[发明专利]一种超声激励控制脆性材料内部三维深埋裂纹尺寸的方法

权利要求书

1.一种超声激励控制脆性材料内部三维深埋裂纹尺寸的方法，其特征在于：包括以下步骤：首先在透明脆性材料内部预制闭合的三维深埋裂纹，然后将超声波通过材料表面往材料内部传输，并穿透整个材料体，超声波在经过内部预制三维深埋裂纹时产生机械能，预制裂纹尖端在机械振动作用下，使预制裂纹扩展开裂，裂纹尺寸扩展开裂到满足要求时，停止超声波输入；

所述透明脆性材料内部预制三维深埋裂纹，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，组成所述三维深埋裂纹，而透明材料的其余部分保持原样；

所述透明脆性材料包括人工水晶、玻璃。

2.根据权利要求1所述的超声激励控制脆性材料内部三维深埋裂纹尺寸的方法，其特征在于：通过超声波能量公式控制能量的输入的大小，从而控制裂纹扩展尺寸；通过超声波输入方向控制裂纹扩展方向。

3.根据权利要求2所述的超声激励控制脆性材料内部三维深埋裂纹尺寸的方法，其特征在于：所述超声波能量公式为E＝2π²f²A²ρ，其中f为换能器发出超声波频率；A为超声波振幅；ρ为材料密度。

4.根据权利要求3所述的超声激励控制脆性材料内部三维深埋裂纹尺寸的方法，其特征在于：所述f的范围为20-100kHz，A的范围为30-200μm。

5.根据权利要求1所述的超声激励控制脆性材料内部三维深埋裂纹尺寸的方法，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；所述破裂点大小为5-80μm。

6.根据权利要求1所述的超声激励控制脆性材料内部三维深埋裂纹尺寸的方法，其特征在于：所述透明脆性材料按照重量组分计，包括以下组分：

7.根据权利要求6所述的超声激励控制脆性材料内部三维深埋裂纹尺寸的方法，其特征在于：所述透明脆性材料的制备工艺，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，得所述透明脆性材料。

8.一种根据权利要求1-7任一项所述的超声激励控制脆性材料内部三维深埋裂纹尺寸的方法的应用，其特征在于：所述超声激励控制脆性材料内部三维深埋裂纹尺寸的方法应用于研究预制裂纹扩展及破坏规律的岩石、混凝土、陶瓷、玻璃实验研究中。