Spectroscopie viscoélastique à large bande - Broadband viscoelastic spectroscopy
La spectroscopie viscoélastique à large bande (BVS) est une technique permettant d'étudier les solides viscoélastiques en flexion et en torsion. Il permet de mesurer le comportement viscoélastique sur onze décennies (ordres de grandeur) de temps et de fréquence : de 10 −6 à 10 5 Hz. BVS est généralement utilisé pour étudier les propriétés viscoélastiques de manière isotherme sur une large gamme de fréquences ou en fonction de la température à une fréquence unique. Il est capable de mesurer les propriétés mécaniques directement sur ces plages de fréquence et de température; en tant que tel, il ne nécessite pas de superposition temps-température ou l'hypothèse que les propriétés du matériau obéissent à une dépendance de température de type Arrhenius . En conséquence, il peut être utilisé pour des échantillons hétérogènes et anisotropes pour lesquels ces hypothèses ne s'appliquent pas. BVS est souvent utilisé pour la détermination des coefficients d'atténuation , des modules dynamiques et en particulier des rapports d'amortissement .
BVS a été développé principalement pour surmonter les lacunes dans les gammes fonctionnelles d'autres techniques de caractérisation viscoélastique. Par exemple, la spectroscopie par ultrasons résonnants (RUS), une autre technique populaire pour étudier les solides viscoélastiques, éprouve des difficultés à déterminer les paramètres d'un matériau en dessous de sa fréquence de résonance . De plus, BVS est moins sensible à la préparation des échantillons que RUS.
L'histoire
BVS a été développé pour la première fois par CP Chen et RS Lakes en 1989 afin de remédier aux lacunes des techniques de laboratoire existantes pour l'étude des matériaux viscoélastiques. Il a ensuite été affiné par M. Brodt et al. pour améliorer la rigidité et la résolution de l'appareil, sources d'erreur dans la conception d'origine. D'abord utilisé pour étudier le poly (méthacrylate de méthyle) (PMMA), il a depuis vu des applications pour déterminer les propriétés de l' os , des diélectriques de condensateurs , des métaux à amortissement élevé et d'autres matériaux viscoélastiques.
Conception
L'appareil BVS consiste en un spécimen entouré de bobines de Helmholtz et isolé des vibrations externes par un cadre en mousse isolante et soit en plomb, soit en laiton. L'échantillon est fixé à la fois avec un aimant permanent et un miroir. L'orientation des bobines par rapport à l'aimant lorsqu'un courant les traverse détermine si l'échantillon subit une flexion ou une torsion. Le déplacement angulaire de l'échantillon est mesuré par un interféromètre qui détecte le mouvement spatial d'un laser réfléchi. Cette forme d'onde spatiale est convertie en une forme électrique par un détecteur de lumière et lue sur un oscilloscope . Cet oscilloscope affiche également la forme d'onde de couple ou de force du condensateur commandant le courant dans les bobines de Helmholtz. Le retard de phase est déterminé en comparant ces formes d'onde.
La résonance est minimisée grâce à l'utilisation d'échantillons courts - qui ont des fréquences de résonance plus élevées - et en réduisant l'inertie ( moments magnétiques et massiques ) de l'aimant. Les aimants cubiques en samarium-cobalt sont idéaux pour les études à haute fréquence. En raison de la géométrie de l'échantillon étant une courte barre rectangulaire ou un cylindre, l'équation régissant la résonance de la géométrie de l'échantillon BVS a une solution analytique exacte, ce qui permet à la technique de donner des résultats même pour des matériaux à pertes élevées. Cette solution exacte fournit une relation entre les modules dynamiques, le déplacement angulaire et les paramètres géométriques. L'absence inhérente de dérive et de frottement dans l'appareil est responsable de sa large gamme de fréquences de fonctionnement.