利用测井资料预测岩石Ⅱ型断裂韧性的方法研究

根据直缝巴西圆盘(SNBD)试验获取应力强度因子的计算原理,设计组建一套岩石Ⅱ型断裂韧性测试系统,测定20块取自WG油田岩石试样的Ⅱ型断裂韧性。基于试验数据,分析Ⅱ型断裂韧性和围压、抗拉强度的关系,建立利用测井资料预测断裂韧性的模型。利用H341井声波测井、密度测井和伽马测井资料预测水平地应力和抗拉强度,结合建立的断裂韧性模型成功预测Ⅱ型断裂韧性连续值,并在压裂实践中得到验证。该方法解决了现场压裂作业缺少断裂韧性全井筒连续数据的难题。

页岩储层Ⅰ型和Ⅱ型断裂韧性评价方法研究

岩石断裂韧性对于定量评价页岩储层可压裂性具有重要意义。基于此,根据直缝切槽巴西圆盘实验(SNBD),测定了14块龙马溪组储层页岩的Ⅰ型(张开型)、Ⅱ型(划开型)断裂韧性。并利用上述实验结果,结合岩心所处深度处的测井数据,选择密度、声波时差、GR测井数据回归了页岩的断裂韧性。与前人基于抗拉强度建立的断裂韧性预测模型相比,建立断裂韧性与地球物理测井数据的直接联系。由预测模型可以看出,富有机质页岩Ⅰ型和Ⅱ型断裂韧性均与岩石密度、声波时差成正比,与页岩泥质含量成反比。即页岩中有机质(TOC)含量或黏土矿物越多,页岩断裂韧性越小,页岩起裂后越容易向前延伸。结果表明,计算断裂韧性与实测断裂韧性相关性较好。模型的建立可以为工程设计过程中找出"甜点"提供重要理论依据。

层间颗粒增韧复合材料层压板的Ⅱ型层间断裂韧性

采用热塑性颗粒对HT7/5228、HT3/NY9200G、HT3/5224和HT3/3234四种热固性树脂基体复合材料进行层间增韧,测试了未层间增韧对比件和层间增韧改性件的型层间断裂韧性G c。试验结果表明,增韧颗粒和基体树脂形成的Interlayer层有效的吸收了断裂能量并抑止了裂纹的失稳扩展,G c显著提高。层间增韧的几何效应、裂纹传播路径控制、裂尖屏蔽和颗粒桥联是主要的增韧机理。有限元分析结果表明Interlayer层降低了裂纹尖端J积分值和裂尖应力集中,进一步解释和支持了增韧机理。

EMAA/CNT膜对复合材料Ⅱ型层间断裂韧性及自修复率的影响

纤维增强树脂基复合材料的典型结构之一为层合结构,较弱的层间性能引起的分层是层合结构失效破坏的主要因素。本文首先采用聚乙烯甲基丙烯酸(EMAA)和碳纳米管(CNT)制备了无孔实心膜和多孔夹芯膜两种EMAA/CNT复合薄膜。然后,将两种复合薄膜分别引入玻璃纤维/环氧层合板的中间界面,研究其对Ⅱ型层间断裂韧性(GⅡC)的增韧效果和对Ⅱ型裂纹的自修复性能。结果表明:多孔EMAA/CNT夹芯膜具有较佳的增韧和修复性能,相比纯玻璃纤维/环氧的空白试样,多孔EMAA/CNT夹芯膜增强板的GⅡC提高了19.6%,并且通过热激励修复后其GⅡC的修复率为92.5%;而无孔EMAA/CNT实心膜增强板的GⅡC降低了27.5%,其GⅡC的修复率为81.8%。微观表征表明,多孔夹芯膜与环氧在层间形成均匀的结构,从而起到良好的增韧和修复作用。

