CN107402151B - 一种超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法，首先脆性材料预制表面裂纹或贯穿裂纹或深埋裂纹，此时裂纹难以满足要求，然后将超声波激励头放置到脆性材料表面，超声发生仪产生超声波，超声波通过材料表面，穿透整个材料体，由于预制裂纹的存在，超声波在裂纹处力学扰动，超声波的机械振动转化为裂纹处的机械能，裂纹产生扩展开裂，开裂直至裂纹尺寸满足要求，停止超声波输入，由此得到符合尺寸要求的表面或贯穿裂纹。本发明所述的超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法，方法简单、合理，高效，操作简便，控制准确，使用经济，控制准确，且制作出的裂纹与岩石、混凝土、玻璃、陶瓷等脆性材料裂纹真实性态更加接近。

Description

一种超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法

技术领域

本发明属于脆性固体(如金属、岩石、混凝土、陶瓷)断裂力学研究及工程安全预测与评估领域，涉及一种超声激励控制脆性材料如岩石、混凝土、陶瓷、玻璃表面及贯穿裂纹尺寸的方法。

背景技术

含有内部裂纹的岩石、混凝土、陶瓷、玻璃等脆性材料断裂问题是工程界的一个基本问题，如大尺度岩石剧烈断裂会造成地震；岩石裂纹扩展直至整体断裂会引起水利、交通隧洞的塌垮事故。混凝土结构广泛存在于人类日常生活中，混凝土工程事故也和混凝土中原有裂纹扩展直至整体断裂有关。因此，脆性材料中存在的表面和贯通裂纹的扩展破坏规律一直是土木工程界关注的重要问题。

裂纹根据在材料中发生位置不同，可以分为以下三类裂纹：

表面裂纹是指，有一面是开裂至材料表面的裂纹，裂纹其余部分都在材料内部。如用刀具刺入材料，但是未刺穿，刀具拔出后形成的裂纹就是表面裂纹。

贯穿裂纹是指，有2面开裂至材料表面的裂纹，裂纹其余部分都包裹在材料内部。如用刀具刺穿材料，拔出后形成的裂纹为贯穿裂纹。

内部深埋裂纹是指存在于材料内部的裂纹，并且完全被完整材料介质包裹，未开裂至材料表面的裂纹。

研究脆性材料中的表面和贯穿裂纹扩展，首先要实现的是：在脆性材料中生成可控尺寸和形态的表面和贯穿裂纹，后续才能开展这些裂纹在外界荷载作用下的扩展直至断裂灾变研究。

但是，现有技术中，在材料体中制作可控的裂纹，实现这种类似“内科手术”而不对材料其他部位造成影响，这种技术难度极高。

此外，现在控制脆性材料表面和贯穿裂纹的技术和方法存在诸多不足：

1、传统采用刻槽法、钻孔法等在试样上制作人工缺陷，但上述人工缺陷其尺寸或形状与自然缺陷差异较大；

2、采用在试样预制部位表面划痕，用三点弯曲的加载方法生成裂纹，此方法不便于控制，容易造成裂纹处失稳，样品直接破坏，制作成功率低；

3、中国专利CN101710040A公开了一种含有表面裂纹试样制作方法，通过疲劳加载方法制作表面裂纹缺陷，虽然操作简便，但疲劳加载必然对材料除裂纹外其他部位力学性能产生影响，另外裂纹尺寸难以精确控制，样品直接破坏，制作成功率低。

因此，上述问题亟待解决。

发明内容

发明目的：为了克服以上不足，本发明提供一种超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法。

技术方案：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法，包括以下步骤：脆性材料预制表面裂纹或贯穿裂纹或贯穿裂纹(此时生成的裂纹尺寸小于实际要求的裂纹尺寸。另外，此时尺寸难以精确控制，无法满足实际裂纹尺寸要求)，将超声波激励枪放置到透明脆性材料表面，超声发生仪产生超声波，超声波通过材料表面往材料内部传输，并穿透整个材料体，由于裂纹的存在，在裂纹处产生机械振动与周围不同，从而对裂纹产生力学扰动，超声波的机械振动转化为裂纹处的机械能，裂纹尖端的机械振动作用使裂纹扩展，尺寸持续变大，直到裂纹尺寸和形态满足要求，停止超声波的输入。本发明所述的超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法，方法简单、合理，快速高效，操作简便，控制准确。使用超声波对已含表面裂纹或贯穿裂纹或深埋裂纹的材料进行接触式激励，超声波只会在裂纹处产生影响，不会对材料其他部位造成影响，使用经济，且得到裂纹与岩石、混凝土、玻璃、陶瓷等脆性材料中天然裂纹性质更加接近。

