CN105572013A - 一种测试多孔材料渗透率的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试多孔材料渗透率的装置及方法，属于材料测试技术领域。该方法根据达西定律将测试材料制成圆柱/圆盘形试件放入注射器，然后利用材料试验机控制液体压力，通过测试计算出液体通过该材料的速度进而得到该材料的渗透率系数。该方法可作为测试表征多孔材料孔隙率及液体通透/渗透性的方法。该测试技术不仅操作简单，而且测试精度高，有望推广成为其它多孔材料孔隙特征的测试技术，在材料测试工程领域具有潜在的应用价值。

Description

一种测试多孔材料渗透率的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测试多孔材料渗透率的装置及方法，属于材料测试领域。

背景技术

多孔材料，如人工骨、泡沫材料、多孔金属等被广泛应用于工程领域。为了达到材料的某种性能，人造孔隙成为一种兴起的技术。表征材料的物理特性有强度、硬度等指标，而渗透率常常被工程材料的设计者忽略，特别是对设计出的多孔材料的渗透率的测试成为业界的一大难题。在骨组织工程支架材料领域，良好的渗透性能无疑是决定该支架材料能否被人体成功吸收的前提条件。但是目前国内外在骨支架材料的制备中很少考虑其渗透性能，以至于跟天骨的渗透相容性相差较远。因此如何快速简单测试材料的渗透系数这一问题摆在了各工程领域的面前。

发明内容

本发明旨在提供一种测试多孔材料渗透率的装置及方法。该方法可作为测试表征多孔材料孔隙率及液体通透/渗透性的方法，该测试技术不仅操作简单，而且测试精度高，有望推广成为其它多孔材料孔隙特征的测试技术，在材料测试工程领域具有潜在的应用价值。

本发明提供了一种测试多孔材料渗透率的装置，包括材料试验机、注射器，所述注射器底部设有固定支座，注射器通过固定支座立在材料试验机的试验台上，注射器内腔室放置水，底部出口处设有由待测试材料制成的圆柱或圆盘形试件，试件通过第一密封垫和第二密封垫固定在注射器的出口；位移和压力的数据通过试验机的传感器在计算机上显示。

上述装置中，所述第一密封垫和第二密封垫采用注射器活塞的胶头，将胶头中间挖孔后置于注射器的出水底部；第一密封垫和第二密封垫的外径为D，内径为d。第一密封垫和第二密封垫相对较薄较硬，可以忽略其变形。

上述装置中，所述的注射器为医用注射器，内径为30mm～45mm，容量为60ml～150ml。内径与容量的对应关系为：①内径30mm、容量60ml；②内径35mm、容量100ml；③内径37mm，容量100ml；④内径40mm、容量150ml；⑤内径45mm、容量150ml。

上述装置中，所述的材料试验机为Instron5544，配有500N和1000N的力传感器，精度为1微牛，位移精度为1微米。

本发明提供了一种测试多孔材料渗透率的方法，包括以下步骤：

(1)将注射器(内径D)的出水一端先放入第一密封垫密封；

(2)放入被测试件：将多孔材料打磨制成的试件放入密封橡胶垫I的上面，并记录试件的厚度h；

(3)放入第二密封垫：将第二密封垫(外径D，内径d)放入注射器并与试件压实；

(4)注水并排空空气：往注射器腔体内注水至制定的水位，将注射器倒置排出腔体内的空气；

(5)材料试验机加压：在实验中设置压力F₀，并保持t分钟，观察水柱的下降高度z₀，并记录，然后第i次时设置压力为F_i保持t分钟，观察记录液面下降的高度z_i，这样共重复n+1次；

(6)将F_i、z_i、d、t、i，及水的粘度η带入公式即可求出该材料的渗透系数K。

所述压力F_i单位为牛，液面下降的高度z_i也为压头下降的距离，可以由计算机读数给出。

所述水的粘度η＝10^-3Pa·s。

所述第i次，其中i≥1，所述重复n+1次，n≥1。

所述公式 $\stackrel{\‾}{K}=\frac{{\mathrm{\πD}}^4\mathrm{\η}k}{4{\mathrm{nd}}^2}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{\frac{z_i}{t_i}-\frac{z_{i-1}}{t_{i-1}}}{F_i-F_{i-1}}$ 推导如下：

