Влияние пористости на свойства материалов » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Влияние пористости на свойства материалов

29.06.2021

Материалы, полученные с применением микросфер, характеризуются не только малой плотностью, но также рядом других ценных свойств: высокой удельной прочностью на сжатие, устойчивостью к деформации, хорошей теплоизолирующей способностью.

Среди материалов, получаемых на основе микросфер, можно выделить две основные группы:

1) материалы, в которых микросферы применяют в качестве наполнителя, равномерно распределенного в матрице из связующего компонента (в такой структуре большая часть пористости закрытая и величина ее обычно не превышает 60 %):

2) материалы, полученные спеканием (или склеиванием) микросфер (более малочисленная группа, структура таких материалов представляет собой каркас, силовые элементы которого представлены микросферами и перемычками между ними).

Для изготовления этих материалов в основном использовали микросферы полифракционного состава. Однако исследования, проведенные с плотными сферическими частицами, показали, что управление фракционным составом, а следовательно, и структурой материала, позволяет регулировать ряд термомеханических параметров, такие как прочность, пористость, термостойкость и др. Изменение геометрических параметров микросфер (размеров, толщины стенок), а также количества связки, формирующей перемычки, расширяет возможность регулирования прочностных и теплофизических свойств материалов.

К первой группе можно отнести композиционные теплозащитные материалы с организованной пористостью, полученные методами порошковой металлургии. В качестве матрицы используют порошкообразные бориды и карбиды переходных металлов (Ti, Zr), а в качестве порообразователей пустотелые микросферы из углерода, оксида алюминия и натрийборсиликатного стекла. Введение пустотелых микросфер позволяет получить композиционные материалы с пористостью от 25 до 50 % и прочностью 40—150 МПа.

В работе были предложены способы производства композиционных пористых материалов с введением полых микросфер (SiO2, Al2O3, углеродных) в непрерывную металлическую матрицу. В качестве матрицы использовали алюминий или алюминиевые и магниевые сплавы. Также известен пористый материал, изготовленный на основе смеси пустотелых корундовых гранул как наполнителя, тонкомолотого технического глинозема и ортофосфорной кислоты. Материал имеет ячеистую структуру с плотностью 0,99 г/см3, предел прочности на сжатие составляет 5,8 МПа.

Ко второй группе относится материал, описанный в работе, для изготовления которого использовали микробаллоны из стекла, в качестве связки, формирующей перемычки между частицами, брали хромалюмофосфатное связующее (9,08 % Al2O3, 4,64 % Cr2O3, 37,04 % P2O5). Выбор такой связки позволил при неизменности формы микробаллона регулировать средний размер перемычки, а следовательно, и механические свойства материала. В зависимости от количества связки плотность материала изменяется от 0,25 до 0,4 г/см3, при этом прочность повышается от 2,5 до 5,5 МПа.

Ниже описаны результаты создания новых высокопористых материалов на основе полых микросфер из тугоплавких оксидов.

В настоящее время разработаны промышленные методы получения полых микросфер из натрийборсиликатного стекла (НБС), оксидов алюминия и циркония, которые были использованы в качестве исходных материалов для исследований. Поскольку микросферы из оксида цирконии имеют более высокую плотность и для них характерны полиморфные превращения при высоких температурах, основные усилия были направлены на создание композитов на основе оксида алюминия и НБС.

Пористые материалы благодаря высокой пористости (от 30 до 90 %) и своеобразной структуре обладают специфическими структурно-зависящими свойствами, резко отличающимися (в ряде случаев на порядок и более) от свойств соответствующих по химическому составу компактных материалов. Обычно в пористых материалах преобладает открытая пористость, лишь в керамике, полученной газовыми методами, имеется закрытая пористость, точнее пустотность (газовые ячейки, изолированные полностью спекшимися оболочками).

Важное свойство пористых материалов — механическая прочность зависит от пористости изделий и, пожалуй, в еще большей степени от их строения. С ростом пористости прочность резко снижается. Показано, что при пористости около 50 % предел прочности при сжатии оксидных материалов снижается с 1000—2000 до 50—70 МПа, т. е. в 20—30 раз. Такое непропорционально резкое снижение прочности объясняется не только эффектом ослабления «живого сечения» пористого тела, но и уменьшением контактной поверхности соприкосновения зерен и концентрацией напряжений вокруг пор (рис. 18.13 и 18.14).

Для пористых материалов предложен ряд зависимостей прочности от объемной доли пор. При определении прочности пористого тела учитывали прочность компактного тела ок, объемную долю пор П и константы, Причем константы (эмпирические величины) учитывают влияние на прочность формы и размера пор, состояния поверхности образца, размера зерен и других параметров структуры, а также характера напряженного состояния материала. В работах были сделаны попытки теоретического описания зависимости осж =AQ) Согласно М.Ю. Бальшину,

где осж — предел прочности пористого материала; ок — предел прочности компактного материала; Ар/р — относительная плотность; m = 3—6.

По данным, в формуле (18.55) величина m для режимов спекания, обеспечивающих максимальные свойства, составляет — 3.

В работе с учетом уменьшения прочности за счет ослабления сечения предложена формула

где Q — объемная доля пор, S — коэффициент ослабления (определяется опытным путем), равен около 2/3.

В работе показано, что разрушение происходит в сечении образца, максимально ослабленном сферическими порами. С учетом неоднородности распределения напряжений было получено уравнение

где в — параметр, определяющий неоднородность распределения напряжений по сечению образца.

При выводе зависимости (18.57) учитывали также, что присутствие пор вносит дополнительное «разрыхление» сечения и снижает способность материала сопротивляться действию нагрузок. При в = 2 теоретические значения прочности, рассчитанные по формуле (18.57), совпадают с экспериментальными данными д ля прочности пористого железа (пористость 10—40 %). Параметр должен зависеть от условий спекания (температуры, среды и длительности) и характеристик исходных порошков (зернистости и формы), т. е. от размера и формы пор.

В связи с тем, что данных для корректной проверки предложенных эмпирических уравнений недостаточно, прочность материалов, как правило, определяют экспериментально, указывая при этом метод изготовления (строение) образцов, их пористость и методику измерения.

Материал из микросфер имеет более идеальные размеры структуры, чем традиционный материал зернистого строения. В работе приведен более точный анализ зависимости прочности материала из плотных микросфер от особенностей его строения. Параметрами структуры такого материала являются; пористость засыпки Пз, объемная доля открытых пор после спекания Потк, радиус микросфер R, радиус перемычки между микросферами х, радиус кривизны перемычки р = x2/2R, отношение радиуса микросферы к радиусу перемычки n = Rfx и ориентация разрушаемых перемычек по отношению к вектору нагрузки (угол а).

Предел прочности материала из микросфер оп определяет среднее напряжение в сечении перемычек между микросферами оср.п (число микросфер на единицу площади Nс, число разрушаемых перемычек Np и площадь их разрушения S). Функциональная зависимость между этими параметрами имеет вид:


где o0 — сопротивление разрушению материала перемычек; Ko — коэффициент концентрации напряжений в перемычке.

Разрушению подвергаются перемычки, ориентированные под некоторым средним углом к нормали на плоскость разрушения. Согласно анализу поверхностей разрушения приняли а = 30°. После подстановки в уравнение (18.58) значений входящих в это уравнение параметров получено

Основным параметром, определяющим прочность материала из микросфер, согласно уравнению (18.63), является n = R/x. Анализируя (18.63), можно сделать вывод, что чем меньше п, тем прочнее материал. Получение перемычек требуемых размеров зависит от технологии спекания. Кроме этого, прочность материала определяется размером микросфер (обратно пропорциональна размеру микросфер), а также зависит от величины о0. Эта величина определяется как сопротивление разрушению материала перемычки. При этом имеется в виду компактный бездефектный материал, состав которого аналогичен составу микросфер.

Для эффективной эксплуатации пористых CBT KM важное значение имеет также их электропроводимость.

Электропроводимость пористых тел может быть определена по формуле В.И. Оделевского

где Л и Лк — удельная электропроводимость (или проводимость) пористого и беспористого образца, П — пористость.

Уравнение (18.64) выведено для статистических смесей (хаотического распределения неизолированных включений — пор) и действительно лини» до пористостей около 66 %; для более пористых тел этим выражением пользоваться нельзя, так как рассчитанные значения X обращаются в нуль или становятся отрицательными. В работе была предложена более универсальная зависимость проводимости от содержания пор (или, вообще говоря, непроводящих фаз). Численные значения относительной электропроводимости Л/Лк в зависимости от пористости в долях единицы приведены ниже:

Экспериментальные результаты хорошо подтверждают расчет Л/Лк по методу, описанному в работе, в широком интервале изменения пористости.

Описанные методы определения проводимости пористых тел применимы к объектам с совершенными контактами, т. е. действительны только для случая отсутствия контактных явлений, когда размеры межчастичных контактов соизмеримы с размерами частиц.

В большинстве случаев пористые металлокерамические материалы в спеченном состоянии не обладают совершенными контактами, поэтому предложенные формулы для расчетов проводимости большинства металлокерамических материалов неприменимы.

В работе изложен метод оценки проводимости для пористых тел с несовершенными контактами, величина которой может быть рассчитана по формуле

где е — относительная величина межчастичных контактов (r/R).

Результаты работы позволяют определять величину межчастичных контактов по данным измерения проводимости пористых тел:

где Лк — удельная электропроводимость для беспористого материала (литературные данные); Л'к — удельная электропроводимость для беспористого материала, рассчитанная по формуле (18.64) с учетом результатов определения пористости материала.

Сравнительная оценка данных, полученных с учетом (18.66) и по результатам микроскопического анализа для изделий из сферических медных и никелевых порошков, дала удовлетворительное совпадение результатов.

Большое практическое значение имеют теплофизические и термические свойства пористых материалов.

Теплопроводность материалов в значительной степени определяется пористостью и строением пористого твердого тела.

Пористое тело можно представить состоящим из зерен, пор (замкнутых или сообщающихся), контактов между зернами. Для каждого элемента пористого тела характерны различные формы передачи тепла, что дает в сумме некоторую эффективную теплопроводность, являющуюся результирующей проводимости твердой фазы, проводимости газа в порах, излучения через поры, конвекции газа в порах. При пористости около 80 % теплопроводность в 8—10 раз ниже, чем у компактного (беспористого) тела того же химического состава (рис. 18.15, б). Ho наряду с пористостью на теплопроводность влияет и размер пор. Поскольку с ростом размера увеличивается конвекция и радиация в порах, лучшими изоляторами при высоких температурах являются тела с размерами пор, не превышающими 1 мм. При низких температурах (до 600—700 °С) лучшими теплоизолирующими свойствами обладают материалы с крупными порами.

При одинаковой пористости материалы со спекшимся ячеистым каркасом отличаются значительно большей теплопроводностью, чем однотипные по химической природе материалы с прерывистым каркасом зернистого строения, для которых характерно наличие микротрещин и разорванных контактов (рис. 18.15, а).

Зависимость теплопроводности от пористости Лп при температурах до 500 °С оценивается уравнением

где Л0 — теплопроводность материала с нулевой пористостью; П — общая пористость в долях единицы; а — коэффициент.

Зависимость значения коэффициента а от пористости приведена ниже:

Зависимость теплопроводности материала от его пористости при температурах выше 500 °С описывается формулой Лобба:

где П|| — пористость в направлении, параллельном тепловому потоку, доли единицы; П| — то же, в перпендикулярном направлении; ол — коэффициент лучеиспускания; е — степень черноты пор, доли единицы; Г — геометрический фактор пор; d — размер пор; T — температура, К.

В связи со сложностью точного определения параметров, входящих в уравнение (18.68), наиболее надежные данные о температурной зависимости теплопроводности получают экспериментальным измерением.

Из термических свойств пористых материалов наиболее важна термостойкость — способность изделий противостоять не разрушаясь колебаниям температуры при нагревании или охлаждении. В основе явлений, вызывающих термическое разрушение, лежат процессы, связанные с возникновением в материале напряжений, вызванных резким перепадом температур (напряжения 1-го рода), анизотропией термического коэффициента линейного расширения, химическими реакциями, расширением при полиморфизме (напряжения 2-го рода). В обоих случаях напряжения возникают тогда, когда материал не имеет возможности свободно изменять свой объем по тем или иным причинам.

В общем виде, если не учитывать размерные и структурные особенности материала и условия испытания, термическая стойкость может быть охарактеризована некоторым коэффициентом:

где Л — коэффициент теплопроводности; о — предел прочности при разрыве; с — теплоемкость; у — объемная масса материала; а — коэффициент термического расширения; E — модуль упругости.

Из формулы (18.69) следует, что высокопористые материалы должны быть весьма чувствительны к термическим уларам, что объясняется их низкой теплопроводностью и малой прочностью. К тому же у изделий из высокоогнеупорных оксидов относительно высокие значения коэффициента термического расширения, что также неблагоприятно сказывается на термостойкости. Однако многочисленные эксперименты указывают на неоднозначность влияния пористости, размера пор и формы пор, распределения их по объему на термостойкость пористых материалов. Поэтому желательно в каждом конкретном случае определять термостойкость пористых материалов экспериментально, при этом методика испытаний должна приближаться к условиям эксплуатации.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: