摘要

本研究利用高低溫試驗箱（-70℃~+200℃）與熱機械分析儀（TMA）、X射線衍射儀（XRD）聯用，系統分析了石英礦物在溫度循環過程中的熱膨脹特性及α-β相變臨界行為。實驗表明：石英在573℃附近發生快速相變，軸向膨脹率突增1.8%，相變后體積不可逆增大4.2%。研究揭示了溫度梯度對礦物晶體結構的動態影響機制，為巖石熱破裂預測和地熱資源開發提供了實驗依據。

1. 研究背景與意義

地質礦產中的礦物熱膨脹與相變行為直接影響巖石力學性質及地下工程穩定性。例如：

地熱開采：高溫導致花崗巖中石英相變，引發微裂隙擴展

深部采礦：巖體溫度波動（如爆破熱沖擊）加劇圍巖破碎

行星地質：隕石撞擊瞬間高溫誘發礦物相變（如柯石英形成）

傳統熱分析設備難以模擬實際地質環境中的溫度循環過程，高低溫試驗箱通過程序化溫度控制，可精準復現溫度梯度與熱沖擊場景。

2. 實驗設計與方法

2.1 儀器與材料

高低溫試驗箱

熱機械分析儀（TMA）

X射線衍射儀（XRD）

2.2 實驗流程

階段1：熱膨脹系數測定

將石英樣品置于TMA樣品臺，軸向施加0.1N恒定壓力

高低溫試驗箱以5℃/min速率從25℃升溫至600℃，同步記錄長度變化

通過公式計算線性熱膨脹系數：

 α=1L0?dLdTα=L01?dTdL

階段2：α-β相變動態監測

在XRD高溫腔中重復升溫過程（25℃→600℃）

每間隔10℃采集（101）晶面衍射峰（2θ=26.6°）

分析峰位偏移與半高寬變化，確定相變臨界點

階段3：溫度循環實驗

設置循環條件：-50℃（30min）?+600℃（30min），循環20次

每次循環后測量樣品體積（阿基米德法）及表面裂隙密度（SEM）

3. 結果與討論

3.1 石英熱膨脹非線性特征

低溫區（<300℃）：線性膨脹系數α=13.2×10??/℃

相變過渡區（550~600℃）：α急劇上升至42.5×10??/℃

相變完成（>600℃）：β石英α=28.7×10??/℃，體積增大4.2%

3.2 α-β相變臨界行為

XRD特征變化：

573℃時（101）峰分裂為雙峰（2θ=26.6°→26.2°&26.9°）

半高寬（FWHM）突增35%，表明晶格畸變加劇

相變滯后效應：升溫相變點573℃ vs. 降溫逆轉點560℃

3.3 溫度循環損傷累積

裂隙擴展規律：

前5次循環：表面裂隙密度從0增至12條/cm2

第10次循環后：主裂隙寬度>10μm，深部貫穿晶界

體積變化：20次循環后累計膨脹率達6.8%，遠超單次相變增量

4. 工程啟示

地熱儲層改造：注入流體溫度需控制在550℃以下以避免石英相變引發儲層塌陷

深部巷道支護：建議采用膨脹系數匹配的錨桿材料（如α≈15×10??/℃的鎳基合金）

隕石撞擊識別：柯石英的殘留可作為撞擊坑診斷標志（需結合溫度-壓力耦合實驗驗證）

5. 結論

石英α-β相變具有顯著的溫度敏感性與不可逆體積效應，相變閾值集中于573±5℃

溫度循環導致礦物損傷累積，20次循環后裂隙密度與熱膨脹率呈指數增長關系

高低溫試驗箱結合原位表征技術，是研究礦物熱力學行為的有效手段

6. 展望

開展多礦物復合體系熱膨脹互鎖效應研究（如石英-長石-云母組合）

開發高溫高壓聯用試驗箱，模擬地殼深部溫壓耦合環境

建立礦物熱破裂數值模型，指導干熱巖水力壓裂設計

• THS-C高低溫環境試驗箱

  檢測儀器在線詢價