3.1. Вимоги, що ставляться
ДО ВИСОКОПОРИСТИХ ПОРОШКОВИХ МАТЕРІАЛІВ
Проникні матеріали, що отримуються методами порошкової металургії, знаходять широке застосування в техніці як фільтри, диспергатори, демпфери, пламегасящих, елементи машин і механізмів, що охолоджують. Це пояснюється тим, що методи порошкової металургії дозволяють отримувати високопористі матеріали з складним поєднанням властивостей, які іншими методами отримати неможливо.
Високопористі матеріали повинні відповідати певним вимогам, що іноді виключають один одного. До них відносяться:
висока пористість при задовільній механічній міцності (пористість визначає продуктивність фільтрів, теплопровідність матеріалу, а форма і розмір пір — тонкість очищення; міцність, у свою чергу, визначає механічні навантаження, які здатні витримувати високопористі матеріали);
корозійна стійкість і окалиностонкость при використанні високопористих матеріалів як фільтри при очищенні агресивних і нагрітих середовищ;
підвищені пластичність і прирабатываемость при використанні їх як уплотнитсльных матеріали;
висока питома поверхня пір при використанні їх як електроди акумуляторів енергії і каталізаторів;
здатність тривалий час зберігати високі експлуатаційні властивості, легко піддаватися очищенню і регенерації не забруднювати фільтроване середовище в процесі роботи.
На відміну від сітчастих, керамічних, скляних, тканинних, фетрових, картонних і інших матеріалів, проникні матеріали, спечені з порошків або волокон, більшою мірою відповідають викладеним вимогам. Вони міцніші, витримують різкі теплосмены і високі температури (до 2000 °С), володіють високою корозійною стійкістю, электропроводимостью, здатні протистояти високому тиску, забезпечують високий ступінь очищення і легко регульовані відносно меж проникності.
Застосовуючи порошкові високопористі матеріали, можна створювати в промисловості нові технологічні режими, конструкції машин, підвищувати ефективність і якість роботи різних механізмів і пристроїв.
3.2. Класифікація, властивості
і ПРИЗНАЧЕННЯ ПОРОШКОВИХ ВИСОКОПОРИСТИХ
МАТЕРІАЛІВ
По застосуванню високопористі матеріали розділяють на наступні групи:
фільтри для очищення повітря, газів, рідин і розплавлених середовищ;
матеріали для зняття теплового навантаження з деталей і механізмів за рахунок теплового потоку через пори охолоджувача (потіючі матеріали і теплові труби);
електроди, каталізатори, катоди;
матеріали для рівномірного розподілу рідин і газів;
матеріали ущільнювачів;
вібро- і звукопоглинальні матеріали.
Фільтри знаходять найбільш широке застосування. Вони служать для фільтрування води, різних масел, мастил, розчинників, рідких і газоподібних палив, рідких газів в криогенній техніці, продуктів бродіння, в хімічній промисловості, ядерній енергетиці і тому подібне
"Основними параметрами, що характеризують фільтри, являються"
Проникність (продуктивність) фільтрів визначається кількістю газу, що протікає через фільтр, або рідини, подаються під певним тиском. Проникність фільтру визначають в пристрої, де через випробовуваний фільтр продавлюють під певним тиском газ, який витісняє з мірного циліндра рідину; Розрахунок ведуть по формулі
де
V
—
кількість выт.есненной рідини, м3; F —
площа фільтру, м2;
— тривалість фільтрування, хв.
Швидкість фільтрування визначають по рівнянню Дарсі:
де !д—коэффициент проникність по Дарсі, Дс (Дс — одиниця проникності, рівна 1,02•10-6 мм2); Рвх і Рвих— відповідно тиск на вході і виході пористого зразка, Мпа; — динамічна в'язкість рідини, Па•с; b — товщина зразка, мм.
Значення коефіцієнта проникності виражають в дарсі. Одним дарсі є проникність пористого матеріалу, в якому перепад тиску 0,1 Мпа забезпечує швидкість рідини 1 см/с при в'язкості 10-3 Па•с через куб з довжиною ребра 1см.
