Свойства пористых материалов

Пористых порошковых материалов

Свойства и особенности изготовления

В зависимости от способа производства пористые материалы получают с пористостью до 98% и размером пор от долей микрометра до нескольких миллиметров. Для каждого способа производства с учетом характеристик исходного материала имеется определенная возможность получать материалы с различными размерами, геометрией пор и пористостью.

Пористые среды характеризуются рядом параметров, совокупность которых дает полное представление о свойствах пористого материала. К этим параметрам относятся: пористость, ее распределение по объему материала; вид пористости (открытая, закрытая, полуоткрытая или тупиковая); просвет; форма и коэффициент извилистости пор; распределение пор по размерам (средние и максимальные размеры пор); удельная поверхность пор; состояние поверхности пор; проницаемость и распределение проницаемости по площади фильтрации пористого материала; вязкостный и инерционный коэффициенты; физико-механические свойства пористого материала.

Пористость, просвет.

Пористостью П называется отношение объема Vп пустот в материале к его полному объему V. Пористость определяют по одной из формул: П = Vп/V, или П = (m_н – m)/(r_жV), где mн – масса насыщенного жидкостью материала.

Если известны объем и масса пористого тела, а также плотность компактного материала, то пористость материала определяют по формуле: П = 1 - r/r_к.

Поры в материалах разделяют на три вида: открытые (пористость По), тупиковые (пористость Пт) и закрытые (пористость Пз). Общая пористость тела слагается из этих трех видов пористости: П =По + Пз + Пт.

Открытая пора сообщается с поверхностями пористого тела и участвует в фильтрации жидкости или газа при наличии градиента давления на пористом теле. Закрытая пора не сообщается с поверхностью пористого тела и не участвует в фильтрации жидкости или газа. Часть пор соединяется только с одной поверхностью пористого тела, образуя тупиковую пористость. Тупиковые (полуоткрытые или полузакрытые) поры при фильтрации частично заполняются жидкостью, но не влияют на проницаемость пористого материала.

Закрытые и тупиковые поры образуются в результате пластической деформации частиц порошка при высоких давлениях прессования, а также из-за наличия внутренней пористости частиц.

Доля тупиковой и закрытой пористости при П >0,18 составляет 2–5% общей пористости материала. При П <0,18 эта доля возрастает. При П =0,07-0,08 открытая пористость практически исчезает.

Пористость отдельных участков проницаемого изделия зависит прежде всего от равномерности распределения частиц по размерам в объеме шихты перед формованием и от технологических режимов обработки этих участков при прессовании и спекании.

При одно- и двустороннем прессовании шихты в пресс-формах всегда наблюдают изменение пористости изделий в направлении прессования. Например, втулки, изготовленные этими способами, имеют существенную неравномерность пористости по высоте (до 80% от средней), при этом увеличение соотношения высоты втулки к диаметру всегда увеличивает неравномерность распределения пористости по высоте.

Распределение пористости в материале можно определить методом микрофотографий, методом измерения расхода газа при его фильтрации через отдельные участки пористой поверхности, разрезкой материала на отдельные элементы с последующим определением пористости каждого из них и др. методами.

Просветом Ф называется доля площади сечения пористого материала, приходящаяся на пустоты. Часто полагают, что пористость и просвет пористого материала численно равны.

Основным методом определения величины просвета является исследование шлифов или микрофотографий поверхности материалов. Этот метод часто используют и для определения пористости материалов с анизотропной структурой. [7]

Форма и состояние поверхности пор

Форма пор сложна и зависит от формы и размеров частиц, давлении прессования, режимов спекания и т.п. Наиболее простую форму пор имеют пористые материалы из сферических частиц одного размера. Однако, даже в случае плотнейшего расположения эта форма достаточно сложна, например, для сфер поперечные сечения порового канала – криволинейные треугольники с переменной площадью по длине канала.

В пористых материалах, изготовленных из несферических частиц разного размера, форма пор носит ярко выраженный случайный характер. Поры имеют по всей длине большое число сужений и расширений; на поверхности пор, как правило, встречаются макронеровности в виде выступов и впадин. Поры соединяются с соседними пустотами через сужения в плоскости, непараллельной направлению фильтрации жидкости; направление движения жидкости в порах почти всегда не совпадает с направлением фильтрации жидкости; путь частицы жидкости при фильтрации всегда больше толщины образца вследствие извилистости пор и т. п.

На структуру порового пространства существенно влияют состояние поверхности и форма частиц. Чем сложнее форма частиц и больше число неровностей на поверхности частиц, тем неоднороднее поры спеченного пористого материала.

При спекании порошковых пористых материалов состояние поверхности частиц может измениться в том случае, если интенсивно протекают процессы диффузии и межчастичной собирательной рекристаллизации. Эти процессы интенсивны при повышении температур спекания и использовании мелких частиц при изготовлении материалов. Степень сглаживания шероховатостей на поверхности пор при спекании оценивают по результатам измерения удельной поверхности пор прессованных образцов до спекания SVуд.н. и после спекания SVуд.к.

