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影响动态热机械分析仪测试结果的因素有几种

2021.8.11

 1 .升温速率和样品厚度对储能模量影响

  对比不同升温速率和样品厚度下材料储能模量变化,测试频率1HZ,振幅25μm,升温速率5℃/min、8℃/min、10℃/min、15℃/min、20℃/min,测试样品厚度分别为0.5mm、0.7mm、1.0mm、2.0mm。

  对于介质层材料,储能模量与试样每周期储存的大弹性势能成正比,表征材料抵抗形变能力的大小,其储能模量下降幅度决定于松弛过程中的强度。对于环氧高聚物,在低温段,存在β转变,其主要表征高聚物分子化学键长和键角的变化,然而在常规使用条件下,虽然分子处于冻结状态,小分子单元和侧链仍具有运动能力,因此在外力的作用下,能产生形变而吸收能量。

  在同一升温速率下,随着样品厚度的减薄,材料在玻璃化转变之前储能模量下降幅度增大;在同一介质层厚度下,随着升温速率的增加,储能模量的下降幅度也增大,且储能模量曲线呈现两段先降后升的现象。这是由于当介质材料很薄时(如0.5mm),分子侧链回折和小分子运动不可忽略,形变主要通过分子侧链回折和小分子运动实现,应力松弛强度较大,储能模量下降幅度增加,同时随着升温速率的增加,材料小分子运动和侧链回折速率加快,应力松弛时间减少,松弛强度升高,导致储能模量下降幅度增大。当温度继续上升,部分小分子发生热聚合而交联,储能模量上升,当温度达到大分子链段解冻点,材料发生玻璃化转变,由玻璃态向橡胶态转变,储能模量再次下降。继续升温,大分子也开始聚合交联,储能模量又一次上升。

  当介质层较厚时(如0.7mm、1.0mm、2.0mm),在玻璃化转变前,形变主要通过分子键长和键角的变化实现,小分子与侧链影响不大,材料呈现刚性,材料松弛强度较小,储能模量下降幅度不大。当温度达到玻璃化温度时,材料由玻璃态向橡胶态转变,储能模量急剧下降。

  2.升温速率和样品厚度对材料Tg值影响

  对于1.0mm介质层,当升温速率增加时,样品阻尼曲线逐渐拉宽,达到15℃/min时,逐渐呈现出2个峰值,对于0.5mm介质层,随着升温速率的增加,阻尼曲线的拉宽越来越不明显,且只呈现出一个峰值。原因分析如图5所示,当外界热源的升温速率较慢或样品较薄时,样品内外层受热均匀,Tg测试呈现一个峰值,当升温速率较快,且样品厚度较厚时,由于介质层传热速率较慢,表层热量无法迅速向内层传递,造成样品内外层受热不均,样品表层先完成玻璃化转变,内层玻璃化转变存在明显的滞后,测试曲线呈现两个峰值。

  3 .覆金属层对DMA测试结果的影响

  无覆金属层和不同厚度覆金属层样品进行对比分析,覆金属层厚度分别为11μm、22μm、35μm,介质层厚度1.0mm,测试频率1HZ,测试振幅25μm,升温速率5℃/min。

  由于介质层材料与覆金属层的弹性模量差异较大,在动态振荡负载下,在界面处存在力值差,由于做功而产生能量损耗,表现出较大的损耗模量,这个能量损耗值随着覆金属层的厚度增加而增大,随着玻璃化转变的发生,介质层材料的弹性模量迅速下降,与覆金属层弹性模量差异增大,由于做功产生的能量损耗增加,由此产生的损耗模量变化将介质层自身损耗模量变化掩盖,其损耗模量峰值变化只与介质层模量变化有关,与覆金属层厚度无关。由于介质层和覆金属层界面处应力作用,覆金属层样品测试不能完全反映纯介质层的粘弹态性能变化,故IPC-TM-650 2.4.24.4 明确规定要完全去除样品所附金属箔。

  通过升温速率、样品厚度、有无覆金属层对DMA测试结果影响的研究,文章得出以下重要结论:(1)同一升温速率下,样品厚度小于0.7mm时,侧链和小分子运动影响增大,应力松弛强度增大,Tg前储能模量下降幅度增大;样品厚度大于0.7mm时,侧链和小分子运动影响不大,形变主要受分子化学键长、键角变化影响,Tg前材料呈现刚性,储能模量下降幅度不大;(2)同一样品厚度下,升温速率增加,促进侧链和小分子运动,应力松弛时间减少,Tg前储能模量下降幅度增大;(3)厚样(>0.5mm)升温速率超过15℃/min时,样品内外层受热不均,测试曲线呈现2个峰值;(4)由于介质层和覆金属层界面处应力作用,覆金属层样品阻尼、储能模量、损耗模量变化均较无覆金属层样品滞后,覆金属层样品测试不能反映纯介质层的粘弹态性能变化。




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