作为本发明的一种改进，上述的超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法，还包括图像采集处理系统，其中图像采集并传输给处理系统后，对图像进行数字化处理，通过前后过程图像实时对比后，依照阈值判定整个扩展过程。可以实现超声激励控制的实时监控，同时可以保证整个监控过程更加的精确，获得的数据也更加的准确。其中，数字化处理可以将图像含有每个像素点RGB数据的矩阵，通过前后照片数据对比，得到图像在一个方向上时间尺度上的每一个像素点实时变化，设置该方向上单个像素点数据差别阀值，并将这些像素点采用红色进行突显。设置图像中红色点数目阀值，当所有方向的图像中红点数目超过这一阀值时，认为裂纹开始起裂，处理系统进行自动报警。通过其中三个不同方向的图像数据进行裂纹扩展的定位，用其余一个方向的图像进行位置校核，从而实现实时、高效、准确的监测。

进一步的，上述的超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法，通过超声波能量公式控制能量的输入的大小，从而控制裂纹扩展尺寸；通过超声波输入方向控制裂纹扩展方向。通过控制超声波参数(频率、振幅、功率)，和输入时间，可控制能量的输入的大小，进而可控制扩展尺寸。通过超声波输入方向控制裂纹扩展方向，两方面达到表面裂纹尺寸的控制。

进一步的，上述的超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法，所述超声波能量公式为E＝2π²f²A²ρ，其中f为换能器发出超声波频率；A为超声波振幅；ρ为材料密度。此外，通过控制超声波输入的启停，还能控制超声波输入的时间长短。

进一步的，上述的超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法，所述f的范围为20-100kHz，A的范围为30-200μm。

进一步的，上述的超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法，所述脆性材料预制表面裂纹或贯穿裂纹或深埋裂纹的方法，包括以下步骤：取一完整透明脆性材料，选定预制裂纹的位置；通过透镜聚焦激光，所述激光的能量密度在进入透明脆性材料及到达预制裂纹的位置之前低于透明脆性材料的破坏阈值，在预制裂纹的位置超过透明脆性材料的破坏阈值；激光脉冲使透明脆性材料受热破裂，在预制裂纹的位置覆盖区域产生一破裂点；重复上述过程，在所述覆盖区域内形成由一组破裂点组成的破裂面，同时破裂面外边缘形成一圈整齐的裂纹扩展区并与所述破裂面相连，得所述表面裂纹或贯穿裂纹或深埋裂纹，而透明脆性材料的其余部分保持原样。此时制作出的裂纹的尺寸小于目标尺寸(即激光做出的裂纹小于目标尺寸，通过超声激励后将其扩展变大，达到尺寸)，且难以精确控制，无法精确满足要求。透明脆性材料预制表面裂纹或贯穿裂纹或深埋裂纹的方法合理，

主要原理是首先在选定预制裂纹处利用激光形成单个破裂点；在单个破裂点周围不断入射脉冲激光能量，这些能量的持续输入，一方面不断制造破裂点，另一方面会对先制作的破裂点发生热力学作用造成其不断损伤扩展，最终连成一个破裂面；最外围破裂点，其外边缘无破裂点，会在热力学作用下往外边缘方向扩展而形成一个大的扩展区(环面)；扩展面与破裂面一起组成了表面裂纹或贯穿裂纹或深埋裂纹。此外，预制裂纹快速高效，制作在1小时之内可完成，且在常温环境下就可以实现，可以高真实性地在透明脆性材料上生成裂纹，得到的裂隙可以是一个平整面，仅是一个面上，方向一致，整体性很强。并且，无其他多余裂隙，边缘整齐，试件完整无破坏，且能够制作真实裂纹，不受材料形状限制。此外，试件透明度高，脆性度高。

上述脆性材料预制表面裂纹或贯穿裂纹或深埋裂纹的方法的过程包括以下几个阶段：

(1)当入射激光通过透镜在介质内聚焦等方式，聚焦处激光能量密度达到一定阈值时(与材料相关)，此时，介质在激光作用下，中性分子出现轴向非线性电离现象。电离作用造成焦点部位的介质中性分子电离形成等离子体，即由原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，尺度大于德拜长度的宏观电中性电离气体，常被视为是固、液、气外，物质存在的第四态。电离作用往往和激光前进方向相反，形成等离子体通道。

