一種小粒徑光彈顆粒材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種小粒徑光彈顆粒材料及其制備方法，包括如下步驟：（1）將板面光滑的PC板沿垂直板面的方向進(jìn)行切割，得到上下底面光滑的小粒徑柱狀體；（2）將上述制備的小粒徑柱狀體經(jīng)退火處理，最后自然降到室溫，即制得小粒徑光彈顆粒材料。本發(fā)明方法包括材料的切割及消除殘余應(yīng)力的退火過(guò)程，其中加工成的規(guī)則顆粒粒徑最小達(dá)到1mm，和砂土接近，而且5mm厚時(shí)透光度可以達(dá)到80%，對(duì)于模擬巖土顆粒內(nèi)部的力學(xué)性能、促進(jìn)光彈顆粒試驗(yàn)在巖土領(lǐng)域基本理論的研究方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，拓展了光彈法在顆粒力學(xué)研究中的應(yīng)用；而且該方法簡(jiǎn)單，通過(guò)電腦控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，具有更高的加工效率。
【專利說(shuō)明】一種小粒徑光彈顆粒材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及顆粒物質(zhì)力學(xué)性能測(cè)試分析領(lǐng)域，具體的說(shuō)就是通過(guò)一種加工方法加工出小粒徑(毫米級(jí))、高透明度的聚碳酸酯光彈顆粒材料，經(jīng)過(guò)退火處理后即得到可以應(yīng)用于巖土領(lǐng)域研究的實(shí)驗(yàn)材料。
【背景技術(shù)】
[0002]巖土類顆粒物質(zhì)在自然界、工程建設(shè)以及日常生活中普遍存在，其力學(xué)特性及動(dòng)力響應(yīng)的研究在學(xué)術(shù)界已經(jīng)開(kāi)展了幾十年。在過(guò)往的研究中，一般都是把巖土顆粒物質(zhì)假設(shè)成連續(xù)體進(jìn)行分析，基于經(jīng)典的彈塑性力學(xué)理論，人們發(fā)展了較多的巖土體宏觀力學(xué)模型，但沒(méi)有一個(gè)能全面、正確表達(dá)其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的本構(gòu)方程。究其原因，主要是由于基于連續(xù)體的假設(shè)與巖土本身的非連續(xù)顆粒特性不符，因此基于顆粒層次的細(xì)觀研究具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。眾多學(xué)者認(rèn)為，進(jìn)一步促進(jìn)巖土力學(xué)發(fā)展和變革的關(guān)鍵在于，從顆粒尺度來(lái)重新認(rèn)識(shí)這門學(xué)科。
[0003]在力學(xué)分析中，主要采用理論推導(dǎo)、模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法。然而在當(dāng)前的顆粒力學(xué)研究中，理論分析遇到極大困難，數(shù)值模擬計(jì)算因顆粒物質(zhì)計(jì)算量超大和只能模擬單一形狀的顆粒而無(wú)法有效的應(yīng)用于理論研究和工程實(shí)踐中。因此實(shí)驗(yàn)測(cè)試就顯得尤為重要，或者說(shuō)是現(xiàn)階段最適用的手段。
[0004]光彈實(shí)驗(yàn)法作為力學(xué)性能測(cè)試分析領(lǐng)域的一種有效實(shí)驗(yàn)方法，其明顯優(yōu)勢(shì)就是以直觀的條紋圖給出整場(chǎng)(whole field)應(yīng)力分布的信息，即表征主應(yīng)力差的等差線，同時(shí)又不破壞顆粒材料的幾何結(jié)構(gòu)。光彈實(shí)驗(yàn)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(nèi)力分布的實(shí)驗(yàn)手段。
[0005]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(shè)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(shí)驗(yàn)的結(jié)果不能有效反映巖土材料的力學(xué)響應(yīng)。因此研究可以加工較小尺寸的光彈顆粒材料具有重要價(jià)值。現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外尚無(wú)關(guān)于小粒徑光彈顆粒材料加工方法的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了拓展光彈顆粒試驗(yàn)在巖土顆粒力學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用、克服普通光彈顆粒材料和巖土材料尺寸相差懸殊的問(wèn)題，本發(fā)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(yīng)力的退火過(guò)程，可以生產(chǎn)出小粒徑(毫米級(jí))、高透明度的光彈顆粒，從細(xì)觀角度模擬巖土材料的力學(xué)性能，全方位反映顆粒的內(nèi)部變化情況。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0008]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:
[0009]( I)將板面光滑的PC (聚碳酸酯)板沿垂直板面的方向進(jìn)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(wú)需拋光即可得到透光性極好的小顆粒；[0010](2)將上述制備的小粒徑柱狀體經(jīng)如下退火處理:
[0011]所用儀器為數(shù)控箱式電阻爐；所用傳熱介質(zhì)為空氣；加熱過(guò)程為由室溫經(jīng)Ih加熱到600C，經(jīng)2h加熱至Ij IOO0C，保溫Ih,使材料內(nèi)外溫度均勻，經(jīng)Ih加熱到110°C，保溫Ih,經(jīng)Ih加熱到120°C，保溫lh，經(jīng)Ih加熱到125°C，保溫8h用于消除殘余應(yīng)力；然后開(kāi)始降溫，經(jīng)Ih降到120°C，保溫lh，經(jīng)Ih降到110°C，保溫lh，經(jīng)Ih降到100°C，保溫lh，經(jīng)4h降到60°C，最后自然降到室溫，即制得小粒徑光彈顆粒材料。
