静态热机械分析及动态热机械分析共48页
dynamic thermo mechanical analysis
dynamic thermo mechanical analysis1. 引言1.1 概述在材料科学和工程领域，动态热力学力学分析是一项关键的实验技术，用于研究材料的热力学响应和力学特性之间的关系。
动态热力学力学分析将温度和机械加载条件结合起来，通过测量材料在变化温度下的形变行为来揭示其内部结构和耐久性。
1.2 文章结构本文将围绕动态热力学力学分析展开讨论。
首先介绍动态热力学力学分析的定义、原理和应用领域。
随后，我们将详细探讨动态热机械分析技术参数，包括涵盖的温度范围、机械应变范围以及实验步骤和仪器要求。
接着，我们将讨论影响动态热力学力学特性的因素，包括温度效应与变化速率关系、材料微结构对特性的影响以及外界加载条件对结果的影响。
最后，在结论部分总结主要发现和贡献，并对未来动态热力学力学分析研究提出展望与建议。
1.3 目的本文的目的是深入探讨动态热力学力学分析的原理和应用，阐明其在材料研究中的重要性。
通过对不同温度下材料力学行为的测量和分析，我们可以更好地理解材料的热力学响应和力学特性，并为材料设计和工程应用提供指导。
此外，我们还将对未来该领域的研究方向提出展望，并提出改进技术和方法的建议，以推动动态热力学力学分析在材料科学领域的发展。
2. 动态热力学力学分析2.1 定义动态热力学力学分析是一种实验方法，用于研究材料的热力学性质在不同温度和应变条件下的变化。
该分析方法结合了热学和力学试验，通过测量材料在动态加载条件下的温度和力学响应来获得其物理特性。
2.2 原理动态热力学力学分析基于热机械耦合原理，即在加热或冷却过程中对材料施加动态载荷时，通过测量温度和应变的变化来监测材料内部结构的行为。
该方法通常使用差示扫描量热仪（DSC）或差示扫描量热显微镜（DSVH）等设备进行实验，并记录温度、时间和相应的机械响应曲线。
2.3 应用领域动态热力学力学分析广泛应用于各个领域的材料科学和工程中。
其中主要包括以下几个方面：- 新材料开发：通过评估新材料在高温高应变条件下的性能以及与环境之间的相互作用，以指导新材料的设计和应用。
热机械分析法
3.3 相关标准
TMA
ASTM E2206-2006 Standard Test Method for Force Calibration Of
Thermomechnical Analyzers 热机械分析仪的力校验的标准方法
ASTM E831-2006 Standard Test Method for Linear Thermal Expansion of Solid
精品课件
3.2.5 TMA的空白实验
在与试样所用相同的条件下(但并无试样)进行空白实验， 记录TMA曲线。 利用空白实验测得的数据校准试样测得的数据
3.2.6 TMA实验步骤 将试样置于样品支持器上 放置温度传感器使其尽量接近试样 利用位移转换器测定试样在实验开始时的长度L0 选择温度范围、升降温速率和所施负荷(按ISO 11359-2或ISO 11359— 3或相关材料标准的要求) 记录与温度或时间关系的TMA曲线 比较空白实验曲线与实验所得的TMA曲线，并做所需的校准
电磁感应法）、体积法 等 它们的共同点都是试样在加热炉中受热膨胀，通过顶杆将膨胀传
递到检测系统。不同之处在于检测系统。
精品课件
卧式膨胀仪
精品课件
技术参数 可自由更换如下四种炉体：低温炉（-180 ... 500℃）、中高温
炉（RT ... 1100℃）、高温炉（RT ... 1600℃）、超高温炉 （RT ... 2000） 升降温速率：0 ... 50 K/min（取决于不同的炉体类型） 样品支架：石英支架（< 1100°C），氧化铝支架（< 1700℃）， 石墨支架（2000℃） 测量范围：500／5000 μm 样品长度：最大 50 mm 样品直径：最大 12 mm（另有 19 mm 可选） ΔL 分辨率：0.125 nm / 1.25 nm 气氛：惰性、氧化、还原、静态、动态
动态热机械分析仪DMA原理及方法
DMA研究生
28
同一重运动单元而言，温度越高或所受的 应力越大，则其运动的松弛时间就越短。 任何一重运动单元的运动是否自由，取决 于其运动的松弛时间与观察时间之比。 设在一定的温度下，某一重运动单元运动 的松弛时间为τ，实验观察时间为t，
DMA研究生
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当t<<τ时，运动单元的运动在这有限的观
察时间内根本表现不出来，在这种情况下，
高聚物熔体具有不同于小分子液体的许多特点 在外力作用下，高聚物熔体除了会发生不可回复塑 性形变外，还不可避免地同时产生弹性形变。 高聚物熔体从圆柱状口模孔中挤出时，形成的料条 直径可能比孔径大，如橡胶入孔时变细，出孔时因形 变回复而又变粗一样。 受搅拌棒搅拌时，熔体沿棒壁上爬；快速挤出时， 型材发生畸变等现象也是熔体中含有弹性的表现 这类现象统称为高聚物的粘性中带有弹性。 高聚物在力学性能上的最大特点是高弹性与粘弹性。
在液态中，分子的排列只有近程有序而无远程
有序；
在气态中，分子的排列既无远程有序也无近程
有序。 DMA研究生
4
物质按其体积与形状的稳定性，分为固体、 液体和气体。 固体具有一定的体积和形状 液体具有一定的体积但无一定的形状 气体无一定的体积又无一定的形状
这些状态称为物质的各种力学状态。
DMA研究生
5
量、复数模量、动态粘度、应力、应变、
振幅、频率、温度、时间和损耗因子等，
可以研究应力松弛、蠕变、玻璃化温度和
次D级MA研松究生弛等
3
DMA的理论基础是聚合物的粘弹性，因此我们
首先讨论聚合物的粘弹性：
一、高聚物力学性能的主要特点
物质按其中分子(或原子、离子)排列的有序性，
可分为晶态、液态和气态。
动态热机械分析
动态热机械分析概述：动态热机械分析是一种用于研究热机械系统动态行为的方法。
这种方法结合了热力学、机械力学和控制理论等多个学科，旨在分析和优化热机械系统的运行性能和稳定性。
本文将介绍动态热机械分析的基本原理、应用领域，并探讨其在热机械系统设计和性能优化中的重要性。
一、动态热机械分析的基本原理动态热机械分析是建立在热力学和机械力学基础之上的研究方法。
其核心原理是通过建立系统的动态模型，利用动力学方程和控制理论来描述和分析热机械系统的运动和稳定性。
在分析过程中，考虑热传导、热辐射、热对流等传热机制，同时考虑机械运动中的力学载荷和惯性效应，以及控制系统对系统动态特性的影响。
二、动态热机械分析的应用领域1. 燃气轮机系统：燃气轮机是一种常见的动力装置，广泛应用于发电、航空等领域。
动态热机械分析能够帮助设计师深入理解燃气轮机的动态行为，优化控制系统以提高系统响应速度和稳定性。
2. 冷热源系统：冷热源系统广泛应用于工业生产和建筑空调等领域。
通过动态热机械分析，可以研究和优化冷热源系统的运行状态，改善能源利用效率，降低运行成本。
3. 微型热机械系统：微型热机械系统是一种新兴领域，其在微尺度范围内实现能量转换和传递。
动态热机械分析对于微型热机械系统的设计和性能优化至关重要，可以揭示系统的微观动力学特性，提高系统的能量转换效率。
三、动态热机械分析在热机械系统设计中的重要性动态热机械分析在热机械系统设计和性能优化中具有重要的作用，主要体现在以下几个方面：1. 提高系统响应速度：热机械系统的响应速度直接影响其瞬态性能和控制能力。
