动态热机械分析
TMA、DMA
剪切等不同形式的探头。
☺2.用途：
a.软化点温度
b.膨胀系数
c.机械粘弹性参数
d.应力应变
e.蠕变恢复
3.1.1 高聚物的温度－形变曲线
☺一定的力学负荷下，高分子材料的形变量与温 度的关系称为高聚物的温度－形变曲线，或称 热机械曲线。
☺聚合物的T－D曲线（即热-机械曲线，简称 TMA，Thermomechanic Analysis）是研究聚合 物力学性质对温度依赖关系的重要方法之一。
C1(T TS ) C2 T TS
式中Ts——参考温度，当Ts取Tg值时，C1=17.44，C2=51.6
三.热机械分析（TMA）
♫基本定义
在程序控制温度下测量物质的力学性质随温度 或时间变化的关系。它是研究和物质物理形态 相联系的体积、形状、长度和其它性质与温度
关系的方法。 ♫三种方法
☺热膨胀法
♥2、3、4为无定型聚合物，其中PS链柔顺性差，Tg、 Tf很接近，即高弹态很窄，而PIB柔顺性较好，高 弹态平台很宽，PVC介于两者之间。1、5为结晶性 聚合物，由曲线看不到玻璃态向高弹态的转变，高 温温区一定范围内，形变量很小。
四.动态热机械分析（DMA）
☺4.1基本定义
♥在程序温度下,测量物质在振动负荷下的动态模量和力 学损耗与温度的关系的技术。
➢ 3.滞后：聚合物在交变应力作用下，形变落后于应力变 化的现象。
➢ 4.内耗：如果形变落后于应力变化，发生滞后，则每一 循环变化中就要消耗功，称为力学损耗。
1.线形和交联聚合物的蠕变全过程
线形聚合物 交联聚合物
形变随时间增加而增大， 蠕变不能完全回复
t
形变随时间增加而增大， 趋于某一值，蠕变可以完 全回复
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
29
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。
全球最先进动态热机械分析仪DMA
全球最先进动态热机械分析仪MICOFORCE 米力光动态热机械分析仪DMA可以测量的材料范围非常的宽。
如：弹性体、热塑性塑料、热固性流体、复合材料、涂料和胶粘剂、陶瓷、金属等。
特别是高分子材料方面应用最为广泛，由于其粘弹本质，其机械性能具有温度和频率的依赖性。
DMA测量的材料性能包括：模量、阻尼、玻璃化温度、软化温度、固化速率和固化度、粘度、凝胶点、吸声性和抗冲击性、蠕变、应力松弛等性能。
橡胶动态热机械分析仪DMA，复合材料动态热机械分析仪DMA，金属动态热机械分析仪DMA,陶瓷动态热机械分析仪DMA.橡胶动态热机械分析仪可以用于聚氨酯、生胶, 母胶和混炼胶、天然橡胶、丁腈橡胶、未硫化橡胶、硫化橡胶、环保油丁苯橡胶、充芳烃油丁苯橡胶、锡偶联溶聚丁苯橡胶、塑性丁苯橡胶、反式异戊橡胶釜内合金TPIR、乳聚丁苯橡胶ESBR、溴化丁基橡胶BIIR、和子午线轮胎的动态弹性模量BOSE Electroforce DMA是目前国际上动态力和静态力最高的、变范围应最宽、温度范围最大的材料动态热机械分析仪，适用于塑料、橡胶、复合材料、纤维、陶瓷、金属、食品、医药、轮胎、航空航天特种材料等众多高端科研领域。
BOSE 公司是世界500强公司，采用了全世界最先进的电磁驱动技术，把静态力和动态力做到最高，使得仪器拥有无与伦比的驱动控制能力和测试精度，测试数据重复性特别好。
通过dma测试，可以得到材料的动态模量、损耗角、阻尼等动态粘弹性能，考察材料的动态性能随温度、频率、时间的依赖关系，了解材料的组成和内部结构信息，指导材料配方设计和新材料研发。
由于材料动态力学测试的目的是要考察试样的微观内部结构和组成对材料实际宏观应用性能的影响，因此一款高性能和高精度的动态力学分析仪是十分必要的，而dma则是您的最佳选择！由于Electroforce3550的动态力高，因此，除了常规的塑料树脂类材料测试外，还擅长测试各种金属、橡胶、弹性体、高强度复合材料、金属陶瓷等的动态拉伸、压缩、剪切等动态力学性能。
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
第3章动态热机械分析技术DMA
