动态机械/力学分析（Dynamic Mechanical Analysis）技术，也称为 DMA 分析技术，是一种以周期循环方式对测量样品施加小变形量的分析技术。可以分析所研究材料对应力、温度、频率和其他变量值的响应结果。
动态机械分析仪的测量程序是将样品放置于特定的测量环境中，侦测样品在温度、作用力、频率或时间等变化下，其机械性质所响应的变化情况，进而推导或评判所测量材料的粘弹性特性。图 1 是动态机械分析仪设备的外观照片与测量核心机构的细部结构。
图 1. DMA 仪器外观（左），DMA 仪器测量核心机构细部结构图（右）
DMA 可提供有关材料粘弹特性的相关资讯。例如粘弹性材料的综合模量（E*）、储存模量（E’）和损耗模量（E”）、阻尼（tanδ）、柔量、粘度、应力松弛和蠕变等。也可利用测量结果研究高分子材料的分子结构与对应的分子动作，并发展结构属性关系。
DMA 测量测试变量包括温度、时间、应力、应变和形变频率等，可以测定各种材料的 Tg 转移、阻尼强度、耐热性和蠕变与应力松弛等特性。还可用于评估聚合物和弹性材料的相容性、异方向性、振动吸收性、分子量（MW）、结晶度和排向程度等材料资讯。
动态机械分析（DMA）的测量模式
DMA 动态机械分析仪器对材料进行的任何测试研究、特性化和质量控制测试都应符合其实际的材料使用与应用状况。通过与真实应用紧密平行的测量条件设计所获得的测量结果，可以更准确地评估材料的真实性能。
商业化 DMA 测量设备可以利用多种不同种类的样品夹具系统，而施加不同的应变模式（例如拉伸、压缩、弯曲或剪切），同时也将会适合各种不同几何形状的材料测试样品，其中可以包含纤维、薄膜、平板、矩形、棒状、圆柱体、胶状或支撑性液体等样品型态。图 2 是 DMA 测量仪器可适用于多种测量应用的样品挟持系统。
图 2. DMA 测量仪器可适用于多种测量应用的样品挟持系统
动态机械分析（DMA）的几种用途
01
玻璃化转变温度
储存模量（弹性模量）E′ 指的是材料变形过程中由于弹性形变而储存的能量，表示材料的弹性。
损耗模量（粘性模量）E″ 指的是材料变形中热损耗的能量，能量以生热方式而损失。
损耗因子：材料的损耗模量与储能模量之比，即损耗因子 tanδ=E″/E′，损耗因子曲线上的峰值所对应的温度为 Tg。
图 3. 样品的 DMA 测试图
02
测试定伸长弹性回复
图 4. PTT 纤维的定伸长弹性回复
图 5. 10% 定伸长弹性回复
图 6. 20% 定伸长弹性回复
03
动态热机械曲线
图 7. 纤维的存储模量-温度曲线图
频率：1Hz；振幅：50μm；升温速度：3°C/min
图 8. 纤维的应变回复-应变曲线图
温度：35°C；负载张力：0.1MPa；负载时间：10min；卸载回复时间：20min
图 9. 纤维的应力-应变曲线图
04
聚合物的耐寒性表征
材料的耐低温性能取决于低温下分子结构中是否存在小的运动单元的运动（次级转变），而小运动单元的运动可以灵敏的反映在 tanδ-T 谱上。在 DMA 图谱上低温损耗峰位置越低，强度越强，则塑料的低温韧性越好，耐寒性越好。
图 10. 非晶态高聚物 DMA 温度谱（频率一定）
05
聚合物的耐热性表征
高分子材料的耐热性常用热变形温度、维卡软化点、马丁耐热温度等评价，可通过 DMA 测得特征温度和模量来评价材料耐热性。
图 11. 三点弯曲测试的热变形温度
06
热固性材料的固化过程
可采用 DMA 的时间扫描模式来研究，时间扫描模式是在恒温恒频率下测定材料的动力学性能随时间的变化，以研究材料动力学性能的时间依赖性。实际应用中常用于热固性树脂如环氧树脂及其复合材料的固化过程研究，选择最佳固化工艺参数等。
图 12. 环氧树脂的等温固化 DMA 曲线
动态机械分析（DMA）的测量结果
如下图所显示了各种 DMA 转移的理想化扫描，且在较低温度下模量也会发生变化，这些模量的微小变化或转移，都和高分子材料的分子结构运动有相对应的关联性。