[0012]所述小粒徑柱狀體為圓柱體，其底面直徑為I?5mm。
[0013]所述PC板的厚度為I?5mm。
[0014]所述PC板采用數(shù)控塑料雕刻機(jī)進(jìn)行切割。
[0015]所述數(shù)控塑料雕刻機(jī)，主軸轉(zhuǎn)速24000rpm，加工精度0.1mm，工作速度1000-1500mm/min。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0017](I)本發(fā)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(yīng)力的退火過(guò)程，其中加工成的規(guī)則顆粒粒徑最小達(dá)到1_，和砂土接近，而且透光度可以達(dá)到80%，對(duì)于模擬巖土的力學(xué)性能、促進(jìn)光彈顆粒試驗(yàn)在巖土界的應(yīng)用發(fā)揮關(guān)鍵作用，拓展了光彈法在顆粒力學(xué)研究中的應(yīng)用；而且該方法簡(jiǎn)單，具有更高的加工效率。
[0018](2)由于板材料本身存在殘余應(yīng)力，加工成型以后又會(huì)產(chǎn)生加工殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力的存在會(huì)極大影響光彈試驗(yàn)的結(jié)果，因此必須采取退火的方式消除殘余應(yīng)力。本發(fā)明提供了更精確的熱處理溫度和熱處理時(shí)間，能夠有效的消除產(chǎn)品的殘余應(yīng)力；退火處理過(guò)程主要包括熱處理溫度大小變化及相應(yīng)的熱處理時(shí)間，具體參見(jiàn)附圖。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中PC板的切割示意平面圖。
[0020]圖2為顆粒材料退火曲線圖。
[0021]圖3是退火如有殘余應(yīng)力的光彈試驗(yàn)圖。
[0022]圖4是退火后消除殘余應(yīng)力的光彈試驗(yàn)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步具體詳細(xì)描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此，對(duì)于未特別注明的工藝參數(shù)，可參照常規(guī)技術(shù)進(jìn)行。
[0024]實(shí)施例1
[0025]首先將PC板3固定在數(shù)控塑料雕刻機(jī)加工平臺(tái)上，PC板的厚度為5mm (可以選擇其他任何厚度)；根據(jù)顆粒直徑和PC板的大小，在電腦上繪制顆粒加工布置圖，如圖1、2所示；將轉(zhuǎn)刀貼在PC板上，調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速為24000rpm，移動(dòng)速度100mm/min，然后啟動(dòng)機(jī)器按布置圖設(shè)計(jì)進(jìn)行切割；由于光彈實(shí)驗(yàn)時(shí)，光的傳播方向沿著PC板的法線方向，與切割面4平行，因此切割造成的粗糙不透明面不影響光的傳播，不需拋光即可以得到高透明度(透光度80%)的小粒徑光彈顆粒。
[0026]消除殘余應(yīng)力的測(cè)試
[0027]整個(gè)試驗(yàn)的原理為:當(dāng)顆粒受力的時(shí)候，亮度的大小代表應(yīng)力的大小，當(dāng)有殘余應(yīng)力存在時(shí)，顆粒本來(lái)就是亮的，因此會(huì)影響到應(yīng)力的測(cè)試。如圖3、4所示，圖3帶有明顯的亮度，而圖4的亮度基本消除，由此可見(jiàn)，本發(fā)明的退火處理能夠有效的消除產(chǎn)品的殘余應(yīng)力。
【權(quán)利要求】
1.一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板沿垂直板面的方向進(jìn)行切割，得到上下底面光滑的小粒徑柱狀體； (2)將上述制備的小粒徑柱狀體經(jīng)如下退火處理:所用儀器為數(shù)控箱式電阻爐；所用傳熱介質(zhì)為空氣；加熱過(guò)程為由室溫經(jīng)Ih加熱到60°C，經(jīng)2h加熱到100°C，保溫lh，使材料內(nèi)外溫度均勻，經(jīng)Ih加熱到110°C，保溫lh，經(jīng)Ih加熱到120°C，保溫lh，經(jīng)Ih加熱到125°C，保溫8h用于消除殘余應(yīng)力；然后開(kāi)始降溫，經(jīng)Ih降到120°C，保溫lh，經(jīng)Ih降到IlO0C，保溫Ih,經(jīng)Ih降到IOO0C，保溫Ih,經(jīng)4h降到600C，最后自然降到室溫，即制得小粒徑光彈顆粒材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述小粒徑柱狀體為圓柱體，其底面直徑為I?5mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述PC板的厚度為I?5mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的制備方法，其特征在于，所述PC板采用數(shù)控塑料雕刻機(jī)進(jìn)行切割。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述數(shù)控塑料雕刻機(jī)，主軸轉(zhuǎn)速24000rpm,加工精度 0.1mm,工作速度 1000-1500mm/min。
6.根據(jù)權(quán)利要求1?5任意一項(xiàng)方法制備的小粒徑光彈顆粒材料。
【文檔編號(hào)】G01N1/28GK103698182SQ201310711774
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月20日
【發(fā)明者】侯明勛, 谷任國(guó), 房營(yíng)光, 陳平 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)