恒定压力作用下，达西渗透定律可以写为：

$Q=\frac{KpS}{\mathrm{\η}h}---\left(1\right)$

其中，Q为单位时间内的通过试件的流量(m³/s)，K为渗透系数(m²)，S＝πd²/4为试件的横截面积(m²)，p为施加的恒定压力(Pa)。η为液体的粘度(Pa·s)，h为试件的厚度(m)。假设加压时间为t(s)，液面下降高度为z(m)，针管的面积为A＝πD²/4(m²)，则(1)式子可以变形为：

$\frac{zA}{t}=\frac{KpS}{\mathrm{\η}h}---\left(2\right)$

那么在第i次试验及第i-1次试验有：

$\frac{z_{i-1}}{t_{i-1}}A=\frac{{\mathrm{Kp}}_{i-1}S}{\mathrm{\η}h}---\left(3\right)$

$\frac{z_i}{t_i}A=\frac{{\mathrm{Kp}}_{i}S}{\mathrm{\η}h}$

为了消除原有液柱(高度)的压力误差，前后两次结果相减：

$(\frac{z_i}{t_i}-\frac{z_{i-1}}{t_{i-1}})A=\frac{KS}{\mathrm{\η}h}(p_i-p_{i-1})---\left(4\right)$

假设材料试验机施加的恒定压力分别为F_i及F_i-1，上式变为：

$\left(\frac{z_i}{t_i}-\frac{z_{i-1}}{t_{i-1}}\right)A=\frac{KS}{\mathrm{\η}h}\left(\frac{F_i-F_{i-1}}{A}\right)---\left(5\right)$

从而得到K为：

$K=\frac{A^2}{S}\mathrm{\η}h\frac{\frac{z_i}{t_i}-\frac{z_{i-1}}{t_{i-1}}}{F_i-F_{i-1}}---\left(6\right)$

那么可连续加压重复n次试验求取平均值

$\stackrel{\‾}{K}=\frac{{\mathrm{\πD}}^4\mathrm{\η}h}{4{\mathrm{nd}}^2}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{\frac{z_i}{t_i}-\frac{z_{i-1}}{t_{i-1}}}{F_i-F_{i-1}}---\left(7\right)$

本发明的有益效果：

(1)该测试方法操作简单、精度高、节约成本；

(2)有望推广到其他工程多孔材料的测试，材料测试工程领域具有潜在的应用价值。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为图1中A部分的放大图。

图3为试件测试状态俯视图(放大)。

图中1为材料试验机，2为注射器，3为固定支座，4为试验台，5为试件，6为第一密封垫，7为第二密封垫；8为计算机。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

图1示出了本发明的测试装置，包括材料试验机1、注射器2，所述注射器2底部设有固定支座3，注射器2通过固定支座3立在材料试验机1的试验台4上，注射器2内腔室放置水，底部出口处设有由待测试材料制成的圆柱或圆盘形试件5，试件5通过第一密封垫6和第二密封垫7固定在注射器2的出口；位移和压力的数据通过试验机的传感器在计算机8上可以读出来。

上述装置中，所述第一密封垫6和第二密封垫7采用注射器活塞的胶头，将胶头中间挖孔后(外径D，内径d)垫与注射器的出水底部。第一密封垫和第二密封垫相对较薄较硬，可以忽略其变形。

上述装置中，所述的注射器为医用注射器，内径有30mm(60ml)、35mm(100ml)、37mm(100ml)、40mm(150ml)及45mm(150ml)。

上述装置中，所述的材料试验机1为Instron5544，配有500N的力传感器，精度为1微牛。

如图该方法根据达西渗透定律将测试材料制成圆柱/圆盘形试件放入注射器，然后利用材料试验机控制液体压力，通过测试计算出液体通过该材料的速度进而得到其渗透率系数。

实施例1：人工骨渗透率的测试

(1)采用150ml注射器，内径为D＝40mm，人工骨试件打磨成直径d＝30mm，厚为5mm的薄片，放入注射器的第一密封垫和第二密封垫之间并压实。然后注水并排空空气，记录水柱的原始高度h₀。然后使用材料试验机加压，设置压力10N，并保持2分钟，观察水柱的下降高度z₀，并记录，为了减小误差，采用连续测试、压力增量法，每次增加5N，保持相同的时间2分钟。取水的粘度η＝10^-3Pa·s。然后重复5次，并记录每次液面下降的高度。填入下表1：

