美国TA 固体分析仪 RSA-G2

产品介绍

RSA-G2是高级的固体力学性能分析测试平台。电机-传感器分离式技术使得RSA-G2还能执行蠕变与回复、应力松弛、连续应力、连续应变速率、恒应变、恒应力、疲劳、多波、任意波形和介电等测试。RSA-G2因独特而广泛适用于研发和质量控制。RSA-G2的高性能源自于第四代双头力学分析技术，新设计的强制对流炉能精确、准确控制环境温度，丰富多样的测量夹具可使用 广样品形状和刚度范围应用，除此之外还可执行浸泡测试。RSA-G2整合节点分析技术，可单独或同步执行介电测试。

技术指标

*注：标准夹具 高使用温度500℃；若要在500℃到600℃范围内测试则需要特殊夹具

特征

RSA-G2能对应力和应变进行独立量测

如果需要 精确的力学测量，那么无疑双头量测要远远优于单头技术。固体聚合物或其他材料的力学行为通常用模量或柔量来描述。模量是应力对应变的比值，而柔量是应变对应力比值。为了得到 纯粹和准确的黏弹测量，应力和应变参数 好能独立分开量测。RSA-G2采用该技术，能在很宽范围内确保应力、应变和频率不耦合仪器误差。

RSA-G2 设计优势

样品变形由位于下部的配备新型电子数控的直驱电机施加，变形产生的力响应由位于RSA-G2测试机台上部的力平衡传感器（FRT）量测。RSA-G2的FRT配备高灵敏度位置传感器和可温度补偿的稀土磁性线性电机，能确保力的准确量测。FRT的工作原理是根据伺服电机维持机头零位置所需电流大量测量力大小。驱动电机和传感器均采用精确的空气轴承能确保线性运动的刚性、无摩擦支撑和力量测的高灵敏性。力完全独立量测能有效排除电机系统轴承摩擦且不需要进行惯性校正，可得到 纯粹的力响应量测。

RSA-G2的传感器通过线性滑轨和步进电机固定在仪器框架结构上，能实现独立的垂直运动。传感器头垂直定位通过精密丝杆实现，该丝杆通过阳性的预载荷双向轴承连接在微步电机上，可以有效防止回冲。线性光学编码器直接安装在固定框架和移动支架之间，不依赖于滑轨螺杆的位移，确保精准定位，精度可以达到0.1微米。

这种独立传感器定位的优势在于：

夹具方便安装，样品易于装载

测试过程中样品膨胀.收缩可进行有效补偿

可执行轴向应变速率测试，甚至可拉伸至材料断裂

温控系统

RSA-G2温控系统采用新型强制对流温控炉（FCO），FCO炉是空气/氮气强制对流炉，可为测试提供理想、稳定的温控环境，可以极快的加热和冷却速率在-150 ℃ 至 600 ℃范围实现温度控制。升温速率 高可线性实现60 ℃/min。如选用液氮冷却系统，温度控制可降至-80 ℃。FCO炉配备双加热枪，将空气加热后对流方式吹入桶形炉腔，从而确保炉内有优异异的温度稳定性。FCO炉还配有可靠、耐用的LED灯和玻璃观察窗，可以在实验过程中实时观察样品的状况。

高速电控和数据采集

RSA-G2配备能够处理数字信号的新型高速电路支撑传感器量测和电机控制，并与测试主机采用与众不同的分体式设计，主电源和所有电子冷却风扇都整合在电控箱内，从而可有效避免测试台受到热和振动的影响，以确保高精确的数据质量。RSA-G2电控系统完全整合告诉数据采集功能，对于瞬态测试采点频率可高达8000 Hz，而对于动态测试则可高达15000 Hz，能够充分保证力和相位角精确测量和分辨，从而确保高倍谐振信号分辨和后期傅里叶变换的精准性。高奇倍率信号是非线性响应结果。在动态测试过程中，瞬态应力-应变波形可实现显示并保存，这对于评估数据的准确和正确十分重要。

触摸屏和触按板

RSA-G2测试机台前端安装有彩色触摸屏界面，用户只需通过轻轻触摸即可直接在测试机台上设置温度、归零间歇和加载样品等。屏幕上还可实时显示仪器状态和测试实时信息，如温度、间隙、力和电机位置等。通过位于测试机台下部的按键面板可以方便地改变机头位置。

