纳米SiO2酚醛树脂复合材料裂纹扩展行为分析及力学性能研究.pdf

油气井出砂是疏松砂岩油气藏开采面临的主要矛盾 树脂固结人工井壁防治细粉砂效果优良可实现复杂井况下的无筛管防砂是目前油田应用最广泛的化学防砂方法决定其防砂成败的关键是树脂的固结性能 借助扩展有限元()对裂纹经过单个粒子、一对粒子、均匀分布的多个粒子进行数值模拟研究纳米粒子对裂纹扩展路径和损伤耗散能量的影响发现纳米 对裂纹影响区间为 个纳米粒子直径纳米 的最佳质量分数为树脂基体的 树脂样条的抗冲击强度和树脂防砂体的抗压强度的测定结果表明纳米 质量分数为 时树脂样条抗冲击强度提高 左右树脂防砂体抗压强度提高 左右显著改善了酚醛树脂的力学性能关键词:人工井壁防砂纳米 酚醛树脂裂纹扩展扩展有限元中图分类号:.文献标识码:文章编号:()/(.().):.().:酚醛树脂是人工井壁防砂常用的固结剂但固化后存在脆性大、韧性差的问题难以满足现场防砂的要求在树脂中加入纳米 可以改善其力学性能 目前对树脂固结剂性能的评价大多还应用化工第 卷停留在宏观层面即砂粒从防砂体中脱落引起人工井壁失稳尚未从微观层面进行深入研究 在微观层面树脂的主要失效形式是微裂纹扩展形成宏观裂缝裂纹扩展主要有直行、分叉和偏转三种方式本文采用有限元方法研究了不同情形下纳米粒子对裂纹扩展的影响研究了改性前后树脂样条抗冲击强度的变化和纳米 对树脂防砂体抗压强度的影响 纳米 对裂纹扩展的影响.有限元模型的建立采用 扩展有限元方法对纳米 改性酚醛树脂的裂纹扩展行为进行分析设置酚醛树脂密度为./弹性模量.泊松比.纳米粒子的密度为./弹性模量 泊松比.裂纹经过单个粒子考虑裂纹经过单个粒子 为.的扩展情况(图)为粒子中心到裂纹距离 设置模型长 .高.初始裂纹长度为.纳米粒子直径 .上下两端受均匀拉伸载荷.裂纹经过一对粒子.纳米粒子角度考虑裂纹经过一对粒子 为 的扩展情况(图、图)为纳米粒子中心连线与水平方向的夹角 设置模型长 .高 .初始裂纹长度.纳米粒子直径 .上下两端受均匀拉伸载荷.纳米粒子间距考虑裂纹经过一对粒子 为 的扩展情况(图)为两纳 米 粒 子 间 距 设 置 模 型 长 .高.初始裂纹长度为.纳米粒子直径 .上下两端受均匀拉伸载荷 图 纳米粒子对裂纹扩展的影响.单个纳米粒子.两个纳米粒子角度 间距固定.两个纳米粒子角度 间距固定.角度 间距不同.裂纹经过均匀分布 考虑实际情况中纳米粒子均匀分布纳米 质量分数分别为.的扩展情况模型见图 设置模型长.宽.初始裂纹长度为.纳米粒子直径 .上下两端受均匀拉伸载荷图 纳米 质量分数对裂纹扩展的影响.第 期齐宁等:纳米/酚醛树脂复合材料裂纹扩展行为分析及力学性能研究.结果与讨论.单个粒子对裂纹扩展的影响 图 为裂纹扩展的位移曲线原点为粒子中心横坐标 为裂纹尖端横坐标 为裂纹尖端纵坐标 裂纹经过粒子时会偏离原来方向等绕过粒子后逐渐恢复到初始裂纹方向 粒子距裂纹越近对裂纹扩展影响越显著裂纹扩展的过程中伴随着能量的消耗损伤耗散能量越大说明裂纹扩展越难 无量纲损伤耗散能量是指当前模型损伤耗散能量与裂纹在纯树脂中扩展损伤耗散能量之比 由图 可知裂纹在靠近纳米粒子时无量纲损伤耗散能量降低这是由于粒子会对裂纹的扩展产生一个“斥力”使裂纹远离粒子降低了对外部能量的消耗粒子距离裂纹越近无量纲损伤耗散能量降低的幅度越大经过粒子后无量纲损伤耗散能量逐渐升高并趋于平稳粒子距离裂纹越近无量纲损伤耗散能量升高的幅度越大这是因为裂纹的扩展路径更长了导致耗散的能量更多图 单个粒子对裂纹扩展的影响.