流固耦合作用对地下储氢库储盖层岩石微观力学性质的影响

枯竭油气藏型地下储氢库被公认为最具前景的大规模储氢方式。长期储氢过程中的流固耦合作用是影响地层长期稳定性和评估储氢效果的重要因素。利用纳米压痕技术探究气体介质和含水特征的差异对不同岩石微观力学性质的影响,进而评估最佳储氢工况。陆相页岩具有比杂砂岩和长石砂岩更强的硬度和更高的弹性模量,流固耦合作用能够显著提高储层岩石的结构稳定性,但是过大的反应强度也增加了氢损失。水及其中的氢离子和弱酸性阴离子是氢气与岩石发生反应的重要介质,有利于提高反应强度。甲烷可以附着在黏土、长石等矿物的颗粒和孔隙表面,减少与无机矿物接触并发生反应的氢气含量,使得反应更加复杂。综合考虑流固耦合作用对地层稳定性的影响和长期储氢过程中的氢气损耗,地层含水饱和度较低且具有甲烷作为垫层气的枯竭气藏可能是一种较为理想的大规模地下储氢构造。研究结果有助于筛选最优储氢工况,为枯竭油气藏型储氢库的选址和建设提供参考。

深层页岩微观力学特征及控制机理———以涪陵地区平桥区块JYA井深层页岩为例

四川盆地涪陵地区深层页岩气具有构造复杂、地应力高、地应力差大、地层温度高、致密化程度高、低孔低渗、孔渗变化规律复杂等地质特征,不同井之间产量差异大,原因之一是对于深层页岩气储层的地质力学特征和控制机理认识不足,适合压裂的甜点区间识别不准确。因此,对涪陵地区五峰组—龙马溪组海相页岩进行研究,围绕深层页岩气储层的微观地质力学特征与控制机理这一关键科学问题,通过微观岩石力学实验、数字光斑实验、X射线衍射、总有机碳含量、SEM扫描电镜等5个系列实验设计,结合数字图像处理技术,精细刻画了龙马溪组页岩在加载条件下的应力场和位移场变化及微观裂纹扩展过程,分析了龙马溪组页岩的变形与破裂特征。实验测得深层页岩总有机碳含量约为4.2%,石英含量为55.4%,黏土矿物含量为26.9%,明确了深层页岩的微观损伤变化的5个过程,即压密、弹性、裂纹均匀扩展、裂纹扩展破坏及脆性破坏。在石英等脆性矿物及有机质等软组分的控制作用下,深层页岩微观破裂具有多种裂缝扩展模式。同时,计算了深层页岩样品的断裂韧性指数,其中Ⅰ型断裂韧性指数为18.279 MPa·√m,Ⅱ型断裂韧性指数为1.243 MPa·√m。实验得到的断裂韧性指数可应用于评价深层页岩的脆性,也可为深层页岩的压裂改造提供指导。

骨质疏松骨微观力学性能退变影响破骨细胞生物学功能的机理研究

目的骨质疏松症严重威胁着人们的生命健康,亟需清晰认识其病理机制。在破骨细胞主导的骨质过度流失中,骨微观结构的影响不可忽视,尤其是矿化胶原纤维,然而,骨质疏松骨纳米结构与破骨细胞间相互作用规律的研究仍较少。方法通过卵巢切除术构建骨质疏松骨大鼠模型,8周后取出股骨做宏观力学性能评价,原子力显微镜(AFM)表征抛光骨片试样的微观结构、力学性质。RAW264.7细胞共培养于不同生理状态的股骨片表面,含50 ng/m L RANKL的基本培养基诱导;第9天,取出骨片试样,AFM观察破骨细胞的行为及骨吸收情况、骨吸收陷窝表面。结果宏观力学测试结果表明骨质疏松大鼠股骨的力学性能发生退变,AFM结果显示,相较于健康骨,骨质疏松骨在纳米尺度的矿物聚集体颗粒尺寸较小,弹性模量较大,表明微观结构趋向于脆性发展。细胞实验显示,在骨质疏松骨中,破骨细胞与骨吸收陷窝数量、面积均较大,骨吸收陷窝区域的胶原暴露更明显,弹性模量较小,表明破骨细胞在骨质疏松骨中的骨吸收程度更强。结论骨质疏松骨微观结构及力学性能的退变会增强破骨细胞的骨吸收功能。本研究为深入揭示骨质疏松症的恶性循环发展机理提供了新的思路,未来工作将从动态力学刺激的角度探究骨质疏松症发生发展机制。

