CN107328625B - 一种模拟岩石内部三维封闭紧贴裂纹的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模拟岩石内部三维封闭紧贴裂纹的方法，取一完整透明材料，在内部选定预制裂纹位置与范围；通过透镜将激光聚焦于上述位置，聚焦时激光能量超过材料的破坏阈值，使该位置产生一破裂点；重复上述过程，在破裂点周围聚焦激光产生一组破裂点；激光能量的不断输入，同时造成先产生的破裂点持续损伤扩展而连接形成破裂面；同时随能量输入，最***破裂点朝外边缘持续损伤扩展，形成一圈整齐的裂纹扩展区（环面）并与所述破裂面相连，在预制裂纹的位置形成三维封闭紧贴裂纹，而透明材料的其余部分保持原样。该方法合理，快速高效，无其他多余裂隙，边缘整齐，试件完整无破坏，与岩石材料的性质接近，仿真度高。

Description

一种模拟岩石内部三维封闭紧贴裂纹的方法

技术领域

本发明属于岩石工程破坏预测与安全技术领域，涉及一种模拟岩石内部三维封闭紧贴裂纹的方法。

背景技术

岩石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；岩石内部裂纹的扩展直至破坏，会造成水利、交通隧洞坍塌，边坡滑坡等灾难性后果，威胁人民生命财产安全性，因此，含有裂纹的岩石扩展破坏规律一直是工程界关注的重要问题。

材料裂纹根据发生位置可分为三类：三维封闭裂纹（又称深埋裂纹）、表面裂纹和贯穿裂纹。

内部三维封闭紧贴裂纹的定义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。

表面裂纹的定义是指，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。

贯穿裂纹的定义是指，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。

现有技术中，在材料内部制作三维封闭紧贴裂纹，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，更别提对内部三维深埋裂纹进行尺寸上的精确控制了。

目前有三种方法用来模拟岩石内部三维封闭紧贴裂纹，但是都存在很大问题。本文方法与三种方法有本质区别：

（1）浇筑法：目前采用此方法授权的2项专利为：朱珍德等人2016年发明，申请公布号CN104327472A：一种模拟岩石内部裂纹扩展透明材料的制作，以及孔洋等人发明，申请公布号 CN 105890950A：一种模拟含随机、非随机裂隙或孔洞透明材料制作方法。主要采用环氧树脂、氧化钾乙酮等透明材料浇筑固化成透明材料模拟岩石，浇注时在内部放置金属片或云母片，固化成型后，将金属片或云母片视为内部裂纹。这种方法需反复烘干、低温冷冻。但是，浇筑法存在以下诸多不足：1）模拟过程不足：裂隙制作过程复杂，耗时久，制作过程包括模具制作、预制裂隙制作、混合液制作以及将固化试件反复进行烘焙、冷冻等步骤方法，成本高，效率低下；2）脆性度不足：浇筑法制备的透明材料脆性度最大也只能达到1/7-1/8左右，而不同岩石的脆性度均值在1/10左右，有些岩石的脆性度会高达1/20；3）试验条件不足：浇筑法需要低温环境才能实现，试验条件要求苛刻；4）裂纹不足：浇筑法采用金属片或云母片作为预制裂纹，不是真正无厚度裂纹，仿真性不足；5）透明度不足。综上，浇筑法制备的透明材料与真实岩石内的裂隙和孔洞有一定差距，难以真是模拟岩石裂纹的过程，仿真性不足，得到的结果可信度较低。

（2）切割-黏贴法：①将PMMA板材或普通玻璃切割成两半，②在两半上述材料的相同位置上各自切割一个“槽”，③然后再用胶将除了“槽”之外的部位黏贴，成一个含有内部槽子的整体。“槽”被认为内部裂纹。Adams M（Crack extension from flaws in a brittlematerial subjected to compression [J]. Tctonophysics）等采用此方法制作内部三维封闭裂纹，但是切割-黏贴法具有以下不足：1）模拟过程不足：裂隙制作过程复杂，耗时久，将PMMA板材或玻璃先进行表面切割，后将两块切割好的玻璃相对黏贴成含有预制裂纹的透明材料，与模拟过程与实际岩石裂纹过程差别较大，仿真性低；2）脆性度不足：切割-黏贴法制备的透明材料脆性度最大也只能达到1/3左右，而不同岩石的脆性度均值在1/10左右，有些岩石的脆性度会高达1/20；3）裂纹不足：切割-黏贴法的预制裂纹是拿刀具切割形成，不是真正裂纹面紧贴的裂纹；4）试件完整性不足：样品经过胶水粘合而成，不是均质物体。

（3）3D打印技术：通过打印技术，将熔融状态的石英砂材料打印制作成复杂的透明岩体三维模型。李辉等人发明，申请发布号CN105904573A：一种基于3D打印技术的透明岩体制作方法。但是，实际上玻璃3D打印成功实现，直到2017年才有实质性突破，并发表到全球最顶级期刊《Nature》上（2017，44卷，doi:10.1038/nature22061），对于采用3D打印技术制作内部三维裂纹，现在还没有实现这种技术。同时3D打印法存在以下不足：1）3D打印技术需要将石英砂加温到1600-1800℃熔融，对设备的要求高，技术及操作复杂；2）3D打印的应用成本高，不适合大规模推广应用；3）3D打印制备的材料均一度及透明度不高；4）3D打印技术的相关专利只是实现了透明岩体的制作，如何进一步制作裂纹包括内部三维封闭裂纹、表面裂纹及贯穿裂纹现在尚无资料。

发明内容

发明目的：为了克服以上不足，本发明提供一种模拟岩石内部三维封闭紧贴裂纹的方法。

技术方案：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种模拟岩石内部三维封闭紧贴裂纹的方法，包括以下步骤：取一完整透明材料，在内部选定预制裂纹的位置，对预制裂纹尺寸、形状进行建模；通过透镜聚焦激光，所述激光的能量密度在进入透明材料及到达预制裂纹的位置之前低于透明材料的破坏阈值，在预制裂纹的位置超过透明材料的破坏阈值；激光脉冲使透明材料受热破裂，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，在预制裂纹的位置形成三维封闭紧贴裂纹，而透明材料的其余部分保持原样。本发明所述的模拟岩石内部三维封闭紧贴裂纹的方法，方法简单、合理，上述形成三维封闭紧贴裂纹的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***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三维封闭紧贴裂纹。此外，方法快速高效，建模和制作在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材料上内部生成可控裂纹，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；也可以是一个可控曲面，可以根据设计图纸做成各种形状的裂纹。并且，无其他多余裂隙，边缘整齐，试件完整无破坏，且能够制作真实无厚度裂纹，不受材料形状限制。此外，试件透明度高，脆性度高。本发明所述的模拟岩石内部三维封闭紧贴裂纹的方法与岩石材料的性质接近，仿真度极高，并且满足岩石材料最重要的两个性质，1）脆性特性：脆性度可达到1/16-1/25；2）断裂韧度级别在~1MPa/m^1/2。

上述模拟岩石内部形成单个破裂点的基本物理原理和过程如（1）-（3）所述：

（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。

（2）聚焦部位介质生成的等离子体在激光作用下发生非线性逆韧致吸收作用，产生激光能量沉积，即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。同时，激光无法继续透射，对后面介质产生屏蔽效应。

（3）逆韧致吸收产生的大量能量，同时介质对激光的本征吸收也产生了少量热效应，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”，形成单个破裂点。

进一步的，上述的模拟岩石内部三维封闭紧贴裂纹的方法，所述激光波长为532nm或1064nm，脉宽为1-30ns，脉冲能量为1-300mJ。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。

进一步的，上述的模拟岩石内部三维封闭紧贴裂纹的方法，所述单个破裂点大小为5-80μm。破裂点大小可以通过控制激光参数实现。

进一步的，上述的模拟岩石内部三维封闭紧贴裂纹的方法，所述破裂点的水平距离0.005-0.1mm，垂直距离0.06-0.1mm。

进一步的，上述的模拟岩石内部三维封闭紧贴裂纹的方法，所述破裂面的层数为3-10层。

进一步的，上述的模拟岩石内部三维封闭紧贴裂纹的方法，所述透明材料包括人工水晶、玻璃。本发明所述的模拟岩石内部三维封闭紧贴裂纹的方法，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，上述的模拟岩石内部三维封闭紧贴裂纹的方法，所述透明材料按照重量组分计，包括以下组分：

三烯丙基异三聚氰酸酯 3-15份

甲基丙烯酸-3-甲氧基硅丙酯 5-15份

纳米二氧化硅 3-15份

石英砂 40-55份

硼酸 10-20份

碳酸钡 3-10份

碳酸钙 5-10份

碳酸锌 3-10份

碳酸钠 1-10份

白云母粉 5-9份

锆英砂 1-8份

三氧化二砷 1-8份

二氧化钛 1-8份

氧化镧 1-8份

聚乙烯醇 10-15份

甲苯 6-10份

乙醇 10-40份

去离子水 10-30份。

作为本发明的一种改进，上述透明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，上述的模拟岩石内部三维封闭紧贴裂纹的方法，所述透明材料按照重量组分计，包括以下组分：

三烯丙基异三聚氰酸酯 8份

甲基丙烯酸-3-甲氧基硅丙酯 8份

纳米二氧化硅 10份

石英砂 48份

硼酸 18份

碳酸钡 7份

碳酸钙 8份

碳酸锌 4份

碳酸钠 5份

白云母粉 7份

锆英砂 3份

三氧化二砷 5份

二氧化钛 6份

氧化镧 3份

聚乙烯醇 12份

甲苯 8份

乙醇 20份

去离子水 25份。

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，上述的模拟岩石内部三维封闭紧贴裂纹的方法，所述透明材料的制备工艺，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，得所述透明材料。

透明材料的制备工艺，方法合理，制备周期短，可以进行大规模应用。

本发明还提供一种模拟岩石内部三维封闭紧贴裂纹的方法的应用，所述模拟岩石内部三维封闭紧贴裂纹的方法应用于内部含有三维封闭紧贴裂纹的岩石破坏实验研究中。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。除此之外，还可专门应用于断裂力学领域中，内部含有裂纹的材料，在各种自然环境下的，造成的灾害研究：材料内部裂纹及缺陷的在外力作用下继续扩展，直接造成航空航天、交通运输、化工、机械、能源、土木工程等各领域结构的失效、灾变等。如：内部裂纹扩展造成的钢材低应力脆断，是导致的航空航天、国防尖端产品***的原因；深部岩石内部裂纹在板壳挤压下的断裂造成了地震、隧洞事故；从金属、混凝土内部缺陷和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：本发明所述的模拟岩石内部三维封闭紧贴裂纹的方法，方法简单、合理，在常温环境下就可以实现，可以高真实性地在透明材料上预制裂纹，得到的裂隙是一个平整面，仅是一个面上，方向一致，整体性很强，并无其他多余裂隙，边缘整齐，试件完整无破坏，且能够制作真实无厚度裂纹。此外，试件透明度高，脆性度高。并且该方法应用成本低，效率高，可以进行大规模应用，适应性好，具有极高的推广价值。

附图说明

图1为本发明所述的透明材料预制三维封闭紧贴裂纹之前的示意图；

图2为本发明所述的预制三维封闭紧贴裂纹后的透明材料的主视图；

图3为本发明所述的预制三维封闭紧贴裂纹后的透明材料的侧视图；

图4-8为本发明实施例1所述的模拟岩石内部三维封闭紧贴裂纹在荷载作用下扩展并导致整个样品断裂破坏的实验过程；

图9为本发明实施例2所述的V型三维封闭紧贴裂纹；

图10为本发明实施例2所述的X型三维封闭紧贴裂纹；

图11为本发明实施例2所述的Z型三维封闭紧贴裂纹；

图12-13为本发明实施例3所述的透明材料预制裂纹的示意图；

图14-15为本发明实施例4所述的透明材料预制裂纹的示意图；

图16-17为本发明实施例5所述的透明材料预制三维封闭紧贴裂纹的示意图。

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：

一种模拟岩石内部三维封闭紧贴裂纹的方法，包括以下步骤：取一完整人工水晶，选定预制裂纹的位置，对预制裂纹尺寸、形状进行建模；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；激光脉冲使透明材料受热破裂，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，在预制裂纹的位置形成三维封闭紧贴裂纹，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。可以成功得到带有预制裂纹的人工水晶，模拟透明类岩石。如图1-3所示，在透明的人工水晶上得到的裂隙是一个平整面，仅是一个面上，方向一致，整体性很强，并无其他多余裂隙，边缘整齐。将其应用在研究预制裂纹扩展及破坏的岩石实验研究中去，经实验测试各项性质与岩石接近且满足岩石材料最重要的两个性质①脆性特性，②断裂韧度。

进行模拟岩石内部三维封闭紧贴裂纹在荷载作用下扩展并导致整个样品断裂破坏的实验过程研究，实验设备：加载装置：三思纵横WAW-600微机控制电液伺服加载***，包含最大试验力600kN的万能试验机，DSCC-5000多通道电液伺服闭环控制***单轴压缩实验，采用力控制的加载方式，加载速率为1000N/s。

未施压时，如图4所示；

0-90kN为压实阶段，如图5所示，未施压之前的细小裂纹被压实，右上侧裂纹已观测不到；

压力达到90kN后，如图6所示，预制裂隙下端开始发生微小扩展，扩展范围持续扩大，此为裂纹萌生阶段。

230kN时，如图7所示，试件顶部出现了可能由应力集中，产生的表面裂缝，但其并未对预制裂纹的扩展造成影响。三维封闭紧贴裂纹两端的翼形裂纹继续扩展，变长，向上下两端发展；

压力达到420kN，如图8所示，试件内部三维封闭紧贴裂纹扩展至试样边缘，整个试件破坏。由此得到，内部三维封闭紧贴裂纹对试样的抗破坏能力影响巨大，存在一定破坏规律，即试样先从裂纹处开裂破坏。

实施例2：

如图9-11所示，采用实施例1的方法还可以制作V、X、Z型裂纹，用于测量岩石的拉剪性能，并探究这三种裂纹与单裂纹扩展、贯通的区别。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。

实施例3：

如图12-13所示，在圆柱形的人工水晶上采用实施例1的方法同样可以制作裂纹，用于测量岩石内部裂纹对其的抗拉强度、弹性模量和断裂韧度等的影响，模拟圆柱、电线杆等圆柱形的裂纹扩展、贯通。其中，所述激光波长为532nm，脉宽为20ns，脉冲能量为48.9mJ。所述破裂点大小为20μm，所述破裂点的水平距离0.01mm，垂直距离0.08mm，且破裂面的层数为6层。

实施例4：

如图14-15所示，在人工水晶上开一孔洞，采用实施例1的方法模拟圆形地下洞室，裂纹用来模拟洞室岩体之内的断裂面。其中，所述激光波长为532nm，脉宽为10ns，脉冲能量为69mJ。所述破裂点大小为20μm，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8层。

实施例5：

如图16-17所示，在人工水晶上开一孔洞，采用实施例1的方法模拟另一种圆形地下洞室，裂纹用来模拟洞室岩体之内的断裂面。其中，所述激光波长为1064nm，脉宽为25ns，脉冲能量为110mJ。所述破裂点大小为30μm，所述破裂点的水平距离0.009mm，垂直距离0.07mm，且破裂面的层数为4层。

实施例6：

一种模拟岩石内部三维封闭紧贴裂纹的方法，包括以下步骤：取一完整透明材料，选定预制裂纹的位置，对预制裂纹尺寸、形状进行建模；通过透镜聚焦激光，所述激光的能量密度在进入透明材料及到达预制裂纹的位置之前低于透明材料的破坏阈值，在预制裂纹的位置超过透明材料的破坏阈值；激光脉冲使透明材料受热破裂，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，在预制裂纹的位置形成三维封闭紧贴裂纹，而透明材料的其余部分保持原样。其中，所述激光波长为532nm，脉宽为10ns，脉冲能量为5mJ。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。

上述的透明材料按照重量组分计，包括以下组分：

三烯丙基异三聚氰酸酯 3份

甲基丙烯酸-3-甲氧基硅丙酯 5份

纳米二氧化硅 3份

石英砂 40份

硼酸 10份

碳酸钡 3份

碳酸钙 5份

碳酸锌 3份

碳酸钠 1份

白云母粉 5份

锆英砂 1份

三氧化二砷 1份

二氧化钛 1份

氧化镧 1份

聚乙烯醇 10份

甲苯 6份

乙醇 10份

去离子水 10份。

所述透明材料的制备工艺，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，得所述透明材料。

实施例7：

一种模拟岩石内部三维封闭紧贴裂纹的方法，包括以下步骤：取一完整透明材料，选定预制裂纹的位置，对预制裂纹尺寸、形状进行建模；通过透镜聚焦激光，所述激光的能量密度在进入透明材料及到达预制裂纹的位置之前低于透明材料的破坏阈值，在预制裂纹的位置超过透明材料的破坏阈值；激光脉冲使透明材料受热破裂，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，在预制裂纹的位置形成三维封闭紧贴裂纹，而透明材料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。

上述的透明材料按照重量组分计，包括以下组分：

三烯丙基异三聚氰酸酯 15份

甲基丙烯酸-3-甲氧基硅丙酯 15份

纳米二氧化硅 15份

石英砂 55份

硼酸 20份

碳酸钡 10份

碳酸钙 10份

碳酸锌 10份

碳酸钠 10份

白云母粉 9份

锆英砂 8份

三氧化二砷 8份

二氧化钛 8份

氧化镧 8份

聚乙烯醇 15份

甲苯 10份

乙醇 40份

去离子水 30份。

所述透明材料的制备工艺，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，得所述透明材料。

实施例8：

一种模拟岩石内部三维封闭紧贴裂纹的方法，包括以下步骤：取一完整透明材料，选定预制裂纹的位置，对预制裂纹尺寸、形状进行建模；通过透镜聚焦激光，所述激光的能量密度在进入透明材料及到达预制裂纹的位置之前低于透明材料的破坏阈值，在预制裂纹的位置超过透明材料的破坏阈值；激光脉冲使透明材料受热破裂，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，在预制裂纹的位置形成三维封闭紧贴裂纹，而透明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。

上述的透明材料按照重量组分计，包括以下组分：

三烯丙基异三聚氰酸酯 8份

甲基丙烯酸-3-甲氧基硅丙酯 8份

纳米二氧化硅 10份

石英砂 48份

硼酸 18份

碳酸钡 7份

碳酸钙 8份

碳酸锌 4份

碳酸钠 5份

白云母粉 7份

锆英砂 3份

三氧化二砷 5份

二氧化钛 6份

氧化镧 3份

聚乙烯醇 12份

甲苯 8份

乙醇 20份

去离子水 25份。

所述透明材料的制备工艺，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，得所述透明材料。

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 (8)

1.一种模拟岩石内部三维封闭紧贴裂纹的方法，其特征在于：包括以下步骤：取一完整透明材料，在内部选定预制裂纹的位置，对预制裂纹尺寸、形状进行建模；通过透镜聚焦激光，所述激光的能量密度在进入透明材料及到达预制裂纹的位置之前低于透明材料的破坏阈值，在预制裂纹的位置超过透明材料的破坏阈值；激光脉冲使透明材料受热破裂，在预制裂纹的位置覆盖区域产生一破裂点；重复上述过程，在单个破裂点周围不断入射脉冲激光能量，不断制造破裂点，所述破裂点的水平距离0.005-0.1mm，垂直距离0.06-0.1mm，在所述覆盖区域内形成由一组破裂点组成的破裂面，所述破裂面的层数为3-10层；所述破裂面外边缘无破裂点，同时脉冲激光能量对先制作的破裂点发生热力学作用造成其不断损伤扩展，在热力学作用下往外边缘方向扩展，使破裂面外边缘形成一圈整齐的裂纹扩展区，即环面，并与所述破裂面相连，组成所述三维封闭紧贴裂纹，而透明材料的其余部分保持原样。

2.根据权利要求1所述的模拟岩石内部三维封闭紧贴裂纹的方法，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。

3.根据权利要求1所述的模拟岩石内部三维封闭紧贴裂纹的方法，其特征在于：所述破裂点大小为5-80μm。

4.根据权利要求1-3任一项所述的模拟岩石内部三维封闭紧贴裂纹的方法，其特征在于：所述透明材料包括人工水晶、玻璃。

5.根据权利要求1-3任一项所述的模拟岩石内部三维封闭紧贴裂纹的方法，其特征在于：所述透明材料按照重量组分计，包括以下组分：

三烯丙基异三聚氰酸酯 3-15份

甲基丙烯酸-3-甲氧基硅丙酯 5-15份

纳米二氧化硅 3-15份

石英砂 40-55份

硼酸 10-20份

碳酸钡 3-10份

碳酸钙 5-10份

碳酸锌 3-10份

碳酸钠 1-10份

白云母粉 5-9份

锆英砂 1-8份

三氧化二砷 1-8份

二氧化钛 1-8份

氧化镧 1-8份

聚乙烯醇 10-15份

甲苯 6-10份

乙醇 10-40份

去离子水 10-30份。

6.根据权利要求5所述的模拟岩石内部三维封闭紧贴裂纹的方法，其特征在于：所述透明材料按照重量组分计，包括以下组分：

三烯丙基异三聚氰酸酯 8份

甲基丙烯酸-3-甲氧基硅丙酯 8份

纳米二氧化硅 10份

石英砂 48份

硼酸 18份

碳酸钡 7份

碳酸钙 8份

碳酸锌 4份

碳酸钠 5份

白云母粉 7份

锆英砂 3份

三氧化二砷 5份

二氧化钛 6份

氧化镧 3份

聚乙烯醇 12份

甲苯 8份

乙醇 20份

去离子水 25份。

7.根据权利要求6所述的模拟岩石内部三维封闭紧贴裂纹的方法，其特征在于：所述透明材料的制备工艺，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，得所述透明材料。

8.一种根据权利要求1-7任一项所述的模拟岩石内部三维封闭紧贴裂纹的方法的应用，其特征在于：所述模拟岩石内部三维封闭紧贴裂纹的方法应用于内部含有三维封闭紧贴裂纹的岩石破坏实验研究中。

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