材料科学与工程开放式实验管理模式探索

实验室是培养学生动手能力、创新能力的平台,开放式实验教学是实验室管理上的一项重要改革。论文对材料科学与工程专业开放式实验教学存在的问题和取得的成果进行了分析总结,希望探索出一种适合本专业特色的开放式实验管理模式。

材料科学与工程专业生产实习教学改革与实践

本文分析了材料专业生产实习中存在的问题和现状,提出对实习模式和教学手段实行改革,激发学生热情,提高实习质量。充分发挥指导老师的桥梁作用,凭借良好的校企合作关系,促进学生就业。

石油钻杆材料G105在不同条件下的疲劳断裂

采用国产PQ-6型旋转弯曲疲劳试验机研究钻杆管体材料G105的弯曲疲劳性能以及H_2S腐蚀和缺口对试样弯曲疲劳性能的影响,利用金相显微镜和扫描电子显微镜对光滑试样断口、缺口试样断口以及H_2S腐蚀后试样断口进行微观形貌分析。结果表明:在光滑试样的疲劳极限载荷作用下,经过H_2S腐蚀后的光滑试样的疲劳寿命和缺口试样的疲劳寿命相当,材料的疲劳寿命都从106降低至104;缺口试样在缺口的高应力集中效应下,加快疲劳裂纹形核过程。H_2S腐蚀对钻杆疲劳性能影响的主要作用在于氢原子在材料内缺陷处聚集引起材料疲劳性能降低,缺口和H_2S腐蚀都会加快疲劳裂纹的扩展。材料疲劳断裂主要是因为试样在交变应力的作用下上产生滑移最后致使位错塞积而导致的。

SMA在石油工程中的应用研究进展

形状记忆合金(SMA)是一种新型功能材料,不仅具有形状记忆效应、超弹性等功能特性,还具有良好的耐腐蚀性、耐磨性和综合力学性能。SMA能在一定温度下恢复形状并产生较大的回复力,被认为是驱动件、密封件、温控件的理想材料,在石油工程领域有着广泛的应用。介绍了SMA的发展、种类以及SMA的形状记忆效应、超弹性机制,综述了石油工程SMA在管接头、封隔器和内补口、堵漏等方面的应用和研究进展,对SMA今后的发展进行了展望。

微细橡胶粉对油井水泥基复合材料性能的影响

为降低固井水泥石脆性,保持固井水泥环的完整性,解决油气井开采安全隐患。本文将微细橡胶粉添加到水泥基复合材料中。通过抗压强度和抗折强度变化规律,考察橡胶粉的最优掺量;通过三轴力学测试、渗透性实验,考察橡胶粉对水泥石复合材料变形能力的影响和抗渗性能影响;通过比表面积、粒度分布和微观形貌,表征橡胶粉特性,并对水泥石进行微观形貌分析,探讨其增韧降脆机理。结果发现,最优掺量为0.5%,在此掺量时水泥石弹性模量降低34.3%,孔隙度变小,抗渗性能提高,既能增强水泥石的塑性和弹性变形能力又使水泥石结构更为致密;橡胶粉比表面积0.4187 m2/g,平均粒度64.4865μm,与水泥石基体接触面积大;微细橡胶粉与水泥石基体粘结紧密,能吸收大量能量、填充水泥石孔隙,有效降低水泥石脆性。

微孔发泡高分子材料的应用研究

以美国麻省理工学院N.P.Suh教授等研制开发的微孔发泡塑料为主线,简述了微孔发泡高分子材料优异的力学性能、热性能及加工性能,较详细地介绍了该材料在工业生产中的应用现状,并指出了微孔发泡高分子材料发展的方向。

