美国TA动态热机械分析仪(DMA)主要是测定在一定条件下，材料的温度、频率、应力和应变之间的关系，获得材料结构与分子运动的信息。主要用于表征材料在一定温度、环境以及机械刺激（应力/应变）下的黏弹力学性能，常规可以得到：储能模量、损耗模量、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、玻璃化温度和次级松弛等。通过对仪器测试原理的探究和试验参数设置以及测试关键点进行总结，为实验室DMA的测试能力的拓展提供参考和借鉴意义。

 

1 测试原理

 

DMA850是一款采用无摩擦空气轴承的应力（力）控制型动态热机械分析仪。是在程序控温条件下，通过对物质施加动态周期性刺激并量测响应来获取物质黏弹性能的一种分析测试技术；是测量黏弹性材料的力学性能与时间、温度或频率的关系，样品在受周期性（正弦）变化的机械应力的作用和控制下，发生形变，研究材料在交变应力下的响应，通过周期性的外力引起试样周期性的形变。

 

 

如图1-1，DMA主要由马达(Motor)和位移传感器(Displacement Sensor)两大部分构成，马达对样品施加应力(Stress)，位移传感器测量振幅(Amplitude)或应变(Strain)，设置试验方法时，可在软件中输入振幅表示所需形变量。试验开始时，马达对样品施加应力（控制参数），直到样品形变达设定值为止。图1-2是对样品进行单频温度扫描所得的典型测试结果示意图，注意整个试验过程振幅（应变）是一个恒定的值，样品硬度随着温度升高而改变，仪器通过调整所施加力的大小以保证振幅恒定。

 

 

模量可以用小球的运动模拟来辅助理解，如下图。把物质弹性的部分理解为储能模量，黏性的部分理解为损耗模量，小球撞击地面产生形变而储存能量，而能量的释放可以让小球升高，小球升高的高度代表了其弹性模量大小，与球释放的高度差视为损耗模量大小，如果小球能回到释放高度，可理解小球为100%弹性体；如果小球不升高，则为100%黏性体。

 

 

仪器的技术参数和参数设置分享

 

DMA850为力控制型热机械分仪器，仪器的关键技术参数见表1。

 

 

1 振幅

 

仪器测量所施加的力对应的应变（振幅），在动态试验中可输入的振幅（形变）范围是±0.005～10,000μm。需达到并保持在设定值，当进行多应变测试时，该振幅应围绕设定值循环。需要注意的是DMA数据解析依据的是粘弹性理论，因此试验应在材料的粘弹性区域内进行测试。

 

 

表2中列出了使用不同夹具进行动态试验时建议的起始振幅。选择正确的振幅进行试验，可以得到漂亮的测试曲线和理想的结果，反之,所得到的测试结果为断层式波动较大的无用曲线，降低测试效率及成果，所出曲线为不可采信的结果。具体示例见下图3与图4，当选择振幅于不符合所测样品时，得到的测试结果，为间断不连续的波动曲线，如图3所示；通过修改匹配样品的振幅重新进行测试，则可得到理想的平滑测试结果曲线，如图4所示；因此，对于不同测试样品，不同测试夹具，应当选择正确的测试振幅进行试验，方可得到所需的测试结果，增加测试的准确性和时效性。

 

 

2 驱动力（Drive Force）

 

驱动力应在0.0001N～18N范围内，如果不在此范围内，可增大振幅、频率或改变样品尺寸使驱动力增大。

 

如果设定振幅所需的力低于0.0001N，则测试不在仪器规格范围内，建议增大振幅以加强信号。增大振幅，则驱动样品达到设定振幅所需的力也将增大，振幅每次提高的幅度推荐为5～10μm（若振幅设定值过大，则形变量可能超出样品的线性粘弹区）；若设定振幅需要的力大于18N，则可能得不到好的测试数据，若测得样品振幅仍然低于0.5μm的动态位移低限，则测试结果无效，则需改变样品尺寸或更换所使用夹具，若振幅高于0.5μm，可继续进行试验。

 

3 刚度（硬度）

 

国高材DMA可测硬度规格范围是100N/m~10,000,000N/m。若样品硬度不在此范围内，则需要调整样品尺寸或更换所使用夹具，具体调整方案可参考表3和表4

 

 

4 静态力和力追踪 （应变/动态追踪）

 

