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储存模量与损失模量：动态机械分析的两大核心秘密是什么？
动态机械分析（DMA）是研究和表征材料的一种技术，特别对于聚合物的粘弹性行为尤为重要。这种分析方法涉及施加一个正弦波的应力并测量材料的应变，通过这种方式，可以确定材料的复合模量。通过改变样本的温度或应力的频率，可以观察到复合模量的变化，这使得研究者能够找到材料的玻璃转变温度，并识别其他分子运动所对应的转变。
粘弹性材料的特性
由长分子链组成的聚合物拥有独特的粘弹性特性，这些特性结合了弹性固体和牛顿流体的特征。传统的弹性理论描述了弹性固体的机械特性，其中应力和应变在小变形下成正比，而这种对应力的反应不依赖于应变速率。流体的流变学理论则描述了粘性流体的性质，在这里，应力的反应依赖于应变速率。由于聚合物具备固体和液体行为的特性，这些行为可以通过弹簧和阻尼器的组合进行机械建模，这使得像沥青这样的粘弹性材料同时具有弹性和粘性行为。
聚合物的动态模量
DMA 通过对材料施加正弦力（应力 σ）并测量随之而来的位移（应变）来研究聚合物的粘弹性特性。对于完全弹性固体，随之产生的应变和应力是完全同相的；而对于纯粘性流体，应变相对于应力会有90度的相位延迟。聚合物的粘弹性则表现出介于两者之间的特性，因此在 DMA 测试中会出现一定的相位延迟。
储存模量用来衡量储存的能量，代表弹性部分；而损失模量则衡量转化为热量的能量，代表粘性部分。
动态模量的推导
当进行应变测试时，应力和应变之间的关系被描述为：应力σ(t) 和应变ε(t)，随时间变化的情况下可以表达如下：
这些数学表达式将复合模量、储存模量与损失模量的变化引入了应变的时间随机性和相位差。最终，这种表达方式帮助科学家理解材料在不同应力和温度下的性能，能为很多工业应用提供数据支持。
应用
测量玻璃转变温度
DMA 的一个重要应用是测量聚合物的玻璃转变温度。无定形聚合物有不同的玻璃转变温度，超过该温度后，材料会展现橡胶状特性而非玻璃状行为，且其刚度会显著降低，粘度也会减少。在玻璃转变点，储存模量会显著下降，而损失模量则达到最高。通过温度扫描的 DMA 通常用于表征材料的玻璃转变温度。
聚合物组成
改变单体和交联成分可以增加或改变聚合物的功能，从而影响 DMA 获得的结果。例如，将乙烯丙烯二烯单体（EPDM）与丁苯橡胶（SBR）混合，不同的交联或固化系统会显示出不同的物理特性。 DMA 能够有效评估聚合物的混合性质，进而帮助优化材料的性能。
仪器及其类型
DMA 的仪器由位移传感器、温度控制系统、驱动电机和样品夹具等组成。根据测量的内容，样品的准备和处理会有所不同。目前有两种主要的 DMA 分析仪：强迫共振分析仪和自由共振分析仪。强迫共振分析仪的使用更为普遍，这些仪器强迫样品以特定频率震荡，并且适合于进行温度扫描。
这些技术在工业和研究领域中有着广泛的应用，而在了解材料特性和性能的过程中，读者是否思考过还有哪些其他潜在领域可以受益于这些动态机械分析技术的应用呢？
