В таких отраслях, как производство огнеупорных материалов, керамики и порошковой металлургии, кажущаяся пористость (открытая пористость) и насыпная плотность являются ключевыми физическими параметрами, используемыми для оценки плотности материала, прочности, термостойкости и коррозионной стойкости. Точное определение этих двух свойств имеет большое значение для исследований и разработок материалов, контроля качества и оптимизации технологических процессов.

В настоящее время одним из наиболее классических и широко используемых методов контроля является вакуумный метод (также известный как метод погружения), основанный на принципе Архимеда. В данной статье будет систематически рассмотрен его принцип действия, порядок проведения испытаний, применимые стандарты и технические преимущества.

I. Принцип тестирования

Основной принцип метода вытеснения Архимеда (вакуумного метода) основан на законе плавучести Архимеда, который гласит, что тело, погруженное в неподвижную жидкость, испытывает восходящую выталкивающую силу, равную весу вытесненной этим телом жидкости.

При исследовании пористых материалов используется вакуумная среда, чтобы обеспечить полное проникновение жидкости во все открытые поры материала. Затем масса образца измеряется в трех состояниях: сухом, насыщенном и погруженном (подвешенном) состоянии, и для расчета используются следующие формулы:

Кажущаяся пористость: Процентное соотношение объема открытых пор к общему объему материала, отражающее количество пор в материале, связанных с внешней средой.

Насыпная плотность: Отношение сухой массы материала к его общему объему (объем твердых частиц + объем открытых пор + объем закрытых пор), отражающее макроскопическую плотность материала.

II. Процедура тестирования (стандартные этапы)

Следующая процедура соответствует национальному стандарту GB/T 2997 и общим стандартам, таким как ISO 5017:

1. Сушка и взвешивание

Высушите образец до постоянной массы и запишите его сухой вес m₁

2. Вакуумная пропитка

Поместите образец в вакуумную камеру и откачайте до остаточного давления менее 2,5 кПа, поддерживая эти условия в течение определенного периода времени (обычно около 30 минут). Затем введите жидкость для погружения (например, дистиллированную воду, керосин или другие инертные жидкости, не вступающие в реакцию с материалом) и продолжайте вакуумирование, чтобы обеспечить полное проникновение жидкости и заполнение всех открытых пор внутри образца.

3. Измерение массы в насыщенном состоянии

Извлеките насыщенный образец и аккуратно удалите излишки жидкости с поверхности (не вытягивая жидкость из пор). Взвесьте образец на воздухе, чтобы определить массу в насыщенном состоянии (m₂).

4. Измерение веса в погруженном состоянии

Погрузите насыщенный образец в жидкость с помощью корзины и измерьте его кажущийся вес в погруженном состоянии (м₃) в жидкости.

5. Расчет

Кажущаяся пористость (P)

P = (m₂ − m₁) / (m₂ − m₃) × 100%

Объемная плотность (ρb)

ρb = m₁ / (m₂ − m₃) × ρliquid

Где:

ρliquid = плотность погружной жидкости при температуре испытания

III. Зачем использовать вакуумный метод?

Традиционные методы погружения часто не позволяют жидкости полностью проникнуть в мельчайшие поры, что приводит к результатам измерений ниже ожидаемых. Вакуумная среда эффективно удаляет воздух из пор, обеспечивая полное заполнение всех открытых пор жидкостью, что приводит к высокоточным и воспроизводимым результатам измерений.

Этот метод особенно подходит для:

пористых материалов с высокой кажущейся пористостью (> 5%)

спеченных изделий с малыми размерами пор или сложной пористой структурой

твердых материалов, нечувствительных к погружению (не растворяющихся, не расширяющихся и не вступающих в реакцию).

IV. Применимые материалы и отрасли промышленности

Области применения и типичные материалы

1. Огнеупорные материалы

Глиняный кирпич, высокоглиноземистый кирпич, магнезиально-углеродистый кирпич, литьевые материалы, теплоизоляционный кирпич

2. Передовая керамика

Керамика на основе оксида алюминия (Al₂O₃), диоксида циркония (ZrO₂), карбида кремния (SiC), нитрида кремния (Si₃N₄)

3. Строительные материалы

Плавучий кирпич, газобетон, природный камень, керамзит (вспененный глиняный заполнитель)

4. Порошковая металлургия

Спеченные металлические фильтры, подшипники с масляной пропиткой

5. Абразивы и шлифовальные инструменты

Шлифовальные круги на керамической связке, масляные камни

V. Рекомендации по выбору оборудования

Квалифицированный анализатор кажущейся пористости/насыпной плотности должен обладать следующими характеристиками:

✅ Высокоточные электронные весы (точность 0,01 г или выше)

✅ Вакуумная камера большой емкости и стабильный вакуумный насос (предельный вакуум < 2 кПа)

✅ Функция автоматического пополнения жидкости и контроля уровня

✅ Специальная подставка и корзина, соответствующие стандартам (GB/T 2997, ASTM C20, ISO 5017)

✅ Автоматическая система сбора и расчета данных для снижения риска ошибок, связанных с человеческим фактором

VI. Ограничения метода

Следует отметить, что метод вакуумного дренажа Архимеда имеет следующие ограничения:

1. Измеряется только открытая пористость: закрытая пористость или общая пористость не могут быть получены.

2. Не подходит для порошков или ультрадисперсных частиц: порошки не могут быть сформированы в блочные образцы, и они могут быть взвешены или потеряны в процессе погружения.

3. Образцы не должны вступать в реакцию с жидкостью, в которую они погружаются: если материал гидратируется, растворяется или набухает при контакте с водой, его необходимо заменить альтернативной жидкостью, такой как керосин или спирт.

Если необходимо определить закрытую пористость, общую пористость или истинную плотность, следует использовать анализатор истинной плотности с применением метода расширения газа (метода вытеснения гелия).

VII. Заключение

Метод вытеснения Архимеда (вакуумный метод), благодаря своему понятному принципу, стандартизированной работе и надежным результатам, стал эталонным методом определения кажущейся пористости и насыпной плотности пористых блочных материалов. Соответствующий прибор для определения кажущейся пористости и насыпной плотности является незаменимым базовым испытательным устройством для лабораторий контроля качества в огнеупорной, керамической и строительной промышленности.

Благодаря строгому соблюдению стандартизированных процедур и интеграции современных автоматических систем взвешивания и вакуумной техники, этот метод позволяет значительно повысить эффективность испытаний и точность данных, обеспечивая надежную и достоверную базу данных для оценки характеристик материалов и оптимизации процессов.