FCO摄像头

FCO炉还可选配全新的遥控照明聚焦摄像系统，该系统可通过TRIOS软件控制和调节。能够在测试过程中实时显示并存储数据点对应图像。

性能

动态力学分析，DMA

DMA是测量材料黏弹性能 为常用的测试技术。这里黏弹性能主要通过施加正弦应变（或应力）并量测响应的正弦应力（或应变）以及二者之间的相位差。对于理想黏性材料，相位差则为90°。黏弹材料依赖于施加的形变速率会表现出介于两者理想值之间的相位差。下图展示了这些正弦响应及对应获得的黏弹参数。黏弹参数在变形幅度、频率、时间和温度等变化的条件下进行量测。

应变扫描

该测试模式中，频率和温度是固定不变，应变变化。应变扫描常用于获取材料的线性黏弹区（LVR）。由于在线性黏弹区内进行测量时材料分子的排列不会远离其平衡态，能真实反映其内部动力学过程，因此，可有效探测结构与性能之间的关系。图3是填充弹性体使用双鼻梁夹具在10Hz下应变扫描结果。可以看出，模量在应变约0.1%之上开始出现下降，意味着线性黏弹区结束。超出线性黏弹区进行测量，则应力对正弦应变的响应不再为正弦。RSA-G2能收集非线性响应的高倍频信号。下图展示了在每一应变下，3倍频对基频的强度比。应变扫描还被用于了解橡胶的马林斯效应或比较材料的回弹性。

图3 弹性体的应变扫描

温度扫描

变温测试

该测试是DMA实现中 常用的模式。在一定的温度范围内量测黏弹性是探测α转变（玻璃化转变）、玻璃化转变温度以及次级β或γ转变 灵敏的技术手段。在变温测试中，温度通常线性控制，典型的升温速率为1-5℃/min。应变控制在线性黏弹区内，频率可施加1个或多个进行量测。

图4 聚碳酸酯的变温测试

图4展示的是聚碳酸酯使用单臂梁进行的变温测试结果。可以看出，从玻璃态的熔融态的各个转变完全被捕捉到，足以说明RSA-G2的技术实力。转变温度可由多种方式标定，如储能模量的转变点以及损耗模量或损耗因子的峰等，得到温度值依赖于所采用的方式。

图5 PPS在多个频率下的变温测试

由于玻璃化转变是动力学转变，因此，测量结果很大程度上依赖于变形频率。当振荡频率升高时，分子松弛只能在高温下发生，因此，玻璃化转变将移向高温。图5展示的是频率对聚酯硫醚玻璃化转变的影响。可以看出，在转变区，无论是损耗因子的形状和强度还是储能模量的斜率均受频率影响。

时间扫描

频率扫描

在该测试模式中，温度和应变固定不变，频率进行变化。图6展示的是线性均聚物的动态模量对频率的黏弹指纹图谱。既然频率是时间的倒数，那么曲线也可以看做力学响应的时间依赖性，短时间尺度对应于固体行为而长时间尺度对应于流体行为。动态模量的大小和形状依赖于分子结果。频率扫描常用的测试范围通常限定于0.1 – 100Hz范围内。图7展示的是压敏胶在70℃使用剪切三明治夹具进行的频率扫描。在当前的温度和频率范围内，样品处于其末端区。

图6 均聚物的黏弹指纹

图7 压敏胶的频率扫描

阶跃测试：蠕变和应力松弛

温度扫描

在该测试模式中，温度阶梯式施加。在每个温度阶梯，样品被置于恒温环境中并设定合适的平衡时间以确保材料温度均匀一致，然后，在线性黏弹区内施加一个或多个频率进行测试。

图8展示的是压敏胶在40-80℃温度范围内每10℃温度台阶频率0.1-100Hz范围内进行扫描。在各个温度上，储能模量对频率作图。该测试模式主要用于时温叠加研究。

图8 压敏胶的温度/频率扫描

时温叠加（TTS）通过一系列不同温度下的频率扫描扩展测试的频率范围。图9展示的是ABS在参考温度25℃叠加得到的主曲线。可以看出，频率范围由 初的两个数量级扩展到14个数量级。

图9 ABS在参考温度为25℃下的时温叠加

恒应变、恒应力测试

时间扫描

在测试模式中，温度、应变和频率均固定不变，测量黏弹性能对时间的变化。时间扫描能获得如化学反应、疲劳等结构随时间变化过程的重要信息。

图10展示的是涂饰在玻璃布上的两组分环氧树脂使用双臂梁进行的时间扫描。起始时，模量较低；当环氧固化变硬时，模量开始增长。

图10 两组分环氧树脂的时间扫描

轴向测试

阶跃测试：蠕变和应力松弛

阶跃测试包括应力松弛和蠕变回复测试，因变形或应力阶跃施加而得名。二者测试材料粘弹性都非常灵敏。在蠕变与回复测试中，先施加一恒定的应力一段时间然后再撤去，量测整个过程中的响应应变。蠕变柔量由应力与随时间变化的应变计算得到。在应力松弛测试中，对材料施加一恒定应变，并量测随时间衰减的应力响应，从而得到松弛模量。