石墨烯-铋系氧化物复合光催化材料

当前环境和能源问题越来越突出,以TiO2为代表的半导体光催化剂能够有效利用太阳能,为解决这方面问题提供了可能,其中铋系氧化物具有较高的可见光催化活性,近年来受到广泛关注。石墨烯是2004年发现的一种新型二维碳纳米材料,利用石墨烯优良的导电性能和较高的比表面积使之与铋系氧化物复合,从而提高铋系氧化物的光催化性能,是当前光催化研究领域的热点之一。相较于离子掺杂、半导体复合,它能够避免在铋系氧化物内部形成新的缺陷(光生电子空穴复合中心)。阐述了石墨烯在增强铋系氧化物光催化性能方面的最新研究进展和成果,综述了石墨烯复合对铋系氧化物的影响,即石墨烯的复合会使铋系氧化物吸光性增强,比表面积增加,光生电流增强,且光催化效率与石墨烯负载量之间存在极值关系;分析了石墨烯与铋系氧化物之间的化学键对其光催化性能的影响。最后,从石墨烯-铋系氧化物的制备、化学键合作用等方面展望了其发展趋势。

铝合金钻杆材料、特点及其磨损研究进展

综述了国内外铝合金钻杆的研究现状,介绍了几种常用石油勘探用铝合金钻杆材料的成分、力学性能及铝合金钻杆的优点,分析了钻杆磨损的原因及类型,探讨了我国开发铝合金钻杆存在的关键问题。

POE-g-MAH对聚丙烯/竹纤维复合材料性能的影响

将聚丙烯(PP)﹑竹纤维(BF)与马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物(POE-g-MAH)共混,通过双螺杆挤出机制备PP/POE-g-MAH/BF复合材料,用扫描电子显微镜、X射线衍射仪和差示扫描量热仪观察和表征了其形貌、结构和结晶参数,测试了其力学性能。研究表明,加入POE-g-MAH,降低了BF质量分数为30%的PP/BF复合材料中PP晶相的完整程度,明显提高了复合材料的冲击强度,改善了PP基体中BF的分散均匀性。添加质量分数2.5%的POE-g-MAH,能进一步提高PP/BF复合材料的强度和韧性,PP/POE-g-MAH/BF(62.5/7.5/30)复合材料的冲击强度高于纯PP。冲击强度的提高主要源于POE-g-MAH所产生的能量耗散、改善应力的有效传递、增强BF和PP的界面粘附。

油气钻井工程中的腐蚀防护及一种新的防护方法

油气田勘探开发中金属设备的腐蚀类型主要有应力腐蚀、腐蚀疲劳、硫化物应力腐蚀开裂和点腐蚀等,目前国内外的研究主要集中在CO_2、H_2S和CO_2/H_2S的腐蚀与防护方面,主要有材料选择、钻井液的控制以及防腐蚀涂层等。介绍了一种新的防护方法——陶瓷复膜,试验结果表明,该方法极大地提高了工件的耐腐蚀性能,具有广阔的应用前景。

CSW/POE-g-MA/PA6三元复合材料的结构和性能

采用马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物(POE-g-MA)对CaSO4晶须/尼龙6(CSW/PA6)共混物增韧改性,研究了CSW/PA6和CSW/POE-g-MA/PA6复合材料的力学性能、热性能、形貌和加工性能。适量添加CSW可同时提高PA6的刚性和韧性。与纯PA6性能比较,10%CSW/PA6的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量和冲击强度分别增大7.5%、9.1%、21.1%和11.6%;当CSW含量增至30%,CSW/PA6的韧性明显降低。POE-g-MA可促进PA6基体中CSW的均匀分散,增强CSW与PA6的界面粘附,提高CSW/PA6(30/70)的冲击韧性。源于CSW和POE-g-MA的协同作用,CSW/POE-g-MA/PA6(30/5/65)的冲击强度和弯曲模量与纯PA6相比较,分别提高了36.8%和22.1%,拉伸和弯曲强度接近纯PA6。

多尺度纤维增强水泥基材料的研究进展

随着现代工程技术的不断进步,超高层、超深井、大跨度等复杂恶劣环境对水泥基材料提出了更高的要求,鉴于水泥基材料是一种具有多尺度结构特征的复合材料,因此使用多尺度纤维是增强水泥基材料性能的有效途径。本文在综述国内外水泥基材料多尺度特征研究进展的基础上,介绍了水泥基材料的多尺度模型发展概况,指出了目前的研究中各个尺度模型之间的联系不够紧密的不足;总结了水泥基材料内部裂纹由微观至宏观的多尺度扩展、破坏过程;论述了单一纤维和多尺度纤维增强水泥基材料的研究现状,提出了目前应加强对多尺度纤维的增强机理的研究、开发性价比更高的纤维体系等建议。最后对多尺度纤维增强水泥基材料的研究方向进行了展望。