树脂基体中热塑性树脂含量对碳纤维环氧复合材料Ⅱ型层间断裂韧性的影响

制备了国产CCF800H碳纤维增强环氧树脂基复合材料,通过调控环氧树脂中的热塑性增韧树脂含量,探索热塑性树脂增韧颗粒含量对复合材料Ⅱ型层间断裂韧性的影响,结果表明,在碳纤维对增韧剂颗粒的过滤效应下,热塑性树脂增韧颗粒会在复合材料层间富集,并且随着热塑性树脂增韧剂含量增加,复合材料层间厚度增大。随热塑性树脂增韧剂含量增加,在层间树脂基体韧性及层间高韧树脂厚度增大的共同作用下,复合材料Ⅱ型层间断裂韧性逐步提升。

关于断裂韧性 K_(Ⅱc) 在轴承钢中的试验研究

通过对轴承钢ＧＣｒ１５在不同热处理制度下的滑移型（Ⅱ型）断裂韧性（ＫⅡｃ）试验，结果表明，Ⅱ型断裂参数的变化范围为：ＫⅡｃ＝（１７～３５）ＭＰａ·ｍ１／２，裂纹扩展开裂角θ０＝５５°～６２°，ＫⅡｃ／ＫⅠｃ＝１．１～１．６；下贝氏体（Ｂ下）含量在３１％时的下贝氏体和马氏体（Ｍ）的复合显微组织（Ｂ下／Ｍ）有最佳的强韧性匹配，较高的断裂韧性值．同时，对Ⅱ型断裂特征、不同热处理制度下材料强韧化机制和Ⅱ型断裂韧性试验方法进行了分析讨论．

加载速率对40Cr钢Ⅱ型动态断裂特性的影响

采用新型Ⅱ型动态断裂测试技术,对高强钢40Cr在高加载速率下的Ⅱ型动态断裂特性进行了测试研究。基于新设计的Ⅱ型动态断裂试样和分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)技术,通过实验-数值方法确定了裂尖在加载过程中的应力强度因子曲线。采用应变片法确定了试样的起裂时间,最终得到40Cr的Ⅱ型动态断裂韧性值,并对其加载速率相关性和材料的失效机理进行了研究。结果表明,在1.08~5.53 TPa·m^(1/2)/s的加载速率范围内,40Cr的Ⅱ型动态断裂韧性基本表现为与加载速率成正相关的变化趋势。通过对试样断口形貌的分析,确定了材料的失效模式及机理,发现随着加载速率的增加,存在拉伸型失效向绝热剪切型失效模式转变的现象。

缝合复合材料的制备及层间断裂韧性研究

采用锥管针刺技术将铺层平纹碳布在厚度方向上进行缝合,通过控制针距和行距,得到缝合密度不同的缝合预制体,利用树脂传递模塑成形工艺(RTM)制备出碳纤维/环氧树脂缝合复合材料。通过端部开口弯曲试验(ENF)方法,研究缝合复合材料的Ⅱ型层间断裂韧性及缝合密度对缝合复合材料Ⅱ型层间断裂韧性的影响。结果表明:缝合技术可有效地提高复合材料Ⅱ层间断裂韧性,缝合密度越大,层间增韧效果越显著,缝合密度为2.5mm×2.5mm时,GⅡC增量最大达到212%。同时,对试样的断口形貌进行了讨论,发现缝合线改变了复合材料的破坏模式。

缝合复合材料II型层间断裂特性研究

分别采用测量 ENF试样加载点位移与测量其端部剪切位移 CSD(Crack Shear Displacement)的试验方法 ,研究了缝合复合材料层合板的 II型层间断裂韧性以及缝合密度 ,缝合线的直径等缝合参数对于缝合复合材料层合板 II型层间断裂韧性和分层模式的影响。结果表明 ,缝合降低了层合板初始分层韧性 GIIi,但对于分层的扩展有良好的抑制作用。