(2)聚焦部位介质转化生成的等离子体和激光作用，等离子体发生非线性逆韧致吸收作用，激光能吸被等离子体强烈吸收转变为大量的热能和化学能，称之为激光能量沉积。同时，激光无法继续透射，对后面介质产生屏蔽效应。部分透射后，出现激光脉冲强度降低，波形畸变等。除此之外，介质对激光的本征吸收也产生了热效应。

(3)逆韧致吸收产生的大量能量，造成局部高温高压，引起应力致使高脆性介质在聚焦处破裂甚至微爆、熔融成为此处发生的现象之一，或称为“电介质击穿”，形成破裂点。破裂往往和等离子体通道或激光入射方向垂直。

进一步的，上述的脆性材料预制表面裂纹或贯穿裂纹或深埋裂纹的方法，所述激光波长为532nm或1064nm，脉宽为1-30ns，脉冲能量为1-300mJ；所述破裂点大小为5-80μm；所述破裂点的水平距离0.005-0.1mm，垂直距离0.06-0.1mm；所述破裂面的层数为3-10层。应用条件要求低，应用方便。其中，对于形成破坏点的激光能量，在宏观上称之为介质“破坏阈值”，现阶段指标包括“能量密度”、“光束强度”等。根据激光参数及作用时间不同，伴随出现的还有很多光电化学现象包括光致变色、光致晶化、相变、等离子通道、折射率变化等。5-80μm的破裂点视觉上可辨别，为一“白点”。

进一步的，上述的超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法，所述透明脆性材料包括人工水晶、玻璃。本发明所述的超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法，可以推广使用到所有的透明脆性材料上，适应性好，应用成本低，应用前景广阔。

作为本发明的一种改进，上述的超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法，所述透明脆性材料按照重量组分计，包括以下组分：

作为本发明的一种改进，上述透明脆性材料性质更加接近真实岩石，结果的可信度更高，可以更优的模拟裂纹，并且组分合理，制备的透明脆性材料脆性度可达到1/16-1/25。

作为本发明的一种优选方式，上述的超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法，所述透明脆性材料按照重量组分计，包括以下组分：

作为本发明的一种优选方式，上述条件下效果最优。

进一步的，上述的超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法，所述透明脆性材料的制备工艺，包括以下步骤：

1)将纳米二氧化硅溶解在甲苯和水溶液中，混合均匀后加入甲基丙烯酸-3-甲氧基硅丙酯，40℃下磁力搅拌24h，备用；

2)将三烯丙基异三聚氰酸酯溶解在去离子水中，在搅拌的条件下，逐滴滴加步骤1)中所得分散液，滴加完成后，搅拌20-40min后，在超声波细胞粉碎仪中超声30-50min，备用；

3)将步骤2)中制备的混合物倒入反应釜中，搅拌并通入氮气保护，逐滴滴加聚乙烯醇，升温至到50-100℃，反应4-6h后，降温后经铜网过滤出料，经过乙醇洗涤、抽滤后的产物在真空烘箱中烘干，备用；

4)将步骤3)中所得的产物和研磨后的石英砂、硼酸、碳酸钡、碳酸钙、碳酸锌、碳酸钠、白云母粉，锆英砂、三氧化二砷、二氧化钛、氧化镧，充分混和均匀后倒入石英坩埚内，置于能够精确控温的硅钼棒电炉中熔制，1250-1500℃熔融，1300-1600℃高温澄清，熔制结束后倒出玻璃液，通过模具成型；将得到的成型品放入硅碳棒电炉中，520℃保温180min，以2℃/min的降温速率降温至300℃，300℃保温60min，以5℃/min的降温速率降温至50℃，关炉，自然冷却至室温，得所述透明脆性材料。