基于SSRT的材料应力腐蚀数据库

采用VB程序语言和Microsoft Office Access数据库管理系统,针对慢应变拉伸实验(SSRT)研究了材料应力腐蚀的结果,设计并建立了应力腐蚀数据库,该数据库包括实验参数输入、实验数据计算和断口图片分析3个模块。通过力学性能指标的计算,依据应力腐蚀敏感性判据和断口形貌特征,将应力腐蚀分为敏感、危险和安全3个水平,获得应力腐蚀体系的材料、环境和力学的关联特征,并将综合分析结果作为案例进行储存管理,以供使用者参考相关数据。

碳纤维/PBO纤维层间混杂复合材料性能

分别采用HTA-P30碳纤维、T800碳纤维与PBO纤维进行了层间混杂,研究了不同的混杂比、不同性能的碳纤维以及不同的粘接界面对PBO/碳纤维复合材料的拉伸性能和层间剪切性能的影响。试验结果表明,T800与PBO纤维混杂后,复合材料的强度表现出混杂负效应,而模量和层间剪切强度表现出混杂正效应,且均随混杂比的增大而降低。PBO纤维经过表面处理后,提高了混杂复合材料的弱界面层粘结性能,从而强度、模量、层间剪切强度的混杂效应系数均有不同程度的增大,尤其是层间剪切强度的混杂效应系数提高程度很大,并且与纤维的表面状态密切相关。随着PBO纤维的混入,可降低复合材料性能的分散性(离散系数),提高质量可靠性。

氧化石墨油井水泥基复合材料的力学性能研究

针对油井水泥石易脆裂而导致油气井水泥环层间封隔失效这一问题,实验研究了氧化石墨对油井水泥石力学性能的增强效果。利用SEM、EDS和XRD等手段对氧化石墨增强水泥石进行了表征,并探讨了氧化石墨增强机理。实验结果表明:氧化石墨可显著增强水泥石力学性能,氧化石墨掺量为0.05%时,增强水泥石的28 d抗压、抗折和劈裂拉伸强度较纯水泥石分别提高68.63%、17.44%和159.12%;氧化石墨对水泥浆的应用性能无不良影响,反而有助于改善水泥浆的沉降稳定性并降低水泥浆失水量。机理分析结果表明:水泥石在受外力破坏时,氧化石墨层内、层间均出现损伤;一方面氧化石墨层内破坏时其化学键必然断裂而耗能,另一方面氧化石墨层间剥离时需克服层间作用力而耗能,氧化石墨主要通过上述两方面的作用增强水泥石力学性能。研究结果可为解决油井水泥石易脆裂问题提供理论参考。

CO_2腐蚀对钻杆材料多冲疲劳性能的影响

目的探究CO_2腐蚀对钻杆材料多冲疲劳性能的影响规律,分析表面腐蚀产物对多冲性能是否有严重影响。方法利用自主研发的多冲疲劳断裂试验机,测试V150和S135钻杆材料在常温常压下饱和CO_2溶液中浸泡腐蚀不同时间后的冲断累积能量,利用失重法计算各试样的腐蚀速率,并用扫描电子显微镜(SEM)观察腐蚀后的表面形貌及冲断后的断口形貌,用XRD测试了腐蚀产物的主要成分。结果两种材料在CO_2腐蚀环境中的腐蚀速率均达到了0.05 mm/a以上,属于中度腐蚀,但S135材料的腐蚀速率略低于V150。随着腐蚀时间的增加,两种材料的冲断累积能量均不断下降,但腐蚀速率稍低的S135材料的冲断累积能量下降率(19.68%)低于V150(22.54%)。CO_2腐蚀使钻杆材料表面产生了龟裂状形貌和结晶状腐蚀产物,其主要成分为Fe(HCO_3)_2。CO_2腐蚀并未对内部组织结构造成较大影响,未造成钻杆材料的脆断。结论在CO_2腐蚀环境下的钻杆材料,尽管腐蚀速率较高,但CO_2腐蚀对材料多冲疲劳性能的影响小于H2S腐蚀,腐蚀速率不是影响材料多冲性能的关键因素。

