[發明專利]一種小粒徑光彈顆粒材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201310711774.0
• 申請日: 2013-12-20
• 公開（公告）號: CN103698182A
• 公開（公告）日: 2014-04-02
• 發明（設計）人: 侯明勛;谷任國;房營光;陳平
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G01N1/28
• 分類號: G01N1/28
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 宮愛鵬

技術領域

本發明涉及顆粒物質力學性能測試分析領域，具體的說就是通過一種加工方法加工出小粒徑（毫米級）、高透明度的聚碳酸酯光彈顆粒材料，經過退火處理后即得到可以應用于巖土領域研究的實驗材料。

背景技術

巖土類顆粒物質在自然界、工程建設以及日常生活中普遍存在，其力學特性及動力響應的研究在學術界已經開展了幾十年。在過往的研究中，一般都是把巖土顆粒物質假設成連續體進行分析，基于經典的彈塑性力學理論，人們發展了較多的巖土體宏觀力學模型，但沒有一個能全面、正確表達其應力-應變關系的本構方程。究其原因，主要是由于基于連續體的假設與巖土本身的非連續顆粒特性不符，因此基于顆粒層次的細觀研究具有重要的學術價值。眾多學者認為，進一步促進巖土力學發展和變革的關鍵在于，從顆粒尺度來重新認識這門學科。

在力學分析中，主要采用理論推導、模擬計算和實驗測試的方法。然而在當前的顆粒力學研究中，理論分析遇到極大困難，數值模擬計算因顆粒物質計算量超大和只能模擬單一形狀的顆粒而無法有效的應用于理論研究和工程實踐中。因此實驗測試就顯得尤為重要，或者說是現階段最適用的手段。

光彈實驗法作為力學性能測試分析領域的一種有效實驗方法，其明顯優勢就是以直觀的條紋圖給出整場（whole?field）應力分布的信息，即表征主應力差的等差線，同時又不破壞顆粒材料的幾何結構。光彈實驗方法可能是迄今為止唯一一種可以直觀地表示出顆粒材料內力分布的實驗手段。

但是巖土材料的顆粒粒徑一般很小，比較大的砂土顆粒粒徑范圍在2mm-0.075mm，然而限于加工設備和方法的限制，光彈顆粒材料尺寸一般較大，與巖土材料顆粒粒徑相差懸殊，造成光彈實驗的結果不能有效反映巖土材料的力學響應。因此研究可以加工較小尺寸的光彈顆粒材料具有重要價值。現階段國內外尚無關于小粒徑光彈顆粒材料加工方法的報道。

發明內容

為了拓展光彈顆粒試驗在巖土顆粒力學領域的應用、克服普通光彈顆粒材料和巖土材料尺寸相差懸殊的問題，本發明的目的在于提供三種加工光彈顆粒材料的方法及消除殘余應力的退火過程，可以生產出小粒徑（毫米級）、高透明度的光彈顆粒，從細觀角度模擬巖土材料的力學性能，全方位反映顆粒的內部變化情況。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種小粒徑光彈顆粒材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

（1）將板面光滑的PC(聚碳酸酯)板沿垂直板面的方向進行切割，得到上下底面光滑的小粒徑柱狀體，由于PC板表面光滑，無需拋光即可得到透光性極好的小顆粒；

（2）將上述制備的小粒徑柱狀體經如下退火處理：

所用儀器為數控箱式電阻爐；所用傳熱介質為空氣；加熱過程為由室溫經1h加熱到60℃，經2h加熱到100℃，保溫1h，使材料內外溫度均勻，經1h加熱到110℃，保溫1h，經1h加熱到120℃，保溫1h，經1h加熱到125℃，保溫8h用于消除殘余應力；然后開始降溫，經1h降到120℃，保溫1h，經1h降到110℃，保溫1h，經1h降到100℃，保溫1h，經4h降到60℃，最后自然降到室溫，即制得小粒徑光彈顆粒材料。

所述小粒徑柱狀體為圓柱體，其底面直徑為1～5mm。

所述PC板的厚度為1～5mm。

所述PC板采用數控塑料雕刻機進行切割。

所述數控塑料雕刻機，主軸轉速24000rpm，加工精度0.1mm，工作速度1000-1500mm/min。

與現有技術相比，本發明具有如下優點：

（1）本發明提供的小粒徑光彈顆粒材料的制備方法，包括材料的切割及消除殘余應力的退火過程，其中加工成的規則顆粒粒徑最小達到1mm，和砂土接近，而且透光度可以達到80%，對于模擬巖土的力學性能、促進光彈顆粒試驗在巖土界的應用發揮關鍵作用，拓展了光彈法在顆粒力學研究中的應用；而且該方法簡單，具有更高的加工效率。

（2）由于板材料本身存在殘余應力，加工成型以后又會產生加工殘余應力，殘余應力的存在會極大影響光彈試驗的結果，因此必須采取退火的方式消除殘余應力。本發明提供了更精確的熱處理溫度和熱處理時間，能夠有效的消除產品的殘余應力；退火處理過程主要包括熱處理溫度大小變化及相應的熱處理時間，具體參見附圖。

附圖說明

圖1為本發明實施例1中PC板的切割示意平面圖。

圖2為顆粒材料退火曲線圖。

圖3是退火前有殘余應力的光彈試驗圖。

圖4是退火后消除殘余應力的光彈試驗圖。