表1：实施例1——人工骨渗透率的测试数据表格

(2)那么带入公式可以得到该试件的渗透率系数为 $\stackrel{\‾}{K}=2.547\×{10}^{-14}{m}^2.$

实施例2：多孔钛金属渗透率的测试

(1)采用150ml注射器，内径为D＝30mm，多孔钛金属试件打磨成直径d＝25mm，厚为10mm的薄片，放入注射器的第一密封垫和第二密封垫之间并压实。然后注水并排空空气，记录水柱的原始高度h₀。然后使用材料试验机加压，设置压力50N，并保持5分钟，观察水柱的下降高度z₀，并记录，为了减小误差，采用连续测试、压力增量法，每次增加50N，保持相同的时间5分钟。取水的粘度η＝10^-3Pa·s。然后重复5次，并记录每次液面下降的高度。填入下表2：

表2：实施例2——多孔钛金属的测试数据表格

(2)那么带入公式可以得到该试件的渗透率系数为 $\stackrel{\‾}{K}=9.332\×{10}^{-16}{m}^2.$

实施例3：泡沫铝材料的渗透率测试

(1)采用200ml注射器，内径为D＝45mm，人工骨试件打磨成直径d＝35mm，厚为40mm的薄片，放入注射器的第一密封垫和第二密封垫之间并压实。然后注水并排空空气，记录水柱的原始高度h₀。然后使用材料试验机加压，设置压力100N，并保持10分钟，观察水柱的下降高度z₀，并记录，为了减小误差，采用连续测试、压力增量法，每次增加100N，保持相同的时间10分钟。取水的粘度η＝10^-3Pa·s。然后重复5次，并记录每次液面下降的高度。填入下表3：

表3：实施例3——泡沫铝材料的测试数据表格

(2)最后将以上数据带入公式可以得到该试件的渗透率系数为 $\stackrel{\‾}{K}=3.641\×{10}^{-15}{m}^2.$

Claims (6)

1.一种测试多孔材料渗透率的装置，包括材料试验机、注射器，其特征在于：所述注射器底部设有固定支座，注射器通过固定支座立在材料试验机的试验台上，试验机压头向注射器活塞尾部施加压力，注射器内腔室放置水，底部出口处设有由待测试材料制成的圆柱或圆盘形试件，试件通过第一密封垫和第二密封垫固定在注射器的出口；位移和压力的数据通过试验机的传感器在计算机上显示。

2.根据权利要求1所述的测试多孔材料渗透率的装置，其特征在于：所述第一密封垫和第二密封垫采用注射器活塞的胶头，将胶头中间挖孔后置于注射器的出水底部；第一密封垫和第二密封垫的外径为D，内径为d。

3.根据权利要求1所述的测试多孔材料渗透率的装置，其特征在于：所述的注射器为医用注射器，内径为30mm～45mm，容量为60ml～150ml。

4.根据权利要求1所述的测试多孔材料渗透率的装置，其特征在于：所述的材料试验机为Instron5544，配有500N和1000N的力传感器，精度为1微牛，位移精度为1微米。

5.一种采用权利要求1～4任一项所述的测试多孔材料渗透率的装置的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)将注射器的出水一端先放入第一密封垫密封；

(2)放入被测试件：将多孔材料打磨制成的试件放入密封橡胶垫I的上面，并记录试件的厚度h；

(3)放入第二密封垫：将第二密封垫放入注射器并与试件压实；

(4)注水并排空空气：往注射器腔体内注水至制定的水位，将注射器倒置排出腔体内的空气；

(5)材料试验机加压：在实验中设置压力F₀，并保持t分钟，观察水柱的下降高度z₀，并记录，然后第i次时设置压力为F_i保持t分钟，观察记录液面下降的高度z_i这样共重复n+1次；

(6)将F_i、z_i、d、t、i，及水的粘度η带入公式即可求出该材料的渗透系数

6.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于：所述第i次，其中i≥1，所述重复n+1次，n≥1。