TA仪器DMA入门指南

  TA仪器动态热机械分析仪（DMA）入门指南 DMA测试原理 DMA如何进行测试？ DMA Q800（或更早的型号DMA 2980）是一款应力（力）控制型动态热机械分析仪，初学者可能对此感到困惑，因为试验时我们在控制软件中输入的参数是振幅（应变）。图1是DMA基本架构示意图，主要由马达（Motor）和位移传感器（Displacement Sensor）两大部分构成，马达对样品施加应力（Stress），位移传感器测量振幅（Amplitude）（或应变，Strain）。  图1   DMA架构示意图  设置试验方法时，在软件中输入振幅表示所需形变量。试验开始时，马达对样品施加应力（控制参数），直到样品形变达设定值为止。图2是对样品进行单频温度扫描所得典型测试结果示意图，注意整个试验过程振幅（应变）是一个恒定的值，样品硬度随着温度升高而改变，仪器通过调整所施加力的大小以保证振幅恒定。  图2  DMA温度扫描试验结果示意图   力和振幅 您需要知道 … … 了解完DMA如何进行测试之后，我们再看一下DMA仪器的基本参数。该DMA是一款力（或应力）控制型动态热机械分析仪，马达可对样品施加仪器规格范围内任意大小的力，然后通过光学编码器测量对应的位移（Displacement）。这就要求设置试验时输入的振幅（Amplitude）必须仪器规格范围内：  z该仪器为力控制型，力的规格范围为0.0001N～18N； z仪器测量所施力对应的应变（振幅），在动态试验中可输入的振幅范围是±0.5μm～10,000μm。表1列出的使用不同夹具（Clamp）进行动态试验时建议起始振幅；表1  动态试验推荐起始振幅 夹具类型 振幅，μm 薄膜/纤维拉伸夹具 15～25 压缩夹具 10～20 三点弯曲夹具 25～40 双/单悬臂夹具 20～30 剪切三明治夹具 10～20 Specialty Fiber 15～25  z如果达到设定振幅所需的力低于0.0001N，则测试不在仪器规格范围内。若达设定振幅所需的力低于0.001N，建议增大振幅以加强信号。振幅增大，则驱动样品达到设定振幅所需的力也将增大，振幅每次提高的幅度推荐为5～10μm。（注：若振幅设定值过大，则形变量可能超出样品的线性粘弹区，LVR。将在下面章节讨论LVR。）图3温度扫描试验力－振幅示意图z若达设定振幅需要的力大于18N，则可能得不到好的测试数据。本质上讲，由于所测样    品硬度太大，仪器马达不能施加足够大的力驱动样品达设定振幅。若施加18N的力测得样品振幅仍然低于0.5μm的动态位移低限，则测试结果无效；若振幅高于0.5μm，可继续进行试验。图3是该试验过程示意图，仪器马达施加18N的力直到达设定振幅：随着试验温度升高，样品硬度降低，驱动样品达设定振幅所需的力随之减小，最终马达可施加足够大的力驱动样品达设定振幅。此时力开始降低以保持设定振幅。若施加18N的力测得振幅低于0.5μm，则需改变样品尺寸，或更换所使用夹具。改变样品尺寸或更换夹具会改变样品硬度。  样品硬度和模量计算 为什么样品尺寸如此重要？ 设置DMA试验时最容易忽视的可能就是样品尺寸，即样品长度，宽度和厚度。大多试验者可能误认为只要能将样品安装到所选夹具上，即可进行精确测试，例如薄膜拉伸夹具可测的最大样品厚度是2mm，但这并不意味着所有2mm厚的样品都可用该夹具进行测试。要明白样品尺寸在设计试验为何如此重要，需知道样品模量和硬度的区别。  DMA所做的一个基本测试是样品硬度K：即施加到样品上的力除以所产生的应变，N/μm。样品硬度K是一个与样品尺寸有关的非本征物理量，而模量是与样品尺寸无关的本征物理量。例如薄铝片非常容易弯折，但一个1英寸厚的铝条却很难弯折。铝片和铝条使用材料相同，但尺寸改变，弯折它们所需的力随之改变。如果测定铝片和铝条的模量，我们将得到相同的值。或者可以说，改变样品尺寸，两种模量不同的材料可能做成硬度相同的样品，如图4所示。