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저장 탄성률과 손실 탄성률: 동적 기계 분석의 두 가지 핵심 비밀은 무엇인가?
동적 기계 분석(DMA)은 재료, 특히 폴리머의 점탄성 거동을 연구하고 특성화하는 기술입니다. 이 분석 방법은 사인파 응력을 가하고 재료의 변형률을 측정하는 것을 포함하며, 이를 통해 재료의 복소 탄성률을 결정할 수 있습니다. 샘플에 가해지는 응력의 온도나 주파수를 변화시키면 복소 탄성률의 변화를 관찰할 수 있으며, 이를 통해 연구자들은 재료의 유리 전이 온도를 찾고 분자 운동에 해당하는 다른 전이를 식별할 수 있습니다.
점탄성 재료의 특성
긴 분자 사슬로 구성된 폴리머는 탄성 고체와 뉴턴 유체의 특성을 결합한 독특한 점탄성 특성을 가지고 있습니다. 기존의 탄성 이론은 탄성 고체의 기계적 특성을 설명하는데, 여기서 응력과 변형률은 작은 변형에서 비례하고 응력에 대한 이러한 반응은 변형률 속도와 무관합니다. 유체의 유변학 이론은 점성 유체의 특성을 설명하는데, 여기서 응력에 대한 반응은 변형률 속도에 따라 달라집니다. 폴리머는 고체와 액체의 거동 특성을 모두 가지고 있으므로 이러한 거동은 스프링과 댐퍼를 조합하여 기계적으로 모델링할 수 있으며, 이를 통해 아스팔트와 같은 점탄성 재료가 탄성 및 점성 거동을 모두 나타낼 수 있습니다.
폴리머의 동적 탄성률
DMA는 재료에 사인파 힘(응력 σ)을 적용하고 그에 따른 변위(변형률)를 측정하여 폴리머의 점탄성 특성을 연구합니다. 완벽한 탄성 고체의 경우, 결과적인 변형률과 응력은 정확히 동위상을 이룹니다. 순수한 점성 유체의 경우, 변형률은 응력에 비해 90도 지연됩니다. 폴리머의 점탄성 특성은 두 가지의 중간 특성을 나타내므로 DMA 테스트에서 일정한 위상 지연이 나타납니다.
저장 탄성률은 저장된 에너지를 측정하는 단위로 탄성 부분을 나타내고, 손실 탄성률은 열로 변환된 에너지를 측정하는 단위로 점성 부분을 나타냅니다.
동적 탄성계수의 도출
변형률 측정을 수행할 때 응력과 변형률 간의 관계는 다음과 같이 설명됩니다. 응력 σ(t)와 변형률 ε(t)은 시간에 따라 변합니다. 상황은 다음과 같이 표현될 수 있습니다:
이러한 수학적 표현은 복소 탄성률, 저장 탄성률 및 손실 탄성률의 변화에 시간적 무작위성과 변형률의 위상차를 도입합니다. 궁극적으로, 이러한 표현은 과학자들이 다양한 응력과 온도에서 재료의 성능을 이해하는 데 도움이 되며, 많은 산업 응용 분야에 대한 데이터 지원을 제공합니다.
응용 프로그램
유리전이온도 측정
DMA의 중요한 응용 분야 중 하나는 폴리머의 유리 전이 온도를 측정하는 것입니다. 비정질 폴리머는 유리 전이 온도가 다르며, 이 온도 이상에서는 재료가 유리질 거동보다는 고무질 거동을 보이고 강성과 점도가 상당히 감소합니다. 유리 전이점에서는 저장 탄성률이 크게 감소하는 반면, 손실 탄성률은 최대치에 도달합니다. 온도 스윕을 적용한 DMA는 종종 재료의 유리 전이 온도를 특성화하는 데 사용됩니다.
폴리머 구성
모노머와 가교 성분을 변경하면 폴리머의 기능이 증가하거나 변경될 수 있으며, 따라서 DMA로 얻은 결과에 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머(EPDM)와 스티렌 부타디엔 고무(SBR)를 혼합하는 경우, 서로 다른 가교 또는 경화 시스템은 서로 다른 물리적 특성을 보입니다. DMA는 폴리머의 혼합 특성을 평가하는 효과적인 방법으로, 이를 통해 재료의 성능을 최적화하는 데 도움이 됩니다.
악기와 그 종류
DMA 장비는 변위 센서, 온도 제어 시스템, 구동 모터, 샘플 고정 장치로 구성됩니다. 샘플 준비 및 취급은 측정 대상에 따라 달라집니다. DMA 분석기에는 강제 공명 분석기와 자유 공명 분석기라는 두 가지 주요 유형이 있습니다. 강제 공명 분석기가 더 일반적으로 사용됩니다. 이러한 기기는 샘플이 특정 주파수에서 진동하도록 강제하며 온도 스윕을 수행하는 데 적합합니다.
이러한 기술은 산업 및 연구에 광범위하게 적용됩니다. 재료 특성과 성능을 이해하는 과정에서 이러한 동적 기계 분석 기술을 적용하면 어떤 다른 잠재적인 분야에서 혜택을 볼 수 있는지 생각해 본 적이 있습니까?