第3章动态热机械分析技术DMA
动态热机械分析技术（Dynamic Mechanical Analysis，DMA）是一种用于测定材料的粘弹性和机械性能的实验方法。
它结合了机械测试和热分析的技术，可以通过施加精确的力或应变，在不同温度下测定材料的动态力学性能。
DMA可以用于研究材料的线性和非线性弹性行为、材料的流变性质、玻璃化和熔融转变行为等。
在DMA实验中，材料试样在垂直加载下以一定频率振动，通过测量应变或力和位移的相位差，可以计算出材料的动态模量、损耗因子、储存模量等力学参数。
DMA技术的主要优势在于它可以在宽温度范围内进行测试，从室温到高温或低温环境都可以进行。
这对于研究材料的热机械性能非常重要，因为材料在不同温度下的性能可能会发生显著变化。
在DMA实验中，可以通过改变频率、幅值和温度等参数来模拟材料在实际应用中的工况，从而评估其使用寿命和稳定性。
DMA技术主要应用于聚合物、橡胶、复合材料、涂料、粘合剂等材料的研究和开发中。
通过DMA实验可以获得材料的力学行为、热稳定性、变形特性等信息，有助于改进材料的性能和设计新的材料。
在实际应用中，DMA可以用于评估材料的强度和刚度、变形和回复能力、阻尼特性等。
例如，在汽车工业中，DMA可以用于评估橡胶密封件的性能，以确保其在不同温度和应力条件下的可靠性。
在医疗器械领域，DMA可以评估聚合物材料的生物相容性和耐久性，以确保其在人体内使用的安全性和可靠性。
总之，动态热机械分析技术是一种重要的实验方法，可以用于研究材料的粘弹性和机械性能。
它的主要优势在于可以在不同温度环境下进行测试，并能提供关于材料性能的详细信息，有助于改进材料的设计和应用。
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
dma动态热机械测试案例
dma动态热机械测试案例
动态热机械分析（Dynamic Mechanical Analysis，DMA）是一
种测试材料在受力和受热条件下机械性能变化的手段。
它可以通过施加周期性的力或应力来测试材料的刚性、弹性、黏弹性等性能，并且可以在不同温度下进行测试，以研究材料的热机械性能。
以下是一个可能的DMA动态热机械测试案例：
材料：聚酰亚胺（Polyimide）
实验目的：研究聚酰亚胺在不同温度下的力学性能变化。
实验步骤：
1. 准备样品：制备聚酰亚胺样品，保证其尺寸一致性，并根据需要进行后续处理（如烘烤、干燥）。
2. 安装样品：将样品固定在DMA仪器的样品夹具上，并确保
夹具与仪器对齐。
3. 设置实验条件：根据实验需求设置实验参数，例如施加力的频率、振幅和温度范围。
4. 开始实验：开始施加周期性的力或应力，同时进行温度控制，记录下材料的应力-应变或应力-时间曲线。
5. 数据分析：根据实验结果，进行数据分析，研究材料在不同温度下的机械性能变化。
可以计算出材料的峰值应变、储存模量、损耗模量等参数。
6. 结果讨论：根据实验结果，讨论材料的热机械性能变化规律，并与其他材料或不同处理条件下的样品进行比较。
7. 结论及应用：根据实验结果得出结论，评估材料的机械性能
在不同温度下的变化，为材料应用提供指导或优化建议。
这仅是一个简单的DMA动态热机械测试案例，实际应用中可以根据具体需求进行设计和优化实验步骤。
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△V
Tg
Tm Tg
T/℃
例7 天然橡胶体膨胀曲线（膨胀法）
2 动态热机械分析 2-1 基本定义
定义：在程序控温下，测量物质在振 动载荷下的动态模量和（或）力学损耗与 温度的关系。
(Dynamic Mechanical Analysis, DMA)
2 动态热机械分析 2-2 基本特点 特点1：小样品，宽温度、频率范围。 特点2：表征结构变化-分子运动- 性能。 特点3：动态载荷产品设计（轮胎）。
d △L/dt
Tg=128℃
T/℃
例4 环氧树脂 线膨胀系数（压缩）
1 热机械分析 1-2 静态热机械分析 针入度
Tg1 Tg2
T/℃ 例5 聚酯/聚酰亚胺（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
