Модель пористого материала

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Сфез Сфветскнх Соцналнстнческнх Республнк(51)М. Кл.2 с присоединением заявки М -6 01 В 15/08 Государственный комитет СССР но делам изобретений. и открытий(088,8) Дата опубликования описания 1506.80(54) МОДЕЛЬ ПОРИСТОГО МАТЕРИАЛА Изобретение относится к моделям пористых материалов, способам определения их параметров,В современной технике пористые 5 материалы и покрытия часто должны работать при экстремальных условиях, когда прямое экспериментальное определение их характеристик, преимущественно массопереносных, затруднено 10 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 2 О каналы представлены набором усеченных конусов 1).Однако модель применима лишь для 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 с 1 и другие.Известна и широко применяется для расчета массопереносных характери тикпористых материалов капиллярная модель пористого материала и способ определения еепараметров . 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 повышении прикладываемого давления (23,При попытках использовать капиллярную модель и способ определения ее параметров для расчета массопереносных характеристик многих материалов, например огнеупорных покры- равно отношению их радиусов, а чистий, наблюдается очень большое отли- ло каналов выбрано из соотношения чие от эксперимента. Для полученияОТК С РЬ" +г 1 упонлетноонтелнноп точности сонпеле- п: ния экспериментальных и расчетныхгде п - число поровых каналов на значений массопереносных коэффициен н е ло об з тов, например коэффициента фильтрации, вводят до четырех подгоночиых коэффициентов, которые определяют из экспериментов по определениюПредварительно определяют размер тек же массопереносных характеристик о наиболее крупных пор йв исслеТаким образом, известная модель идуемом материале, изготавливают образ- спОсоб определения ее параметров не цы с минимальным линейным размером могут быть использованы для определе- не менее чем в 50 раз, превышающем ния массопереносных характеристик эту величину, с поверхностью, высота многих материалов на основании пара- не овностей на которой Ь с 0 1 Й метров пористой модели.затем ступенчато понижают давление иопределяют объем ртути, вышедшей из капиллярную модель является то, чтопор, не менее чем при трех значениях в большинстве пористых материаловдавления.поровые каналы имеют резко переменНа чертеже изображена модель порисиое сечение по длине, т.е. состоят 20из Сужений и расширений. При исполь- Модель содержит совокупность паралзовании укаэанного способа для опре- л льндх поровых каналов 1-2, расподеления параметроц модели при вдав- ложенных под углом ЗОО к поверхносливании жидкости в поры материалов. тям 3-4 поровые каналы состоят издля заполнения крупных пор лежащих 25 одинаковых последовательно чередую"вдали от поверхности отразца (источ- хся сужений 1 и расширений 2, поника ртути), требуется поднять давле верхности пористого изделия 3 и 4ние до величины достаточной для пре ар ллельные друг другу и беспористую одоления сужений, и объем расщиренийматрицу 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 последовательнопреодолевают стжения 1 и расширения2 и под действием градиента давленияэтим способом нельзя точно опреде- или концентрации перетекают с поверхиить и размер сужений поровых кана- З ности пористого иэделия 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, напри- метров. При.этом велика поверхность щ мер коэффициент фильтрации и диффуобразцов и на получаемые экспернмен- зии, для приведенной модели зависят . талрьно данные сильно влияют поверх- от радиусов сужений и расширений и ноатиые поры и выбоины, что приводит числа паровых каналов, которые опрек резкому замшению рассчитанных зна- деляют предложенным способом. чений коэффициента фильтрации. Таким 4 В реальном пористом материале пообраэом известные модель и способ ровые каналы состоят из сравнительпозволяют получать лишь качественную ио крупных пор (расширений), лежащих Информацию о распределении пор по междузернами материала и сужений, разверам, на основании которой нель- соединяющих расширения друг с другом.3 я,рассчитать . массопереносные ха- " Поэтому модель с чередующимися сужерактеристики.для реальных пористых . .ниями и расширениями в достаточной5 Онапример,огнеупорных, материалов и -мере соответствует реьютной структупокрытий. ре материала. Размвр иссцедуемыхобразцов, а следовательно, длинаЦель изобретения - определение поровых ,каналов много большемассопереносных характеристик по размера отдельных пор, Как сужения, ристюх материалов, так и расширения, имеют различныера,:,;иусы (распределены по размерам),.укаэанная цель достигается тем,что но по длине каждого из пороговыхпоровые каналы Расположены паРаллель- каналов, пронизываюшего образеЦ,но друг другу под углом 30 к поверх"р встречаются всевозможные суженияостям образца выполнены из одинако" и расширения и эффективная проницаевых,последовательно чередующихся мость каналов зависит от среднеучастков сужений и расширений, причем личины сужений и расширений, В больдлина каждого участка по крайней мере шинстве материалов поры изометричныне менее пяти его радиусов, отношение и поэтому можно принять, что длинаучастка порового канала пропорциональна радиусу. Длина поровых каналов больше толщины образцов, Отно - шение средней длины поровых каналов к толщине образца называется коэффициентом извилистостиСреднеста-, тическое 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 величиныоткрытой пористости по формулеок( с ЙХ(г+ г )где А,- открытая пористость;15г и гр средние радиусы сужений ирасширений.