测试如果使用了力追踪，则静态力需比驱动力大相应的百分比。例如设定振幅为20微米，应变追踪为120%，如果仪器需要1N的动态力来达到设定振幅，则静态力需调整到1.2N。达到这些初始条件后，产生平滑的振动和较好的模量数值，即可开始试验；达不到这些初始条件，则需做相应的调整。薄膜拉伸、纤维拉伸、三点弯曲、和压缩夹具都是需要静态力补偿的拉伸类夹具，使用该类夹具需加载“静态力（Static Force）”，在进行温度扫描时则需施加力追踪（Force Track）或应变追踪(Auto strain)。当静态力和力追踪（应变追踪）同时使用时，静态力是点击软件中“测量（Measure）”按钮时施加到样品上的力。使用不同的夹具，该静态力的作用不同：

 

(1)薄膜/纤维拉伸夹具：消除样品褶皱以准确测量样品长度。

 

(2)压缩夹具：使活动夹具部分与样品紧密接触以准确测量样品厚度。

 

(3)三点弯曲夹具：动态试验前使活动夹具中心支点与样品接触。

 

静态力未与力追踪（应变追踪）同时使用时，静态力为整个试验过程中施加到样品上的力，单独使用时没有推荐的起始值，但其值必须大于设定振幅和频率下所产生的动态力。

 

试验过程中驱动样品达到设定振幅是不断变化的动态力，力追踪是施加到样品上高于动态力一定比例的力。进行温度扫描试验和样品硬度试验过程中会有很大的变化，特别是无定形和半结晶热塑性聚合物。温度较低时，样品硬度较大，需较大的力驱动样品达设定振幅，随着温度升高材料变软，材料会产生显著的蠕变行为，驱动材料达到动态振幅所需的力变小，静态力随之减小，力追踪会随着材料的软化降低所加载的静态力，以防止材料试验过程中发生蠕变，而降低振幅和力追踪百分比的设定值会减小样品软化过程中材料蠕变的概率。表5推荐了不同夹具对应的静态力和力追踪初始值。

 

 

5 频率(Frequency)

 

DMA850的频率范围为0.001～200Hz，它是仪器马达所能施加的频率范围。具体样品所能施加的最高频率取决于样品的硬度，样品硬度越高，则越容易驱动到高频率；

 

5.1单频温度扫描

 

若要通过温度扫描确定材料的转变温度，但不清楚所需频率，推荐在1Hz下进行测试，1Hz可以作为标杆试验频率。选择试验频率的一个限定因素是数据点取点速率，试验频率越低，取1个数据点所需时间越长，如果选择的频率过低（或升温速率过高），则在较大温度范围内可能出现数据空白。进行单频温度扫描试验时，取点时间计算方法如下：第一个数据点的取点时间t = 7/F，F为设定频率Hz，接下来数据点的取点间隔t 1= 3/F。因此，若设定频率为1Hz，则7秒钟后取第一个数据点，接下来每3秒钟取一个点。推荐的单频温度扫描试验组合是1Hz和3℃/min。

 

5.2多频温度扫描

 

进行多频温度扫描试验时，建议频率不要小于0.5Hz，因为多频扫描中每一个频率下的取点间隔为7/F。例如，以3摄氏度/分钟的升温速率进行0.5Hz，1Hz和5Hz三个频率的多频温度扫描试验，扫描完三个设定频率所需时间为t = 7/0.5 + 7/1 + 7/5 = 22.4秒。表面上看可能误认为每摄氏度取三个数据点，实际上每升高1摄氏度在每个频率才取一个数据点，由于数据点太少，得不到平滑的曲线。

 

6  升温速率 (Ramp Rate)

 

推荐使用1～5℃/min的升温速率，不建议使用高于5℃/min的升温速率。升温速率的选择取决于样品尺寸、频率以及转变温度点的准确度要求，设计试验时需考虑如下因素：

 

（1）升温速率越高，则样品热滞后越大，转变温度向高温方向移动，而较低的升温速率（1-3℃/min）可得到更准确的转变温度，如需得到转变点的绝对温度，可使用步阶升温方式进行试验。如需于某温度点进行保温需要，则宜选择较小的升温速率，以保障温度波动在理想的范围内。如下图实例：

 

 

（2）样品尺寸和厚度的大小，例如用于三点弯曲和单双悬臂夹具的样品，将比薄膜/纤维拉伸夹具所测试的较薄样品产生更大的热滞后。

 

