動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析又稱(chēng)動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析（Dynamic Mechanical Thermal Analysis，DMTA），是一種在程序控制溫度和一定的振蕩性荷載下測(cè)量試樣的形變與溫度或時(shí)間關(guān)系的技術(shù)。按振動(dòng)模式，其可分為自由衰減振動(dòng)法、強(qiáng)迫共振法、非強(qiáng)迫共振法、聲波傳播法；按形變模式，可分為拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、剪切、彎曲。

當(dāng)對(duì)材料施加正弦交變應(yīng)力時(shí)，理想彈性材料的應(yīng)變會(huì)同步響應(yīng)，即應(yīng)變與應(yīng)力無(wú)相位差（相位差δ=0）——應(yīng)力最大時(shí)應(yīng)變也最大，應(yīng)力為零時(shí)應(yīng)變也為零。而實(shí)際材料（非理想彈性，兼具彈性與黏性）的應(yīng)變會(huì)滯后于應(yīng)力，出現(xiàn)相位差（δ＞0），這種滯后現(xiàn)象被稱(chēng)為力學(xué)損耗。DMA的核心就是通過(guò)精密控制動(dòng)態(tài)荷載，實(shí)時(shí)測(cè)量應(yīng)變的振幅與相位差，再結(jié)合應(yīng)力振幅，計(jì)算出材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)。

通過(guò)DMA測(cè)試，可得到兩個(gè)關(guān)鍵的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)，分別對(duì)應(yīng)材料的彈性與損耗特性：

• 儲(chǔ)能模量（E'）：指材料在形變過(guò)程中由于彈性變形而儲(chǔ)存的能量，是材料變形后回復(fù)的指標(biāo)，表示材料存儲(chǔ)變形能量的能力——E'越大，材料越硬、彈性越好，在動(dòng)態(tài)荷載下能儲(chǔ)存更多能量并釋放；

• 損耗模量（E''）：又稱(chēng)黏性模量，指材料在發(fā)生形變時(shí)，由于黏性形變（不可逆）而損耗的能量大小，反映材料的黏性大小——E''越大，材料消耗能量越多；

• 損耗因子（tanδ）：是在每個(gè)周期內(nèi)損耗模量與儲(chǔ)能模量的比值，又稱(chēng)阻尼因子、損耗角正切或內(nèi)耗因子。

損耗因子可以用來(lái)反映材料黏性彈性的比例：

（1）當(dāng)E'遠(yuǎn)大于E''時(shí)，材料主要發(fā)生彈性形變，因此材料呈固態(tài)；

（2）當(dāng)E''遠(yuǎn)大于E'時(shí)，材料主要發(fā)生黏性形變，因此材料呈液態(tài)；

（3）當(dāng)E'和E''相當(dāng)時(shí)，材料呈半固態(tài)，例如凝膠狀態(tài)。

與TMA相似，動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀器的結(jié)構(gòu)形式主要有上加載樣品式和下加載樣品式兩種。DMA儀器主要有儀器主機(jī)（主要包括程序溫度控制系統(tǒng)、爐體、支持器組件、荷載控制系統(tǒng)、氣氛控制系統(tǒng)、樣品溫度測(cè)量系統(tǒng)、形變測(cè)量系統(tǒng)等部分）、儀器輔助設(shè)備、儀器控制和數(shù)據(jù)采集及處理各部分組成。

圖1  上加載樣品式的DMA儀的結(jié)構(gòu)框圖

為了實(shí)現(xiàn)較大的載荷變化范圍，DMA儀的夾具的材質(zhì)通常為合金，因此該類(lèi)儀器的最高工作溫度一般不超過(guò)600℃。在大多數(shù)DMA測(cè)試中，通常采用1Hz的固定頻率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域

汽車(chē)減震系統(tǒng)（如懸掛減震器、發(fā)動(dòng)機(jī)減震墊）的核心是橡膠材料，其動(dòng)態(tài)阻尼特性（tanδ）直接影響減震效果：tanδ過(guò)大，橡膠過(guò)硬，減震效果差；tanδ過(guò)小，橡膠過(guò)軟，易發(fā)生變形。利用DMA的壓縮模式能夠測(cè)試不同橡膠樣品，篩選動(dòng)態(tài)阻尼特性優(yōu)異的減震橡膠。

2.電子電器領(lǐng)域

電子元件（如芯片、電容）的引線（通常為銅線或合金線）在溫度循環(huán)中會(huì)反復(fù)熱脹冷縮，承受動(dòng)態(tài)拉伸/壓縮應(yīng)力，易發(fā)生疲勞斷裂。DMA的拉伸模式能夠測(cè)試引線材料在不同溫度下的拉伸儲(chǔ)能模量和損耗因子，從而通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)引線在溫度循環(huán)中的動(dòng)態(tài)應(yīng)力分布，優(yōu)化引線的材料選型。

3.建筑與建材領(lǐng)域

隔音材料（如室內(nèi)隔音棉）的隔音效果與動(dòng)態(tài)力學(xué)性能相關(guān)：損耗模量越大，材料吸收聲波能量的能力越強(qiáng)，隔音效果越好。用DMA的壓縮模式可以測(cè)試隔音材料在聲波頻率和使用溫度下的E''，根據(jù)隔音需求選擇合適的材料。

4.科研領(lǐng)域

高分子共混材料（如PP/PE共混塑料）的相分離程度會(huì)影響動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，若相分離嚴(yán)重，會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)tanδ峰（分別對(duì)應(yīng)兩種組分的T_g）；若相容性好，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)寬tanδ峰（T_g介于兩者之間）。用DMA能夠測(cè)試共混材料的tanδ-溫度曲線，通過(guò)峰的數(shù)量和位置，判斷材料的相容性，為優(yōu)化共混工藝提供依據(jù)。

_{下圖為聚碳酸酯和橡膠（聚丁二烯）增韌的丙烯腈-苯乙烯共聚物的相對(duì)復(fù)雜的復(fù)雜共混物的DMA數(shù)據(jù)，可以看出對(duì)應(yīng)于各相的Tg峰。最高的峰值溫度所對(duì)應(yīng)的峰是聚碳酸酯的Tg過(guò)程，120℃的峰是丙烯腈-苯乙烯共聚物的Tg過(guò)程，而低溫的峰則對(duì)應(yīng)于聚丁二烯增韌橡膠相的Tg過(guò)程。}

圖2 聚碳酸酯與ABS的不相容共聚物

（注：圖1和圖2引用自《熱分析基礎(chǔ)》/丁延偉編著.—合肥：中國(guó)科技大學(xué)出版社，2020.3）