扭擺測試：評估材料動態力學性能的關鍵技術

概述
扭擺測試是一種經典且重要的動態力學分析（DMA）方法，主要用于測量材料在周期性扭轉應力作用下的力學響應。它尤其擅長評估高分子聚合物、復合材料以及粘彈性材料在特定頻率下的動態模量（主要是剪切模量）和阻尼特性（以損耗因子表示）。這種測試方法對于理解材料在動態工況下的行為至關重要。

核心技術原理

1. 基本原理：

   • 測試的核心在于使試樣（通常是條形或其他適合扭轉的形狀）圍繞其長軸發生小振幅的周期性振蕩（扭轉）。
   • 施加一個已知幅度和頻率的扭轉應變（或應力），精確測量試樣所產生的響應應力（或應變），以及應力與應變信號之間的相位差角（δ）。
   • 這個相位差直接反映了材料內部將機械能轉化為熱能（即阻尼）的能力。

2. 關鍵參數測量：

   • 動態剪切模量 (G):* 這是材料抵抗周期性剪切變形能力的度量。它包含兩個分量：
     • 儲能模量 (G’): 代表材料在形變過程中儲存的可恢復彈性能量，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能模量的比值（G’’ / G’）。這是衡量材料阻尼效率的關鍵指標。Tan δ 值越高，材料吸收振動能量的能力越強。
   • 轉動慣量與頻率： 扭擺系統通常具有特定的轉動慣量（I）。對于自由衰減型扭擺，系統的固有頻率（f）與試樣材料的動態剪切模量（G’）直接相關：f ∝ √(G’ / I)。通過測量振蕩頻率，可以計算出 G’。

典型測試系統組成

1. 驅動系統： 提供精確可控的扭轉振蕩。通常由精密電機（如步進電機或音圈電機）通過傳動機構實現。
2. 夾具與試樣： 用于牢固夾持試樣的兩端，確保扭轉力矩有效傳遞。夾具設計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條、圓形棒或圓筒。
3. 位移/角度傳感器： 高精度測量試樣扭轉的角度或位移（應變）。
4. 扭矩傳感器： 測量施加在試樣上的扭矩（應力）。
5. 溫度控制單元： 精確控制試樣所處的環境溫度（如溫控腔或爐體），用于研究材料性能隨溫度的變化（如玻璃化轉變溫度 Tg 的測定）。
6. 數據采集與控制系統： 負責控制測試參數（頻率、振幅、溫度），采集傳感器信號（扭矩、角度、溫度），進行實時計算（模量、損耗因子等）和數據存儲。復雜的軟件用于設定測試規程、數據分析及結果可視化。

主要測試模式與操作

1. 自由衰減振蕩：
   • 給試樣施加一個初始扭轉角，然后釋放。
   • 系統在試樣材料的彈性恢復力和內部阻尼作用下自由振蕩，振幅隨時間逐漸衰減。
   • 通過記錄振蕩的衰減曲線（振幅 vs. 時間），可以計算出對數減量（Δ），進而求得損耗因子 Tan δ ≈ Δ / π。同時，測量振蕩頻率即可計算出儲能模量 G’。早期扭擺多采用此模式，操作相對簡單。
2. 強迫共振：
   • 在固定頻率下，對試樣施加小幅振蕩扭矩（或位移）。
   • 改變驅動頻率，掃描尋找系統的共振頻率點。
   • 在共振點及其附近，測量振幅和相位響應。通過共振時的振幅峰值（或半功率帶寬法）和相位角變化來計算 G’ 和 Tan δ。此模式精度較高，但頻率點為離散值。
3. 強迫非共振（最常用）：
   • 在選定的固定頻率（或掃頻范圍）下，對試樣施加精確控制的扭轉應變（或應力）波形（通常是正弦波）。
   • 直接實時測量產生的應力（或應變）響應信號及其與輸入信號的相位差。
   • 根據應力和應變的幅值以及相位差角 δ，直接計算 G*, G’, G’’ 和 Tan δ。此模式頻率選擇靈活，是當前商業動態力學分析儀的主流方法。

核心應用領域

1. 玻璃化轉變溫度 (Tg) 測定： 扭擺測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 點附近，儲能模量 G’ 會急劇下降（幾個數量級），而損耗模量 G’’ 和損耗因子 Tan δ 會出現一個明顯的峰值。
2. 次級松弛行為研究： 在低于 Tg 的區域，可以探測到由較小運動單元（如側基、局部鏈段）運動引起的次級轉變峰（β, γ 等），揭示材料的低溫韌性或脆性機制。
3. 阻尼性能評估： 直接測量 Tan δ 值，定量評估材料的吸能或減振能力。這對于選擇減振降噪材料（如汽車NVH控制、機械減振墊）至關重要。
4. 固化過程監控（熱固性材料）： 通過測量儲能模量 G’ 和損耗因子 Tan δ 隨時間或溫度的變化，可以精確追蹤樹脂體系的凝膠點、固化程度和最終固化狀態。
5. 頻率依賴性研究： 在恒定溫度下改變頻率，可研究材料力學性能的頻率響應特性（時溫等效原理的基礎）。
6. 材料性能比較與質量控制： 快速比較不同配方、批次材料的動態力學性能差異，用于研發和質量控制。
7. 復合材料界面評價： 分析纖維增強復合材料中纖維與基體之間的界面粘接狀態，界面性能不佳常表現為 Tan δ 峰值的升高或峰形的變化。

扭擺測試的核心優勢

• 高靈敏度： 對高分子材料的玻璃化轉變及其他松弛過程非常敏感，分辨率高。
• 直接測量剪切性能： 特別適合評估材料的剪切模量和阻尼行為。
• 寬溫域覆蓋： 結合溫控系統，可在極低溫到高溫范圍內進行研究。
• 頻率范圍適中： 特別是在低頻區域（0.01 - 100 Hz），能有效表征材料的長時松弛行為。
• 試樣制備相對簡單： 所需試樣尺寸通常較小。

存在的局限性與挑戰

• 試樣尺寸與形狀要求較高： 試樣必須足夠長且形狀規則，以實現相對均勻的剪切應力/應變場。
• 夾具效應： 夾具的剛度和夾持力可能影響測量結果，特別是對于薄或軟的材料。
• 有限頻率范圍： 雖然低頻性能優異，但高頻測試能力通常不如超聲波或基于壓電技術的DMA方法。
• 數據分析復雜性： 精確求解動態模量需要考慮試樣的幾何形狀和邊界條件，有時需進行理論修正。
• 高阻尼材料的精度： 對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，強迫非共振法更為可靠。

總結
扭擺測試憑借其對材料剪切動態力學性能，尤其是阻尼行為和轉變溫度的卓越表征能力，已成為高分子科學、復合材料工程等領域不可或缺的分析工具。不論是探究材料的基本分子運動機理、優化配方設計，還是評估產品的服役性能和進行嚴格的質量控制，扭擺測試都能提供關鍵性的數據支持。隨著自動化、溫控精度和數據分析能力的不斷提升，它將繼續在材料研發與應用中發揮核心作用。