透明脆性材料的制备工艺，方法合理，制备周期短，可以进行大规模应用。

本发明还提供一种超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法的应用，所述超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法应用于研究预制裂纹扩展及破坏的岩石实验研究中。可以真实研究制裂纹扩展及破坏，为该领域科研研究提供了一种应用成本低、实验条件温和的方法，并且研究结果与实际过程接近度高，具有极高的应用价值。此外，本发明所述的超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法还能够应用于混凝土、陶瓷、玻璃的实验研究中。可专门应用于工程断裂力学领域中，内部含有裂纹的材料，在各种自然环境下造成的灾害研究。如：内部裂纹扩展造成的钢材低应力脆断，进而导致的航空航天、国防尖端产品爆炸；深部岩石内部裂纹在板壳挤压下的剧烈断裂造成了地震、隧洞事故；金属、混凝土内部裂纹扩展造成工程坍塌、桥梁破坏等事故；内部缺陷和裂纹造成的损害很大，我国古语“千里之堤，溃于蚁穴”、“墙之崩隤，必因其隙”也包含这个思想。而断裂力学是专门研究含裂纹或缺陷材料的强度和裂纹扩展规律的科学。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明所述的超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法，方法简单、合理，快速高效，操作简便，控制准确，与岩石、混凝土、陶瓷等脆性材料中真实裂纹更加接近，在常温环境下就可以实现，可以进行大规模应用，适应性好，具有极高的推广价值。对于土木等工程断裂力学和工程安全研究具有重要意义。

附图说明

图1为本发明所述的超声激励控制脆性材料表面裂纹尺寸的方法的流程示意图；

图2为本发明所述的超声激励控制脆性材料贯穿裂纹尺寸的方法的流程示意图；

图3为本发明所述的图像采集处理系统的工作流程示意图；

图4为本发明所述的超声激励控制脆性材料表面裂纹尺寸前的实物图；

图5为本发明所述的超声激励控制脆性材料表面裂纹尺寸后一个角度的实物图；

图6为本发明所述的超声激励控制脆性材料表面裂纹尺寸后另一个角度的实物图；

图7为本发明所述的超声激励控制脆性材料贯穿裂纹尺寸前的实物图；

图8为本发明所述的超声激励控制脆性材料贯穿裂纹尺寸后一个角度的实物图；

图9为本发明所述的超声激励控制脆性材料贯穿裂纹尺寸后另一个角度的实物图。

具体实施方式

下面将通过几个具体实施例，进一步阐明本发明，这些实施例只是为了说明问题，并不是一种限制。

实施例1

一种如图1所示的超声激励控制脆性材料表面裂纹尺寸的方法，包括以下步骤：

如图4所示，取一完整透明人工水晶，选定预制裂纹的位置；通过透镜聚焦激光，所述激光的能量密度在进入人工水晶及到达预制裂纹的位置之前低于人工水晶的破坏阈值，在预制裂纹的位置超过人工水晶的破坏阈值；激光脉冲使人工水晶受热破裂，在预制裂纹的位置覆盖区域产生一破裂点；重复上述过程，在所述覆盖区域内形成由一组破裂点组成的破裂面，同时破裂面外边缘形成一圈整齐的裂纹扩展区并与所述破裂面相连，得所述深埋裂纹，而人工水晶的其余部分保持原样。其中，所述激光波长为532nm，脉宽为1ns，脉冲能量为1mJ。所述破裂点大小为5μm，所述破裂点的水平距离0.005mm，垂直距离0.06mm，且破裂面的层数为3层。

进一步的，将超声波激励枪放置到人工水晶表面，超声发生仪产生超声波，超声波通过材料表面往材料内部传输，并穿透整个材料体，超声波穿过裂纹时由于裂纹处与两侧存在介质过渡，在裂纹处产生机械振动与周围不同，从而对裂纹产生力学扰动，超声波的机械振动转化为裂纹处的机械能，裂纹尖端的机械振动作用使裂纹扩展，直至得到尺寸满足要求的裂纹，如图5-6所示，得到符合要求的表面裂纹，停止超声波输入。其中，通过超声波能量公式控制能量的输入的大小，从而控制裂纹扩展尺寸；所述超声波能量公式为E＝2π²f²A²ρ，其中f为换能器发出超声波频率；A为超声波振幅；ρ为材料密度，在本实施例中，所述f的为20kHz，A为30μm。同时，通过超声波输入方向控制裂纹扩展方向，可以控制裂纹在水平方向和垂直方向扩展的长度。