图4硬度和模量的区别示意图仪器通过测量样品的硬度，计算得到材料的模量，根据试验模式的不同模量计算方法如下： z动态试验（Dynamic Measurement） 在动态实验中，得到力，振幅和相位角(Phase Angle)等原始信号，仪器校准常数会影响这些 原始信号。通过力和振幅计算得到复数硬度K*，然后引入相位角计算得到样品的储能硬度    和损耗硬度（K’和K”），K”和K’的比值即是Tan δ。硬度原始信号乘以对应的夹具因子(Geometry Factors, GF)即得储能模量和损耗模量。 z瞬态试验（Transient Measurement） 瞬态试验中得到力和振幅原始信号，力和振幅除以对应的夹具因子即得应力和应变。 您需要知道 … … DMA可测硬度规格范围是100N/m～10,000,000N/m。若样品硬度不在此范围内，则需要调整样品尺寸或更换所使用夹具。表2可以帮助您增大或减小样品硬度： 表2  样品硬度调整引导 夹具类型 增大样品硬度 减小样品硬度 薄膜拉伸夹具 减小样品长度或增大样品宽度。若可能，增大样品厚度 增大样品长度或减小样品宽度。若可能，减小样品厚度 纤维拉伸夹具 减小样品长度，若可能，增大样品直径 增大样品长度，若可能，减小样品直径 双/单悬臂夹具 减小样品长度或增大样品宽度。若可能，增大样品厚度 注意：长度/宽度≤10 增大样品长度或减小样品宽度。若可能，减小样品厚度 注意：长度/宽度≤10 三点弯曲夹具 减小样品长度或增大样品宽度。若可能，增大样品厚度 增大样品长度或减小样品宽度。若可能，减小样品厚度 压缩夹具－圆形样品 减小样品厚度或增大样品直径 增大样品厚度或减小样品直径 剪切三明治夹具 减小样品厚度或增大样品长度和宽度 增大样品厚度或减小样品长度和宽度 例如： 夹具尺寸因子（Geometry Factor）方程和可操作范围视图可帮助确定待测样品的最佳尺寸，以及特定尺寸样品的模量范围。  图5  薄膜拉伸夹具可操作试图    如图5以薄膜拉伸夹具为例，使用待测样品尺寸计算出夹具因子，在横坐标上选定该点做一条垂线，该垂线与夹具窗口的上下交点既是可测的最大和最小模量。若样品模量不在此范围，通过调整样品尺寸可使夹具因子沿横坐标移动，直到样品模量处于可测范围内。  使用薄膜拉伸夹具因子和硬度范围计算得模量范围 夹具因子GF： GF=L/A，L，样品长度，A，截面积； 样品硬度Ks乘以夹具因子GF即得样品模量（M）：  M= Ks * GF, 或M = Ks * (L/A)  该DMA可测硬度范围：100~10,000,000N/m，对特定尺寸的样品，将可测硬度的最大值和最小值带入以上方程即得可测模量范围。也可使用如下方程通过模量值解得硬度值：  Ks = Modulus/GF or Ks = (Modulus * A) / L  模量是与样品尺寸无关的本征物理量，因此必须选定合适的样品尺寸，使所得硬度在仪器指标范围内。  静态力和力追踪 （应变追踪） 薄膜拉伸夹具，纤维拉伸夹具，三点弯曲夹具和压缩夹具都是需要静态力补偿的拉伸类夹具。也可在DMA手册中找到拉伸夹具和非拉伸夹具的相关讨论。使用该类夹具需加载“静态力（Static Force）”，进行温度扫描时需施加力追踪（Force Track）（或应变追踪，Auto strain），其功能如下:  静态力和力追踪（应变追踪）同时使用时，静态力是点击软件中“测量（Measure）”按钮时施加到样品上的力。使用不同的夹具，该静态力的作用不同：  z薄膜/纤维拉伸夹具：消除样品褶皱以准确测量样品长度； z压缩夹具：使活动夹具部分与样品紧密接触以准确测量样品厚度； z三点弯曲夹具：动态试验前使活动夹具中心支点与样品接触。  静态力未与力追踪（应变追踪）同时使用时，则为整个试验过程中施加到样品上的力。单独使用时没有推荐的起始值，但其值必须大于设定振幅和频率下所产生的动态力。  