CN110031301B - 陶瓷空心球颗粒的强度表征方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种陶瓷空心球颗粒的抗压强度表征方法，该方法采用一种类似于比强度的力学指标，同样可以适用于金属、聚合物以及复合材料等材质的空心球颗粒产品。所用强度指标首先由空心球样品的抗压载荷(N)除以空心球样品的半球截面积(mm2)得到一个量纲与抗压强度相同的商值(N/mm2)，再由该商值除以空心球样品的表观体密度(g/cm3)而得，其量纲与比强度相同(MPa·cm3/g)。该类比抗压强度指标综合地表征了对应球体样品在占据一定体积和具有一定质量的前提下所拥有的相对抗压能力，可用于不同结构尺寸和不同材质的球体样品之间的强度优化设计。

Description

陶瓷空心球颗粒的强度表征方法
技术领域：
本发明涉及一种空心球颗粒的力学性能表征方法，尤其涉及一种陶瓷空心球颗粒的抗压强度表征方法，其核心是为空心球颗粒采用了一种抗压强度方面的新表征指标。
背景技术：
陶瓷空心球是一种新型材料，其结构特点决定该产品可以用于隔热、吸声、绝缘、活性物质载体以及轻质结构材料等。国内外已有一些工作报道了对陶瓷质地空心球的研究，但大多为微纳级尺度的氧化物空心球颗粒，材质主要为碳化硅、氧化铝、二氧化钛。研究主要是利用其物理性质的功能用途，性能方面也集中在作为功能应用的微纳陶瓷空心球的物理性质，已开展了较长的时间，内容包括光学性能、磁学性能、介电性能、吸附性能、光催化性能、电化学性能和传感性能等。实际上，利用陶瓷空心球制备复合材料也有一些研究报道，主要是关于氧化铝空心球与陶瓷粉料复合而成的陶瓷空心球保温材料和陶瓷空心球隔热材料，以及氧化铝空心球与混凝土复合而成的陶瓷空心球复合结构材料，此外也涉及到极少的关于陶瓷空心球与金属复合的研究工作。在作为这些复合材料的增强体以及直接作为轻质结构材料的应用等场合，陶瓷空心球的力学性能十分重要。
本发明借用比强度的概念，采用类似于比强度的指标即所谓类比强度指标，实现了陶瓷空心球颗粒产品的力学性能表征，获得了不同空心球颗粒之间的强度对比方法。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种空心球力学性能表征方法，特别是一种陶瓷空心球颗粒的抗压强度表征方法。该表征方法采用类似于比强度的力学指标：首先用抗压试验检测空心球样品的抗压载荷，然后将该载荷大小通过样品球体的半球截面积以及表观密度等参数，转化计算为其对应的类比强度。
本发明中的样品类比强度指标(q)的数理表征为：
q＝(F/S)/ρ(MPa·cm3/g) (1)
式中F为单个空心球样品的抗压载荷(N)；S为空心球样品的半球截面积(mm2)，注意这里指的是对应半球截面的外圆内包含的面积，而不是仅仅为空心球切开后所展现的圆环面积；ρ为空心球样品的表观体密度(g/cm3)，即空心球的质量(g)除以其对外占空体积(cm3)。
在上述本发明的类比抗压强度关系中，球体样品的半球截面积表征了其占有的空间体积，表观密度表征了其在一定空间体积中具有的质量，抗压载荷表征了其抗压能力。因此，该类比抗压强度指标即综合地表征了对应球体样品在占据一定体积和具有一定质量的前提下所拥有的相对抗压能力，适合于对不同结构尺寸的球体样品进行强度指标的相互比对。
本发明提供的类比强度指标，测试简单，计算方便，可进行不同空心球颗粒的强度对比。从其表征指标可以看出，该方法可以适用和表征的空心球颗粒不限于陶瓷材质的空心球颗粒，也可适用金属材质、聚合物材质以及复合材料材质的空心球颗粒。
附图说明：
图1系列粒度的陶瓷空心球产品：(a)小粒级和中小粒级；(b)大粒级和中大粒级。
图2标称粒度为5-6mm的陶瓷空心球样品的载荷-位移图线示例。
具体实施方式：
实施例：首先采用中空造孔剂颗粒覆料烧结法制备陶瓷空心球颗粒。选用尺度在1-9mm之间的中空造孔剂颗粒，所得陶瓷空心球粒径即外部直径覆盖2-10mm，细分为10个粒度级别(即标称粒度)的空心球样品(参见图1)。其粒度分别为2-3mm(2+)、2-3mm(3-)、3-4mm(3+)、3-4mm(4-)、4-5mm、5-6mm、6-7mm、7-8mm、8-9mm和9-10mm。再从中挑选出5个粒级的样品进行抗压类比强度的测试与计算(参见表1)，其粒度分别为：2-3(2+)mm、3-4(4-)mm、5-6mm、7-8mm、9-10mm。
表1不同粒度级别空心球样品抗压载荷强度指标
Figure BDA0002031828290000021
Figure BDA0002031828290000031
在上述每个粒级(即表1中的标称粒度)的空心球制品中各抽取20个样品进行抗压试验。抗压试验条件如下：①试验设备：WDW3020型电子万能试验机；②压头移动速度：0.25mm/min；③测力传感器额定值：标称粒度在6mm以下的空心球样品用250 N的，标称粒度在6mm以上的空心球样品用2kN的。在抗压试验过程中，每当载荷急剧地大幅度降低时即停止压头的加压移动，即一旦载荷急剧大幅度降低即行撤载(参见图2)。此时空心球样品已然破裂。
通过系列样品的抗压试验，得到不同结构参数样品的抗压载荷f(N)和不同系列样品的平均抗压载荷F(N)，利用公式(1)计算出对应的样品类比强度q(MPa·cm3/g)，结果一同列于表1。从表中的数据可以看到，粒度级别即标称粒度D0分别为2-3mm(2+)、3-4mm(4-)、5-6mm、7-8mm和9-10mm的空心球样品，其对应的类比强度q指标依次为3.31、5.10、4.85、4.46和4.09 MPa·cm3/g。可见，其中D0为3-4mm(4-)的空心球样品具有最高的类比强度指标5.10 MPa·cm3/g，此即这些实验样品中抗压能力最优的空心球制品。

Claims (3)

1.一种空心球颗粒的强度表征方法，其特征在于：首先用抗压试验检测空心球样品的抗压载荷，然后将该载荷大小通过空心球样品的半球截面积以及表观密度参数，转化计算为其对应的类比强度指标q；该类比强度指标q的数理表征为q＝(F/S)/ρ，式中q的单位为MPa·cm3/g，F为单个空心球样品的抗压载荷，单位为N；S为空心球样品的半球截面积，单位为mm2，其是指对应半球截面的外圆内包含的面积；ρ为空心球样品的表观密度，单位为g/cm3，即空心球的质量除以其对外占空体积；由此将抗压载荷转化计算为类比强度；空心球样品的半球截面积表征了其占有的空间体积，表观密度表征了其在一定空间体积中具有的质量，抗压载荷表征了其抗压能力，类比强度指标q即表征了空心球样品在占据一定空间体积和具有一定质量的前提下所拥有的相对抗压能力，适合于对不同结构尺寸的空心球样品进行强度指标的相互对比。
2.如权利要求1所述的一种空心球颗粒的强度表征方法，其特征在于，所述空心球颗粒为空心的球形颗粒结构，其外部直径为2-10mm。
3.如权利要求1所述的一种空心球颗粒的强度表征方法，可表征的空心球颗粒可以为陶瓷材质、金属材质、聚合物材质或复合材质的空心球颗粒。
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