动态力学分析解析课件.ppt

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1、第4篇聚合物材料的动态力学分析聚合物材料的一大特点就是具有粘弹性。如橡胶、塑料、纤维、薄膜、复合材料等，都具有粘弹性。用动态力学法研究聚合物的力学性能，已证明是一种非常有效的测试方法。材料的动态力学性能可以与材料的宏观性能联系起来。动态力学性能，如：动态模量、损耗模量、阻尼特性(内耗)。宏观性能，如：疲劳寿命、韧性、冲击弹性、撕裂性能、耐热性、耐寒、耐老化性能以及阻尼特性等。力学性能还能与材料的微观结构变化和分子运动联系起来。如：相对分子量大小、分子取向、结晶度大小、交联和共聚、共混等结构参数的变化会引起动力学性质的变化。另一方面，随现代科学的发展，高科技

2、的引入，精密仪器制造技术迅速提高，使仪器的功能和测试的精度、分辨率不断提高，计算机控制和对数据的处理分析有了巨大进步，为研究聚合物材料创造新的分析方法提供了便利的条件。第14章动态力学测量分析的基本原理14.1材料在交变外力作用下应力与应变的关系所谓动态力学性能的测量分析是研究材料在交变应力作用下的应变响应。材料受到交变的拉伸应力作用及其应变响应可表示为：式中ε——交变的应变(为时间的函数)；ε0——应变幅值；σ——应力(为时间的函数)；σ0——应力幅值；ω——角频率ωt——相位角；δ——应力和应变的相位差，也称滞后角。用复数形式表示的应力和应变为：复模量

3、式中：E´——储能模量；E“——损耗模量。复柔量计算：剪切复模量剪切复柔量损耗因子如果测量的是聚合物熔体或溶液，其动态粘弹性可用复粘度表示。复合粘度14.2聚合物力学性质与温度、频率、时间的关系1.温度谱测温度谱时，原则上维持应力和频率不变。温度由程序升温控制。模量等随温度的变化如图所示。2.频率谱频率谱，即频率扫描模式是在恒温、恒应力下，测定动态模量及损耗随频率变化的试验，用于研究材料性能与速度的依赖性。3.频率谱与温度的关系从不同频率下测材料在相同温度范围内的温度谱（见图）可知，当频率变化10倍时，随材料活化能不同其温度谱曲线位移7～10℃，也就是说，

4、如果频率变化三个数量级时相当于温度位移21～30℃，因此，用频率谱扫描模式可以更细致地观察较不明显的次级松弛转变。第15章动态力学分析仪器没有一种动态力学仪器是万能的，即适合于不同聚合物材料，又适合于不同的频率和宽广的温度范围。常用的动态力学仪器有三种类型：自由振动、强迫振动、非共振式强迫振动。15.1自由振动法自由振动法是在一小的形变范围内研究试样自由振动时的振动周期、相邻两振幅间的对数减量以及它们与温度的关系，扭摆仪和扭辫仪属于此范畴。一、动态扭摆仪扭摆仪的原理见图15-1，试样两端夹在夹具中，一端夹具固定，另一端夹具与自由转动的惯性杆相连接。若将一给

5、定应力使惯性杆扭转一小角度，随即除去外力，试样则将产生周期性扭转，振幅随时间不断衰减，直至最后停止。这是扭摆仪的详细结构图P——周期，是试样每摆动一次所需要的时间；Ai——振幅，是试样每次摆动的距离。由于聚合物的内耗，使摆动的振幅逐渐衰减。由振幅A可求得对数减量Δ，由Δ和P可求出切变储能模量G´、损耗模量G"、内耗角正切tanδ。对数减量Δ定义为相邻两个振幅之比的自然对数，即：式中Ai——第i个振幅的宽度（即幅值）。剪切模量由下式给出：对圆柱型样品：对矩型样品：式中L——试样有效部分长度，cm；C——试样宽度，cm；D——试样厚度，cm；I——转动体系的转

6、动惯量，Kg。cm2μ——形状因子，其值由C/D之比值确定，可查表15-1。表15-1C/D与μ对照表C/DμC/Dμ11.21.41.61.82.02.252.52.753.03.52.2492.6582.993.253.4793.6583.8423.9904.1114.2134.37344.55678102050100∞4.4934.5864.6624.7734.8534.9134.9974.1655.2665.305.333二、动态扭辫仪（TBA）扭辫仪实际上是扭摆仪的扩展，两者的原理、数据测量、处理基本相同。两者的主要区别在于样品的制备方法：扭辫法

7、中被测样品要制成溶液或熔体，然后将其浸渍在多股（3000根以上）玻璃丝编成的辫子上，再抽真空将溶剂除掉，得到被测材料与支撑物组成的复合样品，供测试用。TBA仪的缺点：由于这种方法使用的是复合体，其几何形状不规则，所以测不出试样切变模量的绝对值，仅为相对刚度，一般以1/P2表示，因此，不能与其它仪器测量得到的结果相比较。它最大的优点：1.试样用量少(100mg以下)；2.试样制备简单；3.采用玻璃丝作支撑物，能在–180～600℃温度范围内研究材料的多重转变；试样可以从液态、凝胶态、橡胶态一直研究到玻璃态；即能研究物理转变，又能研究化学转变。扭辫仪的示意图见

8、图15-4所示。试样挂在炉中，上有步进马达启动扭摆运动，下有检测系