深海底质土细观粘附特性及牵引流变特性研究

发布时间：2020-09-11 10:54

　　海洋矿物资源被认为是海洋中最具经济吸引力的潜在资源之一,海洋矿产资源的开发对于人类社会的可持续发展具有重要意义。开采海洋矿物资源的尖端技术是开采系统的研发。目前,国内外开发的采矿系统主要由连续绳斗式、自行穿梭式、集矿机与管道提升结合式等,集矿机与管道提升结合式是最具商业开采能力的采矿系统。集矿机作为该采矿系统的重要组成部分,关系到整个采矿系统的安全和采矿效率的提高。由于集矿机在深海沉积物上运行,粘附在履带板和齿间的土导致履齿的有效剪切高度降低,牵引力不足,严重影响集矿机的采矿效率,且深海稀软底质土与陆地地面土壤完全不同,具有极高含水量和明显流变特性,使深海集矿机在采矿行走过程中极易沉陷和打滑。故对深海底质土的粘附特性以及牵引流变特性进行深入研究。本文取得的主要研究成果如下:1、基于自行搭建的原子力显微镜探针修饰试验台,将太平洋C-C矿区的深海底质土颗粒固定于探针微悬臂尖端。在原子力显微镜的液态实验下测得了土颗粒与四种金属(铝合金(5052)、钛合金(STi80、TC4)、纯钛(TA2))表面作用的力-位移曲线以及四种金属的表面形貌。根据力曲线计算和统计得到土颗粒对相同平均粗糙度下四种金属表面粘附力,结果表明粘附力服从正态分布,以得到土颗粒对各金属表面的粘附力的平均粘附力值,并研究了影响粘附力的因素。研究发现,在相同的粗糙度下,土壤颗粒与金属表面的粘附力大小依次为5052STi80TA2TC4,表明5052的自清洁性能优于其他。此外,JKR粘附模型反映了出材料的表面能和接触面积是影响粘附力的重要因素。表面能和接触面积越小,粘附力越小。因此,将粗糙度控制在一定范围内可减小接触面积,达到降低粘附力的目的。2、将纯钛(TA2)样本表面进行梯度打磨成不同的6组,并用AFM观察其表面形貌。选取9 μm左右的土颗粒制作修饰探针,用原子力显微镜模拟液体环境并获得力-距离力曲线,测量土颗粒对每个样品表面的粘附力,以研究表面粗糙度与粘附力之间的关系。为量化微纳级粗糙度对土颗粒与材料表面之间粘附的影响,考虑颗粒与粗糙样品表面(λ、2)之间的接触,基于Levenberg-Marquardt算法,修正并得到了考虑粗糙度影响的JKR粘附模型。结果表明,相比于平坦表面,粗糙表面的粘附力是由于颗粒与平面间凸体的接触和与沟槽的非接触相互作用的组合。粗糙度的增加并不总是使粘附力减小,而是先减小后增大,Ra=67.23 nm,λ=3.73 nm,RMS=85.52 nm为影响深海底质土颗粒对TA2表面粘附力的粗糙度阈值。若大于或小于粗糙度阈值,则粘附力会增加修正后的模型所计算的粘附力值不仅能与试验结果高度吻合,还能很好地反映表面粗糙度对粘附力的影响,明显地改进了原有模型在这方面的不足。3、本文通过引入超疏水接触模型,研究超疏水表面的形貌参数及其自清洁机理,并将其应用于深海底质土与金属的接触,使金属表面达到减粘脱附的目的。使用JKR理论判定其粘附条件,进一步确定表面参数。研究表明,在混合接触角模型中减小表面凸体宽度a,增加峰-峰的距离λ,保持低的占空比fs有利于减小表面的接触面积。根据JKR的粘附判定依据,颗粒覆盖区域中的波峰N2的数量通常大于吸附要求数量N1,即增大λ,可以保证其疏泥特性同时的不会吸附土颗粒,使表面保持自清洁。4、基于取样于太平洋C-C矿区的深海底质土,通过测试其物理力学性质,配置最佳模拟土,采用自行搭建的牵引蠕变试验台对其进行了牵引蠕变试验。使用弹簧-黏壶组成的分形系统对Burgers蠕变本构模型进行改进,并用分数阶导数理论推导出其本构方程。用最小二乘法拟合实验数据得到其牵引蠕变参数。基于牵引流变本构方程得到牵引力、速度和时间之间的关系。结果表明,深海底质模拟工具有明显的非衰减蠕变特征。当接地压力恒定,随着牵引力的增大,瞬时蠕变和稳定蠕变速率增大。当牵引力恒定,随着接地压力的增加,其瞬时蠕变和稳定蠕变速率均减小。当F≥300N时,流变参数趋于恒定,以F≥300N时的平均值作为模拟土的流变参数。当速度为0.6≤v1 m/s时,履带接地长度为9.0≤S≤ 10.2m时,可以更好地利用土壤提供的最大牵引力,并提高采矿效率。为深海采矿机设计提供了重要的理论依据。
【学位单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P744;P736.12
【部分图文】：

