粘弹性是一种材料的性质,其具有弹性或弹簧状和粘性或流动的行为的一些组合。

动态力学分析通过将正弦变化的力施加到试样并测量所得的应变反应来进行。通过在一个循环上分析材料响应,可以确定其弹性弹簧状储存模量及其粘性或流样损耗(假想)模量。复数模量是存储和损耗(假想)模量的矢量和,用于表征粘弹性材料。因为可以为每个循环计算模量值,所以DMA是用于测量在一系列温度和频率范围内的粘弹性材料行为的高效方法。

粘弹性和医疗应用

像塑料一样,人类生物学材料表现出粘弹性行为。结果,可以使用动态机械分析来测量肌腱,组织,医疗装置等的粘弹性。此外,因为健康和患病组织的模量值变化,医生和科学家已经开始使用DMA作为检测癌症的诊断工具。对于绝大多数医学应用,DMA正在替补席上的身体外。然而,由于开发了更复杂的仪器,DMA可能成为可以在原位部署的有效诊断工具。

表征材料行为

压力和应变之间的关系可以随着不同的负载条件下的不同类别而变化。如果压力和应变之间的关系是线性的,并且独立的时间,那么材料是弹性的,并且胡克的法律描述了其行为。

胡克定律:F = Kx

其中,f =施加力,k =弹簧常数,x =产生的位移。

只要它们没有超过它们的屈服点或暴露于升高的温度,金属就会表现出钩针行为。然而,大多数材料表现出依赖于其装载条件的复杂行为。因此,它们的响应被解构成容易理解理想化的行为,以简化其分析。

弹性行为- 当施加小的压力时,大多数材料都是弹性的或几乎所以。如图1所示,仅获得紧张的强应力响应e的立即弹性应变响应。应变保持固定,只要应力保持在去除力时立即滴加至零。大多数弹性材料是线性弹性的,因此应力 - 应变行为比例。

弹性应变

图1恒定力的弹性应变响应

塑料行为—如果应力超过弹性极限,那么应力和应变之间的关系就不再是成比例的,而是可以变成时间依赖性的。在某些材料中,如图2所示,应力完全施加后一段时间内,应变继续增加。然而,去除应力后仍然存在的应变是永久性的,与时间无关的,它被定义为塑性应变。

塑性应变

图2恒力作用下的塑性应变响应

粘弹性行为- 一些材料在快速加载时表现出弹性行为,然后以降低的速率缓慢而连续地增加应变。当除去应力时,连续降低的应变遵循初始弹性恢复,如图3所示。

粘弹性应变

图3粘弹性应变对恒定力的反应

表现出粘弹性行为的材料受施加应力或菌株速率的显着影响。应力速度越慢,相应的应变越大。相反,应变率较慢率降低相应的应力,如图4所示。

应力 - 应变曲线以三种应变率

图4聚丙烯的应变曲线2.35mm w x 0.98mm t x 50mm l以三个应变率的样品

表现粘弹性行为的材料

升高温度的生物学,塑料,合成纤维和金属是粘弹性材料的实例。粘弹性材料是时间依赖,这也使得它们应变率敏感。如上图4,图4包括以20%/ min的应变率为20%/ min,200%/ min和2000%/ min的应变率的聚丙烯条带应力 - 应变响应。这个数字显示了应变率越快,最大应力越高,故障伸长率越高。对于那些比较与类似粘弹性材料之间的相对强度的相对强度,图4示出了以相同的应变速率测试每个样品的重要性。

粘性材料,如水,抗抗剪切流量和施加应力时线性地线性剪切流动和应变。弹性材料拉伸时应变并立即返回原始状态后,应力除去应力后。粘弹性材料具有两种这些性能的元素,因此具有相比的时间依赖性菌株。这意味着对应力输入的应变响应被延迟,导致能量损失。

粘弹性行为通常发生在同一材料的不同时间尺度。以恒定频率施加振荡应力或扫描频率范围的动态测试用于测量短时间内(通常是几秒内)的延迟应变响应。在高松弛时间(长达1小时)的响应是通过实验测量的,在实验中,材料保持恒定应变并随时间跟踪应力(应力松弛测试)或在恒定应力并随时间跟踪应力(蠕变测试)。

