天然气水合物（以下简称水合物）被誉为21世纪继页岩气、煤层气、致密气之后最具有潜力的接替清洁能源之一。据估计全球天然气水合物储量约为常规化石能源的2倍,而我国天然气水合物资源潜力也十分巨大,其远景资源量高达900×108～1200×108t油当量,相当于我国常规天然气资源量2倍,其中海域650×108～850×108t、陆域250×108～350×108t。它的开发利用对缓解我国能源短缺压力,保障能源安全,优化能源结构都具有重要意义。2017年5月我国在南海神狐海域成功地完成天然气水合物试采项目,同年12月它被国土资源部批准成为我国第173个矿种。2020年3月第二次海域天然气试采的成功,实现了从“探索性试采”向“试验性试采”的重大突破,标志着我国天然水合物产业化正在加速推进。水合物产业化仍面临安全高效可控钻采的难题,比如钻采过程中容易诱发的井壁失稳、出砂、地层沉降乃至地质灾害以及二次水合物堵塞等问题。这些问题与水合物自身表面特征和力学行为都密切相关,急需准确表征与刻画以便准确分析预测上述问题。据此,本文创新搭建了原子力显微镜（Atomic Force Microscope,简称AFM）水合物测试系统,并以THF水合物为例,研究了THF水合物微观表面特征与力学行为,形成了基于AFM的水合物表面与力学性质测试分析方法。全文共分五个章节,主要内容如下:第一章首先阐明了研究水合物表面特性与力学行为的意义,概述了天然气水合物的结构、基本物性、分布及能源环境效应,随后对国内外相关发展研究现状及其存在的问题进行论述,进而引出本文的研究目的,最后介绍了本文主要研究内容和技术路线。第二章重点介绍了自主搭建的AFM的组成和工作原理,并介绍了四氢呋喃（Tetrahydrofuran,简称THF）水合物样品的合成方法以及AFM测试与分析THF水合物样品的表面形貌、表面似液层厚度、粘附力和力学参数的方法,阐述了AFM探针和修饰探针的使用原则和探针形状尺寸的测试结果。第三章首先研究了温度、不同生长界面等因素对THF水合物的表面形貌、表面粗糙度、晶粒尺寸和晶缝尺寸的影响;随后探讨了温度对THF水合物表面似液层厚度的影响规律,并提出修正似液层厚度的理论方法;接着分析了温度、荷载、保持时间和二氧化硅（SiO2）微球尺寸对THF水合物表面粘附力的影响规律;最后探究了防聚剂对THF水合物表面形貌、似液层厚度和粘附力的影响规律。第四章用SiO2微球修饰探针测试了THF水合物的力学性质,重点分析了微球压入THF水合物样品的压入深度、荷载以及时间的关系。在考虑微球与THF水合物的毛细力情况下,将毛细力引入力学分析模型。从粘弹性和弹塑性角度解释压入深度、荷载和时间关系,讨论了温度、加载速率、加载卸次数、微球尺寸等因素对THF水合物力学行为的影响规律。第五章对本文研究内容进行了总结,指出了创新点,阐述了文中存在的不足,对后续深入研究进行了展望。（1）创新搭建的AFM测试系统能有效应用于水合物表面特征和力学行为研究。与常规AFM相比,该系统实现了样品湿度、温度的控制以及探针降温功能。（2）利用上述AFM测试系统,测试了THF水合物表面形貌,发现其表面存在微孔洞,这些微孔洞可能与溶解气、过量客体分子排出有关。此外,THF水合物表面形貌与生长的温度密切相关。在气-液界面自由生长的THF水合物,生长温度越低,晶粒尺寸越小;横截面呈V字形晶缝的宽度和深度随生长温度降低而减小。而固-液界面受限生长的THF水合物,其表面形貌和粗糙度与生长温度、表面隆起结构、接触固体介质表面性质、孔洞以及晶粒尺寸有关。THF水合物表面粗糙度比与它接触介质的表面粗糙度大一个数量级,说明两者间没有紧密接触,间接表明水合物与固体介质间存在一层非固态的过渡层。（3）温度范围-30℃～-5℃,THF水合物表面似液层层厚度约9nm～111nm,似液层厚度随温度的升高近似呈指数增长。似液层在水合物与SiO2微球间液桥产生的毛细力是两者粘附力主要来源。液桥模型能很好地解释两者粘附力变化规律,测试结果也表明粘附力随荷载、温度、微球尺寸增加而增大,而随保持时间（hold time）表现出先增后减的趋势。这种先增后减的趋势可能与THF水合物的分解和二次形成有关。THF水合物表面起伏也影响着粘附力大小,上凸THF水合物表面导致粘附力较小;而下凹表面则相反。通过液桥模型发现粘附力与似液层和微球间的接触角负相关,可以推测相同条件下THF水合物与亲水材料的粘附力较大,而疏水材料则相反。（4）防聚剂（十二烷基苯磺酸和萘乙酸）对THF水合物表面形貌、似液层和粘附力均有影响。防聚剂导致THF水合物晶粒表面变得粗糙,且明显减小了THF水合物表面似液层厚度和表面张力,从而降低了与SiO2微球间的粘附力。防聚剂引起水合物晶粒表面变得粗糙和表面张力的降低可能是其防止水合物颗粒聚集的主要作用机制。（5）用修饰的SiO2微球修饰探针测试THF水合物微观力学行为时需考虑似液层产生的毛细力影响。修改后的幂律流变粘弹性模型比Hertz弹性模型更适合解释荷载-压入深度曲线。随着温度降低和加载速率增加,从粘弹性角度THF水合物的幂律指数总体表现出减小的趋势,但初始杨氏模量并未表现出明显的变化规律;从弹塑性角度THF水合物屈服强度总体表现出增加的趋势。在THF水合物表面同一位置多次加卸载,发现THF水合物的弹性增强,塑性减弱,这可能与卸载后THF水合物存在残余应力或分解水形成的冰和有关。测得的THF水合物力学参数,如初始杨氏模量、幂律指数等受微球的尺寸和形状影响较大,这可能与THF水合物的受力区域尺寸、变形量大小或者表面起伏有关。另外当微球施加在THF水合物的外力达到了最大值后,随着保持时间增长,THF水合物依旧产生很明显的变形,这种现象可能与THF水合物的粘性有关,也可能与THF水合物在外力作用下产生了相变有关。