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石油測井是石油工業(yè)中最基本和最重要的環(huán)節(jié)。井下環(huán)境具有高溫、高壓的特點，地磁、地電等外界環(huán)境也會產生較大的干擾，導致一般材料的傳感器在井下作業(yè)時不能精確測量井下的數據。陶瓷材料的耐高溫性能極好，且具有優(yōu)良的耐磨性和耐化學腐蝕性能，陶瓷優(yōu)異性能能滿足井下復雜工況的作業(yè)條件，所以陶瓷傳感器在石油測井應用方面有極其廣闊的前景。本文針對石油測井陶瓷在燒結過程中經常遇到開裂的問題，應用有限元分析法研究陶瓷燒結過程中的降溫階段溫度場變化，分析不同的降溫曲線對陶瓷坯體內部溫度場的影響規(guī)律，為優(yōu)化燒結工藝提出理論據。
本文模擬燒結對象為石油測井陶瓷傳感器電極，成分為Al2O3。
Al2O3陶瓷熱物性參數見表，彈性模量為200GPa，泊松比為0.3。
已知陶瓷坯體在1200℃環(huán)境下保溫1h后進行冷卻。溫度載荷施加分為2類：（1）等斜率燒結曲線。從1200℃開始分別按照15°、30°、45°的燒結曲線加載，如圖1所示。（2）變斜率燒結曲線。切線斜率逐漸變大（上凸），切線斜率逐漸變�。ㄏ掳迹�。等時間下的直線斜率及變斜率燒結曲線對比圖如圖2所示。
在降溫階段，降溫至30℃左右時不同燒結曲線下可以知道，最高溫度集中在圓孔的下端面區(qū)域，而兩端面最大圓角區(qū)域溫度值最低。這是由于傳熱過程中陶瓷體厚壁降溫比較慢，而薄壁區(qū)降溫比較快。在ANSYS熱分析后處理模塊中，溫度梯度表示單位長度內的溫度變化速率，溫度梯度越小表示受熱時間越長，在相變過程中產生的殘余應力就相對較小。在降溫結束階段，隨著燒結曲線斜率的增加，即降溫速率的變快，陶瓷坯體整體的溫度梯度數值有增大的趨勢。且切線斜率在一定范圍內波動時（約30°以前），溫度梯度數值變化幅度較小，切線斜率超過30°后，隨著斜率增加溫度梯度數值有明顯變大的趨勢。綜合考慮時間與燒結性能，選取30°燒結曲線為最佳。
變斜率燒結曲線下的溫度場的分布將30°等斜率燒結曲線轉化為變斜率燒結曲線，說明變斜率燒結曲線對陶瓷燒結性能的影響。現選取垂直于薄壁區(qū)域中心且平行于陶瓷坯體前后兩端的截面為研究對象，進行溫度場的分析，截面如圖3所示。降溫過程中，不同燒結曲線下截面溫度梯度在1200s時刻分布云圖如圖4所示。從陶瓷坯體中選取4個有代表性的節(jié)點A、B、C、D如圖3所示，得到不同燒結曲線下溫度梯度隨時間變化曲線圖，如圖5所示。
由圖5可知，在三種燒結曲線下，在同一時刻節(jié)點A溫度梯度數值始終最大，節(jié)點D次之，節(jié)點B、C溫度梯度相對較小，這是由于陶瓷坯體自身結構復雜，厚薄不一，薄壁區(qū)域傳熱快，而端面區(qū)域傳熱相對較慢。在降溫過程中，采用等斜率的燒結曲線，各節(jié)點溫度梯度隨時間有變大的趨勢，但變大的速率趨于平緩；采用下凹燒結曲線，各節(jié)點溫度梯度開始隨時間逐漸變大，達到一個最大值后溫度梯度隨時間逐漸減��；采用上凸燒結曲線各節(jié)點溫度梯度隨時間逐漸變大，且變化趨勢越來越大。從數值上比較可知，采用下凹的降溫燒結曲線，最大溫度梯度為1800℃/m左右，小于等斜率曲線下的2020℃/m及上凸曲線下的3240℃/m。且在降溫終了階段，下凹曲線下溫度梯度數值為80℃/m左右，均遠低于等斜率曲線和上凸燒結曲線下的數值。
結論：（1）不同等斜率的降溫曲線對陶瓷燒結性能有顯著影響，主要體現在采用斜率大（即升溫速率快）的燒結曲線，能減少燒結時間，但會增加燒結過程中的溫度梯度，降低陶瓷的燒結性能。針對本文的燒結對象，采用30°的燒結曲線為宜。（2）變斜率的降溫曲線會對陶瓷燒結產生明顯影響，采用下凹斜率的降溫曲線，能大大降低溫度梯度，提高燒結性能。
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