книги из ГПНТБ / Мизери, А. А. Эксплуатация текстильного оборудования с деталями из пористых спеченных материалов

ролитическом методе получаются частицы угловой формы, а по­ рошки, изготовленные методом восстановления, имеют шерохова­

тую, сильно развитую поверхность.

Различие в размерах и форме частиц порошка определяет раз­ личие в их поведении при прессовании, спекании и влияет на механические свойства. Это различие сильно сказывается на так называемой вторичной структуре пористых материалов, т. е. на их пористости и распределении пор по размерам.

При изучении пористых спеченных и других материалов и ус­ тановлении закономерности протекания через поры масел, распла­ вов и других жидкостей (фильтры и подшипники скольжения) многие исследователи используют большой опыт, накопленный в области фильтрации через грунт, принимая при этом ряд допу­ щений.

Обычно при гидродинамическом исследовании фильтрации че­ рез грунт исходят из предложения, что все поры грунта имеют цилиндрическую форму и расположены параллельно друг другу. В этом случае грунт называют идеальным или считают состоя­ щим из одинаковых по размерам шарообразных частиц — тогда этот грунт называют фиктивным.

Для определения примерных границ, в которых может изме­ няться пористость, Слихтер, а позже Фрейзер и Грейтон вычис­ лили величину пористости материала, состоящего из правильных сферических частиц одного размера, но с различной укладкой. Интересно отметить, что размер частиц при этом допущении не определяет величину пористости. Пористость зависит только от плотности укладки зерен.

Рассматривая пористость фиктивного грунта, Слихтер [17] со­ ставил пространственный элемент этого грунта из восьми шаров одинакового диаметра. Центр каждого шара расположил в вер­ шине ромбоэдра, грани которого являются ромбами с длиной, равной диаметру шара. В зависимости от расположения шаров изменяется угол ромба, причем его крайнее значение 90° — при наиболее свободном расположении шаров и 60° — при самой плот­ ной укладке.

Это выражение является основной формулой Слихтера, из ко­ торой следует, что пористость фиктивного грунта зависит не от величины шаров, а от их расположения, характеризуемого углом 0.

20

Так, пористость образца с кубической укладкой сферических частиц менее плотная и оказалась равной 47,6%- Пористость об­ разца с более плотной ромбической укладкой составляет лишь

25,9%.

Для характеристики фиктивного грунта Слихтер ввел еще од­ ну величину, названную просветом и равную отношению площади перехода между шарами к площади ромба, образованного пря­ мыми, соединяющими центры шаров.

Величина просвета

лЛ

п= 1----------.

4 sin Ѳ

Таким образом, величина просвета, характеризующая площадь прохода жидкости в узком месте поры в фиктивном грунте (так же как и пористость), зависит не от величины шаров, а от их расположения.

В дальнейшем другими исследователями была показана воз­ можность получения различной укладки в отдельных слоях много­ слойной системы вследствие того, что некоторые шары, попадая в углубление между шарами, лежащими ниже, изменяют упа­ ковку.

Так, при наиболее плотной упаковке получаются различные формы пор вместо одной, принимаемой Слихтером.

Технология производства сферических порошков из разных металлов (меди, железа, никеля) и их сплавов в данное время достаточно хорошо изучена и освоена.

Применение этих порошков связано главным образом с про­ изводством фильтров или с изготовлением биметаллических и триметаллических вкладышей, причем в одной и той же пористой композиции могут быть частицы различного размера. Поэтому действительная укладка сферических частиц и соответствующая им пористость в спеченных изделиях значительно отличаются от расчетных, предложенных Слихтером.

Основная номенклатура спеченных деталей производится из порошков самой произвольной формы и размеров, а следователь­ но, закономерности укладки и соответствующая им пористость не применимы к этим порошковым материалам.

Некоторые исследователи характеризуют структуру пористых материалов общей пористостью и средним радиусом пор.

Воснове метода определения среднего радиуса, применяемого

влаборатории коллоидной химии Ленинградского государствен­ ного университета [18], лежит уравнение Пуазейля для капилляра цилиндрической формы. Согласно этому уравнению средний ра­ диус поры вычисляется по формуле

21

Предполагается, что закон Пуазейля применим как для мак­ рокапилляров, так и для микрокапилляров. Кроме того, предпо­ лагается наличие пор двух структур: цилиндрической и в виде щелей с прямоугольным поперечным сечением. Для каждой струк­ туры различают следующее расположение пор: поры направлены перпендикулярно поверхности, и их длина равна толщине мате­ риала, поры равномерно распределены по трем взаимно перпенди­ кулярным направлениям, поры равномерно распределены по всем направлениям. Если предположить, что все поры имеют цилиндри­ ческую форму с одинаковым поперечным сечением и расположены перпендикулярно поверхности, то для образца с площадью F и числом пор на 1 см2 Ny уравнение Пуазейля примет следующий

где b — толщина образца спеченного материала.

Величина Ny не поддается непосредственному эксперименталь­ ному определению. Ее можно выразить через общую пористость и средний радиус пор. Действительно, если лг2Ь — объем отдельной поры, то nr2bFNx — объем всех пор спеченного образца с пло­ щадью F. Следовательно, объем пор в единице объема спечен­ ного образца, или общая пористость,

равен количеству жидкости или газа, прошедшему через единицу площади пористого материала в единицу времени под давлением, равным единице. Подставляя в формулу (6) значение коэффици­ ента протекаемости, получим формулу для определения среднего радиуса пор при условии, что поры имеют цилиндрическую форму, одинаковую по длине, равной толщине материала,

' - ' = ] / ч г - <7>

Если предположить, что поры равномерно распределены по трем взаимно перпендикулярным направлениям, то жидкость бу-

22

дет проходить только через поры, пересекающие обе поверхности

материала, т. е. Nz = — Nlf где N2— число пор, выходящих на

разование, получим формулу для определения среднего радиуса

Большинство пористых материалов имеет хаотическое распре­ деление пор по всем направлениям.

Вместе с тем некоторыми исследователями установлено, что при хаотическом распределении пор скорость фильтрации равно­ ценна скорости фильтрации при системе прямолинейных пор, пе­ ресекающихся в трех взаимно перпендикулярных направлениях, и что средний радиус пор г3 такого пористого материала можно вы­ числить по формуле (8).

Таким образом, для двух вариантов расположения пор ци­ линдрической формы, а именно: для расположения пор по трем взаимно перпендикулярным направлениям и для равномерного распределения пор по всем направлениям имеется одно и то же выражение для определения среднего радиуса.

При перпендикулярном направлении пор к поверхности пори­

стого материала величина среднего радиуса меньше в У 3 раза, т. е.

г2 = гяѴ ^ г г.

В зависимости от характера распределения пор величина их

среднего радиуса может колебаться от Гу до г^ — Ѵ^Зг-у, так что неточность определения, вызванная незнанием действительного распределения пор в пористом материале, может достичь 70%.

Число пор в пористом материале для рассмотренных вариан­ тов определяется по следующим формулам:

Принимая, что поры имеют форму щелей, ограниченных парал­ лельными плоскостями, и расположены перпендикулярно поверх­ ности пористого материала. Манегольд [18] получил следующее выражение для половины ширины щели:

(9)

23

Соотношение между радиусом цилиндрического капилляра и половиной ширины щели составляет

При другом варианте расположения пор, т. е. в трех взаим­ но перпендикулярных направлениях и равномерно по всем направ­ лениям

При выводе сделаны следующие допущения:

1. Прямолинейность пор. Если допустить, что поры непрямо­ линейны, то увеличится общая пористость W, уменьшится коэф­ фициент протекаемости D и значения г или ß также уменьшатся.

2.Постоянство поперечного сечения по всей длине отдельных пор. Если сечения пор по длине неодинаковы, то W остается по­ стоянной, но при определении коэффициента протекаемости при­ нимают значения наиболее узких частей пор.

3.Равенство поперечных сечений всех пор пористого матери­ ала. В действительности это не соблюдается и поэтому вычисле­ ние г и ß дает лишь некоторую величину.

4.Равенство объема пустот пористого материала и фильтру­ ющего объема. Если есть поры, не имеющие выхода на поверх­ ность, то вычисленное значение г или ß окажется меньше действи­ тельного.

Вобщем виде формулы для определения г и ß можно пред­ ставить следующим образом:

где W9— эффективная пористость, т. е. та часть объема пор в еди­ нице объема материала, через которую протекают жидкость или газ.

Для пор любой формы, расположенных перпендикулярно по­ верхности материала, Ws— W, т. е. все поры являются эффектив­ ными. Для других вариантов распределения пор цилиндрической формы

Из сравнения эффективной пористости с общей пористостью следует, что наилучшими являются фильтры с порами, располо­ женными перпендикулярно поверхности материала независимо от их формы. При двух других расположениях пор наиболее эффек­

24

тивны материалы, имеющие щелевидные поры, так как для них Wa составляет 2/3W, тогда как эффективная пористость материа­ ла с цилиндрическими порами составляет вс^Ро 7з от общей по­ ристости. Пористые спеченные материалы, и в частности железогра­ фитовые, имеют поры самого различного размера. Характеризо­

ное представление.