实施例2：

一种如图2所示的超声激励控制脆性材料贯穿裂纹尺寸的方法，包括以下步骤：

如图7所示，取一完整透明人工水晶，选定预制裂纹的位置，通过透镜聚焦激光，所述激光的能量密度在进入人工水晶及到达预制裂纹的位置之前低于人工水晶的破坏阈值，在预制裂纹的位置超过人工水晶的破坏阈值；激光脉冲使人工水晶受热破裂，在预制裂纹的位置覆盖区域产生一破裂点；重复上述过程，在所述覆盖区域内形成由一组破裂点组成的破裂面，同时破裂面外边缘形成一圈整齐的裂纹扩展区并与所述破裂面相连，得所述深埋裂纹，而人工水晶的其余部分保持原样。其中，所述激光波长为1064nm，脉宽为30ns，脉冲能量为300mJ。所述破裂点大小为80μm，所述破裂点的水平距离0.1mm，垂直距离0.1mm，且破裂面的层数为10层。

进一步的，将超声波激励枪放置到人工水晶表面，超声发生仪产生超声波，超声波通过材料表面往材料内部传输，并穿透整个材料体，超声波穿过裂纹时由于裂纹处与两侧存在介质过渡，在裂纹处产生机械振动与周围不同，从而对裂纹产生力学扰动，超声波的机械振动转化为裂纹处的机械能，裂纹尖端的机械振动作用使裂纹扩展，直到裂纹开裂至满足的尺寸要求，如图8-9所示，深埋裂纹在超声波控制下，只在一个维度上扩展至表面，得到贯穿裂纹，停止超声波输入。其中，通过超声波能量公式控制能量的输入的大小，从而控制裂纹扩展尺寸；所述超声波能量公式为E＝2π²f²A²ρ，其中f为换能器发出超声波频率；A为超声波振幅；ρ为材料密度；在本实施例中，所述f的为80kHz，A的为200μm。同时，通过超声波输入方向控制裂纹扩展方向，可以控制裂纹在水平方向和垂直方向扩展的长度。

与此同时，如图3所示，还包括图像采集处理系统，其中图像采集并传输给处理系统后，对图像进行数字化处理，将图像含有每个像素点RGB数据的矩阵，通过前后照片数据对比，得到图像在一个方向上时间尺度上的每一个像素点实时变化，设置该方向上单个像素点数据差别阀值，并将这些像素点采用红色进行突显。设置图像中红色点数目阀值，当所有方向的图像中红点数目超过这一阀值时，认为裂纹开始起裂，处理系统进行自动报警。通过其中三个不同方向的图像数据进行裂纹扩展的定位，用其余一个方向的图像进行位置校核，从而实现实时、高效、准确的监测。

实施例3

一种如图1所示的超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法，包括以下步骤：

在透明脆性材料预制表面裂纹，取一完整透明脆性材料，选定预制裂纹的位置；通过透镜聚焦激光，所述激光的能量密度在进入透明脆性材料及到达预制裂纹的位置之前低于透明脆性材料的破坏阈值，在预制裂纹的位置超过透明脆性材料的破坏阈值；激光脉冲使透明脆性材料受热破裂，在预制裂纹的位置覆盖区域产生一破裂点；重复上述过程，在所述覆盖区域内形成由一组破裂点组成的破裂面，同时破裂面外边缘形成一圈整齐的裂纹扩展区并与所述破裂面相连，得所述表面裂纹，而透明脆性材料的其余部分保持原样。其中，所述激光波长为532nm，脉宽为25ns，脉冲能量为160mJ。所述破裂点大小为40μm，所述破裂点的水平距离0.05mm，垂直距离0.08mm，且破裂面的层数为7层。

上述的透明脆性材料按照重量组分计，包括以下组分：

所述透明脆性材料的制备工艺，包括以下步骤：

1)将纳米二氧化硅溶解在甲苯和水溶液中，混合均匀后加入甲基丙烯酸-3-甲氧基硅丙酯，40℃下磁力搅拌24h，备用；

2)将三烯丙基异三聚氰酸酯溶解在去离子水中，在搅拌的条件下，逐滴滴加步骤1)中所得分散液，滴加完成后，搅拌20min后，在超声波细胞粉碎仪中超声30min，备用；

3)将步骤2)中制备的混合物倒入反应釜中，搅拌并通入氮气保护，逐滴滴加聚乙烯醇，升温至到50℃，反应4h后，降温后经铜网过滤出料，经过乙醇洗涤、抽滤后的产物在真空烘箱中烘干，备用；