Результаты опытов показывают заметное изменение поверхности пор лишь у мелкозернистых материалов (dч=10–12мкм). В остальных случаях уменьшение удельной поверхности пор образцов при спекании не превышает 10–20%.

Для определения формы и состояния поверхности пор обычно применяют метод исследования микрофотографий, позволяющий получить представление о строении порового пространства и некоторые сведения о шероховатости поверхности пор.

Известен также метод изучения структуры порового пространства наполнением пор жидким веществом. После отвердения этого вещества и удаления основного материала (растворением, травлением и т.п.) остается твердая губка, точно воспроизводящая поровое пространство. Исследуя эту губку, можно определить форму и размеры пор, шероховатость их поверхности и некоторые другие параметры порового пространства.

Коэффициент извилистости пор.

Минимальная длина поровых линий в порах всегда равна или больше толщины пористого тела в направлении фильтрации среды. Это увеличение длины пор по сравнению с толщиной пористого тела характеризует коэффициент извилистости пор: аизв.=lп/l.

Для тела, образованного сферическими частицами одного диаметра, теоретически показано, что коэффициент извилистости пор меняется от 1,065 до 1,0 при изменении пористости от 0,259 до 0,476. Для насадки сферических частиц одного диаметра коэффициент извилистости пор равен 1,13 при пористости 0,425. Насадки сфер из частиц разного диаметра с отношением dч.mах/dч.min=1,8-3,0 при изменении пористости от 0,29 до 0,355 имеют коэффициент извилистости пор 1,15–1,49.

У реальной пористой среды коэффициент извилистости почти всегда больше, чем у идеальной. Это объясняется дисперсностью порошков, искажением формы частиц по сравнению со сферической и наличием макрошероховатостей на поверхности пор. Уменьшение пористости, усложнение формы и увеличение дисперсности частиц сопровождается ростом коэффициента извилистости (аизв). Обычно значения коэффициента извилистости пор находятся в пределах 1,0–1,5 при изменении пористости от 0,84 до 0,26. Значениям пористости 0,3–0,4 соответствуют значения коэффициента извилистости пор 1,3–1,2, соответственно.

Коэффициент извилистости пор определяют либо из геометрических соображений (для пористых структур с относительно несложным строением порового пространства), либо по результатам измерения электрического сопротивления электропроводной жидкости, заполняющей поры неэлектропроводного материала.

Размеры пор.

Распределение пор по размерам обычно подчинено одному из следующих законов: нормальное распределение или логарифмически нормальное распределение. Распределение пор по размерам используют для определения таких распространенных характеристик, как максимальный и средний размеры пор.

Наиболее распространенные методы определения размеров пор следующие: вдавливание ртути, вытеснение жидкости из пор, исследование микрофотографий.

Метод вдавливания ртути основан на свойстве ртути не смачивать многие твердые тела. Для заполнения объема пор тела ртутью с краевым углом смачивания, превышающим 90°, необходимо внешним давлением преодолеть сопротивление поверхностных сил (сил капиллярного сопротивления). По известному давлению вдавливания ртути в поры р, поверхностному натяжению для ртути sи краевому углу смачивания q на границе раздела фаз ртуть – поверхность пор определяют размер пор по следующей формуле, полагая, что они имеют в сечении форму круга: dп = 4 s cos b/p.

По размеру пор и массе ртути, вошедшей в поры данного размера, определяют их количество. Изменяя давление, можно определить распределение пор по размерам.

Метод вытеснения жидкости из пор, как и метод вдавливания ртути, основан на использовании сил капиллярного взаимодействия. Для определения размеров пор по той же формуле свободный объем пористого образца предварительно заполняют смачивающей жидкостью (спирт, вода и др.), а затем определяют давление газа, необходимое для вытеснения жидкости из пор. Если одновременно учесть расход газа через открывшиеся поры, то можно определить количество пор данного размера. Последовательно увеличивая давление, можно найти распределение пор по размерам.

При определении среднего размера пор этим методом принимают в формуле b=0 из-за отсутствия истинных значений.

Удельная поверхность пор.

Удельная поверхность пор — это площадь внутренних поверхностей пор в единице объема SVуд., м²/м³ или в единице массы Smуд., м²/г, пористого материала. Величины SVуд. и Smуд. связаны соотношением: S Vуд. = Smуд. rк(1 – П) 106, где rк - плотность компактного материала.

Удельную поверхность пор определяют несколькими методами, из которых наибольшее распространение получили: исследование: шлифов (микрофотографий) пористого материала, адсорбция газов, фильтрация газов, ртутная порометрия и др.

Дата добавления: 2014-11-29