动态机械分析

通过将不同频率的振荡应力施加到样品并分析对施加的应力来进行动态力学分析。下面的图5描绘了仅张紧张力的施加的正弦应力波形和响应的聚丙烯样品的响应应变波形。应变响应的时间滞后或相移用于量化其粘性行为;应力 - 应变响应的斜率涉及其弹性行为。这些性质通常被描述为失去能量作为热量(阻尼)和从变形恢复的能力(弹性)的能力。

应力-应变曲线在10Hz时sin

图5聚丙烯的应力 - 应变曲线2.35mm w x 0.98mm t x 50mm l样本在10Hz时施加的正弦应力

经过正弦应力幅度控制波形的样品将变形正弦。如果材料保留在其线性粘弹性区域内,则响应将是可重复的。在任何给定的时间,所施加的应力S(t)给出:

方程

在哪里英石)紧张的时间是时候,T;S.O.为最大应力或应力幅值;ω是振荡的频率。应变响应取决于试样的粘性和弹性行为,由式2决定,其中e (t)是弹性应变,T,E.O.是最大应变或应变幅度,θ是应力 - 时间和应变时间波形之间的相移。

公式2

对于纯弹性或钩材料,相移,θ= 0和

公式3.

式中E =弹性模量。对于纯粘性材料,相移θ = ϖ /2和弹性模量未定义。式2为正弦变化应力下的弹性应变响应。两个周期相等的正弦波T之间的相角θ为:

公式4.

其中,dt =应力 - 时间和应变时间波形和t =振荡周期之间的时移。

三角函数允许我们重写Eq. 2为:

公式5.

同相弹性应变为:

方程

非相假想粘性应变为:

公式7.

同相和异相菌株的载体和导致复合菌株E *。

公式8.

为了总结动态力学分析,对样品进行幅度的正弦变化应力。O.,频率f,或周期T (1/f),振幅eO.测量所得应变波形的时移DT的时移DT。由此,从EQ计算相滞后或损耗角θ。4和弹性或储存模量,e',给出:

公式9.

由摩擦和内部运动导致的能量量,称为损耗模量,E˝:

公式10.

相滞后或损耗角度的切线,TAN(θ)称为损耗切线或阻尼因子,并提供了由于材料的粘性性质而导致的能量损失的量度。从图5中,我们可以确定聚丙烯样品的以下粘弹性。

dt = 0.012秒

T = 0.1秒(10 Hz)

SO =(12.521 - 4.779)/ 2 = 3.871 MPa

E.O.= (1.0244-0.6049)/(2 x 100) = 0.00209毫米/毫米

使用EQS 4,9和10,计算损耗角,储存模量和损耗模量:

Q = 0.012/0.1 x 360 = 43.2 deg

e'= 3.871 / 0.00209 x cos(43.2)= 1,350 mpa

E“= 3.871/0.00209 × sin (43.2) = 1268 MPa

此外,损耗切线,TAN(θ)= TAN(43.2)= 0.939。

ASTM D638塑料拉伸性能标准试验方法规定聚丙烯杨氏模量的测定方法。图6为聚丙烯试样从拉伸到破坏的应力-应变图。

应变反应罪

图6聚丙烯的应变响应2.35mm w×0.98mm t x 50mm l样品在10Hz时施加的正弦应力

从图6中,计算杨氏弹性模量是:

E = 1884 MPa

结论

介绍了动态力学分析和材料粘弹性的介绍。DMA已被证明是一种简单有效的方法,用于在一系列温度和频率上确定聚合物和塑料的机械性能。新材料和诊断仪器的开发需要更好地了解粘弹性以及如何衡量其行为。呼叫动态测试系统对金属,塑料,纺织品,粘合剂,医疗装置和其他产品和组件进行疲劳测试。我们的系统和动态控制器精确计算峰值负荷,伸长率,伸长模量,屈服突破等。

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本文是由招舱首席执行官理查德·吉德尼的招聘书写的发表质量杂志2019年2月1日。

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