粒度分布,集矿机,履带,粘土

图１．２集矿机湖试后履带粘土情况逡逑研究现状逡逑底质土的国内外研究现状逡逑海底质土的前期研宄主要是针对其矿物成分、分布和来源逐为深海土是尘埃，雾霾，以及土壤颗粒大小的矿物、化学和生积而来，其中土壤大小的大气颗粒物是深海沉积物所有元素使用Ｘ射线、ＳＥＭ对拉布拉多海的两个深海海域的深海底质究，并通过实验室剪切强度和压缩性测试确定了土壤的完整性质。Ｆａｇｅｌ［３］对大西洋和加勒比海深海海域的粒度分布、微体了分析，并研宄了其沉积过程和沉积物积累速率。国内，李中太平洋西部底质土中粘土中的主要组成矿物成分。刘季花［５］太平洋ＣＰ区、ＣＣ区的深海底质土进行了大量研宄。逡逑６０年代，为了提升海洋军事实力，为今后深海采矿的商业化

采矿系统,深海底,液压提升,粘附特性

源已成为世界各国发展的战略目标［４０］。深海采矿的前沿技术是采矿系统的设计，逡逑为海上矿产资源勘探设计了许多深海采矿系统，如连续式斗式采矿系统，梭船式逡逑采矿系统和液压提升管道采矿系统，其中液压提升管道（图２．１ａ）是目前最具商业逡逑开采价值的采矿系统［４５］。如图２．１ｂ所示，当采矿机在深海土壤上行走时，土壤逡逑粘附在履带齿面上，不仅减小了剪切高度［４５］，而且还增加了能源消耗，严重影逡逑响集矿机的采矿效率［４６］。因此，研宄底质土对集矿机履齿的粘附力对脱附减阻，逡逑保证采矿系统安全运行，提高采矿效率有着重要意义。逡逑７逡逑

试验装置图,探针,试验装置

然后用去离子水洗涤数次，最后，用Ｎ２吹彻底干燥，以保持样品表面的清洁［６１逡逑２．２．２修饰探针的制备逡逑如图２．２所示，将待测颗粒粘于无针尖的ＡＦＭ探针悬臂尖端，以确保接与逡逑基底材料接触的是颗粒而不是悬臂本身。实验细节如下：１、将深海土颗粒分散逡逑在去离子水中，用超声波分散５分钟后，用微量移液器将一滴液体静置于一片载逡逑玻片上，并风干；２、使用微量移液器将紫外胶覆盖在另一片载玻片上；３、将两逡逑片载玻片固定于三维微操作台的固定杆上；４、将ＡＦＭ（ＢｒｕｋｅｒＭｕｌｔｉｍｏｄｅ８邋ＡＦＭ）逡逑无针尖探针固定于另一个三维微操作台上（Ｔ４０－６５Ｊ（Ｃ／Ｒ／Ｌ））；邋５、在金相显微镜逡逑（ＢＸ５１ＲＦ）下观察探针与胶水以及土颗粒的位置，调整微型控制台的ｘ，邋ｙ和ｚ轴，逡逑首先将少量紫外固化胶粘滴到针尖上，移动探针并找到合适的土壤颗粒粘在针尖逡逑上；６、将修饰探针房子紫外光下照射探针５分钟，使胶水凝固（图２．３）。逡逑９逡逑ｒ逦＾邋１０？邋８逡逑逦…１逦｜逡逑Ｄ逦Ｐ逦６逡逑—ｐＴ－逦７逦Ｉ逡逑Ｊ逦Ｌ逡逑１２＾逡逑１．金相显微镜；２．探针夹；３．固定

【参考文献】