量热与热分析（七）：动态热机械分析（DMA）

动态热机械分析又称动态力学热分析（Dynamic Mechanical Thermal Analysis，DMTA），是一种在程序控制温度和一定的振荡性荷载下测量试样的形变与温度或时间关系的技术。按振动模式，其可分为自由衰减振动法、强迫共振法、非强迫共振法、声波传播法；按形变模式，可分为拉伸、压缩、扭转、剪切、弯曲。

当对材料施加正弦交变应力时，理想弹性材料的应变会同步响应，即应变与应力无相位差（相位差δ=0）——应力最大时应变也最大，应力为零时应变也为零。而实际材料（非理想弹性，兼具弹性与黏性）的应变会滞后于应力，出现相位差（δ＞0），这种滞后现象被称为力学损耗。DMA的核心就是通过精密控制动态荷载，实时测量应变的振幅与相位差，再结合应力振幅，计算出材料的动态力学参数。

通过DMA测试，可得到两个关键的动态力学参数，分别对应材料的弹性与损耗特性：

• 储能模量（E'）：指材料在形变过程中由于弹性变形而储存的能量，是材料变形后回复的指标，表示材料存储变形能量的能力——E'越大，材料越硬、弹性越好，在动态荷载下能储存更多能量并释放；

• 损耗模量（E''）：又称黏性模量，指材料在发生形变时，由于黏性形变（不可逆）而损耗的能量大小，反映材料的黏性大小——E''越大，材料消耗能量越多；

• 损耗因子（tanδ）：是在每个周期内损耗模量与储能模量的比值，又称阻尼因子、损耗角正切或内耗因子。

损耗因子可以用来反映材料黏性弹性的比例：

（1）当E'远大于E''时，材料主要发生弹性形变，因此材料呈固态；

（2）当E''远大于E'时，材料主要发生黏性形变，因此材料呈液态；

（3）当E'和E''相当时，材料呈半固态，例如凝胶状态。

与TMA相似，动态热机械分析仪器的结构形式主要有上加载样品式和下加载样品式两种。DMA仪器主要有仪器主机（主要包括程序温度控制系统、炉体、支持器组件、荷载控制系统、气氛控制系统、样品温度测量系统、形变测量系统等部分）、仪器辅助设备、仪器控制和数据采集及处理各部分组成。

图1  上加载样品式的DMA仪的结构框图

为了实现较大的载荷变化范围，DMA仪的夹具的材质通常为合金，因此该类仪器的最高工作温度一般不超过600℃。在大多数DMA测试中，通常采用1Hz的固定频率进行实验。

1.汽车工业领域

汽车减震系统（如悬挂减震器、发动机减震垫）的核心是橡胶材料，其动态阻尼特性（tanδ）直接影响减震效果：tanδ过大，橡胶过硬，减震效果差；tanδ过小，橡胶过软，易发生变形。利用DMA的压缩模式能够测试不同橡胶样品，筛选动态阻尼特性优异的减震橡胶。

2.电子电器领域

电子元件（如芯片、电容）的引线（通常为铜线或合金线）在温度循环中会反复热胀冷缩，承受动态拉伸/压缩应力，易发生疲劳断裂。DMA的拉伸模式能够测试引线材料在不同温度下的拉伸储能模量和损耗因子，从而通过数据预测引线在温度循环中的动态应力分布，优化引线的材料选型。

3.建筑与建材领域

隔音材料（如室内隔音棉）的隔音效果与动态力学性能相关：损耗模量越大，材料吸收声波能量的能力越强，隔音效果越好。用DMA的压缩模式可以测试隔音材料在声波频率和使用温度下的E''，根据隔音需求选择合适的材料。

4.科研领域

高分子共混材料（如PP/PE共混塑料）的相分离程度会影响动态力学性能，若相分离严重，会出现两个tanδ峰（分别对应两种组分的T_g）；若相容性好，会出现一个宽tanδ峰（T_g介于两者之间）。用DMA能够测试共混材料的tanδ-温度曲线，通过峰的数量和位置，判断材料的相容性，为优化共混工艺提供依据。

_{下图为聚碳酸酯和橡胶（聚丁二烯）增韧的丙烯腈-苯乙烯共聚物的相对复杂的复杂共混物的DMA数据，可以看出对应于各相的Tg峰。最高的峰值温度所对应的峰是聚碳酸酯的Tg过程，120℃的峰是丙烯腈-苯乙烯共聚物的Tg过程，而低温的峰则对应于聚丁二烯增韧橡胶相的Tg过程。}

图2 聚碳酸酯与ABS的不相容共聚物

（注：图1和图2引用自《热分析基础》/丁延伟编著.—合肥：中国科技大学出版社，2020.3）