μ= -ε2/ε1
E=2G（1+μ）
E—杨氏模量，G—剪切模量
2 动态热机械分析 2-3 基本原理
线性粘弹性行为：
ε = ε0 sin (ωt) σ = σ0 sin (ωt + δ )
ω –角频率 δ –相位差
2 动态热机械分析 2-3 基本原理
线性粘弹性行为：
σ = σ0 sin(ωt) cosδ + σ0cos (ωt)sinδ
δ
γ
β
T
非晶态高聚物DMA温度谱（频率一定）
2 动态热机械分析 2-3 基本原理
Tanδ lgE‘lgE’’
Tanδ E‘
E’’ lgω
非晶态高聚物DMA频率谱（温度一定）
2 动态热机械分析 2-3 基本原理
高聚物 DMA频率谱（温度一定）
高聚物 DMA温度谱（频率一定） 由于调节温度比调频率 更容易，因此DMA温度 谱最常用。
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
3-1 玻璃化温度测定
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）
1 热机械分析 1-2 静态热机械分析
△L 硬PVC
LDPE 苯丙共聚
纤维素
T/℃ 例6 温度-拉伸形变曲线（拉伸法）
1 热机械分析 1-2 静态热机械分析
例1 NBR/CoCl2体系
3 在高分子材料中的应用
3-2 耐热性能评价
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）
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）
3 在高分子材料中的应用
3-2 耐热性能评价 特点：热变形温度（维卡软化点）测 定结果仅适合于同种材料间的相对比较， 不能全面衡量材料的耐热性能。
3 在高分子材料中的应用
3-2 耐热性能评价 E’
硬PVC
0.90GPa
尼龙6 T
T1
T2
3 在高分子材料中的应用
3-3 耐寒性或低温韧性评价
1、塑料：非晶态的玻璃态（T<Tg).
2、塑料：晶态+玻璃态（T<Tg).
3、塑料：晶态+橡胶态（T>Tg). 塑料耐寒性：低温下可运动单元情况。
3-3 耐寒性或低温韧性评价
ε = ε0 sin (ωt)
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
玻璃化转变、结晶、取向、交联、相分离
2 动态热机械分析 2-3 基本原理
粘性 弹性 粘弹性 应力 应变
在应力下产生流动的能力 应力后恢复原状的能力 同时具粘性液体与纯弹性质 单位面积上承受的力 ε = △L/L0
2 动态热机械分析 2-3 基本原理
模量 柔量 泊松比
应力与应变之比，刚性量度。 模量的倒数，柔性量度。 外力下纵、横向应变之比。
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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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
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
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：
2 动态热机械分析 2-4 分析仪器
DMA 242 C动态热机械分析仪
2 动态热机械分析 2-4 分析仪器 F 三点弯曲
2 动态热机械分析 2-4 分析仪器 双悬臂梁
F
2 动态热机械分析 2-4 分析仪器 单悬臂梁
F
2 动态热机械分析 2-4 分析仪器 纤维延伸
F
2 动态热机械分析 2-4 分析仪器 薄膜延伸
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 1-1 热膨胀法
线热膨胀法：温度升高1度，试样某一方 向上相对伸长（或收缩）量：