图11展示的是软泡沫在压缩变形下的蠕变与回复结果。2000 Pa的应力施加60 s，回复应变记录60 s。

图11 软泡沫的蠕变与回复

图12展示的是PDMS在25℃下施加5%应变的应力松弛结果。松弛模量由随时间衰减的应力除以施加的应变得到。

图12 PDMS应力松弛

介电变温测试

恒应变、恒应力测试

图13 PET薄膜恒应力和恒应变测试

在该测试模式中，应变或应力固定不变，温度按线性施加。这些测试模式对于评估固定载荷或固定变形条件下的力学行为非常有用。

图13展示的是PET薄膜使用拉伸夹具在先恒定应力、线性升温然后恒应变、线性降温测试结果。可以看出，当样品呗加热软化时，恒应力条件下应变逐渐变大。当温度达到85℃时，应变固定不变，然后降温，当样品变冷变硬时，应力逐渐变大。这些模式是表征形状记忆材料的理想方法。

介电频率扫描

轴向测试：应变速率控制 & 轴向测试：力/应力控制

RSA-G2配备用于独立垂直定位的滑动、步进电机，使得其能够执行额外的轴向测试。可对样品施加恒应变速率、Hencky应变速率、力或应力，从而构建传统的应力-应变曲线。

图14 PE储存包的恒定线性速率测试

图14展示的是PE薄膜使用拉伸夹具在25℃下恒速率为5微米每秒的测试结果。从该景点的应力-应变曲线上可以看到屈服点、拉伸强度和断裂点。

介电变温测试

图16展示的是PMMA在1kHz到1MHz四个介电频率下的变温测试。可以看出，在转变区介电常数随频率升高而降低，相应损耗因子随频率升高而向高温移动.

介电频率扫描

图15展示的是橡胶样品在常温下的介电频率扫描结果，测量可得到介电储存、介电损耗和损耗正切，频率范围可宽达20 Hz到2 MHz.

附件

ACS3三级机械致冷系统

新型三级机械致冷系统是TA独有的气冷系统，配备三级级联压缩机， 低可提供低至 -100°C的低温控制。该系统可配备不同的接口面板从而兼容Q800、配备温控炉的DHR以及配备强制对流炉的ARES流变和RSA-G2固体分析仪。该附件无需液氮或其他致冷液，可避免窒息或毒害等潜在风险。由于没有液氮消耗开支，一般两到三年即可收回投资回报.

ACS2二级机械致冷系统

新型二级机械致冷系统是TA独有配备二级级联压缩机的气冷系统， 低温控-55 °C，配备不同的接口面板从而兼容Q800、配备温控炉的DHR以及配备强制对流炉的ARES流变和RSA-G2固体分析仪。该附件无需液氮或其他致冷液，可避免窒息或毒害等潜在风险。由于没有液氮消耗开支，一般两到三年即可收回投资回报。

介电分析

DETA是与动态力学分析相似的材料表征技术。与后者不同的是，前者施加的刺激是正弦电场（交变电场），量测的储存的电量对时间的变化（即交流电流）。DETA测量电容或电导，其是随机分布的偶极子取向或运动的反映。该技术对于极性聚合物如PVC、PVDF、PMMA和PVA等是特别有用的表征技术，还能方便表征固化材料如环氧、脲烷等的动力学过程。DETA 高可用频率30MHz，其可用频率范围远超传统动态力学分析。

DETA配合RSA-G2固体分析仪可同时收集流变和介电信息。由介电电桥输出的电压或频率通过一对平行板夹具施加到样品上。RSA-G2可提高DETA测试的样品环境条件。在DETA测试过程中，RSA-G2可对平行板加载力载荷以保证平行板充分接触样品，同事通过FCO控温样品所处环境温度。此外，RSA-G2还可对夹具因热膨胀造成的夹具间隙进行补偿，因此，可得到更准确的测量。

浸泡测试

RSA-G2浸泡夹具设计用于测试浸泡于液体中固体材料的力学性能。浸泡温度由深入浸泡液中的铂金热敏电阻配合FCO测控，可用范围为-10-200℃。该浸泡系统内置拉伸、压缩和三点弯夹具。围绕样品的浸泡杯很容易安装和卸载。