Dynamiczna Analiza Mechaniczna (DMA) – precyzyjna ocena właściwości materiałów kompozytowych
Czym jest DMA?
Dynamiczna analiza mechaniczna (DMA) to technika badawcza służąca do określania wiskoelastycznych właściwości materiałów w funkcji temperatury, czasu, częstotliwości i naprężenia. DMA polega na przykładaniu cyklicznego (oscylacyjnego) naprężenia do próbki materiału i pomiarze wynikowej deformacji. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie:
-
Modułu zachowawczego (E’ lub G’) – który określa sprężystą (elastyczną) odpowiedź materiału
-
Modułu stratności (E’’ lub G’’) – który opisuje zdolność materiału do tłumienia energii,
-
Tangensa kąta stratności (tanδ = E''/E') – który informuje o stosunku zachowania do stratności i wskazuje np. temperaturę zeszklenia (Tg).
DMA jest szczególnie skuteczna w wykrywaniu przejść fazowych (Tg, topnienie, krystalizacja), ocenie sztywności materiałów, właściwości tłumiących oraz w monitorowaniu procesów utwardzania żywic.
Tryby deformacji w DMA
Typowe tryby pracy DMA obejmują:
-
Rozciąganie – do badania cienkich folii, włókien, taśm.
-
Zginanie wspornikowe (jedno-/dwupunktowe) – do analizy próbek sztywnych, np. laminatów.
-
Ścinanie (shear) – do elastycznych warstw o średniej grubości.
-
Zginanie trójpunktowe – do tworzyw sztywnych, laminatów, materiałów o większych grubościach.
-
Ścinanie cienkowarstwowe (film-shear) – do bardzo cienkich folii, cienkich warstw klejowych lub cienkowarstwowych prepregów.
-
Kompresję – dla miękkich pianek, elastomerów, gum oraz materiałów biologicznych.
DMA pozwala na prowadzenie analiz w szerokim zakresie temperatur (nawet od -150°C do 600°C) i częstotliwości (0.01–200 Hz), co umożliwia symulację rzeczywistych warunków użytkowania materiałów.
Rysunek 1: Tryby deformacji dostępne dla urządzenia Hitachi DMA200.
Analiza prepregu epoksydowego z włóknem węglowym poprzez DMA – nota aplikacyjna Hitachi
Charakterystyka materiału
Badanym materiałem była półutwardzona folia prepregu z żywicy epoksydowej wzmocniona włóknem węglowym, o grubości 150 µm, z włóknami ułożonymi jednokierunkowo. Materiały tego typu są stosowane w lotnictwie, motoryzacji sportowej, produkcji sprzętu sportowego czy w konstrukcjach specjalistycznych. Ze względu na ograniczony czas przydatności do użycia i potrzebę precyzyjnego utwardzenia, kontrola ich stanu przed procesem formowania jest krytyczna.
Przebieg i warunki analizy
W analizie wykonano dwie serie pomiarów przy użyciu:
gdzie warunki DMA przyjęto:
-
Zakres temperatur: -120°C do 280°C
-
Szybkość grzania: 2°C/min
-
Częstotliwości: 0.5, 1, 2, 5, 10 Hz
Wyniki i interpretacja
1. Pierwsze grzanie:
o W zakresie 0–50°C pojawił się spadek G’ i maksimum tanδ, wskazujące na przejście zeszklenia dla niecałkowicie utwardzonej żywicy.
o Wzrost G’ między 130–150°C sugerował dalsze utwardzanie materiału w trakcie pomiaru.
o Obecność charakterystycznego "ramienia" na krzywej tanδ w kierunku wyższych temperatur wynikała z ograniczenia ruchliwości segmentów polimeru przez włókna węglowe.
2. Drugie grzanie:
o Krzywe nie wykazały dalszego wzrostu G’, co oznaczało pełne utwardzenie materiału.
o Tg przesunęło się w wyższy zakres temperatur (80–120°C), co potwierdza zakończony proces sieciowania.
Zastosowanie praktyczne DMA
DMA umożliwia precyzyjne:
-
Określenie poziomu utwardzenia prepregów,
-
Wyznaczenie Tg i ocena, czy materiał jest nadal przydatny produkcyjnie,
-
Dostosowanie parametrów procesu utwardzania (temperatura, czas) w autoklawie,
-
Kontrolę jakości serii materiałów przed użyciem – kluczowe w lotnictwie i produkcji high-end.
Dzięki wysokiej czułości i niskim poziomom szumów, DMA200 jest idealnym narzędziem nie tylko w R&D, ale też w kontroli produkcji.
Podsumowanie
Dynamiczna analiza mechaniczna jest wszechstronną metodą o dużej precyzji, umożliwiającą ocenę sztywności, tłumienia, temperatury zeszklenia i poziomu utwardzenia materiałów kompozytowych. Zastosowanie tej techniki – jak pokazuje analiza prepregu epoksydowego – pozwala nie tylko zrozumieć zachowanie materiału w warunkach rzeczywistych, ale też zapewnić jego jakość i niezawodność w zastosowaniach krytycznych.
Jesteś zainteresowany systemem DMA lub DSC? Skontaktuj się z nami!
Strona internetowa: https://apinstruments.pl/kontakt/
tel. (+48) 604 081 098
e-mail:
