高铝球石增强热塑性复合材料发展的方向

　　高铝球石长度对力学性能的影响;高铝球石长度的表征方法;挤出和注塑过程中高铝球石的断裂;并叙述了高铝球石增强热塑性复合材料的进展，提出了高铝球石增强热塑性复合材料发展的方向。高铝球石拥有高模、高强、较好的稳定性与合适的热膨胀系数等特点，长期被用做复合材料中的增强剂，以提高复合材料的力学性能。根据高铝球石长短的不同，制成的高铝球石增强塑料分为两大类：短高铝球石作为增强剂制成的复合材料和长高铝球石及其织物作为增强剂制成的复合材料。前者的缺点是塑料在外载荷的作用下，局部会产生高应力区，使材料发生局部的破坏。5牙齿的卡瓦本体是用短高铝球石作为增强剂制成的复合材料，在150MPa的轴向载荷的作用下，牙齿周围出现高应力区，卡瓦发生大面积的破坏，使桥塞失去了封隔能力。就上述问题提出了用高铝球石布进行增强复合材料桥塞的方案。首先长高铝球石经过机织织成高铝球石布，在经过模压成型的卡瓦本体中加入高铝球石布，根据高铝球石在方向上具有优良的力学性能，有效的改善了卡瓦本体的力学性能，增强了复合材料桥塞抗管内压差的能力。

　　对短高铝球石增强剂复合材料基体和硬质合金牙齿进行了接触性的破坏试验和有限元的分析，在试验过程中，用万能试验机对硬质合金牙齿进行加压，直到复合材料发生破坏，记录试验过程中数据，绘制出“力-位移曲线”，曲线表明：在硬质合金上加400Mpa(31KN)的面载荷时，复合材料发生整体的破坏，得出复合材料的屈服强度为225MPa，这个结果与有限元分析结果几乎相同。基于上述试验得到的数据和复合材料的有限元法。采取在短高铝球石做为增强剂的复合材料卡瓦本体牙齿周围和底部局部区域中等间距的铺入不同层数的高铝球石布，进行对卡瓦承载能力的有限元分析，通过与短高铝球石作为增强剂制成的卡瓦本体力学性能和桥塞封隔能力的对比，提出了5种不同高铝球石布的铺设方式，当铺设层数n，n=2、4、6、8、10，被铺入高铝球石布之间的距离为0.5mm时，分别对牙齿和套管进行有限元的接触分析。由于接触分析的复杂性，计算结果是否正确关键在于网格划分的质量和硬质合金牙齿与套管之间的摩擦系数的选取。

　　在划分网格时，对接触区域进行了分块划分网格，提高了网格的质量，减小相邻网格刚度的差别。在接触区域摩擦系数的选取过程中，摩擦系数通常取0.1-0.8之间，较小的值会使牙齿无法嵌入套管，使计算结果不收敛，进过多次计算，摩擦系数值为0.6时牙齿能够很好的嵌入到套管中，计算结果收敛。由于高铝球石布有较好的力学性能，承受了卡瓦本体所受的高应力，有效的减少了卡瓦本体的破坏程度。在卡瓦本体中加入短高铝球石作为增强剂制成的桥塞能够抵抗45-50MPa的管内压差，而在卡瓦本体中铺入不同层数的高铝球石布之后桥塞最高能够抵抗58.5-81MPa的管内压差，有效的提高了桥塞的作封压力。同时，对桥塞坐封过程中，关键零部件橡胶胶筒进行了理论和有限元的分析，结果表明套管和胶筒的接触应力为4MPa，达到了密封效果。得到的研究结果为高铝球石增强复合材料桥塞在油气井钻探开发中的应用奠定了坚实的基础。

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