一种新型岩石重构用高强高脆3D打印材料的制备方法技术

本发明专利技术属于岩体工程技术领域，提供一种新型岩石重构用高强高脆3D打印材料的制备方法，选取新型岩石重构用高强高脆3D打印原材料；制作新型岩石重构用高强高脆3D打印材料；获取新型岩石重构用高强高脆3D打印材料制作的试样；对新型岩石重构用高强高脆3D打印材料制作的试样进行力学测试；最后得到新型材料试样的力学特性和破坏特征。本发明专利技术方法采用新型材料实现对岩石物理力学性质和破坏特征的精确重构，可生成多个一致的岩石试样，可开展完全一致试样在不同加载条件下的破坏性试验，解决了以往岩石工程中破坏性试验所面临的数据不准确问题。因此，本方法可加强对岩石物理力学性质及破坏特征的认识，为岩石工程相关设计及安全稳定性评价提供参考。定性评价提供参考。定性评价提供参考。

【技术实现步骤摘要】
一种新型岩石重构用高强高脆3D打印材料的制备方法


[0001]本专利技术属于岩体工程
，具体而言，涉及一种新型岩石重构用高强高脆3D打印材料的制备方法。

技术介绍

[0002]对于岩体工程而言，岩石内部结构复杂，包含孔隙、节理、裂隙等缺陷，这些内部结构与岩体的力学特性和破坏特征密切相关。目前许多工程都离不开对岩体物理力学性质的研究，岩体工程中需要做大量的试验来验证理论和实际工程的可行性，岩石往往位于地下，取样过程难度较大，并且试验所用的天然岩体试件具有唯一性，破坏性试验使得所得样品数量与实际所需不符，使得试验捉襟见肘，因此需要制作多个相同的试件来进行试验，以此解决试验的偶然性问题。
[0003]在3D打印技术的帮助下，我们可以通过CT扫描技术来获取岩体的内部结构扫描图，然后将打印路径输入到3D打印机中，通过3D打印机进行模型的逐层打印，可以很好地制作多个完全相同的岩体试件进行重复性试验，3D打印技术对于解决岩石工程试件唯一性导致的数据不准确问题至关重要。但现有3D打印材料仍不能满足精确重现岩石高强高脆的特点，因此开发出高强高脆低延性的3D打印材料已经成为3D打印技术在岩体工程应用中的瓶颈[1]，Tao Zhou等人的An Experimental Investigation of Tensile Fracturing Behavior of Natural andArtificial Rocks in Static and Dynamic Brazilian Disc Tests和Jianbo Zhu等人的Replication of internal defects and investigation of mechanical and fracture behaviourof rock using 3D printing and 3D numerical methods in combination with X
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ray computerized tomography中对陶瓷、石膏、PMMA、丙烯酸共聚物和光敏树脂进行脆性岩石的打印，发现经处理的3D打印光敏树脂样品表现出较好脆性，其表现类似于天然岩石，但其单轴抗压强度和脆性仍有待提升。王世崇等人的光固化3D打印改性碳纤维/光敏树脂复合材料的制备与性能调控通过对短切碳纤维的改性对光敏树脂进行了力学强度、冲击性能和热稳定性进行了提升，Matthias Gurr等人的Acrylic Nanocomposite Resins for Use in Stereolithography andStructural Light Modulation Based Rapid Prototyping and Rapid ManufacturingTechnologies通过在树脂中添加纳米二氧化硅对其弹性模量及力学特性进行了提升。
[0004]因此，针对此问题，本专利技术提出一种新型岩石重构用高强高脆3D打印材料的制备方法。在本专利技术方法的基础上，可以采用该新型材料制作多个完全相同的岩体试样，从而可以开展相同试样在不同加载条件下的力学试验，为岩体工程相关设计提供指导。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种新型岩石重构用高强高脆3D打印材料及其制备方法，以解决岩体工程设计中无法精确重现岩石高强高脆特点的问题。
[0006]本专利技术的技术方案：
[0007]一种新型岩石重构用高强高脆3D打印材料的制备方法，步骤如下：
[0008]将经过硅烷偶联剂改性的纳米二氧化硅粉末、593固化剂和环氧树脂E
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44以不同质量比添加到二甲苯中，在60
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70℃温度条件下搅拌混合4
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6min，得到混合溶液；其中，环氧树脂E
