粉末材料的孔隙度特性

1、 一般粉末冶金材料是金屬和孔隙的復(fù)合體，一般粉末冶金材料是金屬和孔隙的復(fù)合體，其孔隙度范圍很廣，有低于其孔隙度范圍很廣，有低于1%2%1%2%殘留孔隙度殘留孔隙度的致密材料，有的致密材料，有10%10%左右孔隙度的半致密材料，左右孔隙度的半致密材料，有有 15%15%孔隙度的多孔材料，也有高達(dá)孔隙度的多孔材料，也有高達(dá)98%98%孔孔隙度的泡沫材料?？紫妒欠勰┮苯鸩牧系墓逃邢抖鹊呐菽牧??？紫妒欠勰┮苯鸩牧系墓逃刑匦?，孔隙度顯著地影響粉末冶金材料的機(jī)械、特性，孔隙度顯著地影響粉末冶金材料的機(jī)械、物理、化學(xué)和工藝性能。物理、化學(xué)和工藝性能。 粉末冶金多孔材料的基本特性：粉末冶金多孔材料的基本特性

2、：由于孔隙的由于孔隙的存在，多孔材料具有大的比表面和優(yōu)良的透過(guò)性存在，多孔材料具有大的比表面和優(yōu)良的透過(guò)性能，以及易壓縮變形、吸收能量好和質(zhì)量輕等特能，以及易壓縮變形、吸收能量好和質(zhì)量輕等特性。性。 在普通鑄件中，氣孔和缺陷是常見(jiàn)的缺在普通鑄件中，氣孔和缺陷是常見(jiàn)的缺陷，也是熔鑄法難以克服的問(wèn)題；而用粉末冶金陷，也是熔鑄法難以克服的問(wèn)題；而用粉末冶金法制取的材料，其孔隙度、孔徑及分布可以有效法制取的材料，其孔隙度、孔徑及分布可以有效地控制，并且可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)調(diào)整。地控制，并且可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)調(diào)整。 孔隙度和密度是粉末冶金材料的基本特性，孔孔隙度和密度是粉末冶金材料的基本特性，孔隙度和密度

3、的測(cè)定是控制粉末冶金材料質(zhì)量的隙度和密度的測(cè)定是控制粉末冶金材料質(zhì)量的主要方法之一。主要方法之一。 對(duì)于致密材料對(duì)于致密材料，可直接將試樣放在水中稱重，可直接將試樣放在水中稱重，其殘留孔隙度也可以采用顯微鏡法進(jìn)行定量估其殘留孔隙度也可以采用顯微鏡法進(jìn)行定量估算。算。 對(duì)于具有開(kāi)孔隙的材料對(duì)于具有開(kāi)孔隙的材料，用液體靜力學(xué)法稱量，用液體靜力學(xué)法稱量時(shí)，為了不讓液體介質(zhì)進(jìn)入孔隙，可浸漬熔融時(shí)，為了不讓液體介質(zhì)進(jìn)入孔隙，可浸漬熔融石蠟、石蠟泵油、無(wú)水乙醇液體石蠟、油、二石蠟、石蠟泵油、無(wú)水乙醇液體石蠟、油、二甲苯和苯甲醇等物質(zhì)，或者涂覆硅樹(shù)脂汽油溶甲苯和苯甲醇等物質(zhì)，或者涂覆硅樹(shù)脂汽油溶液、透明膠溶

4、液和凡士林等物質(zhì)，使燒結(jié)體的液、透明膠溶液和凡士林等物質(zhì)，使燒結(jié)體的開(kāi)孔隙飽和或堵塞。開(kāi)孔隙飽和或堵塞。 多孔材料的密度和孔隙度常采用多孔材料的密度和孔隙度常采用真空浸漬法真空浸漬法來(lái)測(cè)定。來(lái)測(cè)定。 首先，將清洗干凈的試樣在空中稱重；接著，首先，將清洗干凈的試樣在空中稱重；接著，在真空狀態(tài)下浸漬熔融石蠟、石蠟油或油等液體在真空狀態(tài)下浸漬熔融石蠟、石蠟油或油等液體介質(zhì)，使全部開(kāi)孔隙飽和后取出試樣，除去表面介質(zhì)，使全部開(kāi)孔隙飽和后取出試樣，除去表面多余介質(zhì)；再一次在空中稱重，然后在水中稱重；多余介質(zhì)；再一次在空中稱重，然后在水中稱重；最后，計(jì)算燒結(jié)試樣的密度和孔隙度：最后，計(jì)算燒結(jié)試樣的密度和孔隙

5、度： 計(jì)算公式：計(jì)算公式： 式中：式中：-試樣密度，試樣密度，g/cm3g/cm3； l l-浸漬后試樣的質(zhì)量，若用蒸餾水時(shí)，浸漬后試樣的質(zhì)量，若用蒸餾水時(shí)，密度為密度為1 g/cm3； 1 1-試樣在空中的質(zhì)量，試樣在空中的質(zhì)量，g； 2 2-浸漬后試樣在空中的質(zhì)量，浸漬后試樣在空中的質(zhì)量，g； 3 3-稱量后試樣在液體介質(zhì)中的質(zhì)量，稱量后試樣在液體介質(zhì)中的質(zhì)量，g； “假合金假合金”和成分之間相互作用很弱的合金，和成分之間相互作用很弱的合金，可采用加和法求其理論密度；否則，需要采用與測(cè)可采用加和法求其理論密度；否則，需要采用與測(cè)定粉末真密度相同的方法進(jìn)行測(cè)定。定粉末真密度相同的方法進(jìn)行測(cè)定

6、。求加和密度的求加和密度的公式為：公式為： 據(jù)資料介紹，使用具有低蒸汽壓和穩(wěn)定密度的據(jù)資料介紹，使用具有低蒸汽壓和穩(wěn)定密度的苯甲醇浸漬試樣，可以獲得良好的結(jié)果；使用無(wú)水苯甲醇浸漬試樣，可以獲得良好的結(jié)果；使用無(wú)水乙醇液體石蠟浸漬試樣，精度也較高。但是浸漬介乙醇液體石蠟浸漬試樣，精度也較高。但是浸漬介質(zhì)不可能浸漬到所有孔隙中去，特別是不易填滿窄質(zhì)不可能浸漬到所有孔隙中去，特別是不易填滿窄縫，結(jié)果縫，結(jié)果開(kāi)孔隙度的測(cè)量值偏低開(kāi)孔隙度的測(cè)量值偏低。目前目前測(cè)定孔徑及其分布的方法測(cè)定孔徑及其分布的方法很多，主要有：很多，主要有：汞壓入法、氣泡法，離心力法、懸濁液過(guò)濾法、汞壓入法、氣泡法，離心力法、懸濁

7、液過(guò)濾法、透過(guò)法、氣體吸附法、射線小角度散射法和顯透過(guò)法、氣體吸附法、射線小角度散射法和顯微鏡分析法等等，其中使用較多的是汞壓入法。微鏡分析法等等，其中使用較多的是汞壓入法。 汞壓入法原理：汞壓入法原理：利用汞對(duì)固體表面不潤(rùn)利用汞對(duì)固體表面不潤(rùn)濕的特性，把汞用一定壓力壓入多孔體的孔隙濕的特性，把汞用一定壓力壓入多孔體的孔隙中以克服毛細(xì)管阻力。假設(shè)在孔壁光滑的直圓中以克服毛細(xì)管阻力。假設(shè)在孔壁光滑的直圓柱形毛細(xì)管孔內(nèi)，當(dāng)作用在液面與孔壁的接觸柱形毛細(xì)管孔內(nèi)，當(dāng)作用在液面與孔壁的接觸線的平面法線方向上的壓力向上的分量與同一線的平面法線方向上的壓力向上的分量與同一平面上表面張力在法線方向上的分量平衡

8、，則：平面上表面張力在法線方向上的分量平衡，則：孔隙直徑：孔隙直徑：汞壓入法測(cè)定多孔材料孔徑分布的方法如下：汞壓入法測(cè)定多孔材料孔徑分布的方法如下：將將試樣置于膨脹計(jì)中，并放入充汞裝置內(nèi)，在真空試樣置于膨脹計(jì)中，并放入充汞裝置內(nèi)，在真空條件下下，向膨脹計(jì)充汞，浸沒(méi)試樣。壓入多孔條件下下，向膨脹計(jì)充汞，浸沒(méi)試樣。壓入多孔體的汞量是以與試樣部分相聯(lián)結(jié)的膨脹計(jì)毛細(xì)管體的汞量是以與試樣部分相聯(lián)結(jié)的膨脹計(jì)毛細(xì)管內(nèi)汞柱的高度變化來(lái)表示的。當(dāng)對(duì)汞所施的附加內(nèi)汞柱的高度變化來(lái)表示的。當(dāng)對(duì)汞所施的附加壓強(qiáng)低于大氣壓強(qiáng)時(shí)，向充汞裝置中導(dǎo)入大氣，壓強(qiáng)低于大氣壓強(qiáng)時(shí)，向充汞裝置中導(dǎo)入大氣，從而使膨脹計(jì)中的汞，對(duì)于多孔

9、鎳來(lái)說(shuō)，獲得可從而使膨脹計(jì)中的汞，對(duì)于多孔鎳來(lái)說(shuō)，獲得可測(cè)大于測(cè)大于1.22m1.22m以上的孔徑所需的壓強(qiáng)。以上的孔徑所需的壓強(qiáng)。 為了使汞進(jìn)入孔徑小于為了使汞進(jìn)入孔徑小于1.22m1.22m，必須對(duì)汞，必須對(duì)汞施加高壓。隨著對(duì)汞所施壓強(qiáng)的增加，汞逐漸地施加高壓。隨著對(duì)汞所施壓強(qiáng)的增加，汞逐漸地充滿到小孔隙中，直到開(kāi)孔隙為汞所填滿為止。充滿到小孔隙中，直到開(kāi)孔隙為汞所填滿為止。從而得到汞壓入量與壓強(qiáng)的關(guān)系曲線，并由此可從而得到汞壓入量與壓強(qiáng)的關(guān)系曲線，并由此可求得其開(kāi)孔孔徑分布。求得其開(kāi)孔孔徑分布。 汞壓入法可測(cè)定的最小孔徑為汞壓入法可測(cè)定的最小孔徑為2m2m左右。但左右。但由于裝置結(jié)構(gòu)必然

10、具有一定的泵頭壓力，所以最由于裝置結(jié)構(gòu)必然具有一定的泵頭壓力，所以最大孔徑的測(cè)量是有限的。大孔徑的測(cè)量是有限的。 氣泡法氣泡法測(cè)定最大孔徑及孔徑分布的原理與測(cè)定最大孔徑及孔徑分布的原理與汞壓入法相同，但過(guò)程相反。它利用能潤(rùn)濕汞壓入法相同，但過(guò)程相反。它利用能潤(rùn)濕多孔材料的液體介質(zhì)浸漬，使試樣的開(kāi)孔隙飽多孔材料的液體介質(zhì)浸漬，使試樣的開(kāi)孔隙飽和，再用壓縮氣體將毛細(xì)管中的液體擠出來(lái)。和，再用壓縮氣體將毛細(xì)管中的液體擠出來(lái)。 氣泡法儀器設(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易。但氣泡氣泡法儀器設(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易。但氣泡法無(wú)論是在測(cè)定孔徑分布的重復(fù)性還是測(cè)量分法無(wú)論是在測(cè)定孔徑分布的重復(fù)性還是測(cè)量分布區(qū)間方面，都不如汞壓入

11、法。氣泡法與汞壓布區(qū)間方面，都不如汞壓入法。氣泡法與汞壓入法相反，盡管測(cè)量最小孔徑比較困難，但是入法相反，盡管測(cè)量最小孔徑比較困難，但是測(cè)量最大孔徑的精確度高。測(cè)量最大孔徑的精確度高。 對(duì)于過(guò)濾器、含油軸承和其他多孔材料來(lái)說(shuō)，對(duì)于過(guò)濾器、含油軸承和其他多孔材料來(lái)說(shuō)，透透過(guò)性能過(guò)性能是一種很重要的孔隙度特性。研究流體通是一種很重要的孔隙度特性。研究流體通過(guò)多孔材料的透過(guò)性能，可為設(shè)計(jì)、工藝和應(yīng)用過(guò)多孔材料的透過(guò)性能，可為設(shè)計(jì)、工藝和應(yīng)用提供參考數(shù)據(jù)。在多孔體中，當(dāng)作用在流體上的提供參考數(shù)據(jù)。在多孔體中，當(dāng)作用在流體上的壓差較小，流速較低，流體的雷諾數(shù)時(shí)，則為層壓差較小，流速較低，流體的雷諾數(shù)時(shí)，

12、則為層流。對(duì)于多孔材料來(lái)說(shuō)，臨界雷諾數(shù)與孔中流體流。對(duì)于多孔材料來(lái)說(shuō)，臨界雷諾數(shù)與孔中流體的雷諾數(shù)、孔道表面的相對(duì)粗糙度，以及孔道長(zhǎng)的雷諾數(shù)、孔道表面的相對(duì)粗糙度，以及孔道長(zhǎng)度上孔截面的變化程度有關(guān)。在多孔材料中，層度上孔截面的變化程度有關(guān)。在多孔材料中，層流時(shí)比能損失較?。ê土魉俚囊淮畏匠烧龋?，流時(shí)比能損失較?。ê土魉俚囊淮畏匠烧龋?，而且在流體流過(guò)很細(xì)的孔道時(shí)，流速一般不會(huì)很而且在流體流過(guò)很細(xì)的孔道時(shí)，流速一般不會(huì)很高。下面著重研究在層流條件下流體的透過(guò)規(guī)律。高。下面著重研究在層流條件下流體的透過(guò)規(guī)律。當(dāng)有層流的流體通過(guò)多孔材料時(shí)，在單位面積上當(dāng)有層流的流體通過(guò)多孔材料時(shí)，在單位面積上的

13、流速與其壓力梯度成正比，通常以的流速與其壓力梯度成正比，通常以達(dá)爾西公式達(dá)爾西公式表示：表示：為了為了工程上工程上使用方便，在實(shí)際測(cè)量中多采用相對(duì)透使用方便，在實(shí)際測(cè)量中多采用相對(duì)透過(guò)系數(shù)過(guò)系數(shù)k k。對(duì)于氣體叫相對(duì)壓力梯度，對(duì)于液體叫相。對(duì)于氣體叫相對(duì)壓力梯度，對(duì)于液體叫相對(duì)滲透系數(shù)。對(duì)滲透系數(shù)。 則（則（7-37-3）式可變?yōu)椋海┦娇勺優(yōu)椋汉?jiǎn)明地表達(dá)了單位面積上體積流速（簡(jiǎn)明地表達(dá)了單位面積上體積流速（q/a q/a ）與壓差）與壓差（ pp）的線性關(guān)系。）的線性關(guān)系。 多孔材料由于對(duì)液體和氣體介質(zhì)的透過(guò)性多孔材料由于對(duì)液體和氣體介質(zhì)的透過(guò)性均勻，具有很好的均勻，具有很好的過(guò)濾作用和均勻分

14、流作用過(guò)濾作用和均勻分流作用，可以制成各種過(guò)濾器和流體分布元件?？梢灾瞥筛鞣N過(guò)濾器和流體分布元件。 由于孔隙的毛細(xì)管作用和蓄積作用，粉末由于孔隙的毛細(xì)管作用和蓄積作用，粉末多孔材料具有很好的多孔材料具有很好的浸透性和自潤(rùn)滑性浸透性和自潤(rùn)滑性?？紫丁？紫兜拿?xì)管作用是用各種液態(tài)物質(zhì)浸透（漬）多的毛細(xì)管作用是用各種液態(tài)物質(zhì)浸透（漬）多孔骨架制取浸透材料和多孔含油軸承的基礎(chǔ)?？坠羌苤迫〗覆牧虾投嗫缀洼S承的基礎(chǔ)。 大量孔隙的存在使多孔材料具有很大的比表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決定其使用性能的重要面，而比表面的大小又是決定其使用性能的重要指標(biāo)。指標(biāo)。 測(cè)定開(kāi)孔隙比

15、表面的方法很多，可用類似于測(cè)定開(kāi)孔隙比表面的方法很多，可用類似于測(cè)量粉末比表面的方法來(lái)測(cè)定。用測(cè)量粉末比表面的方法來(lái)測(cè)定。用betbet法測(cè)定每克法測(cè)定每克只有十分之幾平方厘米的比表面的試樣已相當(dāng)困只有十分之幾平方厘米的比表面的試樣已相當(dāng)困難，因此，對(duì)一般由粒度在微米以上的粉末制取難，因此，對(duì)一般由粒度在微米以上的粉末制取的多孔材料，就不大適用了。當(dāng)孔隙度大于的多孔材料，就不大適用了。當(dāng)孔隙度大于20%20%時(shí)，時(shí)，用透過(guò)法測(cè)法測(cè)定比表面可以得到足夠精確的結(jié)用透過(guò)法測(cè)法測(cè)定比表面可以得到足夠精確的結(jié)果，滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。果，滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。 粉末多孔材料由于具有發(fā)達(dá)的表面，從而具有粉末多

16、孔材料由于具有發(fā)達(dá)的表面，從而具有很強(qiáng)的穿流介質(zhì)熱交換作用和表面作用很強(qiáng)的穿流介質(zhì)熱交換作用和表面作用，可制成各，可制成各種多孔電極、催化劑、發(fā)汗材料、熱交換器和止火種多孔電極、催化劑、發(fā)汗材料、熱交換器和止火器等。器等。 由于多孔材料和穿流介質(zhì)之間存在很大的接觸由于多孔材料和穿流介質(zhì)之間存在很大的接觸面，具有十分迅速的熱交換作用，所以常將高溫部面，具有十分迅速的熱交換作用，所以常將高溫部件做成多孔體，用冷卻劑通過(guò)加以冷卻。件做成多孔體，用冷卻劑通過(guò)加以冷卻。 這種冷卻方式的吸熱過(guò)程一般通過(guò)這種冷卻方式的吸熱過(guò)程一般通過(guò)三條途徑三條途徑實(shí)實(shí)現(xiàn)：利用冷卻介質(zhì)和熱流的逆向冷卻；冷卻劑發(fā)生現(xiàn)：利用冷

17、卻介質(zhì)和熱流的逆向冷卻；冷卻劑發(fā)生物態(tài)變化以吸收大量熱量；噴射冷卻改變附面層狀物態(tài)變化以吸收大量熱量；噴射冷卻改變附面層狀態(tài)，以隔絕壁表面與高熱氣流。態(tài)，以隔絕壁表面與高熱氣流。多孔體止火的原理多孔體止火的原理，是根據(jù)火焰通過(guò)毛細(xì)孔時(shí)產(chǎn)，是根據(jù)火焰通過(guò)毛細(xì)孔時(shí)產(chǎn)生熱交換，使燃燒物的熱量通過(guò)孔壁而散失，從生熱交換，使燃燒物的熱量通過(guò)孔壁而散失，從而阻止燃燒過(guò)程的進(jìn)行，使火焰熄滅。換句話說(shuō)，而阻止燃燒過(guò)程的進(jìn)行，使火焰熄滅。換句話說(shuō)，火焰在管道中傳播的速度和孔隙大小是有一定關(guān)火焰在管道中傳播的速度和孔隙大小是有一定關(guān)系的，當(dāng)孔徑減小到某一臨界尺寸時(shí)，可燃?xì)怏w系的，當(dāng)孔徑減小到某一臨界尺寸時(shí)，可燃?xì)?/p>

18、體將不可能著火?？讖降倪@一極限值稱為臨界熄火將不可能著火?？讖降倪@一極限值稱為臨界熄火孔徑。粉末多孔材料孔徑小、透氣性好、強(qiáng)度高，孔徑。粉末多孔材料孔徑小、透氣性好、強(qiáng)度高，最適于作高速火焰的止火器。粉末多孔電極具有最適于作高速火焰的止火器。粉末多孔電極具有大的比表面和晶體缺陷，可以有效地降低氫的超大的比表面和晶體缺陷，可以有效地降低氫的超電壓。電壓。多孔材料的多孔材料的耐腐蝕性耐腐蝕性比相應(yīng)的致密材料差，多比相應(yīng)的致密材料差，多孔材料的表面非常發(fā)達(dá)，所以與周圍介質(zhì)反應(yīng)孔材料的表面非常發(fā)達(dá)，所以與周圍介質(zhì)反應(yīng)的能力顯著增強(qiáng)。致密材料的腐蝕常常發(fā)生在的能力顯著增強(qiáng)。致密材料的腐蝕常常發(fā)生在表面，

19、多孔材料的腐蝕不僅發(fā)生在表面，而且表面，多孔材料的腐蝕不僅發(fā)生在表面，而且發(fā)生在基體內(nèi)部，并且腐蝕介質(zhì)（特別是液態(tài)發(fā)生在基體內(nèi)部，并且腐蝕介質(zhì)（特別是液態(tài)介質(zhì)）進(jìn)入孔隙后，就很難清除掉。因此，由介質(zhì)）進(jìn)入孔隙后，就很難清除掉。因此，由易腐蝕材料制取的多孔產(chǎn)品，常常需要進(jìn)行防易腐蝕材料制取的多孔產(chǎn)品，常常需要進(jìn)行防腐處理。腐處理。 粉末多孔材料粉末多孔材料易壓縮變形易壓縮變形的特性，是通過(guò)各種變的特性，是通過(guò)各種變形方式使多孔體致密化的基礎(chǔ)。在工業(yè)技術(shù)上也形方式使多孔體致密化的基礎(chǔ)。在工業(yè)技術(shù)上也常利用這一特性來(lái)制取密封材料。常利用這一特性來(lái)制取密封材料。 高孔隙度的多孔鐵的柔軟性和易壓縮變形特性接高孔隙度的多孔鐵的柔軟性和易壓縮變形特性接近于鉛。粉末多孔材料除了可作通常的管接頭、近于鉛。粉末多孔