扩展路径与单个粒子间的相互作用.无量纲损伤耗散能量曲线.粒子角度对裂纹扩展的影响 由图 可知当 时裂纹在经过第一个粒子后扩展至第二个粒子时停止扩展当 时裂纹在经过第一个粒子后又绕过第二个粒子继续扩展 图 中粒子的左右两端应力较低上下两端的应力较高当树脂材料受到上下拉伸外力时由于树脂的泊松比高于粒子的泊松比粒子的上下两端受拉应力左右两端受压应力粒子的脱落先从上下两端开始所以此处受力最大(见图)图 裂纹扩展路径和 应力云图.图 树脂基体中纳米粒子形变示意图.图 为裂纹长度时间关系曲线图 为无量纲损耗能量曲线 由图 可知这两条裂纹虽然粒子角度不同但几乎在同一时间起裂 的模型裂纹共有 次无量纲损耗能量降低的情况第一次降低幅度较大是第一个粒子对裂纹的影响使其绕过粒子第二次降低幅度较小是第二个粒子对裂纹的影响但由于裂纹此时已经扩展至粒子边缘想要绕过第二个粒子需要偏转的幅度极大而粒子对裂纹的影响不足以支撑这么大幅度的偏转故而裂纹停止扩展 的模型裂纹共有 次无量纲损耗能量降低的情况这意味着裂纹前进过程中应用化工第 卷多次尝试绕过粒子图 不同角度粒子对裂缝扩展的影响.裂纹真实长度时间关系曲线.无量纲损伤耗散能量曲线.粒子间距对裂纹扩展的影响图 为不同间距下裂纹扩展的无量纲损伤耗散能量曲线图 纳米粒子间距对裂纹扩展的影响.由图 可知当粒子间距为 个粒子直径大小时无量纲损伤耗散能量曲线几乎为一条直线所以两粒子对裂纹扩展的影响间距界限为 个粒子直径与图、图 不同的是该模型的无量纲损伤耗散能量在扩展的过程中先上升后下降在扩展到两粒子中心时达到顶峰 裂纹从两粒子的中间扩展受到来自两粒子同样大小、方向相反的影响(图)这会使裂纹沿着水平方向扩展但会使其受到额外的阻力消耗更多的能量图 两粒子对裂纹扩展的影响示意图.粒子质量分数对裂纹扩展的影响图 为纳米 质量分数分别为.和 时裂纹扩展的无量纲损伤耗散能量曲线图 不同纳米 质量分数对裂纹扩展的影响.由图 可知 条曲线波动十分频繁曲线的峰值大多出现在粒子附近粒子含量越高曲线波动越频繁波动的幅度越大耗散的能量越多 在曲线的最后走势中粒子含量和 相差不大由此可以优选出纳米 最佳质量分数为树脂基体的纳米 对酚醛树脂力学性能的影响研究.实验部分.材料与仪器石英砂(目)、纳米、水溶性酚醛树脂、六次甲基四胺、偶联剂、丙酮等均为分析纯 场扫描电子显微镜 超声波清洗机 材料压力试验机 摆锤式冲击试验机 缺口制样机/目筛网.样品制备.纳米 改性酚醛树脂混合液的制备将一定量偶联剂、纳米 加入到盛有丙酮的烧杯中用超声波清洗机(处理功率 频率 )超声分散 加入一定量酚醛树脂机械搅拌 放入到超声波清洗机中超声分散 放置备用第 期齐宁等:纳米/酚醛树脂复合材料裂纹扩展行为分析及力学性能研究.树脂样条的制备 在纳米 改性酚醛树脂混合液中加入六次甲基四胺交联固化其中纳米 质量分数为 将树脂溶液 水浴加热同时抽真空去除气泡 将脱气后的树脂混合液倒入冲击样条制备的模具中在鼓风烘箱中固化采用未改性酚醛树脂溶液重复上述实验.树脂防砂体制备用水重复洗涤石英砂样直至砂样静止水中无漂浮物后用烘箱烘干 将偶联剂、纳米 改性酚醛树脂混合液、固化剂依次加入到盛有石英砂样的托盘中每一步都要充分搅拌均匀放置自然风干 将风干后的树脂砂体粉碎筛出涂覆砂成品(目)在玻璃管()中加入少量水填入树脂涂覆砂样边填砂边夯实填满玻璃管后塞上胶塞密封并用水浴锅加热()取出玻璃管中的砂体用切割机切割成圆柱体.测试与表征.