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AR Archives mensuelles : novembre 2020
Balayage de fréquence d'une analyse mécanique dynamique (DMA) sur un polymère
BALAYAGE DE FRÉQUENCE DMA
SUR LE POLYMÈRE EN UTILISANT LA NANOINDENTATION
Préparé par
Duanjie Li, PhD
INTRODUCTION
IMPORTANCE DE L'ANALYSE MÉCANIQUE DYNAMIQUE ESSAI DE BALAYAGE DE FRÉQUENCE
La fréquence variable des contraintes entraîne souvent des variations du module complexe, qui constitue une propriété mécanique critique des polymères. Par exemple, les pneumatiques sont soumis à de fortes déformations cycliques lorsque les véhicules circulent sur la route. La fréquence de la pression et de la déformation change à mesure que la voiture accélère vers des vitesses plus élevées. Un tel changement peut entraîner une variation des propriétés viscoélastiques du pneu, qui sont des facteurs importants dans les performances de la voiture. Un test fiable et reproductible du comportement viscoélastique des polymères à différentes fréquences est nécessaire. Le module Nano du NANOVEA Testeur Méchanique génère une charge sinusoïdale par un actionneur piézo-électrique de haute précision et mesure directement l'évolution de la force et du déplacement à l'aide d'une cellule de charge et d'un condensateur ultrasensibles. La combinaison d'une configuration facile et d'une grande précision en fait un outil idéal pour le balayage de fréquence d'analyse mécanique dynamique.
Les matériaux viscoélastiques présentent à la fois des caractéristiques visqueuses et élastiques lorsqu'ils subissent une déformation. Les longues chaînes moléculaires des matériaux polymères contribuent à leurs propriétés viscoélastiques uniques, c'est-à-dire une combinaison des caractéristiques des solides élastiques et des fluides newtoniens. La contrainte, la température, la fréquence et d'autres facteurs jouent tous un rôle dans les propriétés viscoélastiques. L'analyse mécanique dynamique, également appelée DMA, étudie le comportement viscoélastique et le module complexe du matériau en appliquant une contrainte sinusoïdale et en mesurant la variation de la déformation.
OBJECTIF DE MESURE
Dans cette application, nous étudions les propriétés viscoélastiques d'un échantillon de pneu poli à différentes fréquences DMA à l'aide du testeur mécanique le plus puissant, NANOVEA PB1000, dans Nanoindentation mode.
NANOVEA
PB1000
CONDITIONS DE TEST
FREQUENCES (Hz) :
0.1, 1.5, 10, 20
TEMPS DE REPTATION À CHAQUE FRÉQUENCE.
50 secondes
TENSION D'OSCILLATION
0.1 V
TENSION DE CHARGE
1 V
type de pénétrateur
Sphérique
Diamant | 100 μm
RÉSULTATS ET DISCUSSION
Le balayage de fréquence de l'analyse mécanique dynamique à la charge maximale permet une mesure rapide et simple des caractéristiques viscoélastiques de l'échantillon à différentes fréquences de chargement en un seul essai. Le déphasage et les amplitudes des ondes de charge et de déplacement à différentes fréquences peuvent être utilisés pour calculer une variété de propriétés viscoélastiques fondamentales du matériau, notamment Module de stockage, Module de perte et Tan (δ) comme le montrent les graphiques suivants.
Les fréquences de 1, 5, 10 et 20 Hz dans cette étude, correspondent à des vitesses d'environ 7, 33, 67 et 134 km par heure. Lorsque la fréquence d'essai augmente de 0,1 à 20 Hz, on peut observer que le module de stockage et le module de perte augmentent progressivement. Le Tan (δ) diminue de ~0,27 à 0,18 lorsque la fréquence augmente de 0,1 à 1 Hz, puis il augmente progressivement jusqu'à ~0,55 lorsque la fréquence de 20 Hz est atteinte. Le balayage de fréquence de la DMA permet de mesurer les tendances du module de stockage, du module de perte et du Tan (δ), qui fournissent des informations sur le mouvement des monomères et la réticulation ainsi que sur la transition vitreuse des polymères. En augmentant la température à l'aide d'une plaque chauffante pendant le balayage de fréquence, on peut obtenir une image plus complète de la nature du mouvement moléculaire dans différentes conditions d'essai.
ÉVOLUTION DE LA CHARGE ET DE LA PROFONDEUR
DU BALAYAGE COMPLET DE LA FRÉQUENCE DU DMA
Charge et profondeur en fonction du temps à différentes fréquences
MODULE DE STOCKAGE
À DIFFÉRENTES FRÉQUENCES
MODULE DE PERTE
À DIFFÉRENTES FRÉQUENCES
TAN (δ)
À DIFFÉRENTES FRÉQUENCES
CONCLUSION
Dans cette étude, nous avons montré la capacité du testeur mécanique NANOVEA à effectuer le test de balayage de fréquence de l'analyse mécanique dynamique sur un échantillon de pneu. Ce test mesure les propriétés viscoélastiques du pneu à différentes fréquences de contrainte. Le pneu montre une augmentation du module de stockage et de perte lorsque la fréquence de chargement augmente de 0,1 à 20 Hz. Il fournit des informations utiles sur les comportements viscoélastiques du pneu fonctionnant à différentes vitesses, ce qui est essentiel pour améliorer les performances des pneus pour des trajets plus doux et plus sûrs. Le test de balayage de fréquence de la DMA peut être effectué à différentes températures pour imiter l'environnement de travail réaliste du pneu sous différentes conditions météorologiques.
Dans le module Nano du testeur mécanique NANOVEA, l'application de la charge avec le piézo rapide est indépendante de la mesure de la charge effectuée par une jauge de contrainte séparée à haute sensibilité. Cela présente un avantage certain lors de l'analyse mécanique dynamique puisque la phase entre la profondeur et la charge est mesurée directement à partir des données recueillies par le capteur. Le calcul de la phase est direct et ne nécessite pas de modélisation mathématique qui ajoute de l'imprécision à la perte résultante et au module de stockage. Ce n'est pas le cas pour un système à bobine.
En conclusion, la DMA mesure le module de perte et de stockage, le module complexe et le Tan (δ) en fonction de la profondeur de contact, du temps et de la fréquence. Un étage de chauffage optionnel permet de déterminer la température de transition de phase des matériaux pendant la DMA. Les testeurs mécaniques NANOVEA offrent des modules multifonctions Nano et Micro inégalés sur une seule plateforme. Les modules Nano et Micro comprennent tous deux des modes de test de rayure, de dureté et d'usure, offrant ainsi la gamme de tests la plus large et la plus conviviale disponible sur un seul module.
