CN113933122A - 三维轴对称光滑曲面内裂隙的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三维轴对称光滑曲面内裂隙的制作方法，在玻璃立方体试样中，通过激光与三角柱体制作位于试样中心位置的倾斜对称内裂隙；将预制好倾斜内裂隙的玻璃立方体试样进行全局均匀加热，加热时按固定升温速率均匀升温至T，将玻璃立方体试样冷却至室温，玻璃立方体试样中形成三维对称光滑曲面内裂隙。本发明首次提出了制作三维对称光滑曲面裂纹的方法，具有重大的里程碑意义，使用该方法制作曲面内裂隙，新生成的三维曲面裂隙的弯曲方向、弯曲程度与扩展面积可控，操作简便、成本低廉、可实现大规模生产。

Description

三维轴对称光滑曲面内裂隙的制作方法

技术领域

本发明属于岩石工程破坏预测与安全技术领域，具体涉及轴三维对称光滑曲面内裂隙的制作方法。

背景技术

岩石是典型的内部含有大量裂纹的脆性材料，在荷载作用下，裂纹扩展贯通形成断裂，是引起地震，地下洞室与边坡失稳等主要因素。岩石为三维空间体，其断裂破坏的力学机制往往存在于内部，内裂纹对岩石力学行为影响巨大，甚至起决定性作用。因此，开展内裂纹研究具有重要意义。自然界中，内裂隙不仅有平直内裂隙，更广泛的是三维曲面内裂隙。但是，至今人类都无法控制能够制作出三维曲面内裂纹。

其难点原因在于，一是玻璃是脆性材料，脆性材料的定义就是断裂具备突然性和瞬间性。极难控制断裂的速率。生活中玻璃制品一裂就是全裂或全碎，而且瞬间发生，很难说让裂多大就裂多大。二是，断裂的方向很难控制。三是不经表面去控制内部裂纹扩展的速率和方向更难。

申请人在前期研究CN107328625A中提出了在玻璃中制作内裂纹的方法，但该方法也只能做平直内裂纹，并且将裂隙的平整度作为一个特征，无法制作出三维曲面内裂纹试样，三维曲面内裂纹怎么制作，形成了裂纹研究的一个技术门槛。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的问题，提供一种基于全局温度控制耦合残余应力的原理的三维对称光滑曲面内裂隙的制作方法。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

三维对称光滑曲面内裂隙的制作方法，包括：

在玻璃立方体试样中制作位于试样中心位置的倾斜内裂隙；所述倾斜内裂隙左右对称；玻璃立方体试样内含有残余应力；

对预制好倾斜内裂隙的玻璃立方体试样进行全局加热，加热时按固定升温速率均匀升温至T，之后保温；

停止保温，将玻璃立方体试样冷却至室温，玻璃立方体试样中形成三维对称光滑曲面内裂隙。

本发明的方法，所述的全局均匀加热指：对玻璃立方体进行全方位的均匀加热，即相同的热源对玻璃立方体所有表面加热，而不是从一个表面加热。

作为一种优选的实施方式，所述倾斜内裂隙的制作方式为：

S1在玻璃立方体试样内与试样上下表面呈α倾角的平面内设计一层圆形或椭圆形点阵，记录点阵在每一个坐标点的三向坐标；点阵中心与试样中心重合，且点阵平面与试样侧面垂直；

S2在玻璃立方体上放置垫块，垫块断面为三角形；激光依次经聚焦镜、垫块入射点阵，所述垫块和玻璃立方体的材质相同；点阵平面、垫块上表面、聚焦镜三者平行；脉冲激光垂直于垫块上表面入射；垫块下表面与试样上表面贴合；

S3激光聚焦于点阵中某一点的坐标，聚焦点能量超过玻璃破坏阈值后产生一破坏点；对圆形点阵每一点采用同样的方式依次聚焦产生破坏点，产生一层破坏点阵；

S4不改变点阵中点的任何坐标，重复S3直至设计的点阵处及外边缘形成一圈与破裂面相连的整齐的裂纹扩展区，所述破裂面与裂纹扩展区组成所述倾斜内裂隙。

采用本发明的方法制作倾斜内裂隙，试样内部带有残余应力，是扭曲内裂隙的初始力，残余应力是采用本发明方法制作曲面内裂隙的必要条件。

进一步的，所述垫块和玻璃立方体之间均匀涂抹液体耦合剂。耦合剂，是无影胶，又称紫外线固化UV胶，本发明中只需要涂抹液体耦合剂，不用紫外线固化，效果比较好。也可用洗洁精代替。

进一步的，所述垫块为三角柱形垫块。

作为一种优选的实施方式，将试样放入加热装置进行全局加热；加热装置优选为烤箱。

作为一种优选的实施方式，所述制作倾斜内裂隙的步骤还包括S5，不改变点阵中点的任何坐标，重复S3直至裂纹扩展区面积得到所需尺寸。

作为一种优选的实施方式，升温速率为2~10℃/min。升温速率应确保不发生温度的骤变，目前基于器材限制，尚未发现升温速率的上限限制，但在2~10℃/min范围内均可实现曲面内裂隙的制作。

作为一种优选的实施方式，T≥制作斜内裂隙时的室温。本发明的方法中，在较低温度下就可以开始产生三维光滑曲面裂隙，不需要在强高温度环境下操作，而在较低温度下操作也使得本发明的曲面内裂隙中无Ⅲ型裂隙产生。

作为一种优选的实施方式，所述玻璃立方体试样自然冷却至室温。冷却和升温过程相似，应当避免温度骤降，应通过自然降温或其他缓慢降温的方式使玻璃立方体试样冷却。

作为一种优选的实施方式，所述玻璃立方体试样的材料为K9玻璃。K9玻璃制作的曲面内裂隙质量更高，但玻璃的选择本身并不影响曲面内裂隙的形成，利用如K3玻璃、K5玻璃也可完成曲面内裂隙的制作。

本发明提出了制作三维对称光滑曲面裂纹的方法，实现了从0到1的巨大突破，填补了此项难题的国际空白，具有重大的里程碑意义。此外，本发明的方法具有如下有益效果：

（1）全局控制、一次成型：预设好最高全局加热温度、加热速度、恒温加热时间、冷却时间，将整个试样放在烤箱中即可一次性得到所需的三维曲面裂隙，不必局部加热或着反复加工经历繁琐的手段与步骤。

（2）得到的扩展三维曲面裂隙扩展部分曲面是完全光滑的，曲面是渐变的不是突变，没有凹凸不平，曲面为一整体不是多面拼凑组成，且无Ⅲ型裂隙的产生。真正的突破了人为制造三维曲面裂隙时得到曲面平整度不够光滑、连续等一系列难题。

（3）指得到的扩展三维曲面裂隙延原裂隙倾角方向扩展的面积，长度，宽度，深度，走向均完全轴对称，即裂隙左右形态成全局轴对称。

（4）曲面内裂隙方向、弯曲程度和扩展面积可控：可通过斜裂隙角度、面积、形状等，控制残余应力分布，进而控制温度场下曲面内裂隙的弯曲方向，并可通过控制全局温度、加热时间、加热最高温度、加热速率，对新生成的三维曲面裂隙的弯曲程度与扩展面积进行调整，这是以往任何方法都解决不了的，满足了三维曲面裂隙定制的需求。

（5）该方法制作曲面内裂隙时高效可控，且操作简便、成本低廉、可大规模生产。

附图说明

图1是激光聚焦示意图。

图2是预制倾斜内裂隙的玻璃立方体试样（4cm*4cm*10cm）。

图3是新生成的曲面内裂隙示意图。

图4是曲面内裂隙的放大图。

图5是实施例3中制作的三维对称光滑曲面内裂隙（最高温度120℃下）。

图6是实施例3中三维对称光滑曲面上、下半曲线旋转重叠对比图。

图7是实施例3中不同最高温度下光滑曲面内裂隙的扩展长度变化曲线。

具体实施方式

实施例中使用的器材包括：内部预制斜裂隙的3D-ILC特制玻璃试样、坩埚、石英砂、烤箱。

实施例1

本实施例具体说明在玻璃立方体试样中制作倾斜内裂隙的方法。其中，玻璃立方体试样采用K5玻璃或K9玻璃制作，使用的三角柱垫块材料与试样必须完全相同。

所述方法包括如下步骤：

S1：在玻璃立方体试样内部中心位置倾斜于玻璃上下表面一定角度α的平面内设计一层圆形点阵，记录点阵在每一个坐标点的三向坐标。α≠0。

S2：根据所要产品内裂隙倾角的方向，计算激光入射方向、三角不规则垫块的放置角度、裂纹尖端A与顶面的关系。具体操作如下：

装置结构的布设方式如图2所示，将三角柱垫块放在玻璃立方体试样上部，其二者之间均匀涂抹液体耦合剂。

激光垂直于聚焦镜依次经聚焦镜、三角柱垫块入射S1中设计的圆形点阵，聚焦镜、三角柱垫块入射面均与玻璃立方体上下表面呈α倾角，即：保证在水平方向上聚焦镜倾角、裂隙倾角、垫块倾角三者一致，打开激光束使之照射在聚焦镜上。

对于完全对称的弯曲裂纹制作，必须遵循：

①点阵中心必须位于试样上下左右前后面的中心处，通过与各个面的距离调节非对称弯曲程度。

②必须再倾斜内裂纹中才能制作出对称的曲面裂纹，倾斜裂纹致使裂纹尖端受力不均匀，在不均匀的应力下导致出现光滑渐变弯曲生长，而与表面平行的内裂纹只会沿表面平行方向生长，无法形成曲面内裂纹。

S3：激光经聚焦镜入射进入玻璃内部，聚焦于点阵中某一点的坐标，聚焦点能量超过玻璃破坏阈值后产生一破坏点，此时激光按照设计点阵的坐标点位置依次聚焦直至设定的点全部破坏。

激光为脉冲激光，脉宽7ns，波长532nm，入射频率4kHz。

S4：不改变点阵中点的任何坐标，即必须在同一层上相同位置点处重复S2多遍（根据得到效果而定，通常在5-10次左右），直至设计的点阵处及外边缘形成一圈与破裂面相连的整齐的裂纹扩展区，所述破裂面与裂纹扩展区组成所述内裂隙。如图2所示。

实施例2

本实施例具体说明在实施例1制作的含倾斜内裂隙的玻璃立方体试样中制作曲面内裂隙的方法。（本实施例中α=60°，玻璃立方体试样尺寸40 mm×40 mm×100 mm，材质为K9玻璃）

S1：将预制好倾斜内裂隙的玻璃立方体试样放入烤箱内，将烤箱中缓慢升温至105℃，烤箱加热速度控制在4 ℃/min左右，加热至105℃后保温12小时。

热处理后，与顶面接近的裂纹尖端A弯曲方向，与激光入射方向相反。A点的弯曲角度，由α角控制（图3-4）。

S2：停止保温，将玻璃立方体从烤箱中取出后放置于室温条件下直至完全冷却，观察内部斜裂隙已经生长为三维对称光滑曲面内裂隙且成全局对称。

实施例3

本实施例具体说明不同的最高温度对曲面内裂隙的影响。

按照实施例1的方法制作40 mm×40 mm×100 mm的玻璃立方体试样，α=60°，破坏区直径8mm，扩展环直径20mm。

按照实施例2的方法对玻璃立方体试样进行加热处理，在2 ℃/min的升温速率下，分别升温至70、80、90、100、110、120℃并保温。最高温度120℃下的曲面内裂隙如图5所示，可以看出，随着内裂纹扩展，裂纹尖端倾角α逐渐减小（裂纹扩展趋于平行试样上下表面）。

将下半曲线翻转180℃后与上半曲线重叠对比，如图6所示，可以看出，内裂隙两端扩展的部分高度对称。

曲面内裂隙的扩展长度变化如图7所示。可以看出，曲面裂纹扩展长度与最高温度成正比。

Claims (10)

1.三维轴对称光滑曲面内裂隙的制作方法，其特征在于，包括：

在玻璃立方体试样中制作位于试样中心位置的倾斜内裂隙；所述倾斜内裂隙左右对称；玻璃立方体试样内含有残余应力；

对预制好倾斜内裂隙的玻璃立方体试样进行全局均匀加热，加热时按固定升温速率均匀升温至T；

将玻璃立方体试样冷却至室温，玻璃立方体试样中形成三维轴对称光滑曲面内裂隙。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述倾斜内裂隙的制作方式为：

S1在玻璃立方体试样内与试样上下表面呈α倾角的平面内设计一层圆形或椭圆形点阵，记录点阵在每一个坐标点的三向坐标；点阵中心与试样中心重合，且点阵平面与试样侧面垂直；

S2在玻璃立方体上放置垫块，垫块断面为三角形；激光依次经聚焦镜、垫块入射点阵，所述垫块和玻璃立方体的材质相同；点阵平面、垫块上表面、聚焦镜三者平行；脉冲激光垂直于垫块上表面入射；垫块下表面与试样上表面贴合；

S3激光聚焦于点阵中某一点的坐标，聚焦点能量超过玻璃破坏阈值后产生一破坏点；对圆形点阵每一点采用同样的方式依次聚焦产生破坏点，产生一层破坏点阵；

S4不改变点阵中点的任何坐标，重复S3直至设计的点阵处及外边缘形成一圈与破裂面相连的整齐的裂纹扩展区，所述破裂面与裂纹扩展区组成所述倾斜内裂隙。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述垫块和玻璃立方体之间均匀涂抹液体耦合剂。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述垫块为三角柱形垫块。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将试样放入加热装置进行全局均匀加热；加热装置优选为烤箱。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括S5，不改变点阵中点的任何坐标，重复S3直至裂纹扩展区面积得到所需尺寸。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，升温速率为2~10℃/min。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，T≥制作斜内裂隙时的室温。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述玻璃立方体试样自然冷却至室温。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述玻璃立方体试样的材料为K9玻璃。

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