Ф. И. Котяхов [19] указывает, что большая часть методов для определения различных пор пористых материалов базируется на предположении закона Пуазейля.

Введем следующие обозначения:

F — площадь фильтрации пористой среды;

п — число пор, приходящихся на единицу площади фильтра­ ции;

/■-—радиус пор;

ц— динамическая вязкость жидкости;

А/— длина пор;

Ар — перепад давления по закону Пуазейля.

Расход жидкости Q, проходящей через пористую среду, пред­ ставляющую собой систему каналов одного диаметра, можно за­ писать в следующем виде:

Объем пустот в пористой среде, очевидно, определяется выра­ жением nFnr2l, откуда коэффициент пористости находят как отно­ шение

25

Величина г представляет собой радиус цилиндрической поры, вычисленной при предположении, что пористая среда представ­ ляет собой систему несообщающихся друг с другом цилиндри­ ческих капилляров одинаковой длины. Понятно, что эти величины имеют совершенно условный смысл. Если выразить проницае­ мость в Дарси, то формула (17) примет следующий вид:

T. e. чтобы оценить размер пор, достаточно знать соответствую­ щие значения их коэффициентов пористости и проницаемости.

Этот метод определения размеров пор дает лишь усредненные значения, а так как в действительности имеются поры разных размеров, то исходя из формулы (14) величину Q можно предста­ вить в следующем виде:

Для определения среднего размера пор фильтров из спечен­ ных материалов Л. С. Гликман, Р. И. Рощупкин и Е. И. Павлов­ ская применили метод максимального давления пузырьков [20].

Этот метод основан на измерении давления, которое необходимо - для того, чтобы протолкнуть воздух через поры тела, погружен­ ного в жидкость с известным поверхностным натяжением. Пред­ варительно образец пропитывают этиловым спиртом, затем его помещают в специальное герметическое приспособление. На по­ верхность образца наливают слой спирта (3—6 мм), затем мед­ ленно поднимают давление до тех пор, пока не появится первый пузырек.

При этом давлении воздух проходит через поры с наиболь­ шими размерами. С повышением давления количество пузырьков увеличивается. Затем наступает момент, когда пузырьки начинают выходить из многих пор по всей поверхности.

26

Этому давлению соответствуют среднего размера поры фильтра, которые вычисляются по формуле

d = 408 — ,

ДР

дг(е d — средний диаметр пор, мк;'

а — поверхностное натяжение спирта на границе спирт — воз­ дух; а = 22,3 дин/см;

Ар — перепад давления на дифманометре, мм вод. ст. Метод максимального давления пузырьков, как отмечается

в работе канд. техн. наук И. П. Ишкина и инж. М. Г. Каганера [21], является наиболее пригодным для определения среднего размера пор керамических фильтров и позволяет достаточно точно и бы­ стро установить однородность фильтров по всей поверхности. Рас­ пределение пор по размерам авторы рекомендуют определять с помощью графо-аналитического метода.

Р. А. Андриевский [22], анализируя метод максимального дав­ ления пузырьков, указывает на недостаточную точность этого ме­ тода как для мелких, так и для крупных пор.

Исследование пористости и распределения пор по размерам

спомощью метода ртутной порометрии

Вработе «Применение металлокерамики и капиллярной смазки при ремонте и модернизации текстильного оборудования» [23] впервые опубликованы материалы по исследованию некоторых по­ ристых спеченных материалов методом ртутной порометрии.

Втехнической литературе до этого не было никаких сведений

оприменении этого метода для изучения структуры пористых спе­ ченных материалов.

Вто же время в СССР и за рубежом появилось много работ, посвященных исследованию пористой структуры силикагелей, активных углей, сажи и других материалов.

За последние годы проведены также комплексные исследования структуры высокодисперсных и пористых тел с использованием различных методов и в первую очередь адсорбционного и капил­

лярно-конденсационного, электронно-микроскопического, метода рассеяния рентгеновских лучей под малыми углами и метода ртут­ ной порометрии. Уточнены также возможности и границы приме­ нения отдельных методов, получены данные о пористой структуре широко распространенных в промышленности сорбентов и катали­ заторов. Каждый из указанных методов определения структуры имеет определенные достоинства и недостатки.

Комплексное изучение структуры высокодисперсных и пори­ стых материалов несколькими независимыми методами проводи­ лось с целью проверки достоверности результатов, полученных этими методами [24].