氨基化碳管薄膜对碳纤维复合材料层间性能的影响

碳纤维增强树脂基复合材料层合板应用广泛,其薄弱的层间性能极易引起分层损伤。为提高层合板的层间抗剪能力,本文制备了未功能化碳钠米管(CNT)和氨基功能化碳纳米管(NH_(2)-CNT)薄膜,研究了其对层合板Ⅱ型临界应变能释放率(G_(ⅡC))和层间剪切强度(ILSS)的影响。结果表明,与空白层合板相比,当薄膜厚度为31.1μm时,CNT薄膜使G_(ⅡC)和ILSS分别降低了19.2%和6.59%,而NH_(2)-CNT薄膜可以使G_(ⅡC)和ILSS分别提高51.7%和15.4%。NH_(2)-CNT与环氧形成的良好界面,是NH_(2)-CNT薄膜使层合板层间剪切性能提升的主要原因。

玄武岩纤维对不饱和聚酯树脂复合材料的增韧

制备了玄武岩纤维(SBF)层间增韧玄武岩纤维/不饱和聚酯树脂(BF/UP)复合材料层压板,研究了SBF的长度和面密度对复合材料的Ⅱ型层间断裂韧性、拉伸性能和弯曲性能的影响。研究表明,层间加入SBF能提高复合材料的Ⅱ型层间断裂韧性、拉伸性能和弯曲性能。当SBF长度为6 mm、面密度为30 g/m2时,复合材料的Ⅱ型层间断裂韧性、拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度和能量吸收得到了最大提升,分别为103%、27%、50%、101%和58%。

PEEK层间增韧碳纤维环氧树脂基复合材料的性能研究

为了改善碳纤维/环氧树脂(CF/EP)层合板层间断裂韧性较差的问题,采用预浸料层间涂层和模压工艺制备聚醚醚酮(PEEK)层间增韧CF/EP层合板。探究PEEK含量对CF/EP层合板Ⅱ型层间断裂韧性和冲击强度的影响。结果表明:PEEK的加入有效提高CF/EP层合板的Ⅱ型层间断裂韧性和冲击强度。当PEEK含量为2%,层合板的断裂韧性和冲击强度分别达到1 253 J/m^(2)和259 kJ/m^(2),与纯层合板相比分别提高61.5%和32.8%。实验分析PEEK增韧机理,为研究高附加值复合材料产品提供参考。

MWCNTs对碳纤维非褶皱无纺布/环氧层合板力学性能的影响

将羧基化多壁碳纳米管(MWCNTs)添加到TDE85环氧树脂中,然后与碳纤维非褶皱无纺布(C-NCF)复合,制备成[0°/90°/+45°/-45°]S层合板。采用三点弯曲、短梁剪切和单边切口弯曲测试方法以及动态力学性能分析方法,研究了不同含量的MWCNTs对层合板弯曲性能、层间剪切强度(ILSS)、Ⅱ型层间断裂韧性(GⅡC),以及玻璃态转变温度(Tg)的影响。并采用SEM对Ⅱ型试样的断面进行分析。结果表明,MWCNTs的加入显著提高了NCF层合板的力学性能。与空白试样相比,当MWCNTs在树脂中的质量分数为2.0%时,弯曲强度和模量分别提高了约26%和6%;当MWCNTs的质量分数为0.5%时,ILSS、GⅡC、Tg分别提高约14%、27%和14%。

基于碳纳米管薄膜的复合材料层间增韧

通过浮动催化化学气相沉积法制备连续碳纳米管薄膜,并将其原位沉积到单向碳纤维织物表面,手工铺层后借助真空辅助树脂传递模塑成型(VARTM)工艺制备碳纳米管-碳纤维/环氧树脂复合材料层压板,研究不同面密度的碳纳米管薄膜对层压板Ⅱ型层间断裂韧性的影响。结果表明,随着碳纳米管薄膜面密度的增加,层压板Ⅱ型层间断裂韧性先逐渐提高,当碳纳米管薄膜面密度为9.64g/m2时,层压板Ⅱ型层间断裂韧性最佳,与原始层压板相比提高了94%。碳纳米管通过桥接树脂裂纹、从树脂中拔出等方式提高层间断裂韧性。当碳纳米管面密度超过临界值时,会引起树脂浸润困难,导致增韧效果降低。