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44与593固化剂的质量比为3：1；通过改变经硅烷偶联剂改性的二氧化硅粉末的质量来制作不同的试样，且经过硅烷偶联剂改性的纳米二氧化硅粉末与环氧树脂E
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44的质量比控制在不大于3/4；然后，将混合溶液倒入模具中，在室温下进行溶剂蒸发和固化，最终得到试样。
[0009]对所获取试样进行力学测试获取其力学特性和破坏特征，包括：对新型3D打印材料制作的试样开展单轴压缩试验，利用数控伺服岩石直剪试验机控制系统进行单轴压缩试验，利用数控伺服岩石直剪试验机所带的系统测得试样的轴向应变及应力，对试样采取贴轴向和圆周方向垂直应变片的方式通过计算得到试样的泊松比，最终获取新型打印材料试样的力学特性和破坏特征。
[0010]本专利技术的有益效果：本专利技术在对岩石的高强高脆3D打印材料实现过程中，通过科学探索找到环氧树脂E
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44、593固化剂、经硅烷偶联剂改性的纳米二氧化硅、二甲苯溶剂，作为制作新型岩石重构用高强高脆3D打印材料的原材料；然后，通过化学实验方法制作出新型材料，制作出试样；然后通过物理力学试验获取其力学参数和破坏特征。通过本专利技术方法所制作的新型岩石重构用高强高脆3D打印材料实现对岩石的精确重构，可以生成多个完全一致的岩石试样，可以开展完全一致试样在不同加载条件下的破坏性试验，解决了以往岩石工程中破坏性试验所面临的数据不准确问题。因此，本方法可以加强对岩石物理力学性质及破坏特征的认识，为岩石工程相关设计及安全稳定性评价提供参考。
附图说明
[0011]图1为本专利技术实施例提供的新型岩石重构用高强高脆3D打印材料制作过程及其力学特性流程示意图；
[0012]图2为本专利技术实施例提供的新型岩石重构用高强高脆3D打印材料制作过程；
[0013]图3为本专利技术实施例提供的本次单轴压缩试验所使用的数控伺服岩石直剪试验机控制系统；
[0014]图4为本专利技术实施例提供的新型3D打印材料制作试样的应力
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应变曲线示例图，(a)为90
‑0‑
30；(b)为80
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20
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26；(c)为80
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40
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26；(d)为70
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52
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23；
[0015]图5为本专利技术实施例提供的新型3D打印材料制作试样在加载最后阶段的状态总览图。
[0016]图6为本专利技术实施例提供的四种不同配比下经KH550改性的试样加载过程对比图。
[0017]图中：1垂直伺服加载油缸；2压力传感器；3上压盘；4下压盘；5试样；6应变传感器；7围压加载装置。
具体实施方式
[0018]以下结合附图和技术方案，进一步说明本专利技术的具体实施方式。
[0019]图1为本专利技术实施例所提供的新型岩石重构用高强高脆3D打印材料制作过程及其
力学特性流程示意图，如图1所示，该方法包括：
[0020]步骤101，对新型岩石重构用3D打印材料进行制作。
[0021]对新型岩石重构用3D打印材料进行制作，先将一定量的环氧本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型岩石重构用高强高脆3D打印材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：将经过硅烷偶联剂改性的纳米二氧化硅粉末、593固化剂和环氧树脂E
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44以不同质量比添加到二甲苯中，在60
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70℃温度条件下搅拌混合4
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6min，得到混合溶液；其中，环氧树脂E
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【专利技术属性】
技术研发人员：夏英杰，孟庆坤，张传庆，王海，周辉，李天娇，唐春安，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：