扭擺測(cè)試：評(píng)估材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的關(guān)鍵技術(shù)

概述
扭擺測(cè)試是一種經(jīng)典且重要的動(dòng)態(tài)力學(xué)分析（DMA）方法，主要用于測(cè)量材料在周期性扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下的力學(xué)響應(yīng)。它尤其擅長(zhǎng)評(píng)估高分子聚合物、復(fù)合材料以及粘彈性材料在特定頻率下的動(dòng)態(tài)模量（主要是剪切模量）和阻尼特性（以損耗因子表示）。這種測(cè)試方法對(duì)于理解材料在動(dòng)態(tài)工況下的行為至關(guān)重要。

核心技術(shù)原理

1. 基本原理：

   • 測(cè)試的核心在于使試樣（通常是條形或其他適合扭轉(zhuǎn)的形狀）圍繞其長(zhǎng)軸發(fā)生小振幅的周期性振蕩（扭轉(zhuǎn)）。
   • 施加一個(gè)已知幅度和頻率的扭轉(zhuǎn)應(yīng)變（或應(yīng)力），精確測(cè)量試樣所產(chǎn)生的響應(yīng)應(yīng)力（或應(yīng)變），以及應(yīng)力與應(yīng)變信號(hào)之間的相位差角（δ）。
   • 這個(gè)相位差直接反映了材料內(nèi)部將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能（即阻尼）的能力。

2. 關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量：

   • 動(dòng)態(tài)剪切模量 (G):* 這是材料抵抗周期性剪切變形能力的度量。它包含兩個(gè)分量：
     • 儲(chǔ)能模量 (G’): 代表材料在形變過程中儲(chǔ)存的可恢復(fù)彈性能量，反映材料的彈性或剛度分量。
     • 損耗模量 (G’’): 代表材料在形變過程中以熱的形式耗散的能量，反映材料的粘性或阻尼分量。
   • 損耗因子 (Tan δ): 定義為損耗模量與儲(chǔ)能模量的比值（G’’ / G’）。這是衡量材料阻尼效率的關(guān)鍵指標(biāo)。Tan δ 值越高，材料吸收振動(dòng)能量的能力越強(qiáng)。
   • 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與頻率： 扭擺系統(tǒng)通常具有特定的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（I）。對(duì)于自由衰減型扭擺，系統(tǒng)的固有頻率（f）與試樣材料的動(dòng)態(tài)剪切模量（G’）直接相關(guān)：f ∝ √(G’ / I)。通過測(cè)量振蕩頻率，可以計(jì)算出 G’。

典型測(cè)試系統(tǒng)組成

1. 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)： 提供精確可控的扭轉(zhuǎn)振蕩。通常由精密電機(jī)（如步進(jìn)電機(jī)或音圈電機(jī)）通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。
2. 夾具與試樣： 用于牢固夾持試樣的兩端，確保扭轉(zhuǎn)力矩有效傳遞。夾具設(shè)計(jì)需保證試樣只承受純扭矩，避免彎曲等干擾。試樣形狀多為矩形長(zhǎng)條、圓形棒或圓筒。
3. 位移/角度傳感器： 高精度測(cè)量試樣扭轉(zhuǎn)的角度或位移（應(yīng)變）。
4. 扭矩傳感器： 測(cè)量施加在試樣上的扭矩（應(yīng)力）。
5. 溫度控制單元： 精確控制試樣所處的環(huán)境溫度（如溫控腔或爐體），用于研究材料性能隨溫度的變化（如玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 Tg 的測(cè)定）。
6. 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)： 負(fù)責(zé)控制測(cè)試參數(shù)（頻率、振幅、溫度），采集傳感器信號(hào)（扭矩、角度、溫度），進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算（模量、損耗因子等）和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。復(fù)雜的軟件用于設(shè)定測(cè)試規(guī)程、數(shù)據(jù)分析及結(jié)果可視化。

主要測(cè)試模式與操作

1. 自由衰減振蕩：
   • 給試樣施加一個(gè)初始扭轉(zhuǎn)角，然后釋放。
   • 系統(tǒng)在試樣材料的彈性恢復(fù)力和內(nèi)部阻尼作用下自由振蕩，振幅隨時(shí)間逐漸衰減。
   • 通過記錄振蕩的衰減曲線（振幅 vs. 時(shí)間），可以計(jì)算出對(duì)數(shù)減量（Δ），進(jìn)而求得損耗因子 Tan δ ≈ Δ / π。同時(shí)，測(cè)量振蕩頻率即可計(jì)算出儲(chǔ)能模量 G’。早期扭擺多采用此模式，操作相對(duì)簡(jiǎn)單。
2. 強(qiáng)迫共振：
   • 在固定頻率下，對(duì)試樣施加小幅振蕩扭矩（或位移）。
   • 改變驅(qū)動(dòng)頻率，掃描尋找系統(tǒng)的共振頻率點(diǎn)。
   • 在共振點(diǎn)及其附近，測(cè)量振幅和相位響應(yīng)。通過共振時(shí)的振幅峰值（或半功率帶寬法）和相位角變化來計(jì)算 G’ 和 Tan δ。此模式精度較高，但頻率點(diǎn)為離散值。
3. 強(qiáng)迫非共振（最常用）：
   • 在選定的固定頻率（或掃頻范圍）下，對(duì)試樣施加精確控制的扭轉(zhuǎn)應(yīng)變（或應(yīng)力）波形（通常是正弦波）。
   • 直接實(shí)時(shí)測(cè)量產(chǎn)生的應(yīng)力（或應(yīng)變）響應(yīng)信號(hào)及其與輸入信號(hào)的相位差。
   • 根據(jù)應(yīng)力和應(yīng)變的幅值以及相位差角 δ，直接計(jì)算 G*, G’, G’’ 和 Tan δ。此模式頻率選擇靈活，是當(dāng)前商業(yè)動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀的主流方法。