4)将步骤3)中所得的产物和研磨后的石英砂、硼酸、碳酸钡、碳酸钙、碳酸锌、碳酸钠、白云母粉，锆英砂、三氧化二砷、二氧化钛、氧化镧，充分混和均匀后倒入石英坩埚内，置于能够精确控温的硅钼棒电炉中熔制，1250℃熔融，1300℃高温澄清，熔制结束后倒出玻璃液，通过模具成型；将得到的成型品放入硅碳棒电炉中，520℃保温180min，以2℃/min的降温速率降温至300℃，300℃保温60min，以5℃/min的降温速率降温至50℃，关炉，自然冷却至室温，得所述透明脆性材料。

进一步的，将超声波激励枪放置到透明脆性材料表面，超声发生仪产生超声波，超声波通过材料表面往材料内部传输，并穿透整个材料体，超声波穿过裂纹时由于裂纹处与两侧存在介质过渡，在裂纹处产生机械振动与周围不同，从而对裂纹产生力学扰动，超声波的机械振动转化为裂纹处的机械能，裂纹尖端的机械振动作用使裂纹扩展。裂纹尺寸开展到满足要求时，停止超声波输入。其中，通过超声波能量公式控制能量的输入的大小，从而控制裂纹扩展尺寸；所述超声波能量公式为E＝2π²f²A²ρ，其中f为换能器发出超声波频率；A为超声波振幅；ρ为材料密度，在本实施例中，所述f的为30kHz，A的为40μm。同时，通过超声波输入方向控制裂纹扩展方向，可以控制裂纹在水平方向和垂直方向扩展的长度。

实施例4

在本实施例中，所述透明脆性材料按照重量组分计，包括以下组分：

所述透明脆性材料的制备工艺，包括以下步骤：

1)将纳米二氧化硅溶解在甲苯和水溶液中，混合均匀后加入甲基丙烯酸-3-甲氧基硅丙酯，40℃下磁力搅拌24h，备用；

2)将三烯丙基异三聚氰酸酯溶解在去离子水中，在搅拌的条件下，逐滴滴加步骤1)中所得分散液，滴加完成后，搅拌40min后，在超声波细胞粉碎仪中超声50min，备用；

3)将步骤2)中制备的混合物倒入反应釜中，搅拌并通入氮气保护，逐滴滴加聚乙烯醇，升温至到100℃，反应6h后，降温后经铜网过滤出料，经过乙醇洗涤、抽滤后的产物在真空烘箱中烘干，备用；

4)将步骤3)中所得的产物和研磨后的石英砂、硼酸、碳酸钡、碳酸钙、碳酸锌、碳酸钠、白云母粉，锆英砂、三氧化二砷、二氧化钛、氧化镧，充分混和均匀后倒入石英坩埚内，置于能够精确控温的硅钼棒电炉中熔制，1500℃熔融，1600℃高温澄清，熔制结束后倒出玻璃液，通过模具成型；将得到的成型品放入硅碳棒电炉中，520℃保温180min，以2℃/min的降温速率降温至300℃，300℃保温60min，以5℃/min的降温速率降温至50℃，关炉，自然冷却至室温，得所述透明脆性材料。

其余同实施例3。

实施例5

在本实施例中，所透明脆性材料按照重量组分计，包括以下组分：

所述透明脆性材料的制备工艺，包括以下步骤：

1)将纳米二氧化硅溶解在甲苯和水溶液中，混合均匀后加入甲基丙烯酸-3-甲氧基硅丙酯，40℃下磁力搅拌24h，备用；

2)将三烯丙基异三聚氰酸酯溶解在去离子水中，在搅拌的条件下，逐滴滴加步骤1)中所得分散液，滴加完成后，搅拌30min后，在超声波细胞粉碎仪中超声40min，备用；

3)将步骤2)中制备的混合物倒入反应釜中，搅拌并通入氮气保护，逐滴滴加聚乙烯醇，升温至到80℃，反应5h后，降温后经铜网过滤出料，经过乙醇洗涤、抽滤后的产物在真空烘箱中烘干，备用；

4)将步骤3)中所得的产物和研磨后的石英砂、硼酸、碳酸钡、碳酸钙、碳酸锌、碳酸钠、白云母粉，锆英砂、三氧化二砷、二氧化钛、氧化镧，充分混和均匀后倒入石英坩埚内，置于能够精确控温的硅钼棒电炉中熔制，1400℃熔融，1500℃高温澄清，熔制结束后倒出玻璃液，通过模具成型；将得到的成型品放入硅碳棒电炉中，520℃保温180min，以2℃/min的降温速率降温至300℃，300℃保温60min，以5℃/min的降温速率降温至50℃，关炉，自然冷却至室温，得所述透明脆性材料。