Преимуществом адсорбционного метода является многообразие получаемых с его помощью структурных характеристик адсор­ бента: объем сорбирующих пор, удельная поверхность, степень

27

неоднородности поверхности, средние размеры частиц скелета, рас­ пределение объема пор по их размерам. Однако этот метод имеет и недостатки, так как получаемые характеристики структуры яв­ ляются усредненными и значения этих характеристик связаны с известными допущениями о строении и свойствах адсорбцион­ ных слоев и капиллярно-конденсированных жидкостей.

По мнению ряда исследователей, адсорбционный метод требует усовершенствования.

Применение метода рассеяния рентгеновских лучей под малыми углами при изучении строения гелей, микропористых стекол и мно­ гих катализаторов вызывает значительные трудности математиче­ ской обработки дифракционной картины. При этом методе остается неясным, какой элемент структуры определяется — поры или частицы.

Электронно-микроскопический метод обладает большой на­ глядностью. Вместе с тем в электронно-микроскопических иссле­ дованиях встречается много явлений, которые называются «арте­ фактами», т. е. изображений, не поддающихся истолкованию. Применение метода реплик вносит дополнительные трудности в толкование результатов. Даже использование стереоскопиче­ ского метода не устраняет этих Затруднений.

Метод ртутной порометрии как наиболее простой и отвечающий требованиям поставленных задач должен иметь большое значение при изучении строения пористых спеченных материалов.

Пористые спеченные материалы, и в частности железографи­ товые, имеют поры самых различных размеров.

Характеризовать эти материалы по среднему или максималь­ ному размеру пор для пористых подшипников и тем более для фильтров, изготовленных из пористого спеченного материала, со­ вершенно недостаточно. На самом деле при наличии примерно одинаковых пор среднего и максимального размера пористые ма­ териалы могут сильно отличаться друг от друга по размерному составу пор. Поэтому решать вопрос о работоспособности в тех или иных условиях пористых подшипников и особенно фильтров можно лишь при полном представлении структурного состава пор и распределении пор по величине радиуса.

Для исследования «вторичной структуры» пористых железо­ графитовых материалов автором была разработана и применена установка, основанная на методе вдавливания ртути.

Этот метод получил распространение в нашей стране благо­ даря работам Т. Г. Плаченова, проводимым в Ленинградском технологическом институте имени Ленсовета [25], и работам Р. X. Бурштейн и ее сотрудников в Институте электрохимии АН

СССР [26].

Метод вдавливания ртути или, как его называют, метод ртут­ ной порометрии основан на свойстве ртути не смачивать многие твердые тела. С помощью этого метода можно получить данные об объемах пор исследуемого материала и о распределении этого объема по эффективным радиусам пор.

28

При заполнении объема пор твердого тела жидкостью с крае­ вым углом смачивания, превышающим 90°, необходимо преодолеть сопротивление силы, численно равной величине произведения параметра поры на поверхностное натяжение и на косинус угла смачивания. Зависимость между внешним давлением и капилляр­ ным сопротивлением в порах твердого тела характеризуется сле­

дующим уравнением: Fhgy^ nacosQ> (20)

где F — площадь сечения поры, см2;

h — высота капиллярного падения жидкости, см;

g— ускорение силы тяжести, см/с2;

у— плотность жидкости, г-с2/см4; П — периметр поры, см;

о— поверхностное натяжение жидкости, гс/см; Ѳ1— угол смачивания, град.

Произведение gyh имеет размерность силы на квадратный сан­ тиметр и поэтому может быть выражено через давление р (кгс/см2). Для пор цилиндрической формы уравнение можно на­ писать в следующем виде:

Таким образом, изучение распределения пор по радиусам ме­ тодом вдавливания ртути, согласно Н. Т. Ritter, L. С. Drake [27], основано на соотношении

Экспериментально определяют объем ртути, входящей в поры при постепенном увеличении давления, и находят функцию рас­ пределения пор по радиусам D(r) по уравнению

dV

где dV — объем ртути, входящей в поры при изменении радиуса от г до r+dr.

Использованный при исследовании пористости метод вдавлива­ ния ртути основан на некоторых допущениях.

1. Предполагается, что поры имеют в сечении окружность. В действительности же поры могут быть самой разнообразной формы.

2. Данные о величине поверхностного натяжения и угла смачи­ вания ртутью несколько отличаются от фактических.

К достоинствам метода вдавливания ртути следует^ѳтнести не­ сложность аппаратуры, необходимой для исследования.

Установка для исследования пористости

Установка состоит из двух совершенно не связанных друг с дру­ гом частей. В одной — вакуумной установке — производится обезгаживание исследуемого образца и заполнение ртутью прибора, в котором находится этот образец (рис. 1).

29