粉末材料的孔隙度特.ppt
第二节粉末材料的孔隙度特性,一般粉末冶金材料是金属和孔隙的复合体，其孔隙度范围很广，有低于1%2%残留孔隙度的致密材料，有10%左右孔隙度的半致密材料，有 15%孔隙度的多孔材料，也有高达98%孔隙度的泡沫材料。孔隙是粉末冶金材料的固有特性，孔隙度显著地影响粉末冶金材料的机械、物理、化学和工艺性能。,粉末冶金多孔材料的基本特性：由于孔隙的存在，多孔材料具有大的比表面和优良的透过性能，以及易压缩变形、吸收能量好和质量轻等特性。在普通铸件中，气孔和缺陷是常见的缺陷，也是熔铸法难以克服的问题；而用粉末冶金法制取的材料，其孔隙度、孔径及分布可以有效地控制，并且可在相当宽的范围内调整。,一、粉末材料孔隙度和孔径的测定,孔隙度和密度是粉末冶金材料的基本特性，孔隙度和密度的测定是控制粉末冶金材料质量的主要方法之一。对于致密材料，可直接将试样放在水中称重，其残留孔隙度也可以采用显微镜法进行定量估算。对于具有开孔隙的材料，用液体静力学法称量时，为了不让液体介质进入孔隙，可浸渍熔融石蜡、石蜡泵油、无水乙醇液体石蜡、油、二甲苯和苯甲醇等物质，或者涂覆硅树脂汽油溶液、透明胶溶液和凡士林等物质，使烧结体的开孔隙饱和或堵塞。,多孔材料的密度和孔隙度常采用真空浸渍法来测定。首先，将清洗干净的试样在空中称重；接着，在真空状态下浸渍熔融石蜡、石蜡油或油等液体介质，使全部开孔隙饱和后取出试样，除去表面多余介质；再一次在空中称重，然后在水中称重；最后，计算烧结试样的密度和孔隙度：,计算公式：式中：-试样密度，g/cm3；l-浸渍后试样的质量，若用蒸馏水时，密度为1 g/cm3；1-试样在空中的质量，g；2-浸渍后试样在空中的质量，g；3-称量后试样在液体介质中的质量，g；,“假合金”和成分之间相互作用很弱的合金，可采用加和法求其理论密度；否则，需要采用与测定粉末真密度相同的方法进行测定。求加和密度的公式为：据资料介绍，使用具有低蒸汽压和稳定密度的苯甲醇浸渍试样，可以获得良好的结果；使用无水乙醇液体石蜡浸渍试样，精度也较高。但是浸渍介质不可能浸渍到所有孔隙中去，特别是不易填满窄缝，结果开孔隙度的测量值偏低。,目前测定孔径及其分布的方法很多，主要有：汞压入法、气泡法，离心力法、悬浊液过滤法、透过法、气体吸附法、射线小角度散射法和显微镜分析法等等，其中使用较多的是汞压入法。,汞压入法原理：利用汞对固体表面不润湿的特性，把汞用一定压力压入多孔体的孔隙中以克服毛细管阻力。假设在孔壁光滑的直圆柱形毛细管孔内，当作用在液面与孔壁的接触线的平面法线方向上的压力向上的分量与同一平面上表面张力在法线方向上的分量平衡，则：,孔隙直径：,汞压入法测定多孔材料孔径分布的方法如下：将试样置于膨胀计中，并放入充汞装置内，在真空条件下下，向膨胀计充汞，浸没试样。压入多孔体的汞量是以与试样部分相联结的膨胀计毛细管内汞柱的高度变化来表示的。当对汞所施的附加压强低于大气压强时，向充汞装置中导入大气，从而使膨胀计中的汞，对于多孔镍来说，获得可测大于1.22m以上的孔径所需的压强。,为了使汞进入孔径小于1.22m，必须对汞施加高压。随着对汞所施压强的增加，汞逐渐地充满到小孔隙中，直到开孔隙为汞所填满为止。从而得到汞压入量与压强的关系曲线，并由此可求得其开孔孔径分布。汞压入法可测定的最小孔径为2m左右。但由于装置结构必然具有一定的泵头压力，所以最大孔径的测量是有限的。,气泡法测定最大孔径及孔径分布的原理与汞压入法相同，但过程相反。它利用能润湿多孔材料的液体介质浸渍，使试样的开孔隙饱和，再用压缩气体将毛细管中的液体挤出来。气泡法仪器设备简单，操作容易。但气泡法无论是在测定孔径分布的重复性还是测量分布区间方面，都不如汞压入法。气泡法与汞压入法相反，尽管测量最小孔径比较困难，但是测量最大孔径的精确度高。,二、粉末多孔材料的透过性能,对于过滤器、含油轴承和其他多孔材料来说，透过性能是一种很重要的孔隙度特性。