mekaniska belastningar i verklig drift - långt bortom vad standardtester kan återskapa. High-Force DMA gör det möjligt att mäta och simulera dessa påfrestningar, vilket avslöjar kritiska beteenden som värmeutveckling, utmattning och Payne- och Mullins-effekter. Med avancerad testteknik kan tillverkarna bättre förutsäga prestanda, förebygga fel och konstruera säkrare gummimaterial med längre livslängd.
Beteendet hos gummi under tung belastning
Oavsett om det handlar om flygplansdäck, transportband i gruvor, militära banddynor eller Formel 1-racingdäck - gummi utsätts ofta för extrema mekaniska påfrestningar. Men hur beter sig detta komplexa material under verkliga förhållanden? Och hur kan tillverkarna på ett tillförlitligt sätt testa och simulera dessa belastningar? Det är här som dynamisk mekanisk analys (DMA) med hög kraft ( NETZSCH ) blir avgörande.
Varför High-Force DMA?
DMA är en oförstörande testmetod som används för att analysera det dynamiska mekaniska beteendet hos viskoelastiska fasta ämnen. Medan konventionella DMA är lämpliga för small prover och linjär viskoelastisk testning, når de sina gränser när material utsätts för höga krafter, höga frekvenser eller large deformationer - allt som är vanligt i verkliga applikationer.
NETZSCH erbjuder DMA-instrument för höga krafter som DMA 503 Eplexor® och DMA 523 Eplexor®, som klarar statiska krafter på upp till 6000 N och dynamiska krafter på upp till 4000 N. Dessa system gör det möjligt att testa large provkroppar och simulera realistiska belastningsförhållanden - från tunga däck till vibrationsdämpare.
Upptäck NETZSCH Produktsortiment för DMA med hög kraft
Värmeutveckling och utblåsning - Elastomerer pressas till det yttersta
En av de största utmaningarna vid gummiprovning är värmeackumulering under cyklisk belastning. Elastomerer har dålig Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga. När de utsätts för hög dynamisk belastning genereras mer värme än vad som kan avledas, vilket leder till interna temperaturhöjningar - ett fenomen som kallas Heat Build-Up (HBU).
Blow-Out-tester går ett steg längre: provet utsätts för dynamisk StressSpänning definieras som en kraftnivå som appliceras på ett prov med ett väldefinierat tvärsnitt. (Spänning = kraft/area). Prover med cirkulärt eller rektangulärt tvärsnitt kan komprimeras eller sträckas. Elastiska material som gummi kan sträckas upp till 5 till 10 gånger sin ursprungliga längd.stress tills det går sönder. Med High-Force DMA är det möjligt att mäta inte bara temperaturhöjningar utan även viskoelastiska egenskaper som lagringsmodul, ViskositetsmodulDen komplexa modulen (viskösa komponenten), förlustmodulen eller G'', är den "imaginära" delen av provets totala komplexa modul. Den viskösa komponenten indikerar det vätskeliknande, eller ur fas, svaret hos det prov som mäts. förlustmodul och dämpningsbeteende (tan δ) - allt i ett och samma test.
Ett praktiskt exempel visade att medan ett termoelement på ytan endast mätte en temperaturökning på 20°C, steg den interna temperaturen - som registrerades med ett nåltermoelement - med upp till 70°C. Sådana insikter är avgörande eftersom intern överhettning kan leda till hålrumsbildning, spricktillväxt och i slutändan katastrofala fel.
Payne-effektenPayne-effekten är minskningen av ett fyllt, tvärbundet elastomersystem med ökande deformationsamplitud.Payne-effekten - när gummi blir mjukare av rörelse
Payne-effektenPayne-effekten är minskningen av ett fyllt, tvärbundet elastomersystem med ökande deformationsamplitud.Payne-effekten beskriver minskningen i styvhet (lagringsmodul) hos fyllda elastomerer under ökande dynamisk belastning. Denna effekt blir relevant när gummikomponenter som däck, vindrutetorkare eller vibrationsdämpare utsätts för upprepad deformation.
Med hjälp av NETZSCH DMA 503 Eplexor® visade ett load sweep-test hur lagringsmodulen förblev konstant i den linjära viskoelastiska regionen, för att sedan sjunka avsevärt - med nästan två tredjedelar - när det olinjära beteendet började. Förlustfaktorn (tan δ) steg inledningsvis, nådde en topp när de interna fyllnadsnätverken var som mest skadade, för att sedan sjunka igen.
När den dynamiska töjningen minskades återgick materialet inte till sitt ursprungliga tillstånd. Istället uppvisade det hysteres: partiell återhämtning, men inte fullständig återställning. Detta bevisar att Payne-effektenPayne-effekten är minskningen av ett fyllt, tvärbundet elastomersystem med ökande deformationsamplitud.Payne-effekten endast är delvis reversibel på kort sikt - fullständig återhämtning kräver längre viloperioder då bindningarna mellan fyllmedel och fyllmedel återagglomereras.
Mullins-effektenMullins-effekten beskriver ett fenomen som är typiskt för gummimaterial.Mullins-effekten - Irreversibel mjukgörning
Medan Payne-effektenPayne-effekten är minskningen av ett fyllt, tvärbundet elastomersystem med ökande deformationsamplitud.Payne-effekten är reversibel över tiden, beskriver Mullins-effektenMullins-effekten beskriver ett fenomen som är typiskt för gummimaterial.Mullins-effekten en permanent uppmjukning av en fylld elastomer efter upprepad belastning och avlastning under kvasistatiska förhållanden.
Denna effekt spelar en avgörande roll i tillämpningar som t.ex:
- Däckens inkörningsbeteende
- Långsiktig tätningsprestanda hos O-ringar
- Förändringar i dämpningsprestanda hos vibrationsfästen
High-Force DMA-testning visar att efter en första belastningscykel följer efterföljande spännings-töjningskurvor mjukare banor. Detta indikerar irreversibla strukturella förändringar, inklusive skador på polymer-fillerbindningar och omarrangemang av polymerkedjor. Skillnaden mellan den ursprungliga och den efterföljande spännings-töjningskurvan kallas Mullins-skada - en viktig parameter för prediktiv modellering och materialsimuleringar.
Slutliga tankar
Gummi är ett mycket mångsidigt men ändå komplext material. Dess beteende under belastning innebär en kombination av mekaniska, termiska och mikrostrukturella effekter - som alla samverkar samtidigt. För att förstå dessa krävs avancerad testteknik.
DMA-system med hög kraft från NETZSCH Analyzing & Testing gör det möjligt för ingenjörer och forskare att simulera verkliga belastningsförhållanden och samla in viktiga data om utmattning, värmeutveckling, dämpningsprestanda och mikrostrukturella förändringar.
Som den berömde Formel 1-designern Adrian Newey en gång sa:
"De här gummibitarna som faktiskt överför greppet till asfalten är förmodligen de som man vet minst om - men de är de mest avgörande."
På NETZSCH har vi kanske inte alla svar, men vi tillhandahåller de verktyg som hjälper till att ta materialprovningen - och förståelsen för gummi - ett steg längre.
Är du intresserad av att lära dig mer om DMA med hög kraft och testlösningar? Hör gärna av dig till oss!
Lokal kontakt
Titta på dessa webbinarier för att lära dig mer:
Dela med dig av denna artikel: