基于原子力显微镜的四氢呋喃水合物微观力学测试

摘要：

微纳尺度下的水合物力学特性对厘清外荷载下孔隙中水合物与沉积物骨架相互作用机制以及揭示含水合物沉积物宏观力学行为机理具有重要意义.本文使用改装的低温原子力显微镜和直径5 μm的二氧化硅(SiO2)微球胶体探针对四氢呋喃(THF)水合物进行了测试.在温度-30℃～-10℃和探针驱动速率0.5～20.0μm/s条件下,获得了微球压入THF水合物样品的深度、接触时间与接触力之间的关系以及微球与THF水合物样品间的黏附力.结果显示:压入过程中THF水合物产生了塑性变形,压入诱发的水合物相变可能进一步增强了塑性行为.在相同接触力作用下压入速率越小或温度越高,THF水合物的硬度越小且塑性行为越明显.THF水合物的屈服应力存在阈值(或者临界效应),这可能是导致含水合物沉积物应变硬化和应变软化现象的重要原因之一.基于修改后的幂率流变(PLR)黏弹性模型,低驱动速率和相对高温条件下THF水合物的黏弹性更显著.THF水合物表面的似液层和分解液在样品与微球间形成的液桥是两者间产生黏附力的主要原因,在温度-30℃～-10℃范围内黏附力约1.1～2.5 μN,它主要与脱离前两者间的接触面积有关.

关键词：THF水合物、SiO2微球、原子力显微镜、塑性、黏弹性、黏附力、出砂机理

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资助基金：中国地质调查局项目;国家自然科学基金;国家重点基础研究发展计划;青岛海洋科学与技术国家实验室开放基金;国家特支计划青年拔尖人才项目资助

在线出版日期：2020-05-11（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共10页

页码：31-40