研究流体通过多孔材料的透过性能，可为设计、工艺和应用提供参考数据。在多孔体中，当作用在流体上的压差较小，流速较低，流体的雷诺数时，则为层流。对于多孔材料来说，临界雷诺数与孔中流体的雷诺数、孔道表面的相对粗糙度，以及孔道长度上孔截面的变化程度有关。在多孔材料中，层流时比能损失较小（和流速的一次方成正比），而且在流体流过很细的孔道时，流速一般不会很高。下面着重研究在层流条件下流体的透过规律。,当有层流的流体通过多孔材料时，在单位面积上的流速与其压力梯度成正比，通常以达尔西公式表示：,为了工程上使用方便，在实际测量中多采用相对透过系数K。对于气体叫相对压力梯度，对于液体叫相对渗透系数。则（7-3）式可变为：简明地表达了单位面积上体积流速（Q/A）与压差（p）的线性关系。,多孔材料由于对液体和气体介质的透过性均匀，具有很好的过滤作用和均匀分流作用，可以制成各种过滤器和流体分布元件。由于孔隙的毛细管作用和蓄积作用，粉末多孔材料具有很好的浸透性和自润滑性。孔隙的毛细管作用是用各种液态物质浸透（渍）多孔骨架制取浸透材料和多孔含油轴承的基础。,三、粉末多孔材料的表面特性,大量孔隙的存在使多孔材料具有很大的比表面，而比表面的大小又是决定其使用性能的重要指标。测定开孔隙比表面的方法很多，可用类似于测量粉末比表面的方法来测定。用BET法测定每克只有十分之几平方厘米的比表面的试样已相当困难，因此，对一般由粒度在微米以上的粉末制取的多孔材料，就不大适用了。当孔隙度大于20%时，用透过法测法测定比表面可以得到足够精确的结果，满足实际应用的需要。,粉末多孔材料由于具有发达的表面，从而具有很强的穿流介质热交换作用和表面作用，可制成各种多孔电极、催化剂、发汗材料、热交换器和止火器等。由于多孔材料和穿流介质之间存在很大的接触面，具有十分迅速的热交换作用，所以常将高温部件做成多孔体，用冷却剂通过加以冷却。这种冷却方式的吸热过程一般通过三条途径实现：利用冷却介质和热流的逆向冷却；冷却剂发生物态变化以吸收大量热量；喷射冷却改变附面层状态，以隔绝壁表面与高热气流。,多孔体止火的原理，是根据火焰通过毛细孔时产生热交换，使燃烧物的热量通过孔壁而散失，从而阻止燃烧过程的进行，使火焰熄灭。换句话说，火焰在管道中传播的速度和孔隙大小是有一定关系的，当孔径减小到某一临界尺寸时，可燃气体将不可能着火。孔径的这一极限值称为临界熄火孔径。粉末多孔材料孔径小、透气性好、强度高，最适于作高速火焰的止火器。粉末多孔电极具有大的比表面和晶体缺陷，可以有效地降低氢的超电压。,多孔材料的耐腐蚀性比相应的致密材料差，多孔材料的表面非常发达，所以与周围介质反应的能力显著增强。致密材料的腐蚀常常发生在表面，多孔材料的腐蚀不仅发生在表面，而且发生在基体内部，并且腐蚀介质（特别是液态介质）进入孔隙后，就很难清除掉。因此，由易腐蚀材料制取的多孔产品，常常需要进行防腐处理。,四、粉末多孔材料的其他特性,粉末多孔材料易压缩变形的特性，是通过各种变形方式使多孔体致密化的基础。在工业技术上也常利用这一特性来制取密封材料。高孔隙度的多孔铁的柔软性和易压缩变形特性接近于铅。粉末多孔材料除了可作通常的管接头、套管和凸缘的密封垫以外，还用于航空燃气轮机转动部分的密封，可承受高温、高压、高速气流的作用。,粉末多孔材料具有质量轻和吸收能量好的特性，可用做消音、消震和隔热装置，使用效果很好。消音器是控制声音衰减的一种零件，从喷射工程中的吸音材料到助听装置中的衰减器，均有所应用。用粉末冶金方法可以通过控制材料密度、原始粉末大小、孔径、孔隙形状和零件尺寸来生产有严格声学要求的零件。,用金属纤维制得的粉末多孔材料，在低频时具有优越的消音性能。用不锈钢纤维制得的多孔材料，在815仍不丧失消音功能。由于孔隙多，多孔材料的弹性内耗很大，消震性能很好。高孔隙度的泡沫材料在宇航技术中是一种很有发展前途的新型材料，具有消音、消震、隔热和质量很轻等特性。,