Проникність, тонкість фільтрування залежать від пористості, форми і розмірів частинок порошку, з якого виготовлений фільтр, а також його товщина. Мінімальна товщина порошкових фільтру рів повинна складати 3 мм, оскільки при менших її значеннях вони не достатньо міцні, а при великій товщині погіршується проникність. Тонкість фільтрування залежить від пористості, яка за інших рівних умов визначається розміром частинок. Так, фільтр, виготовлений з частинок порошку з середнім діаметром 35 мкм, здатний видалити з розжареного газу всі частинки розміром понад 0,50 мкм, з середнім діаметром 65 мкм — 98 % частинок з розміром 1,0 мкм.
Важливою перевагою порошкових фільтрів є їх висока міцність, що дозволяє створювати високі перепади тиску при фільтруванні. Так, наприклад, порошкові фільтри з бронзи завтовшки 5 мм витримують навантаження до 18, а з неіржавіючої сталі — до 50 Мпа]
До переваг порошкових фільтрів слід віднести значний термін служби, який перевищує термін служби інших відомих фільтрів. Це пояснюється тим, що вони порівняно легко піддаються регенерації, тобто очищенню від твердих частинок, що затримуються в каналах пір і що знижують тим самим робочі параметри. Крім того, при роботі в умовах вібрації, наприклад в двигунах автомобіля, може відбуватися самоочищення фільтрів за рахунок видалення твердих частинок з його поверхні. До регенерації фільтрів пред'являються наступні вимоги: вона повинна проводитися без демонтажу устаткування, споживати невеликий об'єм регенеруючої суміші, забезпечувати мінімальне зменшення проникності фільтрів після регенерації. Поширений метод регенерації — протитечія, коли повітря або інертну рідину пропускають через фільтр в напрямі, протилежному ;потоку фільтрованого середовища при тиску 0,1 — 0,2 Мпа. Застосовують також промивку кислотами і іншими розчинниками, які не взаємодіють з матеріалом фільтру. Наприклад, фільтри з неіржавіючої сталі промивають азотною кислотою помірної концентрації.
Застосовують також термічне очищення шляхом прожарення в середовищі газу, що реагує з осадом, або у вакуумі, якщо осідання при нагріві утворюють летючі з'єднання. Фільтри можна також очищати за допомогою відцентрових сил, вібрації. Останні способи застосовуються обмежено, оскільки необхідний демонтаж фільтрів.
Повністю відновити властивості фільтрів після регенерації не вдається, оскільки середній ефективний розмір пір збільшується за рахунок того, що газопроникність дрібних пір при регенерації повністю не відновлюється.
Друга група високопористих матеріалів застосовується для зняття теплових навантажень з високотемпературних вузлів і деталей. Зняття теплового навантаження досягається охолоджуванням за рахунок акумуляції теплоти охолоджувачем, що проходить через пори. Такий метод охолоджування називають пористим, а матеріали — що потіють. Суть методу полягає в наступному: поверхню, що піддається нагріву, покривають високопористим матеріалом, а в пори подають рідину, що охолоджує, або газ. На поверхні пористої стінки утворюється плівка рідини або газу, яка істотно знижує температуру стінки за рахунок витрат теплоти на випаровування і можливу дисоціацію молекул газу. Іншим методом зняття теплового навантаження за допомогою матеріалів цієї групи є застосування теплових труб, в яких використовується ефект капілярного руху рідини. Рух рідини через пори вставки теплової труби дозволяє створювати потоки теплоти потужністю до 150 Вт/см2, що в тисячу разів перевищує теплопровідність міді.
Ефект потіючих матеріалів використовується також для запобігання обмерзанню літаків, де підігріте повітря або рідини (антифриз), що випаровуються, циркулюють в пористих матеріалах, розташованих на кромках крил. Застосування високопористих міднонікелевих матеріалів в п'ять разів перевищує ефективність використання антифризу і в два рази зменшує його витрату.
Високу ефективність і надійність проявляють потіючі матеріали у всіх галузях техніки:
у енергетиці — при відведенні теплоти в стаціонарних, транспортних і космічних ядерних енергетичних установках, в електричних апаратах, газотурбінних двигунах (охолоджування лопаток, корпуси), в трансформаторах для охолоджування внутрішніх вузлів, що перегріваються, що дозволяє на 30 % збільшити їх електричну потужність;
у космічній техніці і авіації — для термостабілізації апаратури, зняття теплових навантажень, рівномірного розподілу температури по поверхні корпусів космічних апаратів, для вирівнювання температур на передній кромці крил, регулювання температури відсіку шасі, скафандра космонавта, що працює у відкритому космосі, і др.;
у радіоелектроніці і радіотехніці — для охолоджування і термостабілізації радіотехнічної апаратури за принципом теплових труб;
у машинобудуванні для охолоджування різців металоріжучих верстатів, гальмівних і підшипникових пристроїв;
у металургії — для охолоджування фурм і череня доменних печей, валків прокатних станів, электрододержателей дугових печей (наприклад, охолоджування фурм доменних печей за допомогою теплових труб забезпечує приріст виплавки чавуну до 1 млн т в рік за рахунок скорочення часу на зупинки печей для ремонту фурм).
