高模量碳纤维复合材料的动态力学分析（DMA）
传统上，金属钢一直是汽车工业中常用的主要材料。然而，近年来为了追求舒适和安全已经增加了诸如铝、镁等轻金属的普及，以抵消由此导致的车辆重量增加。
当前的研究不仅集中在电动汽车上，而且还集中在带有重型电池作为电动机的混合动力汽车以及低油耗的传统发动机上。技术的进步使得有必要寻找一种越来越轻的材料，同时又不牺牲宽裕温度范围内所需的刚度。
高模量碳纤维复合材料已证明其在航空航天和飞机工业中的性能。但是，生产汽车零件的周期时间会更快，并且热固性树脂必须在几分钟之内固化，而不是几小时。图1显示了碳纤维增强塑料在汽车工业中的使用。
图1.碳纤维增强塑料在汽车工业中的使用
一、动态力学分析（DMA）-方法和仪器
DMA方法专注于分析聚合物的粘弹性。阻尼行为和刚度是在振荡力下作为时间、频率和温度的函数确定的。动态机械分析仪DMA E Artemis为从-170℃至600℃横跨温度范围内的所有复合材料提供了一个高度精确的杨氏模量。
图2中的测量结果显示了碳纤维增强环氧树脂的储能模量E'（绿色曲线）、损耗模量E''（红色曲线）和损耗因子tan5（蓝色曲线）随温度的变化规律。层状样品的测量在“弯曲模式”下以10Hz的频率和3K/min的加热速率进行。
在达到120°C之前，该材料在140000MPa时甚至比钛还硬。在158°C（E'的外推起始温度）下，复合材料的模量由于环氧基体的玻璃化转变而下降，E”和tan5的相应峰分别在180℃和188℃。
图2.高模量碳纤维增强环氧树脂的DMA测量结果
二、DMA 242 E Artemis –复合材料高级功能
该DMA 242 E Artemis设备如图3所示，可为复合材料的质量控制和失效分析提供了大量的研究和开发技术。经过改进的带有自由推杆的单悬臂弯曲样品架（如图4所示）保证了在低阻尼值（E''，tan5）下定量地具有较高的储能模量值（E'）。
此处的样品一端固定牢固，另一端的自由推杆以叠加的静力摆动。对于数据采集，傅里叶变换可以引起高度敏感和精确的变形幅度以及精确的相移。
图3.通用的DMA 242 E
图4.用于弯曲复合材料的样品架
与常规的模拟技术相比，通过这种数字滤波可将信噪比提高到一个数量级，而没有任何相位滞后。针对样品架类型、动态力、变形幅度、频率和温度的5维系统刚度校准程序考虑了DMA设置中的所有影响因素，甚至通过“旋转调整”也考虑了DMA电子设备的相移。对于复合材料、金属和陶瓷等极硬的材料，可提供较低的tan5值。
（转载自公众号：碳纤维及其复合材料技术参考来源：Azom）