通过动态热机械分析，可以深入研究系统的动态特性，设计出合理的控制策略，从而提高系统的响应速度。
2. 优化系统稳定性：热机械系统的稳定性是保证系统正常运行的关键因素。
通过动态热机械分析，可以找到系统的稳态和非稳态解，分析系统的稳定性边界，并设计合适的控制器来保持系统的稳定运行。
3. 提高能源利用效率：热机械系统的能源利用效率直接影响系统的运行成本和环境影响。
动态热机械分析
定义：在程序控温下，测量物质在非 振动负荷下的温度与形变关系的技术。
拉伸
压缩
弯曲
扭转
1 热机械分析 1-2 静态热机械分析 △L
Tf Tg T/℃
例1 PMMA 温度-形变曲线（压缩）
1 热机械分析 1-2 静态热机械分析 △L
LDPE
HDPE T/℃
例3 PE 线膨胀系数（压缩）
1 热机械分析 1-2 静态热机械分析 △L
α= △L /（L0 △T）
α —线膨胀系数（1/K） L0—初始长度 △T—试验温度差
1 热机械分析 1-1 热膨胀法
α= △L /（L0 △T）
美国：-30-30℃ 日本： 25-80℃ 我国： 0-40℃
注意：要求测试温度范围内无相转变
1 热机械分析 1-1 热膨胀法
体热膨胀法：温度升高1度，试样体积膨 胀（或收缩）的相对量：
γ= △V /（V0 △T）
γ —体膨胀系数（1/K） V0—初始体积 △T—试验温度差
1 热机械分析 1-1 热膨胀法
DIL 402 PC热膨胀仪 德国
1 热机械分析 1-1 热膨胀法
DIL 402 C热膨胀仪 德国
1 热机械分析 1-1 热膨胀法
DIL 402 E热膨胀仪 德国
1 热机械分析 1-2 静态热机械分析
F
2 动态热机械分析 2-4 分析仪器 F 平行板
3 在高分子材料中的应用
3-1 玻璃化温度测定 E’’ , Tanδ. Tg
T 玻璃化转变附近:E’’ ,Tanδ最大
3 在高分子材料中的应用
3-1 玻璃化温度测定
例1 NBR/S,ZnO,DM/C体系
3 在高分子材料中的应用
静态热机械分析及动态热机械分析
必须指出，由于目前调节共振点需要一定的时间，所以不 能用快速程序升温条件，以免在测定过程中使频率变化赶不 上温度的变化。这种方法的精度取决于频率读数的精确性， 为此可以用数字式频率计读数，即能达到足够的精确度。但 是共振类型的仪器，由于模量随温度变化，所以共振频率也 要随之变化。这样就难以严格地在固定频率下测定温度与试 样动态力学性质的关系。当然也难以在一个温度下，测定频 率对试样动态力学性质的影响。但是作为动态热机械分析要 求来说，由于频率仅在一定范围内变化，对得到的谱图作出 分析时影响不太大，所以它还是DMA常用的方法。
主要内容
绪 论 第一节 热重分析（TG）
第二节 差热分析(DTA)
第三节 差热扫描量热分析(DSC)
第四节 静态热机械分析(TMA)
第五节 动态热机械分析(DMA)
第四节 静态热机械分析(Thermomechanical analysis,TMA) 一、TMA的基本原理和仪器
在 程 序温 度控 制 下 ， 对 一物质施加非振荡负载，测 量物质的尺寸变化 ( 形变 ) 、 应力与温度的函数关系的技
4.强迫非共振法——粘弹谱仪
这种方法是目前最好的动态热机械测定法。由于它是强迫 非共振型。温度和频率是两个独立可变的参数，因此它可得 到不同频率下的DMA曲线。同时也可以得到不同定温条件下 的频率与动态力学参数的谱图。这种装置如示意图30所示。
单悬臂梁
拉伸
剪切
样品一端由夹具固定，另一端 由驱动轴固定，由马达施加弯 曲应力
图3.3 样品PU0和PU1.5的损耗角正切对温度的关系.