Третя група високопористих матеріалів — це носії каталізаторів і електроди, що застосовуються в електрохімічних процесах, катоди електронних пристроїв. При деяких електрохімічних процесах на катоді з великим перенапруженням виділяється водень, що приводить при високій щільності струму до підвищеної витрати електроенергії. Величина перенапруження залежить від площі електроду. Застосування пористих електродів з високодисперсного порошку заліза ефективно знижує перенапруження. Ефективність роботи акумуляторів і паливних елементів істотно залежить від площі поверхні електродів При використанні електродів з пористістю, що досягає 70-90 %, вдається зменшити габарити акумуляторів і витрату металу. Крім того, застосування в акумуляторах пористих нікелевих пластин дозволяє вводити в пори активну масу — гідроксиди що підвищує ефективність їх роботи. Для підвищення міцності електродних пластин застосовують перфоровану металеву смугу, по обох сторонах якої наноситься високопористий матеріал.
Високопористі матеріали також застосовуються як носії каталізаторів. Наприклад, в камерах згорання газотурбінних двигунів застосовують пористі матеріали, що містять каталізатори, - оксид цирконію (IV), оксид кальцію з добавками нікелю, платини і титану. При отриманні конвертованого газу застосовують пористий шамот, в порах якого міститься нікель, що надає каталітичну дію на процес розкладання природного газу.
Високопористі тугоплавкі метали використовуються як катоди електронних ламп. Широко застосовується пористий вольфрамовий каркас із запресованою в нього пігулкою карбонату барії або стронцію, які при нагріві відновлюються, і метали, що утворюються, покривають тонкою активною плівкою пористий вольфрам. Робоча температура таких катодів вища, ніж оксидних, що підвищує потужність електронних пристроїв. Активні метали у вигляді карбонатів можуть вводитися також просоченням пористого каркаса або додаванням в шихту перед пресуванням.
Четверта група високопористих матеріалів — матеріали, використовувані для рівномірного (за площею) підведення газу або рідини при пневмотранспортировке сипких речовин, проведенні реакцій в киплячому шарі, змішуванні газів і рідин і ін. Застосуванням пористих жолобів при транспортуванні цементу за допомогою повітря досягають швидкості його руху до 1 м/с при витраті повітря 1,5—3 м3/(м2-мин) і перепаді тиску 26,6 кПа. Міжелектродні вставки плазмотронов, через яких подається плазмообразующий газ, виготовлені з високопористих матеріалів, дозволяють істотно підвищити стабільність плазмового струменя. Хорошими капілярними властивостями високопористих матеріалів обумовлено використання їх при аеруванні пульпи в машинах флотацій, для рівномірної подачі повітря в циліндри пневматичних підйомників, а також для рівномірної подачі масла в потік стислого повітря.
При застосуванні високопористих матеріалів як ущільнювачі використовуються їх високі пластичність і прирабатываемость. Такі матеріали на основі заліза використовуються як ущільнювачі при герметизації стиків труб, муфт і фланців. Для цієї мети використовують також пористе залізо, просочене бітумом (зинтерит). Такий матеріал отримують спіканням вільно насипаних грубозернистих порошків при температурі 1200— 1300 °С і просоченням бітумами для підвищення корозійної стійкості.
Високопористі матеріали застосовуються як ущільнювачі в газових турбінах. В цьому випадку пористі (60—70 %) пластини з жароміцних никельмолибденовых, хромонікелевих сталей або пористий матеріал, отриманий спіканням порошку графіту, покритого нікелем, поміщають в простір між корпусом турбіни і лопатками. При обертанні лопаток і тепловому розширенні пористий матеріал легко деформується, створюючи надійне ущільнення в діапазоні робочих температур 200—1100 °С.
Розширюється застосування високопористих матеріалів для звукоізоляції і вібропоглинання в літаках, ракетах, пневмоустановках, в будівництві.