對巖石、有機玻璃在單軸壓縮條件下的熱輻射特征進行比較
由于大多巖石（尤其地殼表層巖石）為脆性材料，它與其他黏性及黏彈性材料的物理力學性質明顯不同。為更好了解巖石受力的紅外輻射特征、進而揭示巖石受力產(chǎn)生熱效應的物理機制，作者進行了有機玻璃單軸壓縮的紅外輻射觀測實驗，發(fā)現(xiàn)因內(nèi)部結構的差異，使得有機玻璃與巖石受力后的紅外輻射特征有明顯不同。本文對此進行研究，并對兩種材料的熱力耦合效應的機制進行討論。
任何固體在彈性階段都存在熱彈效應，即當材料受壓時溫度上升，而受拉時下降，有機玻璃和巖石也都遵從此規(guī)律。然而，巖石在彈性階段除存在熱彈效應外，還存在空隙氣體逸出的吸熱效應，即巖石受壓時導致內(nèi)部空隙氣體的逸出，從而引起溫度下降，產(chǎn)生吸熱效應。這樣對于不同種類的巖石，因內(nèi)部所含空隙多少的差異會產(chǎn)生不同程度的的吸熱效應，從而造成不同的溫度變化類型。對于致密、空隙較少的巖石，產(chǎn)生的吸熱效應微弱，在彈性變形階段主要存在熱彈效應，這樣巖石在壓縮過程中溫度隨應力的上升呈現(xiàn)線性增長的規(guī)律；而對于內(nèi)部空隙較多的巖石，產(chǎn)生的吸熱效應強烈，熱彈效應低于氣體逸出吸熱效應，則溫度下降。當兩種效應基本平衡時，溫度保持恒定。因此巖石在彈性壓縮階段溫度隨應力的變化不像有機玻璃那樣呈現(xiàn)單一上升趨勢，而是因巖石種類的不同呈現(xiàn)不同的變化形式。
當固體在應力作用下進入塑性變形階段時，熱力耦合效應要比彈性階段復雜得多，而且不同的材料由于在微觀結構上的不同，因而產(chǎn)生的熱力耦合效應所服從的規(guī)律也不同。如均質與非均質材料、各向同性與各向異性材料、晶體與非晶體材料、韌性與脆性材料在非彈性階段所服從的熱力耦合效應規(guī)律都不相同。因此，材料在非彈性階段的熱力效應研究的難度要比彈性階段大得多。到目前為止，即使對于同一種材料，也沒有一個通用的定律和公式來統(tǒng)一表達非彈性階段的熱力耦合關系，更多的是停留在實驗基礎上的經(jīng)驗公式。其中，關于均質體、各向同性材料如金屬、聚合物的研究相對較多，而關于復雜材料――巖石的研究則相對較少。巖石是典型的脆性材料，與韌性材料的顯著區(qū)別是在屈服階段微觀結構上產(chǎn)生大量的微破裂，而伴隨微破裂的產(chǎn)生會導致與韌性材料不同的熱效應，即摩擦熱效應。對于不同性質的微破裂，其摩擦熱效應也會有所不同。當微破裂的性質為張性時，破裂面間不發(fā)生摩擦，因而無摩擦熱效應產(chǎn)生，此時由于破裂體積發(fā)生膨脹而產(chǎn)生吸熱的熱彈效應，使得溫度略有下降；而當微破裂的性質為剪性時，破裂面會發(fā)生錯動和摩擦，因而有摩擦熱效應產(chǎn)生，必然導致溫度上升和高溫紅外輻射。
因此，對于巖石材料，由彈性階段進入塑性階段時，伴隨微破裂的產(chǎn)生巖石表面的溫度場發(fā)生分異、產(chǎn)生條帶狀熱異常，張性微破裂使溫度下降，剪性微破裂使溫度上升。而且隨著微破裂的發(fā)展，帶狀熱異常發(fā)生遷移擴展。對于有機玻璃，當變形由彈性階段進入塑性階段時，材料不發(fā)生微破裂，只是內(nèi)部質點發(fā)生流動性變化，由此導致的熱塑效應只是溫度隨應力增長的速度減慢，并不會發(fā)生局部的分異現(xiàn)象，且材料在塑性階段后并不發(fā)生破壞。而進入黏性階段，發(fā)生的熱黏效應使溫度的上升速度又加快。
巖石力學與工程學報2007年同。本文基于實驗結果對巖石、有機玻璃在單軸壓縮條件下的熱輻射特征進行了比較，發(fā)現(xiàn)：（1）兩種材料在不同的應力階段均呈現(xiàn)不同的紅外輻射特征，紅外輻射特征與應力狀態(tài)存在對應關系；（2）在熱像的變化特征上，有機玻璃不存在分異現(xiàn)象，而巖石多出現(xiàn)條帶狀的破裂異常前兆；（3）在AIRT的變化特征上，有機玻璃隨壓力的增長呈現(xiàn)分階段的直線上升，而巖石因種類的不同呈現(xiàn)多種變化形式，且在破裂前存在AIRT的異常變化前兆。對兩種材料的熱力耦合機制討論認為：因內(nèi)部結構不同，兩種材料加載過程中產(chǎn)生熱效應的機制不同。巖石在加載過程中存在熱彈效應、氣體逸出吸熱效應以及微破裂產(chǎn)生的摩擦熱效應，而有機玻璃存在熱彈效應、熱塑效應和熱黏效應。這些機制上的不同導致兩種材料受力紅外輻射特征的差異。
