动态力学试验-原理.ppt

动态力学 及试验方法 ;（一）意义 随着科学技术的不断发展，动态力学试验方法总是在不断更新与发展，无论从实用的或科学的观点而论，它都是最重要的方法之一。动态数据在塑料作为结构材料应用时特别重要，因这种方法很易测定性能随温度和频率（或时间）的变化。在任何结构材料的应用中，材料的模量或硬度显然是很重要的。但是，在塑料的应用中，力学阻尼的重要性还没有为大家所熟知或理解。在减少不需要的振动的影响中，当将共振振幅减少到安全极限以内时，以及在飞机、建筑等所有类型的结构中阻抑音频振动和噪音方面，高阻尼是主要的因素。阻尼在减少噪音和振动中的作用，可以用二种不同高聚物制成的杆或其他塑料物体落到硬地板上来作一印象深刻的对比：设一根杆是用低阻尼高聚物（如聚苯乙烯）制成，而另一根是用高阻尼高聚物（如硝酸纤维素）制成；;当杆落下时，低阻尼高聚物的杆将发出一种尖锐的响声，而高阻尼高聚物的仅发出一种迟钝的声音。为了增加塑料的韧性和增加轮胎对路面的摩擦，高阻尼也是需要的。但是，高阻尼具有一些不良的作用。例如，高阻尼一般都会使尺寸稳定性下降；在很多应用中，当长时间受到应力时，高聚物能保持它的大小和形状是很重要的。在轮胎中，高阻尼会使轮胎的工作温度升高；这能引起橡胶很快降解并使轮胎过早破损。（高弹性） 动态试验还有超过大多数其他力学试验的另一优点，即试验可在短时间内在一宽广的温度范围内进行；并且从这些结果可以预计材料的总的行为，许多其他力学性能也能被估计出。;动态力学试验在研究高聚物的结构方面是很有用的。这些力学性能对玻璃化转变、结晶、交联、相分离、分子聚集作用等方面，以及对高分子链的分子结构的许多其他特征和材料本体的形态等方面都是很敏感的。动态试验在分析共聚物和共混聚合物的化学组分时也很有用。 实际上，动态力学的应用涉及到非常广泛的研究领域，从地震学（地波）、海洋学、地质勘探、建筑工程到分子动态力学（晶格振动）等。下表列出了各种应用领域所包括的频率。聚合物材料的动态力学分析通常在10-2Hz－106Hz。;;（二）定义 动态力学试验是测量材料对周期性的力或变化着的力的响应或形变的试验。一般来说，所加的力和所产生的形变都是随时间正弦式地改变的；从这种试验，可以同时测得弹性模量和力学阻尼。随所用试验设备的不同，所测得的模量可为切变、杨氏或本体模量；力学阻尼所给出的是当材料受到形变时以热的形式而损耗的能量。 理想弹性材料没有力学阻尼。近乎理想弹性的材料，如钢弹簧或橡皮筋被拉伸时，它们将能量以位能的形式贮藏起来。当所加负荷除去时，位能转变成动能，材料就缩回到原来的尺寸。粘性液体是另一个极端的例子，这里，用来使它们变形的能量全部损耗成热，因为液体不能象弹簧那样贮藏位能，所以它们具有很高的阻尼，高聚物是粘弹性材料的例子，它们同时具有粘性液体和弹性弹簧的某些特性。因而，当这样的材料受到形变时，部分能量成为位能贮藏起来，而另一部分则成为热而损耗。作为热损耗掉的能量表现为力学阻尼。;;（三）动态力学原理 若对聚合物试样施加交变的应变，同时测定其应力变化的情况。对于线形粘弹行为，当达到平衡时，应力和应变都按正弦式变化。但由于聚合物是粘弹体，其响应滞后于应力。 应变 e = e0 sin ?t （1） 应力 ? = ?0 sin（?t + ?） （2） ?是角频率，?是滞后相角。将应力展开成 = ?0 cos?sin?t + ?0 sin?cos?t。 由上式可见，应力可分两部分组成：（1）与应变同相，大小为（?0 cos?）。（2）与应变相差为90o，大小为（?0 sin ?）。于是，应力—应变关系式就可以用一个与应变相同的量G1和一个与应变相差90o的量G2表示。 ? = e0 G1 sin?t + e0 G2 cos?t (3) 其中，;将其写成复数模量表达式。如图—1所示。;我们也可将应变和应力写成 e = eo exp i?t ?=?0exp(i?t + ?) (4) 此时复数模量，根据欧拉公式， 可写出下式  (5) 与应变同相的实数部分模量，通常称为储能模量（Storage modulus），它表示在应变作用下能量在样品中的储存。与应变相差π/2的虚数部分模量，表示么能量的损耗，通常称为损耗模量（loss modulus）。损耗角正切被称为内摩擦或阻尼。在一