二氧化碳腐蚀作用下固井水泥石的微观力学性能

二氧化碳地质封存(CCS)技术是降低CO_(2)的有效途径之一,提高水泥环固井的耐腐蚀性和结构完整性对确保二氧化碳封存安全尤为重要。本文采用XRD、TGA、SEM、微米压痕等表征方法,揭示了水泥石在腐蚀环境中的损伤机理和变化规律。结果表明:经历碳化作用后的水泥石展现出明显的分层结构,包括多孔的淋滤脱钙层、部分淋滤层、碳化致密层、氢氧化钙溶解层,以及未碳化的水泥石;受淋滤脱钙作用的影响,水泥石表面碳化腐蚀层的微观硬度下降至0.11 GPa,而中间碳化层由于碳酸钙的积累,其微米硬度提升至0.79 GPa,反映了碳化作用对水泥石结构的增强作用;内部腐蚀层则因氢氧化钙溶解,出现一定程度的力学性能降低,同时这些溶解出的钙离子参与了中间层碳酸钙的形成过程。

基于纳米压痕的煤岩微观力学特性及其影响因素剖析

煤岩微观力学特性与宏观力学特性关系密切,是剖析宏观力学性质机理的关键指标,也是影响煤层气压裂开采的重要因素。现阶段煤岩微观力学特性研究局限于力学参数表征与现象描述,演化机制及影响机理方面的研究较为缺乏。以我国不同变质程度煤岩为研究对象,通过以纳米压痕实验为主,低温液氮与原位激光拉曼测试为辅的手段,实现了纳米压痕实验关键参数优选,并明确了煤岩镜质组与惰质组微观力学特性及其主控因素。研究结果表明:(1)预实验结果显示,低载荷、小量程下,最大压入深度在1 000 nm左右(对应峰值载荷约为9 mN)的参数设定较为适合煤岩镜质组和惰质组的纳米压痕实验;(2)煤岩惰质组的弹性模量和硬度均普遍高于镜质组,且同一煤样中不同位置显微组分的弹性模量和硬度相近,说明在局部范围内煤基质显微组分的微观力学性质分布具有一定相似性;(3)煤岩显微组分和成熟度通过控制孔隙结构与化学结构以“一主一辅”形式共同影响其微观力学性质,即镜质组微观力学强度随煤化程度加深先升后降再升,下降段主要受因气孔增多导致的孔隙结构变化影响,上升段化学组分和结构为主控因素;惰质组的微观力学性质随煤岩成熟度升高持续增加,始终以受化学组分和结构控制为主。煤岩微观力学性质研究可广泛运用于微观尺度下的煤基质变形机制分析、水力压裂过程中微裂缝的产生与拓展探究以及开发有利区优选。

水/超临界二氧化碳作用下的页岩微观力学特性

选取渤海湾盆地济阳坳陷古近系沙河街组三段下亚段富灰质纹层状页岩岩样,开展高温高压岩心浸泡实验与点阵纳米压痕实验,分析不同浸泡时间、压力和温度条件下水/超临界CO_(2)作用对页岩微观力学特性的影响。研究结果表明:水/超临界CO_(2)浸泡后,页岩损伤主要为黏土富集的纹层内部产生诱导裂缝,且超临界CO_(2)浸泡引起的诱导裂缝宽度更小。受诱导裂缝影响的区域弹性模量和硬度的统计平均值降低,且纹层附近易发生压实闭合、产生应力诱导拉张裂缝。浸泡时间越长、浸泡压力越大、浸泡温度越高,页岩表面弹性模量和硬度下降越明显。与水相比,超临界CO_(2)-页岩作用下的页岩表面力学损伤程度更低,可作为压裂液防止页岩储集层压裂裂缝面软化。

岩石-锚固剂结构水化失稳微观力学特性

为研究岩石-锚固剂结构水化失稳微观机制,基于泥岩锚固试样SEM试验与纳米压痕试验,分析了不同含水率下岩石-锚固剂结构微观力学性质演化规律。结果表明:干燥条件下岩石-锚固剂结构完整性好,界面呈一定宽度的黏结区域。随含水率增大,结构内出现溶蚀孔洞与裂隙,黏结区域范围缩小,饱和含水率下岩石-锚固剂结构脱黏失效。低含水率下,受各组分间力学性质差异影响,压痕数据离散性较大。高含水率下,各组分间胶结能力劣化,结构整体力学性能降低,数据离散性变小。水化损伤加剧使泥岩胶结结构失效并导致宏观破坏,而锚固剂会填充水化作用下界面产生的微孔隙,使其力学性能相对岩石部分有一定提升,故界面微观参数衰减幅度小于泥岩部分。