试验过程中驱动样品达到设定振幅是不断变化的动态力，力追踪是施加到样品上高于动态力一定比例的力。进行温度扫描试验时，样品硬度试验过程中会有很大的变化，特别是无定形和半结晶热塑性聚合物。温度较低时，样品硬度较大，需较大的力驱动样品达设定振幅；随着温度升高材料变软，材料会产生显著的蠕变行为，驱动材料达到动态振幅所需的力变小，静态力随之减小。力追踪会随着材料的软化降低所加载静态力，以防止材料试验过程中发生蠕变。表3推荐了拉伸夹具静态力和力追踪初始值.    注意：降低振幅和力追踪百分比的设定值会减小样品软化过程中材料蠕变的概率。  表3  初始静态力和力追踪（应变追踪）参数设置引导 夹具类型 静态力 力追踪（应变追踪） 薄膜拉伸 0.01N 120%～150% 纤维拉伸 0.001N 120% 压缩夹具 0.001N～0.01N 125% 三点弯曲夹具 （热塑性聚合物样品） 1N 125%～150% 三点弯曲 （硬热固性聚合物样品） 1N 150%～200%   选择多频和多应变模式试验参数 频率 Frequency … … 该DMA的频率范围为0.01～200Hz，它是仪器马达所能施加的频率范围。具体到不同样品，所能施加的最高频率取决于样品硬度，样品硬度越高，则越容易驱动到高频率；  单频温度扫描 若要通过温度扫描确定材料某转变温度，但不清楚所需频率，推荐在1Hz下进行测试，1Hz可以作为标杆试验频率。 选择试验频率的一个限定因素是数据点取点速率，试验频率越低，取1个数据点所需时间越长。如果选择的频率过低（或升温速率过高），则在较大温度范围内可能出现数据空白。进行单频温度扫描试验时，取点时间计算方法如下：  第一个数据点的取点时间：t = 7/F，F为设定频率Hz； 接下来数据点的取点间隔：t = 3/F  因此若设定频率为1Hz，则7秒钟后取第一个数据点，接下来每3秒钟取一个点；  多频温度扫描 进行多频温度扫描试验时，建议频率不要小于0.5Hz，因为多频扫描中每一个频率下的取点间隔为7/F。例如，以3摄氏度/分钟的升温速率进行0.5Hz，1Hz和5Hz三个频率的多频温度扫描试验，扫描完三个设定频率所需时间为：  t = 7/0.5 + 7/1 + 7/5 = 22.4秒    表面上看可能误认为每摄氏度取三个数据点，实际上每升高1摄氏度在每个频率才取一个数据点，由于数据点太少，得不到平滑的曲线。  升温速率  Ramp Rate 推荐使用1～5℃/min的升温速率，不要使用高于5℃/min的升温速率。升温速率的选择取决于样品尺寸、频率以及转变温度点的准确度要求。设计试验时考虑如下因素：  z升温速率越高，则样品热滞后越大，转变温度向高温方向移动，较低的升温速率（1~3℃/min）可得到更准确的转变温度。如需得到转变点的绝对温度，可使用步阶升温方式进行试验； z样品尺寸大，例如用于三点弯曲和单双悬臂夹具的样品，将比薄膜/纤维拉伸夹具所测试的较薄样品产生更大的热滞后； z试验频率越低，则所得数据点越少。避免同时使用低频率（ 0.5Hz）和大的升温速率（5摄氏度/分钟）。确保所选升温速率能取得足够的数据点以得到平滑的曲线；  推荐的单频温度扫描试验组合是1Hz和3摄氏度/分钟。  实时信号显示 熟悉控制软件中实时信号的意义！ 在了解仪器规格的前提下，实时信号可以帮助您确认试验参数设置是否正确等相关问题；  在控制软件中设置正确的试验参数对得到准确、可重复的试验结果至关重要，这也是多数仪器初学者经常问的问题。DMA控制软件中的实时信号可以帮助您设置正确的试验参数。测量完样品尺寸后将其安装到夹具上，然后点击控制软件中的“测量”。当进行动态试验（多频和多应变模式）时，特别注意如下信号：   图6  DMA实时信号显示    振幅（Amplitude）：需达到并保持在设定值。当进行多应变测试时，该振幅应围绕设定值循环。需要注意的是DMA数据解析依据的是粘弹性理论，因此试验应在材料的粘弹性区域内进行测试。  硬度（Stiffness）：应