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 З 5 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 высрта неровностей нриблизительно на порядок меньше величины Наиболее крупных пор можно найти из, соотношения 23/й , где д максимальный размер пор (мм) . Указанное соотношение нами получено на основании данных, приведенных вГОСТ 2789-73. Невыполнение рассматриваемых требований приводит к ошибкам 50 при расчете коэффициента фильтрации, достигающим сотен процентов . Исследовано влияние всех предложенных отличительных признаков иэоб"ретения на точность определения коэффициента Фильтрации (К), Для исследования используют образцы, приготовленные по обычной методике (дроблениедо размера м 1 мм), тонкие нешлифо О ванные и шлифованные пластины, нешлифованные и шлифованные образцытолщиной около 3 мм. Во всех случаяхпри Расчете по капиллярной моделинаблюдается отличие от экспериментальных значений, найденных по известной методике на 1000 йроцеитов.При подготовке образцов по предложенному в изобретении способу ошибка значительно уменыаается, но всеравно очень велика. При расчете поданной модели, но когда образцы изготавливают путем дробления или,когда их размер меньше необходимойвеличины, или когда используютсяобразцы с нешлифованной предварительно поверхностьй, наблюдается отличие рассчитанных значений от экспериментальных на сотни и тысячипроцентов, Лишь при реализациивсехотличительных признаков модели испособа определения ее параметровудается рассчитывать коэффициентфильтрации пористых материалов судовлетворительной точностью.Способ для определения параметровданной модели применен для расчетакоэффициента фильтрации покрытийиз окиси алюминия, полученных методом плазменного и детонациснногонапыления. Образцы подготавливалисьпо предлагаемой нави методике, атакже путем механического дробленияТак же, как и в предыдущем случаепри использовании данной модели испособа наблюдается хорошее согласие с экспериментом, в то время 60 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 распределение расширений поровых каналов по размерам и средний размер расширений (р). На основании полученных данных рассчитывают коэффициент Фильтрации по Формуле;-з+ зс РР где Ес и Е коэффициенты аддитивности Пуазейлевского иКнудсеновского потоков, соответствующие радиусам пор г и грИ+гР (Л, г= " (3) В Формулах (2,3) введены следующие обозначейия р,, М - среднее давление, вязкость и молекулярный вес фильтрующего газау Т - абсолютная температура; И - газовая постоянная, Л - длина свободного. пробега молекул газа при давлении Р и - определяют по формуле (1)как при использовании капиллярноймодели или при подготовке образцапо обычной методике наблюдаетсяотличие от экспериментальных зна"чений на тысячи процентов,Изобретение применено для определения коэффициента фильтрации (К)пористого материала из окиси алюминия, полученного методом газопламенного напыления,10Для 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 длинесужения равно отношению их радиусов,а число каналов выбрано из соотношения (1),Для определения г, 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 около30 3 мм, Поверхность его шлифуют до 5-го класса чистоты, т.е. до высоты неровностейменее 5 мкм и тщательно проьввают спиртом, высушивают, взвешивают после чего помещают в дилатометр. Образец заливают ртутью, прикладывают давление, ступенчато увеличивающееся от 260 мм рт,ст. до 2000 атм. Измеряют объем ртути, вошедший в поры при каждом увеличении давления и на основе полученных дан 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 поровых каналов находят из приведенного соотношения (1) . Расчет производим для условий (Т, Р, М) (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 изобретенияМодель пористого материала, представляющая собой совокупность пустотелых 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 характеристикпористых материалов, поровые каналырасположены под углом 30 к поверхности образца, выполнены из одинаковых, последовательно чередующихсяучастков сужений и расширений, причем длина каждого участка по крайней мере не менее пяти его радиусов,отношение длины расширения к длинесужения равно отношению их радиусов,а числО каналов выбрано из соотногде п - число поровых каналов наединице площади образца,А ; открытая пористость,г и гр-радиусы сужений и расширенийпоровых каналов.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРР 432388, кл. 6 01 М 15/08, 1971,2. Авторское свидетельство СССРР 125403,. кл. С 01 Н 15/08, 1958.741109 ер рректор В,Бутяга аказ 3322/4 Подписн Фил ПП П нт , г, Ужгород, ул, Проектная, 4 Составитель Е.Редактор С.Патрушева Техред Л.Теслю Тираж 1019 НИИПИ Государственного комит по делам изобретений и от 035, Москва, Ж, Раушская