冷热台配合原子力显微镜的“*水合物微观力学测试”

作者：中国地质大学工程学院——宁伏龙

来源：https://doi.org/10.1360/SST-2019-0170

      本文通过改装的低温AFM装置测试THF水合物，核心部件AFM以及冷热台，冷热台以液氮为冷媒介质, 通过控制泵送冷媒介质的流量, 从而实现温度的调节。测试方法能有效地评价水合物微纳尺 度表面及其力学性质, 对后续揭示油气管道中水合物 聚集及防聚集机理、水合物开采中沉积物力学行为与 储层出砂机理具有重要作用.

       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*(THF)水合物进行了测试. 在温度−30℃~−10℃和探针驱动速率0.5~20.0 μm/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。

       INSTEC 定制INS1602146 原子力显微镜用冷热台，本设备专为水合物低温下反应，在原子力显微镜下扫面表面的形状变化。温度范围 -150℃～200℃，压力腔压力5Mpa。