Модель пористого материала

Модель пористого материала

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскнх

Соцналнстнческнх

Республнк

<>741109 (&1) Дополнительное к ввт. свнд-ву (22) Заявлено 2М378 (21) 2596487/18-25 (51)М. Кл.2 с присоединением заявки ¹â€”

G 0l Я 15/08

Государственный комитет

СССР но делам изобретений. и открытий (23) Приоритет—

Опубликовано 15.06.80 Бюллетень ¹ 22 (53) УДК 5Ç9 ..217.1 (088.8) Дата опубликования описания 1506.80 (72) Автор изобретения

С.С.Бартенев (71) Заявитель

Физико-технический институт им. A.B.Èîôôå AH СССР (54) МОДЕЛЬ IIOPHCTOI О МАТЕРИАЛА

Изобретение относится к моделям пористых материалов, способам определения их параметров.

В современной технике пористые материалы и покрытия часто должны работать при экстремальных. условиях, когда прямое экспериментальное определение их характеристик, преимущественно массопереносных, затруднено fo или невозможно, Поэтому в настоящее время в ряде областей техники, например в энергетике, ракетостроении и др., остро стоит задача расчетного определения массопереносных характеристик пористых материалов и покрытий на основании упрощенных моделей геометрии пор.

Известна модель и способ определения ее параметров, в которой поровые 20 каналы представлены набором усеченных конусов (1).

Однако модель применима лишь дпя материалов, которые имеют текстуру подобную фиктивному грунту,т.е. 25 состоят иэ отдельных правильно упакованных зерен приблизительно одинакового размера,. В описании нет данных по расчету массопереносных характеритик каких-либо материалов. Для боль- щ шинства пористых материалов, например огнеупоров, текстура которых качественно отличается от текстуры фиктивного грунта, нельзя ввести и определить параметры указанной модели: эффективный диаметр частиц образующих материал d и другие.

Известна и широко применяется для расчета массопереносных характери тик. пористых материалов капиллярная модель пористого материала и способ определения ее параметров . Указанная модель представляет собой совокупность пустотелых, каналов правильной геометрической формы, расположенных параллельно друг другу, причем все каналы имеют постоянное сечение по всей своей длине от одной поверхности образца до другой. Параметры модели определяют путем вдавливания в образец несмачивающей образец жидкости, например ртути, и определения объема вошедшей жидкости при ступенчатом повьхаении прикладываемого давления (2).

При попытках использовать капиллярную модель и способ определения ее параметров для расчета массопереносных характеристик многих ма741109 териалов, например огнеупорных покры- равно отношению их радиусов, а чистий, наблюдается очень большое отли- ло каналов выбрано из соотношения чие от эксперимента. Для получения отк с .(у +r 1 удовлетворительной точности совпвде- п= --рт---ь-. —, ния экспериментальных и расчетных где п — число поровых каналов на значений массопереносных коэффициентов, например коэффициента фильтрации, вводят до четырех подгоночиых коэффициентов, которые определяют из экспериментов по определению

Предварительно определяют размер тех же массопереносных характеристик. fQ наиболее крупных пор и „ в исслеТаким образом, известная модель и дуемом материале, изготавливают образспособ определениЯ ее паРаметРов цы с минимальным линейным размером

MOryT бЫТЬ ИСПОЛЬЗОВаНЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕ He MeHee чем в 50 раз IIpeB HIOIIteM иия массопереносных характеристик эту величину, с поверхностью, высота

МНОГИХ МатЕРИаЛОВ Íà ОСНОВаНИИ ПаРа- е о н ей на кото Ой h с 0 1 d метров пористой модели. затем ступенчато понижают давление и определяют объем ртути, вышедшей из капиллярную модель является то, что пор, не менее чем при трех значениях в большинстве пористых материалов давления. поровые каналы имеют резко переменНа чертеже изображена модель порисиое сечение по длине, т.е. состоят 2О из сужений и расширений. При испольЭОванИИ Указанного способа Длн Р лельн,х поровых кан ов 1-2 расп делениЯ параметРОЦ модели пРи вдав- ложенных под углом ЗОО к поверхносливании жидкости в поры материалов . тям 3-4 поровые каналы состоят из для заполнения крупных пору лежащих 25 одинаковых последовательно чередую в али от поверхности отразца (источника ртУти), требуется поднять давле- щих " су "" 3 4 параллельные ppyI другу и беспОристую одоления сужений, и объем расширений матрицу 5. будет отнесен к объему сужений. Средний размер из-за этой причины может Модель работает следующим образом. отличаться от реального в 20 и бо- Газ ИЛи жидкость последовательно преодолевают стжения 1 и расширения

