CN117965028A - 一种激光超声物理模型用材料和模型及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光超声物理模型用材料和模型及其制备方法和应用，该制备方法包括：将硅橡胶、炭黑粉末和任选的环氧树脂混合均匀，然后与硅橡胶固化剂和任选的环氧树脂固化剂混合均匀，得到激光超声物理模型用材料。本发明激光超声物理模型用材料能压制激光超声中的面波，从而提高激光超声反射信号的信噪比；具有低速高衰减、耐灼烧、易制备的特性，符合地震物理模型表面材料的要求。
Description
技术领域
本发明属于地震物理模拟技术领域，更具体地，涉及一种激光超声物理模型用材料和模型及其制备方法和应用。
背景技术
地震物理模拟技术是在实验室内将野外的地质构造和地质体按照一定的模拟相似比制作成物理模型，并用超声波等方法对野外地震勘探方法进行模拟的一种地震模拟方法，是非常重要的一种地震正演手段。常规物理模型实验是将制作好的物理模型放在水槽中，在水槽中充注适量的水(水的含量至少将模型完全覆盖)，并将超声换能器置于水面进行数据采集。这种数据采集方式存在以下几个方面的缺陷：①数据采集过程炮点和检波点都置于水面，与模型不接触，更像是海洋数据采集，而非陆地数据采集；②超声换能器的子波形态和能量与压电晶体直径有直接的关系，压电晶体直径越大，能量越强，波形越好，但地震物理模型技术要求换能器的直径越小越好，实验中需要平衡，现今使用的换能器直径一般为10mm，仍然无法满足实验要求；③超声换能器存在振幅指向性，在数据采集过程中，远偏移距的数据振幅变化很大，现今地震数据对远偏移距的数据需求较大，实验室很难满足对远偏移距数据的模拟。
激光超声技术在探伤方面有着成熟的发展历程，其主要通过特殊装置激发激光，激光束在被测试器件表面聚焦，导致器件表面形变从而产生超声波。目前，对于激光超声机理的研究主要有热弹膨胀理论、电致伸缩理论、光击穿介质理论和汽化膨胀理论等。在物理模型实验中，炮点往往要在一个点多次激发，这就要求模型表面不能被激光损毁，从而保证可多次激发，所以需要研究热弹膨胀理论，保证在模型表面不被损毁的情况下激发高能量超声波，这就需要研究被激发材料光声转化效率、耐灼烧能力等特性，为了更好的模拟实际地层，还需要结合地震物理模型的特点，寻找合适的激光激发材料，在提高激光超声信号的信噪比的同时不损坏物理模型。通常使用表面涂层的方法提高激光超声信号的信噪比，但涂层方法主要有两个方面的限制：①涂层涂抹需要非常均匀与平整，需要严格的涂层工艺，实际操作困难；②涂层材料一般不耐灼烧，三维数据采集中几十次的数据采集会使涂层完全损坏。
激光超声技术相对于水槽实验，有着以下几个方面的优势：①非接触激发超声波可更少的减少耦合剂的影响；②可更为真实的模拟陆上地震数据采集；③对起伏地表模型进行数据采集，获得真实的复杂地表激发接收实验数据。现今激光超声技术主要基于模型表面涂层技术，但在采集三维数据时会将涂层材料损毁，此外，涂层材料往往涂抹在速度较高的模型材料上，其表面波能量很强，影响反射波的识别。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光超声物理模型用材料，在提高激光超声信号信噪比的同时，可以压制面波。本发明使用的激光超声物理模型用材料纵波速度较低、对超声波信号衰减大，符合物理模型表层材料的要求，此外，本发明通过选用硅橡胶材料，有着很好的耐灼烧能力，可保证多次激发模型表面不被损毁，进而使每次激发的超声信号在能量上或波形上的差异维持在误差允许范围内。
为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种激光超声物理模型用材料的制备方法，该制备方法包括：将硅橡胶、炭黑粉末和任选的环氧树脂混合均匀，然后与硅橡胶固化剂和任选的环氧树脂固化剂混合均匀，得到激光超声物理模型用材料。
根据本发明，优选地，所述硅橡胶、炭黑粉末和任选的环氧树脂在混合前，需要先进行预热；
所述预热优选为：将所述硅橡胶、炭黑粉末和任选的环氧树脂在40-50℃下，保温2-4h。
根据本发明，优选地，以所述硅橡胶的质量计，所述炭黑粉末的用量为3-5％，所述硅橡胶固化剂的用量为2-4％，所述环氧树脂的用量为0-75％；
当使用所述环氧树脂时，所述环氧树脂固化剂和所述环氧树脂的质量比为：0.2-0.5:1。
本发明中，当不使用环氧树脂时，即环氧树脂的用量为0时，环氧树脂固化剂的用量也为0。
根据本发明，优选地，所述硅橡胶为107硅橡胶；所述硅橡胶固化剂为107硅橡胶固化剂。
根据本发明，优选地，所述炭黑粉末的平均粒径为2000-3000目。
经过大量实验，本发明最终优选选择用107硅橡胶(如图2所示)、环氧树脂和超细炭黑粉末(如图1所示)的混合物作为激光激发的模拟材料的主要原料。其中，107硅橡胶是一种有机高分子材料，常温下是液态，具有较好的流动性，流动性随温度变化而变化，一般在40摄氏度以上时流动性较好，常温下加入专用固化剂后可在10-20小时完全固化，形成稳定的固体状态，固化后的纵波速度为1000m/s。环氧树脂也是一种高分子有机材料，常温下是液态，具有较好的流动性，流动性随温度变化而变化，一般在40摄氏度以上时流动性较好，常温下加入专用固化剂后可在10-20小时完全固化，形成稳定的固体状态，固化后的纵波速度为2600m/s。炭黑粉末，是一种无定形碳，是一种轻柔、疏松而极细的黑色粉末，表面积非常大，其在固体状态下纵波速度为2000m/s，由于其为浓黑色，对激光有较好的吸收效果，故而有着较高的光声转换效率。由于107硅橡胶和环氧树脂是液体，炭黑为粉末状固体，便可以将三者进行混合，混合固化后材料的纵波速度依据三者的添加比例而变化，当硅橡胶质量的占比多的时候，混合材料具有低速高衰减的特性，本发明中，以所述硅橡胶的质量计，所述炭黑粉末的用量为3-5％，所述环氧树脂的用量为0-75％时，速度变化范围为1500m/s-1700m/s。
本发明的激光超声物理模型用材料中，通过改变硅橡胶、环氧树脂和炭黑粉末三者的质量比，可改变最终制备的材料的面波的能量，制作出符合实际地层的模型材料。以本发明公开的上述三种材料的用量关系制备的激光超声物理模型用材料的表面波能量能够满足激光超声物理模型的使用需求。
本发明的第二方面提供上述制备方法制备的激光超声物理模型用材料。
本发明中，发明人研究发现：为了保证物理模型采集数据的质量，在使用激光超声技术时需要保证激光激发的材料具有下列特性：(1)材料耐灼烧，多次激发不会损坏材料；(2)材料纵波速度低、衰减较大，符合地震物理模型表层低速高衰减的需求；(3)激光激发材料时产生的表面波能量不能太强，反射波信噪比较高；(4)材料可塑性强，原料储存状态为液态，加入固化剂后常温可以逐渐转变成固态且在一定时间后具有较好的稳定性。(5)材料具有较好的光声转化效率，提高激光激发超声信号的能量和频带。
本发明的第三方面提供一种上述激光超声物理模型用材料在制备激光超声物理模型中的应用。
本发明的第四方面提供一种激光超声物理模型的制备方法，该制备方法包括：将上述激光超声物理模型用材料经抽真空、浇筑，得到所述激光超声物理模型。
本发明中，所述浇筑为将经过抽真空后的激光超声物理模型用材料倒入模具中进行固化。
根据本发明，优选地，所述抽真空的条件为：在-0.09～-0.1MPa的真空条件下，抽真空10-20min。
本发明的第五方面提供上述制备方法制备的激光超声物理模型。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明激光超声物理模型用材料能压制激光超声中的面波，从而提高激光超声反射信号的信噪比；具有低速高衰减、耐灼烧、易制备的特性，符合地震物理模型表面材料的要求。
(2)本发明制备的激光超声物理模型，经过实际激光超声测试，采集的单炮记录中反射波能量较大，同相轴非常清楚，同时采集了一条二维测线，经过对模型数据的处理与分析，发现偏移数据可以反映模型各层形态特征，表明本发明的材料可用于激光超声表面材料浇筑。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了3000目的炭黑粉末的原料图。
图2示出了107硅橡胶的原料图。
图3示出了根据本发明的实施例1的激光超声物理模型和激光超声单炮记录图。
图4示出了根据本发明的实施例2的激光超声物理模型和激光超声单炮记录图。
图5示出了根据本发明的实施例3的激光超声物理模型和激光超声单炮记录图。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
以下各实施例所用的107硅橡胶购自上海西利康高新技术有限公司，牌号为107；环氧树脂购自南通星辰合成材料有限公司，牌号为WSR618(E-51)；硅橡胶固化剂为107硅橡胶固化剂，购自上海西利康高新技术有限公司；环氧树脂固化剂购自奇瑞化工(湖北)有限公司，牌号为R-2269；
所用的炭黑粉末的平均粒径为3000目。
实施例1
实施步骤：(1)制作木质模具，模具大小为300mm*30mm*50mm，并对模具进行封膜；(2)称取环氧树脂500g，107硅橡胶700g，炭黑粉末30g，并将其置入恒温箱中在45摄氏度的环境中保温3小时；(3)取出三种材料并用搅拌机对其充分搅拌使之均匀混合；(4)加入250g环氧树脂固化剂和21g硅橡胶固化剂，再使用搅拌机进行充分搅拌，同时利用抽真空机在-0.09MPa的真空条件下对其进行抽真空，使混合液中溶解的气泡逸散出来；(5)抽真空约10分钟后取出混合液体，并将之倒入(1)中准备的模具中；(6)24小时后拆除模具获得激光超声物理模型；(7)对激光超声物理模型利用地震物理模拟数据采集系统进行数据采集；(8)对采集的数据进行分析和处理，数据处理结果见附图3。
实施例2
实施步骤：(1)制作木质模具，模具大小为300mm*30mm*50mm，并对模具进行封膜；(2)称取环氧树脂500g，107硅橡胶800g，炭黑粉末30g，并将其置入恒温箱中在45摄氏度的环境中保温3小时；(3)取出三种材料并用搅拌机对其充分搅拌使之均匀混合；(4)加入250g环氧树脂固化剂和24g硅橡胶固化剂，再使用搅拌机进行充分搅拌，同时利用抽真空机在-0.09MPa的真空条件下对其进行抽真空，使混合液中溶解的气泡逸散出来；(5)抽真空约10分钟后取出混合液体，并将之倒入(1)中准备的模具中；(6)24小时后拆除模具获得激光超声物理模型；(7)对激光超声物理模型利用地震物理模拟数据采集系统进行数据采集；(8)对采集的数据进行分析和处理，数据处理结果见附图4。
实施例3
实施步骤：(1)制作木质模具，模具大小为300mm*30mm*50mm，并对模具进行封膜；(2)称取107硅橡胶1000g，炭黑粉末30g，并将其置入恒温箱中在45摄氏度的环境中保温3小时；(3)取出两种材料并用搅拌机对其充分搅拌使之均匀混合；(4)加入30g硅橡胶固化剂，再使用搅拌机进行充分搅拌，同时利用抽真空机在-0.09MPa的真空条件下对其进行抽真空，使混合液中溶解的气泡逸散出来；(5)抽真空约10分钟后取出混合液体，并将之倒入(1)中准备的模具中；(6)24小时后拆除模具获得激光超声物理模型；(7)对激光超声物理模型利用地震物理模拟数据采集系统进行数据采集；(8)对采集的数据进行分析和处理，数据处理结果见附图5。
综上，通过以上实施例的数据处理结果可知：本发明制备的激光超声物理模型，经过实际激光超声测试，采集的单炮记录中反射波能量较大，同相轴非常清楚，同时采集了一条二维测线，经过对模型数据的处理与分析，发现偏移数据可以反映模型各层形态特征，表明本发明的材料可用于激光超声表面材料浇筑。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
Claims (10)
1.一种激光超声物理模型用材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括：将硅橡胶、炭黑粉末和任选的环氧树脂混合均匀，然后与硅橡胶固化剂和任选的环氧树脂固化剂混合均匀，得到激光超声物理模型用材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述硅橡胶、炭黑粉末和任选的环氧树脂在混合前，需要先进行预热；
所述预热优选为：将所述硅橡胶、炭黑粉末和任选的环氧树脂在40-50℃下，保温2-4h。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其中，以所述硅橡胶的质量计，所述炭黑粉末的用量为3-5％，所述硅橡胶固化剂的用量为2-4％，所述环氧树脂的用量为0-75％；
当使用所述环氧树脂时，所述环氧树脂固化剂和所述环氧树脂的质量比为：0.2-0.5:1。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述硅橡胶为107硅橡胶；所述硅橡胶固化剂为107硅橡胶固化剂。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述炭黑粉末的平均粒径为2000-3000目。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的制备方法制备的激光超声物理模型用材料。
7.一种权利要求6所述的激光超声物理模型用材料在制备激光超声物理模型中的应用。
8.一种激光超声物理模型的制备方法，其特征在于，该制备方法包括：将权利要求6所述的激光超声物理模型用材料经抽真空、浇筑，得到所述激光超声物理模型。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其中，所述抽真空的条件为：在-0.09～-0.1MPa的真空条件下，抽真空10-20min。
10.权利要求8或9所述的制备方法制备的激光超声物理模型。
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