动态热机械分析DMA的原理

动态热机械分析仪(Dynamic Mechanical Analysis简称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。

DMA可测定：储能模量、储能柔量、损耗模量、损耗柔量、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、玻璃化温度和次级松弛等。

动态热机械分析（Dynamic Thermomechanic Analysis，简称DMA）是在程序控制温度下，测量物质在振荡负荷下的动态模量或阻尼随温度变化的一种技术。

高聚物是一种粘弹性物质，因此在交变力的作用下其弹性部分及粘性部分均有各自的反应。而这种反应又随温度的变化而改变。高聚物的动态力学行为能模拟实际使用情况，而且它对玻璃化转变、结晶、交联、相分离以及分子链各层次的运动都十分敏感，所以它是研究高聚物分子运动行为极为有用的方法。

如果施加在试样上的交变应力为σ，则产生应变为ε。由于高聚物粘弹性的关系其应变将滞后于应力，则ε、σ分别可以下式表示：

ε=ε0exp(iωt)                                       (1)

σ=σ0exp[i（ωt+δ）]                            (2)

式中ε0、σ0分别为最大振幅的应变和应力，ω为交变力的角频率，δ为滞后相位角。

i=1时，复数模量E*

                            E*= σ/ε=σ0 exp(iδ)/ε0=σ0(cosδ+isinδ)/ε0=E'+E"        (3)

其中，E'=σ0cosδ/ε0 为实数模量，即模量的储能部分，而

           E"=σ0sinδ/ε0                                           (4)

表示与应变相差π/2的虚数模量，是能量的损耗部分。另外还有用内耗因子Q^(-1)或损失角δ正切tanδ来表示损耗，即

       Q^(-1)=tan δ =E"/E'                        (5)

图1为粘弹性物质在正弦交变载荷下的应力、应变的相应关系示意图。因此在程序控温的条件下不断地测定高聚物E’、E”和tanδ值，则可得到如图2所示的动态力学-温度谱。从图中可以看到实数模量E’呈阶梯状下降，而在与阶梯下降相对应的温度区E”和tanδ则出现高峰。表明在这些温度区内高聚物分子运动发生某种转变，即某种运动的解冻。其中对非晶态高聚物而言，最主要的转变当然是玻璃化转变，所以模量明显下降，同时分子链段克服环境粘性运动而消耗能量，从而出现与损耗有关的E”和tanδ高峰。