2 и под действием градиента давления

Этим способом нельзя точно опреде- или концентрациИ перетекают с поверхиить и размер сужений поровых кана- З> ности пористого изделия 3, где давлелов, соединяющих крупные поры, так иие выше, к поверхности 4, где давкак для исследования берут образцы ление ниже. Беспористая матрица 5 механически раздробленные до.разме- непроницаема для жидкости или газа. ра от долей мм до нескольких милли- Иассопереносные коэффициентй, наприметров. При.этом велика поверхность r@ мер коэффициент фильтрации и диффуобразцов и на получаемые эксперимен- зии, для приведенной модели зависят .Тально данные сильно влияют поверх- от радиусов сужений и расширений и иоатиые поры и выбоины, что приводит числа паровых каналов, которые опрек резкому завьиаению рассчитанных зна- деляют предложенным способом. чений коэффициента фильтрации. Таким 4 В реальном пористом материале пообраэом известные модель и способ рощые каналы состоят из сравнительпозволяют получать лишь качественную ио крупных пор. (Расширений), лежащих

Информацию о распределении пор по между зернами материала и сужений, pазмерам, на основании которой нель- соединяющих расширения друг с другом.

3 я,рассчитать . массопереносные ха- " Поэтому модель с чередующимися суже рактеристики.для реальных пористыху .ниями и расширениями в достаточной

5О

;например,огнеупорных, материалов и -мере соответствует реьятной структупок@ытии ° ре материала. Размвр иссцедуемых образцов, а СЛЕдовательно, ДлИна

Цель изобретения - определение поровых,каналов много больше массоиереносных характеристик по- $5 размера отдельных пор, Как сужения, рисках материалов. так и расширения, имеют различные ра.:,;иусы (распределены по размерам), .укаэанная цель достигается тем,что но по длине каждого из пороговых пароВаае каНали расПОЛОжЕНЫ ПаРаллель- каналов, пронизываюшего Образец, но друг другу под углом 30 к поверх-gg встречаются всевозможные сужени". остям образца выполнены из одинако- и расширения и эффективная проницаевых,последовательно чередующихся мость каналов зависит от средне участков сужений и расширений, причем личины сужений и расширений, В больдлина каждого участка по крайней мере шинстве материалов поры изометричны не менее пяти его радиусов, отношение и поэтому можно принять, что длина

741109 участка порового канала пропорциональна радиусу. Длина поровых каналов больше толщины образцов. Отно— шение средней длины поровых каналов к толщине образца называется коэффициентом извилистости ° Среднестатическое значение коэффициента извилистости равно 2. При угле наклона поровых каналов 30 это условие выполняется. Общее количество поровых каналов на единицу площади образца и определяется из величины открытой пористости по формуле о к (q+ p)

Х(г + г ) где А,„- открытая пористость;

r u rр средние радиусы сужений и расширений.

Модель сама по себе не позволяет решить поставленную в изобретении за- дачу если нет способа, позволяющего 20 определить. ее параметры. Предложенный способ позволяет раздельно опре- . делить средний размер сужений и расширений поровых каналов.

Распределение сужений может быть 25 определено с использованием известного способа прн условии исключения .

Для этого необходимо, чтобы, во-первых, размер образцов был много больше (не менее чем в 50 раз) размера наиболее крупных пор и, во-вторых, поверхность образцов должна быть шлифована до чистоты, обеспечивающей высоту неровностей меньшую по крайней меРе на порядок, чем Размер 35 максимальных пор. Для определения размера исследуемых образцов и класса чистоты подготовки поверхности необходимо предварительно определить размер наиболее крупных пор в исследуемом материале. Класс чистоты (кл) обработки поверхности образцов, при котором высота неровностей нриблизительно на порядок меньше величины

Наиболее крупных пор можно найти из, соотношения 2 > 3/d aÄ, где д максимальный размер пор (мм) . Указанное соотношение нами получено на основании данных, приведенных s

ГОСТ 2789-73. Невыполнение рассматриваемых требований приводит к ошибкам 56 при расчете коэффициента фильтрации, достигающим сотен процентов .

Исследовано влияние всех предло« женных отличительных признаков изобретения на точность определения коэффициента фильтрации (К) . Для исследования используют образцы, приготовленные по обычной методике (дробление до размера 1 мм), тонкие нешлифо3() ванные и шлифованные пластины, нешлифованные и шлифованные образцы толщиной около 3 мм. Во всех случаях при расчете по капиллярной модели наблюдается отличие от экспериментальных значений, найденных по известной методике на 1000 -йроцеитов.

При подготовке образцов по предложенному в изобретении способу ошибка значительно уменыаается, но все равно очень велика. При расчете по данной модели, но когда образцы Hsготавливают путем дробления или, когда их размер меньше необходимой величины, или когда используются образцы с нешлифованной предварительно поверхностью, наблюдается .отличие рассчитанных значений от экспеРиментальных на сотни и тысячи процентов. Лишь при реализации всех отличительных признаков модели и способа определения ее параметров удается рассчитывать коэффициент фильтрации пористых материалов с удовлетворительной точностью.