抗冲击强度测试抗冲击测试采用摆锤式冲击试验机进行测试 样品尺寸 用缺口制样机将树脂试样制成 型缺口(深度 )按照/标准测试有效样品数为 块.抗压强度测试 采用材料压力试验机进行抗压测试 直径为.、长.压缩速率为/抗压强度测试遵循行标 .扫描电镜分析利用场发射扫描电子显微镜分析被冲断的树脂样条断裂面的微观组织测试前对断面先进行喷金处理.结果与讨论.纳米 对树脂抗冲击强度的影响由表 可知加入纳米 后酚醛树脂的韧性得到了很大改善 未改性酚醛树脂平均抗冲击强度为./纳米 改性酚醛树脂的平均抗冲击强度为./与前者相比强度提高率为.表 纳米 对树脂抗冲击强度的影响 酚醛树酯抗冲击强度/()平均抗冲击强度/()未改性酚醛树脂.纳米 改性酚醛树脂.纳米 质量分数对树脂防砂体抗压强度的影响由图 可知随着纳米 质量分数增加酚醛树脂防砂体抗压强度先增大后减小 纳米的质量分数为 时树脂防砂体抗压强度达到最高为.相比未改性的树脂防砂体强度提升了 纳米 质量分数提高到 之后防砂体的抗压强度低于未改性的树脂防砂体过量的纳米 会在树脂中产生团聚现象从而影响材料的强度纳米 的最佳质量分数为 图 纳米 质量分数对树脂防砂体抗压强度的影响.扫描电镜分析图 为酚醛树脂和纳米改性酚醛树脂的冲击断面扫描电镜图 由图 可知两样品断面都产生大量裂纹酚醛树脂的断面裂纹比较整齐裂纹走向基本一致属于脆性断裂纳米 改性酚醛树脂的断面裂纹比较杂乱出现银纹区裂纹以层状分布形成了新的表面在断裂过程中吸收了更多的能量裂纹的走向分散属于韧性断裂说明纳米 对裂纹的扩展产生了影响应用化工第 卷图 冲击断面 图.酚醛树脂缺口(倍).酚醛树脂缺口(倍).纳米 改性酚醛树脂缺口(倍).纳米 改性酚醛树脂缺口(倍)当树脂材料受到冲击时由于纳米 与树脂的力学性质相差较大会产生应力集中效应纳米会脱落形成空穴吸收部分能量同时空穴能够引发银纹再次吸收一部分冲击能量阻碍了裂纹的扩展 结论()利用有限元方法计算分析了纳米 对裂纹扩展的影响当裂纹扩展至纳米 附近时裂纹走向发生改变粒子距裂纹扩展路径越近影响越大影响间距界限为 个粒子直径 研究了不同纳米 质量分数对裂纹扩展的影响优选出 为最佳质量分数()纳米 质量分数为 时显著提高了酚醛树脂的力学性能树脂样条抗冲击强度提高 左右树脂防砂体抗压强度提高 左右()未改性树脂断裂面较齐整而纳米 改性树脂断裂面较粗糙形成银纹区可以消耗更多的能量达到增韧的效果参考文献:齐宁吴凯凯马磊等.纳米 改善纤维复合防砂体的制备及性能研究.油田化学():.王增林李鹏魏芳等.胜利油田特高含水期化学防砂技术进展.油田化学():.齐宁刘帅李柏杨等.可脱离式充填筛管用降解剂的研制及降解机制.中国石油大学学报(自然科学版)():.徐志鹏夏亚文苏徐航等.碳酸盐岩高温储层自生酸体系研发与评价.应用化工():.张艺媛邓声强孔林等.聚氨酯/纳米/稀释剂复合改性环氧树脂掺量研究.应用化工():.齐宁张琪王恒等.纳米 树脂涂敷砂的改性方法优选与制备.特种铸造及有色合金():.欧阳平路元坤.润滑油中纳米粒子的分散稳定性研究进展.应用化工():.高铭泽张沛红.纳米/环氧树脂复合材料介电性与纳米粒子分散性关系.物理学报():.李怀文孙涛王超等.超低温新型树脂涂敷砂及人工井壁防砂技术.石油学报():.:.():.(/):.:.陈凯杜东海陆辉等.夹杂物对 合金传热管疲劳裂纹扩展行为的影响.稀有金属材料与工程():.():.():.颜新宇王守仁温道胜等.颗粒对/复合材料裂纹萌生和扩展行为的影响.西北工业大学学报():.