（3）试验频率越低，则所得数据点越少。避免同时使用低频率（< 0.5Hz）和大的升温速率（＞5℃/min），确保所选升温速率能取得足够的数据点以得到平滑的曲线。

 

实例见下图：

 

 

通过图6与图7可以看出，选择正确的试验频率对样品的结果输出很重要，选择合适的材料试验参数，可得到理想的平滑的曲线结果，反之，则达到不可采信的无用结果。

 

测试经验分享

 

（1）放置仪器的实验台与地面的静电电压需低于2伏，以防影响仪器的使用寿命及测试的准确性（可安装隔离变压器进行隔离）。

 

（2）安装夹具需要用仪器配备的扭力扳手以同等力垂直螺口进行安装固定，以免受力不均引起机架变形，保证测试的平衡性和准确性。需要用到非扭力工具安装夹具时，安装时需垂直于螺口以适当力进行操作，以防造成螺纹滑丝或夹具变形，影响夹具的使用寿命。

 

（3）仪器测试过程中不可在其周围产生振动或噪音，以免影响测试结果的准确度。

 

（4）若实验温度超过400℃时，需要使用氮气或氩气代替空气作为空气轴承气体，且测试结束后温度过高禁止打开罩子进行降温，防止夹具和加热炉元件发生氧化，影响其使用寿命。

 

（5）每次开机前先确认空气压缩机和过滤器是否已经进行排水处理，以防水分进入仪器致使仪器生锈损坏。

 

（6）每次联机成功后，需进行位置校准后，再进行夹具校准，以防仪器位置丢失，造成校准无法通过或测试过程仪器出现宕机的状况。

 

（7）若实验温度为低温的测试，在打开制冷系统进行制冷前，需先用氮气进行管道吹扫10-15min，再进行制冷，以防管道存在水气结冰堵塞管道。

 

（8）当实验需要由高温向低温扫描测试时，需要把主机上的冷却设置改为-NPC模式，以达到平衡控温效果，确保测试的准确性。

 

（9）在样品安装完成准备测试前，应先点击“Measure”对样品进行测量，观察信号栏中的刚度值和波形图，确认刚度值在102-107N/m范围和波形图正常后再开始测试，以防仪器限位或撞车损坏仪器。

 

（10）进行粘性较大的样品测试时，需对夹具进行适当保护，测试结束后，对夹具造成的污染要及时清理，以防影响夹具的使用寿命。

 

（11）当测试过程出现仪器报警限位时，需等温度降低后，把所有夹具卸下进行位置校准，再进行夹具安装校准、测试的工作。

 

（12）测试过程非测试人员禁止靠近仪器，禁止打开仪器罩子，以免烫伤和中断测试，引起软件程序丢失，造成测试失败。

 

（13）进行低温测试完成后，需把仪器内的水分吹扫干净后方可关闭罩子，以防仪器零部件生锈。

 

（14）测试结束后，需先保存数据关闭软件后，方可闭合仪器硬件开关，以免测试数据丢失或仪器出现乱码错误现象。

 

（15）当进行压缩模式测试时，请确保样品是否放置于夹具正中间位置，样品是否平整规则，以防仪器撞车，损坏仪器。

 

（16）进行应变扫描测试时，当出现储能模量随振幅增加而增大的情况，可能是样品的表面不平整或与夹具的接触存在问题，可以通过制备表面平整的样品或增加力追踪或恒定静态载荷力进行改善。

 

（17）当测试出现Tg后测试结果变差（采点缺失），可能是样品的刚度过低，超出了仪器的测量范围，可以通过增加样品的宽度、厚度或减小样品的长度来增加样品的刚度来改善。

 

（18）当进行三点弯曲测试时发现样品没有固化和冷结晶，引起Tg后的储能模量增加，可能是夹具的选择问题，可以通过更换悬臂梁夹具替换三点弯曲夹具进行改善。

 

（19）当测试结果显示模量变化不大且不出现Tg时，可以通过制备规则的样品或设置合适的静态载荷进行改善。

 

（20）当测试硬度较大或厚度很大的样品时，可以通过减小振幅来改善测试的稳定性；而测试硬度很小、质地很软的样品时需增加振幅来改善测试的稳定性。

 

（21）测试结束后，待温度降至室温后应及时将试样取出（若材料粘性较大，建议60℃左右时带上手套用镊子取出样品，以防样品粘黏夹具，谨防烫伤！），若有污染则需及时予以清理。