Способ для определения параметров данной модели применен для расчета коэффициента фильтрации покрытий из окиси алюминия, полученных методом плазменного и детонациснного напыления. Образцы подготавливались по предлагаемой наьи методике, а также путем механического дробления °

Так же, как и в предыдущем случае при использовании данной модели и способа наблюдается хорошее согласие с экспериментом, в то время

Распределение расширений определяют на основании данных, получаемых при ступенчатом понижении давления, так как при уменьшении давления поровый канал освобождается лишь в случае, когда давление понижено до давления соответствующего расширения. Измеряя объем ртути, выходящий из пор, находят распределе.ние расширений поровых каналов по размерам и средний размер pacumtpeний (zp).

На основании полученных данных рассчитывают коэффициент фильтрации по формуле,=з+ з

cc pe где Ес и Z коэффициенты аддитивности Пуазейлевского и Кнудсеновского потоков, соответствующие радиусам пор r и rð

4+2,ю r„(W, г„= „„ „„" (3)

В Формулах (2,3) введены следующие обозначейия р, q, М - среднее давление, вязкость и молекулярный вес фильтрующего rasa; Т вЂ” абсолютная температура; R — газовая постоянная, Л вЂ” длина свободного. пробега молекул газа при давлении P...

n - определяют по формуле (1) °

741109 как при использовании капиллярной модели или при подготовке образца по обычной методике наблюдается отличие от экспериментальных значений на тысячи процентов .

Изобретение применено для определения коэффициента фильтрации (К) пористого материала из окиси алюминия, полученного методом газопламенного напыления.

Для расчета используется модель, в которой последовательно чередуются одинаковые сужения и расширения.

Поровые каналы расположены параллельно друг другу под углом 30 к по, верхностям образца, которые параллель- ны друг другу. Длина каждого участка в десять раз больше его диаметра.

Отношение длины расширения к длине сужения равно отношению их радиусов, а число каналов выбрано из соотноше- 20 ния (1) .

Для определения r:, гр и А,„методом петрографии определяют, что максимальный размер пор в образцах 25 из окиси алюминия, полученных методом газопламенного пруткового напыления, около 50 мкм. Из материала вырезают цилиндрический образец диаметром около 15 мм и толщиной около

3 мм, Поверхность era шлифуют до 5-ro класса чистоты, т.е. до высоты неровностей менее 5 мкм и тщательно промывают спиртом, высушивают, взвешивают после чего помещают в дилатометр. Образец заливают ртутью, прикладывают давление, ступенчато увеличивающееся от 200 мм рт.ст. до 2000 атм. Измеряют объем ртути, вошедший s поры при каждом увеличении давления и на основе полученных дан- 40 ных рассчитывают средний размер сужений поровых каналов . Давление, прикладываемое к ртути, ступенчато уменьшают от 2000 атм до 200 мм рт.

Измеряют объем ртути, вышедший из 45 пор при каждом понижении давления и на основании полученных данных рассчитывают средний размер расширений поровых каналов. Рассчитывают проницаемость по формулам (1-3) на 50 основании модели, в которой чередуются цилиндрические сужения и рас-. ширения, радиус которых находят по укаэанной методике (отношение длин равно отношению радиусов, а число 55

1 поровых каналов находят из приведенного соотношения (1) . Расчет производим для условий (Т, P, M) (формула 2), при которых данный материал будет эксплуатироваться.

Изобретение позволяет определять коэффициент фильтрации при произвольных, в том числе и экстремальных условиях, когда экспериментальное определение невозможно. Например, при высоких температурах в среде агрессивных газов. Изобретение может быть использовано в металлургической, химической и энергетической промышленности, в ракетостроении, турбостроении и т.д. Помимо коэффициента фильтрации по формулам аналогичным (2) для предложенной модели на основании найденных параметров могут быть определены коэффициент диффузии, кинетика,пропитки и другие массопереносные характеристики пористых материалов.

Формула изобретения

Модель пористого материала, представляющая собой совокупность пусто телых каналов правильной геометрической формы, расположенных параллельно друг другу, о т л и ч а ющ а я с я тем что с целью определения массопереносных характеристик пористых материалов, поровые каналы расположены под углом 30 к поверхности образца, выполнены из одинаковых, последовательно чередующихся участков сужений и расширений, причем длина каждого участка по крайней мере не менее пяти его радиусов, отношение длины расширения к длине сужения равно отношению их радиусов, а число каналов выбрано из соотногде п - число поровых каналов на единице площади образца, А ;„ открытая пористость, r u r р-радиусы сужений и расширений поровых каналов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р432388, KJI G 01 М 15/08, 1971

2. Авторское свидетельство СССР

1125403, кл. G 01 N 15/08, 1958.

741109

Составитель E.Маллер

Техред Л.Теслюк

Редактор С.Патрушева

Корректор В.Бутяга

Подписное

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 3322/4 Тираж 1019

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5