北京大学
基于机电阻抗法的硬质材料DMA及其自动测量软件接口
学分:北京大学工程学院 近日，北京大学工程学院李法新课题组研制出世界上第一台适用于硬质材料(金属、陶瓷等)的动态力学分析仪(DMA)
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该仪器基于机电阻抗法，能够快速、准确、自动地测量材料在不同温度条件下的杨氏模量、剪切模量和相应的内耗
该仪器的出现为高温合金(陶瓷)、复合材料、功能材料和非晶合金领域的高低温力学分析带来了好消息
这也意味着中国在这一领域取得了国际领先地位
第一个完成这项工作的作者是谢明宇，同课题组2018级博士生
模量和内耗(或阻尼)是所有固体材料的基本物理性质
它们随温度的变化能准确反映材料内部的演化，如原子扩散、晶界滑动、固态相变等
然而，缺乏能够同时准确测量材料模量和内耗的方法和仪器
商用DMA只能测量模量小、阻尼大的高分子软材料，而硬材料的测量结果不准确，特别是内耗的测量偏差很大
目前，硬质材料模量的测量方法主要是美国ASTM标准的自由梁振动法，但这种方法的精度很差
硬材料的内耗主要用著名金属物理学家柯廷燧提出的柯式摆法测量，但这种方法只能测量细丝样品的扭转内耗
其对剪切模量的测量不准确，测量过程繁琐，难以实现自动化测量
教授
李法新团队提出了一种基于机电阻抗法的模量和内耗测量方法，可以准确、快速地测量材料的杨氏模量、剪切模量以及相应的内耗
在此基础上，他们实现了自动化测量，将测量温度提高到1300⁰ C，并研制出这种适用于硬质材料的高温DMA
事实上，这种方法对温度不敏感，只要能达到加热炉的温度，如果测量范围在2000⁰ C以上就没有问题
TC4钛合金从室温到1200 ⁰的模量和内耗谱
杨氏模量和纵向振动内耗(左)；剪切模量和扭转内耗(右)
学分:北京大学工程学院 利用这种新的DMA，课题组首次获得了多晶纯铝在高频振动(数十kHz)下的晶界滑动内耗峰，峰值温度达到近500 ⁰ C，远高于柯廷燧院士1947年发现的低频内耗峰(285 ⁰ C)
用新的DMA测量TC4钛合金从室温到1200⁰ C的模量和内耗的结果表明，在990⁰ C附近，两个模量都达到最小值，内耗都达到峰值，表明材料经历了固态相变(从α+β混合相转变为β相)
还可以观察到，当材料温度上升到700⁰ C以上时，内耗开始急剧上升，这表明TC4的工作温度一定不能超过700⁰ C
这项研究发表在《脚本材料》杂志上
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