核心應(yīng)用領(lǐng)域

1. 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 (Tg) 測(cè)定： 扭擺測(cè)試是確定高分子材料 Tg 的極其靈敏的方法。隨著溫度升高，在 Tg 點(diǎn)附近，儲(chǔ)能模量 G’ 會(huì)急劇下降（幾個(gè)數(shù)量級(jí)），而損耗模量 G’’ 和損耗因子 Tan δ 會(huì)出現(xiàn)一個(gè)明顯的峰值。
2. 次級(jí)松弛行為研究： 在低于 Tg 的區(qū)域，可以探測(cè)到由較小運(yùn)動(dòng)單元（如側(cè)基、局部鏈段）運(yùn)動(dòng)引起的次級(jí)轉(zhuǎn)變峰（β, γ 等），揭示材料的低溫韌性或脆性機(jī)制。
3. 阻尼性能評(píng)估： 直接測(cè)量 Tan δ 值，定量評(píng)估材料的吸能或減振能力。這對(duì)于選擇減振降噪材料（如汽車NVH控制、機(jī)械減振墊）至關(guān)重要。
4. 固化過程監(jiān)控（熱固性材料）： 通過測(cè)量?jī)?chǔ)能模量 G’ 和損耗因子 Tan δ 隨時(shí)間或溫度的變化，可以精確追蹤樹脂體系的凝膠點(diǎn)、固化程度和最終固化狀態(tài)。
5. 頻率依賴性研究： 在恒定溫度下改變頻率，可研究材料力學(xué)性能的頻率響應(yīng)特性（時(shí)溫等效原理的基礎(chǔ)）。
6. 材料性能比較與質(zhì)量控制： 快速比較不同配方、批次材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能差異，用于研發(fā)和質(zhì)量控制。
7. 復(fù)合材料界面評(píng)價(jià)： 分析纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中纖維與基體之間的界面粘接狀態(tài)，界面性能不佳常表現(xiàn)為 Tan δ 峰值的升高或峰形的變化。

扭擺測(cè)試的核心優(yōu)勢(shì)

• 高靈敏度： 對(duì)高分子材料的玻璃化轉(zhuǎn)變及其他松弛過程非常敏感，分辨率高。
• 直接測(cè)量剪切性能： 特別適合評(píng)估材料的剪切模量和阻尼行為。
• 寬溫域覆蓋： 結(jié)合溫控系統(tǒng)，可在極低溫到高溫范圍內(nèi)進(jìn)行研究。
• 頻率范圍適中： 特別是在低頻區(qū)域（0.01 - 100 Hz），能有效表征材料的長(zhǎng)時(shí)松弛行為。
• 試樣制備相對(duì)簡(jiǎn)單： 所需試樣尺寸通常較小。

存在的局限性與挑戰(zhàn)

• 試樣尺寸與形狀要求較高： 試樣必須足夠長(zhǎng)且形狀規(guī)則，以實(shí)現(xiàn)相對(duì)均勻的剪切應(yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)。
• 夾具效應(yīng)： 夾具的剛度和夾持力可能影響測(cè)量結(jié)果，特別是對(duì)于薄或軟的材料。
• 有限頻率范圍： 雖然低頻性能優(yōu)異，但高頻測(cè)試能力通常不如超聲波或基于壓電技術(shù)的DMA方法。
• 數(shù)據(jù)分析復(fù)雜性： 精確求解動(dòng)態(tài)模量需要考慮試樣的幾何形狀和邊界條件，有時(shí)需進(jìn)行理論修正。
• 高阻尼材料的精度： 對(duì)于損耗因子非常高的材料，自由衰減和共振法可能誤差增大，強(qiáng)迫非共振法更為可靠。

總結(jié)
扭擺測(cè)試憑借其對(duì)材料剪切動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，尤其是阻尼行為和轉(zhuǎn)變溫度的卓越表征能力，已成為高分子科學(xué)、復(fù)合材料工程等領(lǐng)域不可或缺的分析工具。不論是探究材料的基本分子運(yùn)動(dòng)機(jī)理、優(yōu)化配方設(shè)計(jì)，還是評(píng)估產(chǎn)品的服役性能和進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制，扭擺測(cè)試都能提供關(guān)鍵性的數(shù)據(jù)支持。隨著自動(dòng)化、溫控精度和數(shù)據(jù)分析能力的不斷提升，它將繼續(xù)在材料研發(fā)與應(yīng)用中發(fā)揮核心作用。