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Comportamento dei Materiali: Analisi Dinamico-Meccanica e Viscoelasticità

L'analisi dinamico-meccanica (DMA) è una tecnica potente per caratterizzare le proprietà viscoelastiche dei materiali. Lo fa esaminando come i materiali rispondono a sollecitazioni o deformazioni oscillatorie applicate, attraverso una gamma di frequenze e temperature.

Il termine stesso viscoelastico evidenzia una dualità fondamentale: descrive materiali che mostrano simultaneamente caratteristiche sia viscose (simili a un liquido) che elastiche (simili a un solido).

L'Ideale contro il Reale: Solidi, Liquidi e Materiali Viscoelastici

Per comprendere la viscoelasticità, è utile considerare il comportamento di solidi e liquidi ideali:

• I solidi ideali seguono la Legge di Hooke, dove la deformazione è direttamente proporzionale alla sollecitazione applicata, con il modulo di Young come costante di proporzionalità. Fondamentalmente, i solidi ideali recuperano completamente la loro forma originale una volta rimossa la sollecitazione, a condizione che il loro limite elastico non venga superato. Oltre questo limite, si verifica una deformazione permanente.
• I liquidi ideali, d'altra parte, aderiscono alla legge di viscosità di Newton, dove la sollecitazione applicata è proporzionale alla velocità di deformazione (gradiente di velocità). Qui, la viscosità è la costante di proporzionalità. Ciò significa che la risposta di un liquido ideale alla sollecitazione dipende dal tempo, governata dalla velocità con cui si deforma, non dall'entità della deformazione stessa.

In sostanza, i solidi immagazzinano energia applicata, utilizzandola per recuperare dalla deformazione. I liquidi, al contrario, dissipano l'energia applicata come calore, impedendo il recupero strutturale.

Tuttavia, molti materiali, in particolare i sistemi polimerici, non rientrano perfettamente in nessuna delle due categorie. Essi mostrano un'affascinante combinazione di proprietà elastiche e viscose, il che significa che la sollecitazione applicata è proporzionale sia alla deformazione risultante che alla velocità di deformazione. Questi sono i materiali viscoelastici.

Come Funziona l'Analisi Dinamico-Meccanica

La DMA funziona applicando una sollecitazione (o deformazione) oscillante a un campione e misurando con precisione la deformazione (o sollecitazione) risultante. Eseguendo questa misurazione in funzione sia della frequenza di oscillazione che della temperatura, i ricercatori possono ottenere una comprensione completa delle relazioni tra i parametri chiave della viscoelasticità. Questi parametri includono:

• Modulo di accumulo
• Modulo di perdita
• Fattore di smorzamento meccanico (tan δ)
• Viscosità dinamica

Analizzando questi parametri e la loro dipendenza dalla temperatura, la DMA fornisce intuizioni inestimabili sulla struttura interna e sul comportamento del materiale.

Queste proprietà viscoelastiche vengono quasi sempre valutate su un intervallo di temperature. Questa analisi termica completa fornisce spunti cruciali sulle relazioni struttura-proprietà, rivelando come i materiali si comportano e rendono a varie temperature operative.

Oltre le semplici scansioni di temperatura, metodi più avanzati approfondiscono il comportamento dei materiali. Questi includono:

• Sovrapposizione Tempo-Temperatura (TTS): Questa tecnica consente di prevedere il comportamento a lungo termine del materiale da esperimenti a breve termine, sovrapponendo i dati raccolti a diverse temperature.
• Studi di Polimerizzazione (Curing Studies): analizzano i cambiamenti nelle proprietà viscoelastiche mentre un materiale subisce la polimerizzazione o la reticolazione, fornendo informazioni sulla cinetica di reazione e sulla performance finale del materiale.
• Creep-Recovery: Questo metodo valuta la deformazione di un materiale sotto un carico costante nel tempo (creep) e il suo successivo recupero dopo la rimozione del carico.
• Analisi di Rilassamento delle Sollecitazioni (Stress-Relaxation Analysis): Qui, un materiale è sottoposto a una deformazione costante e viene misurata la diminuzione della sollecitazione nel tempo, indicando la sua capacità di dissipare la sollecitazione.

DMA 850 TA Instruments

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• Single and dual cantilever
• Tension
• Compression