S135钻杆材料等离子喷涂Al2O3-TiO2涂层组织与性能

目的选用石油钻井工程中常用的S135钻杆钢作为研究对象,在不破坏S135钢优异力学性能基础上,在S135钢基体上等离子喷涂Al2O3-TiO2涂层,研究喷涂功率对涂层的组织与性能的影响。方法在25、30、42 kW三种喷涂功率下,于S135钻杆材料基体表面制备Al2O3+TiO2涂层,对涂层表面进行SEM形貌观察及XRD物相分析,对端面进行金相组织观察,并测定不同位置的显微硬度,借助于材料表面性能试验仪进行涂层与基体结合强度测定,对不同功率下的喷涂涂层的组织、形貌及性能进行比较。结果在三种功率条件下,涂层由α-Al2O3、γ-Al2O3、Al2TiO5及TiO2组成。随着喷涂功率的增加,涂层中γ-Al2O3、Al2TiO5的含量增加;粘结层中气孔、裂纹等缺陷减少,孔隙率下降。在42 kW喷涂功率下,涂层与基体的结合强度达到92 N。在热喷涂过程中,由于正火作用,靠近喷涂界面的S135基体的晶粒得到细化。涂层表面的硬度都高于粘结层及基体,在喷涂功率为30 kW时,涂层表面的硬度达到1419.6 HV。结论通过改变喷涂功率,可在S135钻杆材料上得到具有较高硬度、与基体结合强度较高的Al2O3-TiO2涂层。

钻杆接头材料表面陶瓷复膜摩擦磨损行为

为了提高钻杆接头的耐磨损性能,选用由Ti、Cr、Al的氮化物、碳化物和氧化物所构成的金属陶瓷在钻杆接头材料(37CrMnMo)表面制备了多层陶瓷膜层。采用金相显微镜和扫描电子显微镜对金属陶瓷膜层的表面形貌及组织结构进行了分析。用MST3000摩擦磨损试验仪对钻杆接头材料进行旋转摩擦试验,得到表面陶瓷涂层摩擦系数的变化规律,结合摩擦副表面形貌观察和磨屑成分分析,分析了表面陶瓷涂层的耐磨性,探讨了表面陶瓷涂层的动态摩擦磨损机理。结果表明,在摩擦的初始阶段,表面陶瓷涂层摩擦系数急剧增加,随后稳定于某一定值,并在该值附近波动,波动范围逐渐增大。随着磨球被磨平,磨损形式由点面接触磨损,逐渐转换为面面接触磨损,磨斑面积不断增大。摩擦磨损开始以磨粒磨损为主,随着摩擦过程中挤压的加剧和温度的升高,磨屑发生塑性变形,形成不断增厚的转移层,覆盖于对磨面上,阻碍陶瓷涂层与对磨件的直接接触,从而减轻陶瓷涂层的摩擦磨损。

灰色系统理论在石油工业腐蚀中的应用与进展

灰色系统理论用于部分数据已知、部分数据未知的不确定性系统,寻求系统的运动规律,使不确定的灰特征量量化。该方法克服了传统上处理数据方法的不足,在工程领域有广阔的应用前景。石油工业的腐蚀是典型的灰色系统,介绍了灰色关联度、灰色聚类分析和灰色模型的原理,并通过典型事例分析了其在石油工业腐蚀研究中的应用情况,进而对进一步的应用前景进行了展望。

BiFeO_3铁电材料的光伏效应研究进展

由于传统pn结太阳能电池光生电压受到内建电场大小的限制,光电转换效率低,难以投入市场化运营。铁电材料的光伏效应不同于pn结太阳能电池,在铁电材料中可以测试出极高的开路电压。但目前对于铁电材料的光电过程产生机制尚不清楚。如果能够理解这一机制并应用于太阳能电池,将能有效地提高太阳能电池的效率。BiFeO3(BFO)是一种非常特殊的多铁性材料,近几年来,研究者对BFO材料的光电特性进行了深入的研究,综述了近几年BFO在光伏效应方面的研究进展。