動態力學分析應用
Troy Nickel | Andy Simon
March 14, 2022
從醫療器材的塑膠到輪胎的橡膠，我們所使用的材料必須滿足越來越多的要求。產品製造商和消費者希望他們的物品好看，好用，便宜，還同時對環境友善。如果上述需求全部都要滿足，就必須從分子層級到實際世界的機械性能都要深入瞭解。由於影響材料特性的因素有很多，因此需要精確的測量工具和方法來確保材料滿足實際應用下的高期望值。在開發和生產的各個階段，評估材料特性的一個關鍵測量和分析方法正是動態機械分析（DMA）。
DMA，本來說呢，就是測量材料的黏彈性能，通常以儲存模量、損失模量和阻尼值的量化形式呈現。1 DMA測量是通過在材料上施加力和變形，並與其他因子（如溫度、時間和頻率）效應下共同作用所獲致的結果。
DMA測量儀器及數據
範例實驗1
該圖顯示了 DMA 上三個 PET 樣品在拉伸狀態下的對比:其中一個樣品具有均勻的黏膠塗層且性能良好，一個樣品具有不均勻的塗層且性能不佳，剩下一個是無塗層樣品。在標示為“良好”樣品上可以觀測到在40°C附近有tan δ峰，這是對應到黏膠的Tg;而在標示為“不佳”樣品的峰形就要小得多。掌握到鑑別良好樣品和不佳樣品的訣竅，就可以對塗佈製程和最終成品實施品質管制。諸如此類的微細相變就需要極高的靈敏度和精確度來測量。
隨著材料和產品開發的進展，眾多的科學家和工程師們需要在更大的樣品和更多的力量下實現更強的測試能力。這種需求可能來自許多領域，包括：
- 不能切割小型化的材料（如3D列印或複合材料）
- 高剛性樣品，需要更大的力量來變形
- 模仿真實世界的條件需要超出線性黏彈範圍（Linear Viscoelastic Regime, LVR）的變形
- 能代表真實世界組件的複雜幾何夾具形式
通常情況下，通過更大的力測試所產生的數據直接用於設計和驗證材料或產品的最終使用狀況。隨著測試和測試樣品開始接近真實條件，樣品的大小和力量可以變得相對較大，施加的力可超過10,000N，動態位移達到10mm或更大。強力DMA測試看起來與傳統的DMA測試非常不同，因為它通常是為了瞭解特定的資訊。這些測試可能只包括適用於最終用途的測試變數，甚至不包括溫度的影響! 例如，一些客戶可能在室溫下使用強力DMA作為隔振器或其他成品部件的品質管制檢驗。
由於這些類型的DMA測試通常在開發週期的後期進行，因此通常與其他強度和疲勞測試一起進行。在材料和設計向最終產品反覆運算的過程中，材料強度、疲勞壽命和DMA特性都必須一併考慮在內。
範例實驗2
範例實驗3
該表顯示了對填充橡膠的佩恩效應(Payne Effect)的評估。填料與填料間的相互作用在較高的應變下受到破壞而導致模量降低。當材料使用變形超越LVR時，瞭解這種效應是至關重要的。
TA Instruments的機械測試產品系列，一台儀器即可提供高性能材料強度、疲勞和DMA測試能力。DMA 3200 是一種特殊配置的3200儀器，具有最高的DMA性能，但保持了所有的材料強度和疲勞測試能力。整個負載框架系列從ElectroForce 3200 （負載量：高達500 N）到 Electroforce 3550（負載量：高達15kN），都可以配置為DMA測試，同時保持ElectroForce聞名的一流的材料強度和疲勞能力。這為用戶提供了一個多功能工具，以準確和省時的方式設計、測試並優化其產品。用於DMA和疲勞測試的專業軟體為使用者提供了世界頂級的測試能力，可用於各種測試類型，具有多種功能。
TA儀器為市場提供多種測量儀器，能夠進行DMA、強度和疲勞測試。其廣泛的產品系列使客戶能夠通過一個合作夥伴，使用一台儀器滿足他們從材料開發到最終產品測試和驗證的測試需求。
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參考資料:
- Groenewoud, W. M. (Ed.). (2001). Characterisation of Polymers by Thermal Analysis. Elsevier Science B.V. https://doi.org/10.1016/B978-044450604-7/50005-4
Other Resources
Characterizing Hydrogels using Dynamic Mechanical Analysis Methods