其余同实施例3。

上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法，其特征在于：包括以下步骤：脆性材料预制表面裂纹或贯穿裂纹或深埋裂纹，超声波通过材料表面穿透整个材料，经过裂纹时，超声波的机械振动转化为裂纹处的机械能，裂纹尖端的机械振动使裂纹扩展，直到扩展到尺寸符合要求的表面裂纹或贯穿裂纹，停止超声波输入；

所述脆性材料预制表面裂纹或贯穿裂纹或深埋裂纹的方法，包括以下步骤：取一完整透明脆性材料，选定预制裂纹的位置；通过透镜聚焦激光，所述激光的能量密度在进入透明脆性材料及到达预制裂纹的位置之前低于透明脆性材料的破坏阈值，在预制裂纹的位置超过透明脆性材料的破坏阈值；激光脉冲使透明脆性材料受热破裂，在预制裂纹的位置覆盖区域产生一破裂点；重复上述过程，在所述覆盖区域内形成由一组破裂点组成的破裂面，同时破裂面外边缘形成一圈整齐的裂纹扩展区并与所述破裂面相连，得所述表面裂纹或贯穿裂纹或深埋裂纹，而透明脆性材料的其余部分保持原样。

2.根据权利要求1所述的超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法，其特征在于：通过超声波能量公式控制能量的输入的大小，从而控制裂纹扩展尺寸；通过超声波输入方向控制裂纹扩展方向。

3.根据权利要求2所述的超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法，其特征在于：所述超声波能量公式为E＝2π²f²A²ρ，其中f为换能器发出超声波频率；A为超声波振幅；ρ为材料密度。

4.根据权利要求3所述的超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法，其特征在于：所述超声波频率f的范围为20-100kHz，超声波振幅A的范围为30-200μm。

5.根据权利要求1所述的超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法，其特征在于：所述激光波长为532nm或1064nm，脉宽为1-30ns，脉冲能量为1-300mJ；所述破裂点大小为5-80μm；所述破裂点的水平距离0.005-0.1mm，垂直距离0.06-0.1mm；所述破裂面的层数为3-10层。

6.根据权利要求1所述的超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法，其特征在于：所述透明脆性材料包括人工水晶、玻璃。

7.根据权利要求1所述的超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法，其特征在于：所述透明脆性材料按照重量组分计，包括以下组分：

8.根据权利要求7所述的超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法，其特征在于：所述透明脆性材料的制备工艺，包括以下步骤：

1)将纳米二氧化硅溶解在甲苯和水溶液中，混合均匀后加入甲基丙烯酸-3-甲氧基硅丙酯，40℃下磁力搅拌24h，备用；

2)将三烯丙基异三聚氰酸酯溶解在去离子水中，在搅拌的条件下，逐滴滴加步骤1)中所得分散液，滴加完成后，搅拌20-40min后，在超声波细胞粉碎仪中超声30-50min，备用；

3)将步骤2)中制备的混合物倒入反应釜中，搅拌并通入氮气保护，逐滴滴加聚乙烯醇，升温至到50-100℃，反应4-6h后，降温后经铜网过滤出料，经过乙醇洗涤、抽滤后的产物在真空烘箱中烘干，备用；

4)将步骤3)中所得的产物和研磨后的石英砂、硼酸、碳酸钡、碳酸钙、碳酸锌、碳酸钠、白云母粉，锆英砂、三氧化二砷、二氧化钛、氧化镧，充分混和均匀后倒入石英坩埚内，置于硅钼棒电炉中熔制，1250-1500℃熔融，1300-1600℃高温澄清，熔制结束后倒出玻璃液，通过模具成型；将得到的成型品放入硅碳棒电炉中，520℃保温180min，以2℃/min的降温速率降温至300℃，300℃保温60min，以5℃/min的降温速率降温至50℃，关炉，自然冷却至室温，得所述透明脆性材料。

9.一种根据权利要求1-8任一项所述的超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法的应用，其特征在于：所述超声激励控制脆性材料表面及贯穿裂纹尺寸的方法应用于研究预制裂纹扩展及破坏的岩石、混凝土、玻璃、陶瓷实验研究中。

Images