基于拉曼光谱mapping技术研究低温循环对炭纤维增强聚酰亚胺复合薄膜界面微观力学的影响

碳纳米管选用(CNT)作为拉曼应力传感器,通过建立拉曼光谱mapping技术研究了经多次低温循环(-198~25℃,0~300次)的炭纤维增强聚酰亚胺复合薄膜(CF/CNT-PI)的界面微观应力变化。研究发现:聚酰亚胺薄膜(CNT-PI)即使经300次低温循环,树脂内部应力依然为~175 MPa,循环次数对树脂内部应力影响较小,表明该材料具有良好的耐低温性。进一步研究了炭纤维(CF)增强的CNT-PI薄膜的内应力变化,获得了炭纤维、界面、树脂基体区域的微观应力mapping分布,发现CF区域的受力大于基体部分,表明CF在该体系中起到了对应力最主要载体的作用,并发挥了良好的增强效果。在循环次数<250次时,微观应力变化不大;但当循环次数高达300次时,炭纤维及界面区域应力值分别提高了21%和12.9%,应力在材料内部的集中增大会降低材料的力学性能。本研究有效地定量了外界温度循环变化下复合材料的增强材料、基体及界面的微观应力分布,这为检测复合材料服役过程中的使用安全性提供了一种理论依据与评判手段。

基于纳米压痕试验的大理岩宏微观力学参数关联性研究

纳米压痕试验是研究岩石微观力学性质的一种重要手段,目前讨论岩石微观力学性质与各类宏观强度相关性的研究很少。首先采用连续刚度测量法对4种不同大理岩进行纳米压痕试验,获得白云石与方解石矿物的微观力学参数。其次,通过Mori-Tanaka方法将获得的微观数据尺度升级,得到等效弹性模量和等效泊松比。最后,将微观参数与宏观力学试验结果进行关联性分析,在此基础上讨论了纳米压痕数据预测宏观性质的适用性。结果表明:(1)大理岩中白云石颗粒的弹性模量和硬度分别为122.5 GPa和5.4 GPa;方解石颗粒的弹性模量和硬度分别为70.3 GPa和2.3 GPa,相对而言方解石矿物的强度与变形性能较差。(2)针对大理岩的白云石和方解石矿物,采用连续刚度测量法获得的弹性模量和硬度,建议取值对应的深度在800 nm之后。(3)颗粒边界点的压痕数据离散性比颗粒内部点的大;硬度比弹性模量更能体现颗粒边界的缺陷效应。(4)通过Mori-Tanaka方法得到的均质化结果对预测宏观弹性模量、泊松比有一定的可靠性。(5)纳米压痕数据可以反映矿物种类对岩石强度的影响,但如果要较准确地预测单轴抗压强度、抗拉强度、断裂韧度等性质,还需要考虑岩石的结构、构造等其他强度影响因素。上述成果丰富了纳米压痕测试法在岩石材料中的应用,为利用微观力学参数预测宏观强度提供了参考。

复合材料界面微观力学表征方法及界面细观力学模型研究进展

复合材料界面的应力传递对材料的性能有着重要的影响,对于界面相的组成、结构、使用温度及强度的研究极为重要。文中对单丝复合材料界面微观测试方法进行了归纳总结,重点介绍了微观测试方法在高温下、动态载荷加载过程中、串珠纤维表征、原位检测可视化等界面表征方面的研究现状,并介绍了细观力学模型在界面失效、界面增强机理等方面的研究进展。最后分析了目前研究中界面理论的缺失,并就未来的研究方向进行了合理性建议。

重组木微观力学模型及刚度参数分析方法探讨

以复合材料力学的微观力学分析方法为基础，在横观各向同性假设下，建立了重组木的材料力学与弹性力学分析的力学模型。由该模型，综合复合材料力学的理论，预测重组木的纵、横向弹性模量，泊松比，纵横向剪切弹性模量，给出了材料力学分析的具体公式。

定向刨花板弹性模量微观力学理论求解方法探讨

以复合材料力学为基础，建立了定向刨花板的微观力学模型，并应用概率设计理论求出了定向刨花板主方向的弹性模量，解决了定向刨花板弹性模量的理论求解问题，同时间接地论证了理论推导的结果。尝试将现代设计方法和微观力学理论应用于人造板的力学性能分析和研究中，以推动定向刨花板的计算机仿真工作的开发。文中提出的理论和方法还可以求解不同树种在不同比例下定向刨花板的弹性模量，从而可以按不同强度要求、不同树种配比和最佳定向角方差设计定向刨花板。

复杂应力下两种胶结颗粒微观力学模型的试验研究

将胶结颗粒理想化为两铝棒在指定位置处形成胶结,根据铝棒间胶结物厚度的不同,分别定义为有厚度胶结颗粒和无厚度胶结颗粒,对上述两种胶结颗粒进行一系列力学试验(包括:拉伸、压缩、压剪、压扭和复杂应力试验),从而对理想胶结颗粒的微观力学特性进行试验研究。试验结果表明:胶结厚度和法向压力对胶结颗粒的力学性能影响显著,随着胶结厚度的增大,试样的抗拉强度和延性均增大,其抗压特性由塑性硬化向塑性软化转变。无厚度试样抗剪和抗扭强度始终随法向压力的增大而增大,而有厚度试样则先随法向压力的增大而增大,当法向压力超过某一数值后,其强度又随着法向压力的增大而减小。在三维应力空间中(法向压力–扭矩–剪力)无厚度胶结颗粒的强度包线呈椭圆抛物面状,而有厚度胶结颗粒强度包线呈水滴状。

冻材主方向弹性模量微观力学求解理论

采用复合材料力学的微观力学理论，在横观各向同性的假设下．提出了一种计算冻材主方向弹性模量的理论求解方法。应用提出的理论，可以根据纤维素、木质素、细胞直径和冻结的程度，求出冻结状态下木材的主方向弹性模量．为木材力学中的冻材分析提出了一个新的解决方法。并且可以定量解释木材冻结后硬度与弹性模量提高的原因。

微观力学表征技术的发展及其在木材科学领域中的应用

微观力学表征技术是表征材料微纳米力学性能的重要技术手段,目前已被广泛用于表征材料的超微构造和解析材料的力学行为。随着材料科学研究尺度缩小,微观力学表征技术逐步从纳米向超纳米、从分子向超分子甚至粒子水平发展。按照试样信息的不同方式,微观力学表征技术主要包括纳米力学测试技术(探针技术)和超纳米力学测试技术(显微镜技术);其中,纳米力学测试技术包括准静态纳米压痕技术、动态纳米压痕技术和动态模量成像技术,超纳米力学测试技术包括原子力显微镜技术和基于原子力显微镜技术的新型微观力学表征技术。木材是一种多孔状、层次状、各向异性的非均质天然高分子复合材料,其超微结构是细胞壁由不同厚度的层次组成。细胞壁是决定木材和木质纤维材料性能的主要因素,是木材的实质承载结构;细胞壁的力学性能是由壁层结构、化学组成的分布与结合方式决定的。开展木材和改性木材细胞壁纳观尺度的力学性能、分布及影响对实现木基复合材料的高效设计具有重要意义。自Wimmer等首次将纳米压痕技术应用于天然木材细胞壁微观力学后,国内外学者主要采取准静态纳米压痕测量技术和动态纳米压痕测量技术对不同树种木材以及化学改性和生物改性木材细胞壁的硬度、弹性模量、蠕变特性与黏弹性等力学性能进行了研究。木质材料界面作为纳米级厚度的界面相或者界面层,不仅影响木质材料的强度、刚度,而且影响木质材料的断裂韧性等。界面力学是决定木基复合材料整体力学性质的关键,是引起材料变形、强度下降的主要原因。研究界面的属性和特征对于木基复合材料整体属性的评价以及结构的优化设计有一定参考价值,研究内容涉及有胶合界面、纤维增强聚合物界面以及木制品涂层的微观力学。随着研究尺度逐渐缩小,微观力学表征技术趋向高分辨率及数据定量化,如今已能在纳米级分辨率下进行力学信息成像,为木材科学领域的研究提供了方便。微观力学表征技术在木材科学领域中的应用尚具有较大潜力,但仍有较多方向尚未涉及,还应在以下3方面展开研究:一是需要开展微观力学技术在木材科学领域应用的标准化研究,规范测试过程,确保测试结果的可靠性和一致性;二是建立木质材料宏观到微观的完整力学体系,从本质上剖析木质材料的力学行为,在纳米尺度上表征木质材料的性质和失效机制;三是随着木材科学领域研究的深入,需建立微观力学与微观化学、微观物理、微观环境学的联系,丰富木材及木基复合材料在微纳尺度的研究。

不同干燥条件下壳聚糖膜表面的微观结构及微观力学性能

以自然风干(NW)、真空干燥(VD)及红外干燥(ID)三种干燥方式制备了壳聚糖膜.利用原子力显微镜(AFM)研究这三种壳聚糖膜的表面形貌及微观力学性能.实验结果表明VD和ID改善了膜材料的表面平整度,膜表面粗糙度分别为(5.47±1.34)和(2.79±0.93)nm,均显著低于NW膜((30.67±8.06)nm).干燥条件对壳聚糖膜的微观力学性能有较大影响:ID壳聚糖膜的粘附力((2595.0±68.5)pN)显著大于NW壳聚糖膜((982.6±149.3)pN)和VD壳聚糖膜((1817.9±279.2)pN);而ID壳聚糖膜的杨氏模量((158.8±15.2)MPa)则低于NW壳聚糖膜((204.3±22.7)MPa)和VD壳聚糖膜((195.8±14.6)MPa)的.

深层致密砂岩储层岩石结构面微观力学行为特征

深层致密砂岩结构面的力学行为易被忽视。通过岩心物性资料、岩石力学实验分析了孔隙影响岩石破裂的基本特征,确定了岩石破裂的孔隙度下限为2.21%,与研究区储层孔隙度下限2%基本吻合,而物性下限对应的临界抗张强度为6.46 MPa,也与研究区砂岩平均抗张强度基本一致。加载方向平行于纹层时,岩石更易发生破裂。微裂隙力学变形实验表明,存在微裂隙的岩石首次加载-卸载后,平均形变恢复比小于35%,张开度明显减小。该研究从微观角度揭示了岩石结构面对岩石破裂和变形的基本力学行为,可为裂缝控制因素分析、预测及其有效性评价提供重要依据。

中间退火使疲劳损伤钢延寿的微观力学解释

在恒应变控制下测试调质合金钢试样 90 %存活率的疲劳寿命Nf,然后将其他试样分别疲劳损伤到 0 .1Nf、0 .2 5Nf、0 .5Nf、0 .8Nf周次后进行中间退火 ,再继续测试剩余疲劳寿命。结果表明中间退火可以延长疲劳寿命。微观检验表明 :调质钢是由弥散碳化物质点和铁素体组成的两相组织 ,碳化物是裂纹源。借助于静载荷下解理断裂的微观力学模型和公式 ,可以解释微观参数对在碳化物或碳化物与基体界面萌生微观裂纹和向基体延伸的影响 ,但必须考虑随着疲劳损伤而发生的微观参数的变化。用此微观力学模型和公式也可以解释中间退火延寿机理。中间退火消除了胞状结构 ,使杆状碳化物转变成球状碳化物 ,减少了应力集中、扩散了晶区的有害元素 ,恢复和提高了萌生裂纹的表面能 ,恢复了材料的有效门槛值ΔKth·eff,减慢了由微观裂纹向宏观短裂纹扩展速率 。

PM Rene95合金中夹杂物的微观力学行为

采用人工植入Ａｌ２Ｏ３夹杂物的试样，通过ＳＥＭ原位观察及非线性有限元分析，研究了 在单轴拉伸条件下Ｐ／Ｍ Ｒｅｎｅ ９５合金中夹杂物与基体的相互作用机理．结果表明，不同尺寸及 位置的夹杂物对拉伸进程影响不同；夹杂物／基体界面的裂纹萌生及扩展取决于界面附近基体 材料的应力状态．

各向异性粘性土蠕变的微观力学模型

根据土蠕变的速率过程理论、塑性滑动理论和虚功原理，从土的微观结构的角度，建立了各向异性粘性土蠕变的微观力学模型，给出了模型的数值解，首次确定了粘粒定向分布函数。以淮阴三种粘性土为研究对象，用上述模型对其试验结果进行了拟合。拟合结果表明所建立的模型是一个比较合理和有效的模型。