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儲存模量與損失模量：動態機械分析的兩大核心秘密是什麼？
動態機械分析（DMA）是研究和表徵材料的一種技術，特別對於聚合物的粘彈性行為尤為重要。這種分析方法涉及施加一個正弦波的應力並測量材料的應變，通過這種方式，可以確定材料的複合模量。通過改變樣本的溫度或應力的頻率，可以觀察到複合模量的變化，這使得研究者能夠找到材料的玻璃轉變溫度，並識別其他分子運動所對應的轉變。
粘彈性材料的特性
由長分子鏈組成的聚合物擁有獨特的粘彈性特性，這些特性結合了彈性固體和牛頓流體的特徵。傳統的彈性理論描述了彈性固體的機械特性，其中應力和應變在小變形下成正比，而這種對應力的反應不依賴於應變速率。流體的流變學理論則描述了粘性流體的性質，在這裏，應力的反應依賴於應變速率。由於聚合物具備固體和液體行為的特性，這些行為可以通過彈簧和阻尼器的組合進行機械建模，這使得像瀝青這樣的粘彈性材料同時具有彈性和粘性行為。
聚合物的動態模量
DMA 通過對材料施加正弦力（應力 σ）並測量隨之而來的位移（應變）來研究聚合物的粘彈性特性。對於完全彈性固體，隨之產生的應變和應力是完全同相的；而對於純粘性流體，應變相對於應力會有90度的相位延遲。聚合物的粘彈性則表現出介於兩者之間的特性，因此在 DMA 測試中會出現一定的相位延遲。
儲存模量用來衡量儲存的能量，代表彈性部分；而損失模量則衡量轉化為熱量的能量，代表粘性部分。
動態模量的推導
當進行應變測試時，應力和應變之間的關係被描述為：應力 σ(t) 和應變 ε(t)，隨時間變化的情況下可以表達如下：
這些數學表達式將複合模量、儲存模量與損失模量的變化引入了應變的時間隨機性和相位差。最終，這種表達方式幫助科學家理解材料在不同應力和溫度下的性能，能為很多工業應用提供數據支持。
應用
測量玻璃轉變溫度
DMA 的一個重要應用是測量聚合物的玻璃轉變溫度。無定形聚合物有不同的玻璃轉變溫度，超過該溫度後，材料會展現橡膠狀特性而非玻璃狀行為，且其剛度會顯著降低，粘度也會減少。在玻璃轉變點，儲存模量會顯著下降，而損失模量則達到最高。通過溫度掃描的 DMA 通常用於表徵材料的玻璃轉變溫度。
聚合物組成
改變單體和交聯成分可以增加或改變聚合物的功能，從而影響 DMA 獲得的結果。例如，將乙烯丙烯二烯單體（EPDM）與丁苯橡膠（SBR）混合，不同的交聯或固化系統會顯示出不同的物理特性。 DMA 能夠有效評估聚合物的混合性質，進而幫助優化材料的性能。
儀器及其類型
DMA 的儀器由位移傳感器、溫度控制系統、驅動電機和樣品夾具等組成。根據測量的內容，樣品的準備和處理會有所不同。目前有兩種主要的 DMA 分析儀：強迫共振分析儀和自由共振分析儀。強迫共振分析儀的使用更為普遍，這些儀器強迫樣品以特定頻率震盪，並且適合於進行溫度掃描。
這些技術在工業和研究領域中有著廣泛的應用，而在瞭解材料特性和性能的過程中，讀者是否思考過還有哪些其他潛在領域可以受益於這些動態機械分析技術的應用呢？