图 13. DMA 的理想化扫描显示了储能模量 E’ 曲线的各种分子松弛现象的影响
图中这些转变是通过从熔化温度（Tm）开始倒数来标记的，因此这里的玻璃化转变（Tg）也是 α 转变（Tα）。由于 Tg 或 Tα 可以指定为分子主链的渐变运动，因此 β 转变（Tβ）可以指定为分子运动的其他变化。β 转变通常是与分子链的侧链或侧边官能基的运动有关，并且通常会与聚合物的韧性有关。此类信息的另一个用途是可以确认聚合物的工作操作范围，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。在 Tα 和 Tβ 之间的范围内，材料具有抵抗变形的坚硬度和在应变下不破碎的柔韧性。
需要注意的是，一般 β 和 γ 的分子结构转移太微弱，无法在差示扫描量热仪（DSC）或热机械分析仪（TMA）中检测到。DMA 比这些测量技术来的灵敏得多，可以轻松测量出在其他热方法中不明显的转移现象。
动态机械分析 DMA 的测量结果也可以进行不同材料之间的特性比较，不同型态的高分子材料可以由 DMA 扫描的分析结果来评判材料的种类与特性上的差异。如图 14 所显示针对非结晶性塑料或是结晶性塑料，甚至热固性反应材料等，都可以从 DMA 的扫描分析数据来加以判定，且从模量与温度的扫描数据上，可判断不同材料的玻璃转变温度高低、分子量大小、结晶度的差异以及反应性材料的交联程度等。
图 14. DMA 分析扫描数据可用来比较不同材料的机械特性与分子结构差异
动态机械分析（DMA）测量范例
等温频率扫描是试样在特定温度、特定应变测试条件下进行频率扫描，测试材料的黏弹性能与频率的变化关系，通常是用于探测结构、观察长时和短时的性能等。图 15 是塑料片的样品在室温条件下进行频率扫描（0-100Hz）过程中储能模量、损耗模量及损耗因子的变化情况。
图 15. 频率扫描试验结果图
温度爬坡试验是在恒定频率、同一振幅下（或同一应变下）进行温度扫描测试材料的黏弹性能与温度的关系，常用于研究材料的热转变性能，例如利用温度爬坡实验可以获得材料的玻璃化转变温度。
一般而言，随着温度的升高，材料的分子、分子链（链段）、晶格等单元的活动能力增强，储能模量 E′ 随之降低。如在测试温度范围内，材料发生玻璃化转变、熔融、固化等现象时，储能模量 E′ 出现台阶式变化，损耗因子 tanδ 出现峰（或毛刺）。这些现象的转变温度可使用储能模量 E′ 的外推起始点、损耗模量 E′′ 峰值温度和损耗因子峰值温度来表示，最常用的是 tanδ 峰值温度。
图 16 为某客户研发的产品在 -20℃~220℃ 的温度爬坡试验过程中储能模量、损耗模量及损耗因子的变化情况，可以看到样品在 90℃ 附近发生热玻璃化转变。
图 16. 温度扫描试验结果图
高聚物的同一力学松弛现象可以在较高的温度、较短的时间（或较高的作用频率）观察到，也可以在较低的温度下、较长时间内观察到。因此，升高温度与延长观察时间对分子运动是等效的，对高聚物的粘弹行为也是等效的，这就是时温等效原理。
时温等效原理具有重要的实用意义，利用该原理，可以得到一些实际上无法从直接实验测量得到的结果，例如，要得到低温某一指定温度时天然橡胶的应力松弛行为，由于温度过低，应力松弛进行得很慢，要得到完整的数据可能需要等待几个世纪甚至更长时间，这实际上是不可能的，利用该原理，在较高温度下测得应力松弛数据，然后换算成所需要的低温下的数据。
利用 DMA 进行时温叠加的检测原理如图 17，首先获得同一材料在不同的温度下低频率扫描结果，然后进行数据拟合获得不同温度下材料从低频到高频的损耗模量的变化情况。
图 17. 时温叠加的检测原理图
本文源自微信公众号：中科蓝海ZKBO
原文标题：《动态热机械分析测试技术（DMA）》
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/Jx2GnxWz7jxQdl0svNkRDA
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