从瞬态到长效：DMA+TTS如何用“热”解码材料的“时间密码”？

核心概念：什么是蠕变与应力松弛？

在谈论TTS之前，我们必须先分清高分子材料最“纠结”的两种行为：

表1 蠕变与应力松弛定义

时温等效（Time-Temperature superposition, TTS)原理

对于黏弹性材料(如高分子聚合物)，在室温条件下，延长作用时间(或降低频率)与升高温度，对材料力学行为(如模量、蠕变、应力松弛)的影响是等效的^[2]。这就是TTS的原理；TTS利用了一个物理本质：对于聚合物黏弹性行为，升高温度，等同于延长观察时间。

通过DMA测量多个温度下的短期数据，基于WLF方程或Arrhenius模型，以某一参考温度(如25℃室温)为基准，将各温度曲线平移叠加，生成主曲线；当测量的是多个温度下的蠕变或应力松弛数据，此时的TTS就是蠕变TTS或应力松弛TTS。

常规TTS：施加固定应变，测量不同温度下的模量-频率数据，然后通过TTS平移生成主曲线(图2)

图2 常规TTS数据平移示意图

蠕变TTS：施加恒定应力，测量不同温度下的柔量(或应变)-时间数据，通过TTS生成主曲线(图3)

图3 蠕变TTS数据平移示意图

应力松弛TTS：施加恒定应变，测量不同温度下的松弛模量(或应力)-时间数据，过TTS生成主曲线(图4)

图4 应力松弛TTS数据平移示意图

核心应用

1. 产品寿命快速预测(替代长时间实测)

实例：通过应力松弛TTS数据生成松弛模量主曲线(测试基于TA仪器DMA850)，预测某聚合物工件1年、10年后的松弛模量变化趋势(图5)；1年后， 该工件松弛模量下降了约15%，而10年后下降了约20%。

图5 某聚合物应力松弛TTS测试结果

2. 加工工艺窗口优化(注塑、挤出)

实例：通过蠕变TTS数据生成应变和蠕变柔量主曲线(测试基于TA仪器DMA850)，预测材料在脱模后尺寸稳定性，避免因后收缩导致的装配失效；1年后，该材料应变增长至约4%，而在10年后应变增长至约4.1%。

图6 某材料蠕变TTS测试结果

3. 材料数据库构建

不同牌号材料的TTS图谱是核心Know-How，可用于CAE仿真输入，提升有限元分析准确率。

实例：通过TTS测试生成模量主曲线(测试基于TA仪器DMA850)，转换为离散松弛谱(Discrete Relaxation Spectrum), 获得Prony级数(图7),作为输入参数用于 Abaqus、ANSYS 等仿真软件中，以准确模拟材料的黏弹性行为(黏弹本构)。

图7 某材料通过TTS主曲线获取Prony级数

潜在的应用场景及行业

表2 蠕变与应力松弛TTS潜在的应用

写在后面

何消十年焚膏继晷，只需一日测温平移。

DMA+蠕变/应力松弛TTS，以热促时，以瞬知久。

致谢

本文由沃特世材料科学事业部的付齐撰写，郭艳霜、蔡学明提供指导意见。