手机直线：
咨询热线：0571-56211150
石油测井是石油工业中最基本和最重要的环节。井下环境具有高温、高压的特点，地磁、地电等外界环境也会产生较大的干扰，导致一般材料的传感器在井下作业时不能精确测量井下的数据。陶瓷材料的耐高温性能极好，且具有优良的耐磨性和耐化学腐蚀性能，陶瓷优异性能能满足井下复杂工况的作业条件，所以陶瓷传感器在石油测井应用方面有极其广阔的前景。本文针对石油测井陶瓷在烧结过程中经常遇到开裂的问题，应用有限元分析法研究陶瓷烧结过程中的降温阶段温度场变化，分析不同的降温曲线对陶瓷坯体内部温度场的影响规律，为优化烧结工艺提出理论据。
本文模拟烧结对象为石油测井陶瓷传感器电极，成分为Al2O3。
Al2O3陶瓷热物性参数见表，弹性模量为200GPa，泊松比为0.3。
已知陶瓷坯体在1200℃环境下保温1h后进行冷却。温度载荷施加分为2类：（1）等斜率烧结曲线。从1200℃开始分别按照15°、30°、45°的烧结曲线加载，如图1所示。（2）变斜率烧结曲线。切线斜率逐渐变大（上凸），切线斜率逐渐变小（下凹）。等时间下的直线斜率及变斜率烧结曲线对比图如图2所示。
在降温阶段，降温至30℃左右时不同烧结曲线下可以知道，最高温度集中在圆孔的下端面区域，而两端面最大圆角区域温度值最低。这是由于传热过程中陶瓷体厚壁降温比较慢，而薄壁区降温比较快。在ANSYS热分析后处理模块中，温度梯度表示单位长度内的温度变化速率，温度梯度越小表示受热时间越长，在相变过程中产生的残余应力就相对较小。在降温结束阶段，随着烧结曲线斜率的增加，即降温速率的变快，陶瓷坯体整体的温度梯度数值有增大的趋势。且切线斜率在一定范围内波动时（约30°以前），温度梯度数值变化幅度较小，切线斜率超过30°后，随着斜率增加温度梯度数值有明显变大的趋势。综合考虑时间与烧结性能，选取30°烧结曲线为最佳。
变斜率烧结曲线下的温度场的分布将30°等斜率烧结曲线转化为变斜率烧结曲线，说明变斜率烧结曲线对陶瓷烧结性能的影响。现选取垂直于薄壁区域中心且平行于陶瓷坯体前后两端的截面为研究对象，进行温度场的分析，截面如图3所示。降温过程中，不同烧结曲线下截面温度梯度在1200s时刻分布云图如图4所示。从陶瓷坯体中选取4个有代表性的节点A、B、C、D如图3所示，得到不同烧结曲线下温度梯度随时间变化曲线图，如图5所示。
由图5可知，在三种烧结曲线下，在同一时刻节点A温度梯度数值始终最大，节点D次之，节点B、C温度梯度相对较小，这是由于陶瓷坯体自身结构复杂，厚薄不一，薄壁区域传热快，而端面区域传热相对较慢。在降温过程中，采用等斜率的烧结曲线，各节点温度梯度随时间有变大的趋势，但变大的速率趋于平缓；采用下凹烧结曲线，各节点温度梯度开始随时间逐渐变大，达到一个最大值后温度梯度随时间逐渐减小；采用上凸烧结曲线各节点温度梯度随时间逐渐变大，且变化趋势越来越大。从数值上比较可知，采用下凹的降温烧结曲线，最大温度梯度为1800℃/m左右，小于等斜率曲线下的2020℃/m及上凸曲线下的3240℃/m。且在降温终了阶段，下凹曲线下温度梯度数值为80℃/m左右，均远低于等斜率曲线和上凸烧结曲线下的数值。
结论：（1）不同等斜率的降温曲线对陶瓷烧结性能有显著影响，主要体现在采用斜率大（即升温速率快）的烧结曲线，能减少烧结时间，但会增加烧结过程中的温度梯度，降低陶瓷的烧结性能。针对本文的烧结对象，采用30°的烧结曲线为宜。（2）变斜率的降温曲线会对陶瓷烧结产生明显影响，采用下凹斜率的降温曲线，能大大降低温度梯度，提高烧结性能。
专业从事机械产品设计│有限元分析│CAE分析│结构优化│技术服务与解决方案
杭州那泰科技有限公司
本文出自杭州那泰科技有限公司www.vwnkzix.cn，转载请注明出处和相关链接！