PS/PB
PVAc/PMA
PVAc-b-PMA
3.4 3.5
用DTA、DSC、TMA均可做上述分析实验。
热机械分析法
3.1.6 主要影响因素 1. 试样加工与安装 2.热历史对玻璃线膨胀系数的影响 玻璃的热历史对玻璃线膨胀系数的影响 淬火：玻璃成形后快速冷却 精密退火：玻璃成形后缓慢冷却 2. 加热速度对线膨胀系数的影响
3.1.7 实验数据处理 绘制膨胀曲线、计算平均线膨胀系数、求特征点的温度
标出特征点温度
在与试样所用相同的条件下(但并无试样)进行空白实验， 记录TMA曲线。 利用空白实验测得的数据校准试样测得的数据
3.2.6 TMA实验步骤
将试样置于样品支持器上 放置温度传感器使其尽量接近试样 利用位移转换器测定试样在实验开始时的长度L0 选择温度范围、升降温速率和所施负荷(按ISO 11359-2或ISO 11359—3或相关材料标准的要求) 记录与温度或时间关系的TMA曲线 比较空白实验曲线与实验所得的TMA曲线，并做所需的校准
L1
L1 T2 L13 T2T3T1L133 3 T 3 2 T 2 3 T 3
(5.1)
由于膨胀系数一般比较小，可忽略高阶无穷小。取一级近似：
3
(5.2)
在测量技术上，体膨胀比较难测，通常应用以上关系来估算材料 的体膨胀系数β已足够精确。
3.1.4 线膨胀系数（αL） 在实际工作中一般都是测定材料的线热膨胀系数。所以对
例：夹层玻璃
3.1.3材料的热膨胀系数 材料的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀
热膨胀通常用热膨胀系数表示
体积膨胀系数（αV） 相当于温度升高1时物体体积的相对增大值
设试样为一立方体，边长为L 。当温度从T1上升到T2时，体积也从 V1上升到V2 ，体膨胀系数
V
V2 V1
T2 T1
3.2 静态热机械分析法(TMA)
3-动态热机械分析解读
1 热机械分析 1-1 热膨胀法
体热膨胀法：温度升高1度，试样体积膨 胀（或收缩）的相对量：
γ= △V /（V0 △T）
γ —体膨胀系数（1/K） V0—初始体积 △T—试验温度差
1 热机械分析 1-1 热膨胀法
DIL 402 PC热膨胀仪 德国
1 热机械分析 1-1 热膨胀法
第5章 3-动态热机械分析
Dynamic Thermal Mechanical Analysis, DMA
1 热机械分析 热膨胀法
1、零负荷测定
2、静态负荷测定
静态热机械 动态热机械
3、动态负荷测定
1 热机械分析 1-1 热膨胀法
定义：在程序控温下，测量物质在可忽
略负荷时尺寸与温度关系的技术。
线热膨胀法 体热膨胀法
1 热机械分析 1-2 静态热机械分析
千分表
负荷 介质 压头
温度
样品
例6 塑料维卡软化点测定（针入度）
1 热机械分析 1-2 静态热机械分析
千分表
负荷 介质 压头
温度
样品
例6 塑料热变形温度测定（弯曲法）
1 热机械分析 1-2 静态热机械分析
△L
PC PVC
LDPE HDPE
T/℃
例6 温度-弯曲形变曲线（弯曲法）
2 动态热机械分析 2-3 基本原理
线性粘弹性行为：
σ = ε0 E’ sin(ωt) + ε0 E’’ cos (ωt)
E’ = ( σ0 / ε0 ) COS δ E’’ = ( σ0 / ε0 ) sin δ
2 动态热机械分析 2-3 基本原理
E‘
Tanδ
玻璃化转变 α 次级松弛转变 δ γ