5.1 热力分析的基本原理

热力分析定义：在程序控温下，测量物质的力学性能（贮存模量、损耗模量、内耗、变形等）与温度或者时间或者频率的关系的分析技术，又称动态力学分析。

聚合物材料的动态力学特性

聚合物材料，都具有粘弹性。人们已经把测到的材料动态模量、损耗模量、阻尼特性（内耗）等动态力学性能与材料的强度、耐热性、阻尼特性等宏观性能联系起来，还与材料的分子量、取向、结晶、交联等微观结构和分子运动联系起来，并且与温度、频率、时间、湿度等环境变量联系起来。

所谓动态力学性能的测量分析是研究黏弹性材料在交变外力下的响应。两个理想材料：

–  弹性固体（虎克体），完全储能

–  粘性液体（牛顿体），以热耗功

如下图是一个弹性固体和粘性液体的应力与形变。

自然界一切现实材料的性质都介于这种理想固体和理想液体之间，既具固体的弹性又具液体的粘性，即粘弹性。聚合物材料具有显著的粘弹性，这与其大分子的结构及其分子运动特征密切相关。

 

聚合物力学性质与温度、频率及时间的关系：

塑料在室温下大多是硬的，但在高温下就变软；橡胶在室温是软而有弹性，但在低温就变硬了。外力作用的频率增加相当于降低温度或减少时间具有相同的效果，使材料刚性提高。相反频率减少与增加温度或增加时间具有相同效果，使材料减小刚性。

当聚合物作为结构材料使用时，主要利用它的弹性、强度，要求在使用温度范围内有较大的储能模量；聚合物作为减震或隔音材料使用时，则主要利用它们的粘性，要求在一定频率范围内有较高的阻尼。

 

动态力学测试原理

如果在聚合物上加一个正弦性的交变外力，使试样产生的应力和应变也以正弦方式随时间变化。这种周期性的外力引起试样周期性的形变，其中一部分所做功以位能形式贮存在试样中，没有损耗（试样分子结构中弹性部分形变后能瞬间恢复）；而另一部分所做功，在形变时以热的形式消耗掉，（试样分子结构中粘性部分形变时造成分子间的内摩擦使材料生热），于是应变始终落后应力一个相位差δ。

应变 ε＝ε_o sin(ωt)                                                          (1)

应力 σ＝σ_o sin(ωt＋δ)                                                   (2)

   ＝σ_osin(ωt)cosδ＋σ_o cos(ωt)sinδ                    (3)

模量σ/ε＝σ_o/ε_ocosδ＋(σ_o /ε_o) [cos(ωt)/sin(ωt)]sinδ    (4)

定义:

σ/ε=E*为复合模量；

σ_o /ε_ocosδ=E'为实模量或者储存模量，表征聚合物材料的弹性固体特征；

σ_o /ε_osinδ=E''为虚模量或者损耗模量，表征聚合物材料流体的特征。

他们的意义如下图所示：

方程（4）可用复数表示如下，它就是动态力学性能的测试原理与依据：

E*＝E'＋i E''    (5)        

定义：tanδ=E''/E'为损耗角正切或者耗能因子，表征材料消耗能量和储存能量的比例。