Материалы с пористой структурой

Пористые материалы изготовляют из порошков железа, высоколегированных сталей, никеля, титана идр. Формование порошков проводят разными способам: прессованием, прокаткой на станах и др.

Широкое применение получили пористые листовые материалы из порошков высоколегированных сталей марки ПХ18Н15. Эти материалы подразделяются на две разновидности: ФНС для тонкой очистки жидких и газообразных сред от частиц механических примесей размером 2... 10 микрометров и ПНС для равномерного распределения жидкостей и газов, а также для более грубого фильтрования.

Перед прокаткой порошок рассеивается на отдельные фракции по размеру частиц. Прокатанные пористые листы спекаются в контейнерах со средой осушенного водорода в два этапа: предварительно при температуре 850...950°С и окончательно при 1000... 1150 °С. Получаемые материалы толщиной 0,2...3,0 мм имеют сквозные извилистые поровые каналы. Для описания структуры применяют различные структурные модели пористых сред. Эти модели рассматривают размеры и форму паровых каналов (капиллярные модели) или оперируют с частицами скелета тела (матричные модели).

Для пористых тонколистовых материалов адекватна экспериментальным данным капиллярная модель пористой среды. Её основными параметрами являются пористость, средний и максимальный размер сквозных поровых каналов и их извилистость. Коэффициент извилистости «а» характеризует возрастание длины поровых каналов по сравнению с толщиной листов. При пористости20...35 % , а= 1,7...2,5.

Средний d и максимальный D размеры сквозных поровых каналов с увеличением пористости в диапазоне 16...48 % изменяются по степенным зависимостям.

Важнейшими характеристиками пористых фильтровальных материалов являются проницаемость и тонкость фильтрации.

Ламинарное течение жидкостей через пористые среды происходит по закону Дарси:

где Wф - скорость фильтрации; К - коэффициент проницаемости пористого фильтровального материала; Δр - перепад давления; μ-динамическая вязкость жидкости; h - толщина фильтровального материала.

Зависимость между перепадом давления Δр в фильтрующей пористой перегородке и скоростью фильтрации через неё W_ф, называется гидравлической характеристикой (рис. 128).

Δр, кПа

W_ф , л/мин

Рис. 128. Гидравлические характеристики фильтроматериала ФНС-5 при фильтрации топлива ТС – 1 (1) и гидрожидкости АМГ- 10 (2) (данные ОКБ).

Дисперсный состав частиц загрязнителя, проходящих через сквозные поровые каналы листов при испытаниях на тонкость фильтрации, зависит от размера поровых каналов. Установлена следующая эмпирическая зависимость тонкости фильтрации А от размера D поровых каналов:

A=0,26D^{1, 21}

Данная зависимость в графической форме представлена на рис.129.

А, мкм

Д, мкм

Рис. 129. Зависимость тонкости фильтрации А от максимального размера поровых каналов Д для пластин толщиной 0,15…0,20 мм из порошка стали ПХ18Н15 мелких фракций по размеру частиц, мкм: -20(1); -40+20 (2); -63+40 (3) (В.К. Сорокин).

Сведенияо фильтрационных материалах ФНС представлены в табл. 31. Эти материалы выпускаются промышленностью.

Таблица 31.

Характеристики фильтрованных материалов ФНС.

Важной характеристикой в зависимости Дарси является величина коэффициента проницаемости К. Для капиллярной модели пористой среды он зависит от параметров пористой структуры

В графической форме эта зависимость представлена на рис. 130.

К·10¹²,м²

а

Рис. 130. Зависимость между коэффициентами проницаемости К и извилистости поровых каналов а по капиллярной модели пористой среды. (- - - n; ---- m).

Пористость листов П: m = 35%, n = 45 %.

Средний размер поровых каналов d,мкм:

1-3, 2-6, 3-9, 4-15.

Влияние пористости на коэффициент проницаемости материалов показано на рис.131.

К·10¹²,м²

П,%

Рис. 131. Зависимость проницаемости К фильтрующих материалов от пористости П:

1 – листы из порошка титана ПТМ; 2 – листы из порошка стали ПХ18Н15 фракции -100+63 мкм (В.К. Сорокин).

Некоторые конструкции фильтрованных элементов приведены на рис. 132.

Очистка рабочих жидкостей и газов от частиц механических примесей в различных агрегатах является необходимым условием обеспечения надежности и долговечности работы изделий. Более высокая надежность достигается в случаях применения двухступенчатой системы фильтрования рабочих сред. Предварительно проводится очистка от частиц механических примесей размером ~ 12…18 микрометров с помощью, например, сетчатых тканных фильтровальных материалов из тонкой проволоки.

Перед агрегатами систем управления устанавливают дополнительные фильтры, обеспечивающие очистку рабочих жидкостей от частиц размерами 2…8 микрометров. Так, для гидравлических систем самолетов переход от одноступенчатой схемы фильтрования к двухступенчатой схеме по данным расчетов снижает вероятность отказов в системе с 0,48 до 0,06, т.е. в восемь раз. К числу фильтровальных материалов, обеспечивающих «тонкую» очистку рабочих сред от частиц загрязнителей размером 2…10 микрометров, относятся материалы типа ФНС («фильтрованная нержавеющая сталь»). Ниже приведено применение материалов ФНС.

Фильтры с фильтроматериалом ФНС-5 на предприятиях используются в технологических стендах СП-100 для промывки трубопроводных систем изделий потоком чистой жидкости с целью обеспечения заданного класса чистоты рабочих жидкостей.

Пористый материал ФНС-10 применен в промышленных фильтрах тонкой очистки криогенных жидкостей от частиц примесей отвержденных газов и механических примесей размером до 10 микрометров при температурах от 20 до 300 К, которые устанавливаются в системах хранения, транспортирования и использования этих жидкостей.

а                                                           б

 в

 Рис. 132. Конструкции фильтрованных элементов: а – тарельчатые; б – набор тарельчатых элементов в сборе; в – цилиндрический элемент с пружинным каркасом.

Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И.И. Ползунова использовало материал ФНС-10 в фильтрах тонкой очистки воздуха, подаваемого для «смазки» газостатических подшипников турбомашин различного назначения атомных энергетических установок (АЭС). Фильтроматериалы ФНС использованы в экспериментальных исследованиях по тонкой очистке гелия в стендах образцов оборудования гелиевых энерготехнологических установок.

Одна из отраслевых лабораторий и КБ «Прогресс» применили материал ФНС-5 в конструкции второй ступени фильтровальных установок нефтеводяной сепарации, предназначенных для предотвращения загрязнения моря и атмосферы морских судов.

Институт ядерной физики Сибирского отделения Академии Наук СССР использовал фильтроэлементы из материалов ФНС-5 и ФНС-2 в экспериментальных исследованиях по нагреву плазмы до термоядерных температур для фильтрации обессоленной воды, используемой в качестве изолятора генератора импульсов тока. Это обеспечило получение запроектированных параметров работы.

Фильтры, в которых применяются материалы ФНС-5, имеют регламентный ресурс до замены загрязненного дискового фильтроэлемента 50…100 часов. Очистка элемента от частиц механических примесей (регенерация) проводится в ультразвуковой ванне типа УЗК-15. Количество повторных очисток элемента составляет 5…10.

В случае применения ультразвукового трубчатого излучателя достигается 98 %-ное восстановление начальной скорости фильтрации элементов из ФНС-5. При этом фильтроэлементы допускают проведение 40…50 повторных ультразвуковых очисток и их полный ресурс достигает до замены 5 тысяч часов.

Библиографический список.

1. Арзамасов, Б.Н. Материаловедение: учеб. для вузов/ Б.Н. Арзамасов [и др.]; под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. – 8-е изд., стереотип. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008.-648 с.

2. Арзамасов, В.Б. Материаловедение: учеб. для вузов/ В.Б. Арзамасов, А.А. Черепахин. – М.: Изд-во «Экзамен», 2009.-350 с.

3. Готтштайн, Г. Физико-химические основы материаловедения/ Г.Готтштайн; пер. с англ. К.Н. Золотовой, Д.О. Чаркина; под ред. В.П. Зломанова. – М. БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009.- 400 с. (Лучший зарубежный учебник).

4. Гуревич, Ю.Г. Карбидостали / Ю.Г. Гуревич, В.К. Нарва, Н.Р. Фраче. – М.: Металлургия, 1988.-144 с.

5. Гусев, А.И. Нанокристаличсекие материалы/ А.И. Гусев, А.А. Ремпель. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2000-224 с.

6. Зубарев, Ю.М. Современные инструментальные материалы: учеб., доп./ Ю.М. Зубарев. – СПб.: Изд-во «Лань», 2008.-224 с.

7. Мэтьюз, Ф. Композитные материалы. Механика и технология/                   Ф. Мэтьюз, Р.Ролингс. – М.: Техносфера, 2004.-408 с. 

8. Рогов, В.А. Современные машиностроительные материалы и заготовки: уч. пособие/ В.А. Рогов, Г.Г. Позняк. – М.: Изд-ий центр «Академия», 2005.-336с.

9. Семчиков, Ю.Д. Высокомолекулярные соединения: учеб. для вузов/ Ю.Д. Семчиков. – 2-е изд.; стереотип. – М.: Изд-ий центр «Академия», 2005-368с.

10. Солнцев, Ю.П. Материаловедение специальных отраслей машиностроения: учеб. пособие/ Ю.П. Солнцев, В.П. Пирайн,                       С.А. Вологжанина. – СПб: - Химиздат, 2007. – 784 с.

11. Сорокин, В.К. Основы материаловедения и конструкционные материалы: учеб. пособие/ В.К. Сорокин; НГТУ, Нижний Новгород, 2006.-226 с.

12.  Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология металлов: учеб. для студентов машиностр. спец. вузов / Г.П. Фетисов, М.К. Карпман,                  В.М. Матюшин [и др.]; под общ. ред. Г.П. Фетисова. – 5-е изд.: стереотип. – М.: Высшая школа, 2007. – 862 с.

13.  Шелби, Дж. Структура, свойства и технология стекла: (пер. с англ)/ Дж. Шелби. – М.: Мир, 2006. – 228 с.