CN117760929A - 测量多孔质金属孔隙率的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测量多孔质金属孔隙率的装置及方法，测量多孔质金属孔隙率的装置包括用以压缩空气的空压机、与空压机连接用以检测压缩后空气流量的电子流量计、与电子流量计连接的用以放置呈板状的多孔质金属样品的多孔质金属夹具、与电子流量计连接的用以检测气压的电子压力表，多孔质金属夹具夹持多孔质金属样品以使得多孔质金属样品一侧朝向多孔质金属夹具形成进气侧，另一侧朝向外界空气形成自由侧，多孔质金属夹具与多孔质金属样品的周向密封。本发明的测量多孔质金属孔隙率的装置及方法，仅仅需要一个电子压力表即可实现，省了后端电子压力表的使用，同时也简化了多孔质金属夹具设计，只需做到一端密封即可，降低成本，且结构简单。

Description

测量多孔质金属孔隙率的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测量多孔质金属孔隙率的装置及方法。

背景技术

测量多孔质金属材料孔隙率的主要方法之一是气体吸附法。这种方法基于气体分子在孔隙中的吸附和解吸过程，通过对气体在材料表面的行为进行分析来计算孔隙率。气体吸附法具有以下特点：

快速精确：气体吸附法能够迅速而准确地测量多孔质金属的孔隙率。通过监测气体在孔隙中的吸附量和解吸量，可以得出孔隙率的定量数据。

孔隙大小和分布：除了孔隙率，气体吸附法还能同时提供有关孔隙大小和分布的信息。这对于深入了解多孔质金属的微观结构非常有价值。

然而，气体吸附法设备复杂且昂贵，气体吸附法所需的设备通常构造复杂，而且成本较高。这包括吸附仪器、气体分析仪等，使得该方法在实验室或专业研究机构更为常见。

综合而言，气体吸附法作为测量多孔质金属孔隙率的一种先进方法，具有快速、精确以及提供额外微观结构信息的优势。然而，其设备成本较高需要在具体应用中进行权衡和考虑。

有鉴于此，有必要对现有的测量多孔质金属孔隙率的装置予以改进，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量多孔质金属孔隙率的装置，以解决现有测量方法设备成本较高的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种测量多孔质金属孔隙率的装置，所述测量多孔质金属孔隙率的装置包括用以压缩空气的空压机、与所述空压机连接用以检测压缩后空气流量的电子流量计、与所述电子流量计连接的用以放置呈板状的多孔质金属样品的多孔质金属夹具、与所述电子流量计连接的用以检测气压的电子压力表，所述多孔质金属夹具夹持多孔质金属样品以使得所述多孔质金属样品一侧朝向多孔质金属夹具形成进气侧，另一侧朝向外界空气形成自由侧，所述多孔质金属夹具与多孔质金属样品的周向密封。

作为本发明的进一步改进，所述多孔质金属夹具包括底板、自所述底板朝向一侧延伸的限位板，所述底板上设有朝向限位板一侧开设的出气孔，所述出气孔与所述电子流量计连通，所述限位板环绕所述多孔质金属样品设置，并与所述多孔质金属样品抵持密封。

作为本发明的进一步改进，所述限位板与多孔质金属样品设有密封胶。

作为本发明的进一步改进，所述底板朝向所述限位板的一侧向内凹陷形成密封槽，所述密封槽环绕所述限位板设置，所述密封胶设置在所述密封槽内。

作为本发明的进一步改进，所述底板朝向所述限位板的一侧向内凹陷形成有出气槽，所述出气槽与所述出气孔连通。

作为本发明的进一步改进，所述底板朝向所述限位板的一侧向内凹陷形成多个固定孔或固定槽，所述固定孔或者固定槽内设有胶水以固定多孔质金属样品。

作为本发明的进一步改进，所述底板的侧壁上开设有连通所述电子流量计和所述出气孔的进气孔。

作为本发明的进一步改进，所述空压机与所述电子流量计之间设有用以净化空气的三联件。

本发明还提供一种测量多孔质金属孔隙率的方法，所述测量多孔质金属孔隙率的方法包括如下步骤：

S1：提供如上述的测量多孔质金属孔隙率的装置，提供多孔质金属样品，使用多孔质金属夹具固定多孔质金属样品；

S2：启动空压机，使得压缩空气通过电子流量计至多孔质金属夹具并穿过多孔质金属样品，电子流量计读取单位时间内流过多孔质金属样品的体积流量Q，电子压力表读取相对大气压力的表压Δp；

S3：根据当前温度下高压气体的动力粘度μ、多孔质金属样品的厚度L、多孔质金属样品的侧面面积S，利用达西定律计算得到多孔质金属的渗透率K；

S4：根据卡门-科泽尼定理计算得到多孔质金属的孔隙率φ，其中Dp是多孔质金属的平均颗粒直径，K为多孔质金属的渗透率。

本发明的有益效果是：本发明的测量多孔质金属孔隙率的装置及方法，仅仅需要一个电子压力表即可实现，省了后端电子压力表的使用，同时也简化了多孔质金属夹具设计，只需做到一端密封即可，降低成本，且结构简单。

附图说明

图1是本发明的测量多孔质金属孔隙率的装置的示意图；

图2是本发明的测量多孔质金属孔隙率的装置的多孔质金属夹具的结构示意图；

图3是本发明的测量多孔质金属孔隙率的装置的多孔质金属夹具的另一角度结构示意图；

图4是本发明的测量多孔质金属孔隙率的方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1至图4所示，所示，本发明的测量多孔质金属孔隙率的装置100包括用以压缩空气的空压机1、与所述空压机1连接用以检测压缩后空气流量的电子流量计3、与所述电子流量计3连接的用以放置呈板状的多孔质金属样品的多孔质金属夹具5、与所述电子流量计3连接的用以检测气压的电子压力表4、三联件2。

所述空压机1用以将气源的空气压缩成高压气体，本实施例中，气源为普通空气即可，成本较低。

所述三联件2设置在所述空压机1与所述电子流量计3之间，用以净化空气，过滤掉空气中的杂质，如水、尘、油。通过设置三联件2对空气进行过滤，从而防止影响多孔质金属样品的使用性能和寿命，也可以防止杂质堵塞多孔质金属样品的孔隙，降低杂质对试验结果的影响。

本实施例中，将电子流量计3设置在电子压力表4前端，所述电子流量计3不仅能起到读数作用，还能起到调节作用，通过电子流量计3调节压缩空气的气流至需要的数值，然后读取电子压力表4的读数，这样前后数值起到对应关系。

所述电子流量计3、电子压力表4和多孔质金属夹具5通过三通管连接。

由于后期根据达西定律计算Δp是高压气体通过多孔质金属样品前后的气压差，单位是Pa。其数值是通过读取电子压力表4读出，其中电子压力表4的读数为表压。表压(gauge pressure)的读数是相对于大气压力的。表压是通过减去大气压力得到的，因此它表示的是相对于大气压的过程中产生的压力变化。

表压的计算公式为：

表压＝测量压力-大气压力

这意味着表压的零点是大气压力。当表压为零时，物体处于大气压力的状态。当表压为正时，表示物体的压力高于大气压力，而当表压为负时，表示物体的压力低于大气压力。

所述多孔质金属夹具5夹持多孔质金属样品以使得所述多孔质金属样品一侧朝向多孔质金属夹具5形成进气侧，另一侧朝向外界空气形成自由侧。由于多孔质金属样品另一端直接联通大气，所以电子压力表4读取的读数即为高压气体通过多孔质金属前后的气压差Δp。

本实施例中，只需测量多孔质金属样品前端的压力值，另外一端通过多孔质金属样品材料表面直接与大气接触，节省了后端电子压力表的使用，也简化了多孔质金属样品的多孔质金属夹具5设计，只需做到一端密封即可。结构更加简单，而且不必为了保证密闭性而根据不同尺寸的多孔质金属样品设计对应的多孔质金属夹具5，时间成本和加工成本更低。

如图2和图3所示，所述多孔质金属夹具5包括底板51、自所述底板51朝向一侧延伸的限位板52。

所述多孔质金属夹具5与多孔质金属样品的周向密封。即所述多孔质金属夹具5的所述限位板52与所述金属样品的周向实现密封。

所述底板51上设有朝向限位板52一侧开设的出气孔511，所述出气孔511与所述电子流量计3连通。所述底板51的侧壁上开设有连通所述电子流量计3和所述出气孔511的进气孔512。

进一步的，所述底板51朝向所述限位板52的一侧向内凹陷形成有出气槽513，所述出气槽513与所述出气孔511连通。压缩空气从进气孔512进入，从出气孔511排出进入所述出气槽513，压缩空气从出气槽513内溢出并通过多孔质金属样品内的孔隙而穿过所述多孔质金属样品，进而排入大气。

所述限位板52环绕所述多孔质金属样品设置，并与所述多孔质金属样品抵持密封。本实施例中，所述限位板52与多孔质金属样品设有密封胶，所述密封胶可以防止空气从多孔质金属样品周边溢出，提高试验结果的准确性。

在一个实施例中，所述底板51朝向所述限位板52的一侧向内凹陷形成密封槽，所述密封槽环绕所述限位板52设置，所述密封胶设置在所述密封槽内，以实现所述限位板52和所述多孔质金属样品的密封。

另外，所述底板51朝向所述限位板52的一侧向内凹陷形成多个固定孔514或固定槽，所述固定孔514或者固定槽内设有胶水以固定多孔质金属样品。所述固定孔514或者固定槽的数量为多个，以固定不同位置的多孔质金属样品。

如图4所示，本发明还提供测量多孔质金属孔隙率的方法，包括如下步骤：

S1：提供所述测量多孔质金属孔隙率的装置100，提供多孔质金属样品，使用多孔质金属夹具5固定多孔质金属样品；

S2：启动空压机1，使得压缩空气通过电子流量计3至多孔质金属夹具5并穿过多孔质金属样品，电子流量计3读取单位时间内流过多孔质金属样品的体积流量Q，电子压力表4读取相对大气压力的表压Δp；

S3：根据当前温度下高压气体的动力粘度μ、多孔质金属样品的厚度L、多孔质金属样品的侧面面积S，利用达西定律计算得到多孔质金属的渗透率K；

μ是高压气体的动力粘度：空气的黏度是指气体流动时表现出的内摩擦力，通常用来描述气体在相对运动时的黏性。空气的黏度主要与温度有关，而与压强的关系较小。

空气黏度通常使用经验公式进行估算，例如Sutherland's law：

其中，μ₀是参考温度下的黏度，T是当前温度，T₀是参考温度，而S是Sutherland常数。

Sutherland常数(Sutherland′s constant)通常用于描述气体黏度与温度关系的经验公式，其中的值依赖于特定气体。对于空气，Sutherland常数的值约为110K。

温度T的单位通常使用热力学温标的单位，即开尔文(Kelvin，K)。开尔文是国际单位制(SI)中温度的基本单位。温度的绝对零度对应于0K，而摄氏度和开尔文之间的转换关系是：

K＝℃+273.15

其中，K表示开尔文温度，℃表示摄氏度。这个关系表达了开尔文温度和摄氏度之间的线性转换。

S4：根据卡门-科泽尼定理计算得到多孔质金属的孔隙率φ，其中Dp是多孔质金属的平均颗粒直径，K为多孔质金属的渗透率。

以30℃的工作环境为例，测量一块边长为100mm的正方形多孔质金属，厚度为15mm，在电子压力表4读数为0.04MPa时，Δp＝0.4MPa，Q为300L/min，即0.005m3/s，μ＝1.94e-05，S＝0.01m2，L＝0.015m。从而得出渗透率K＝3.64e-13m2。

在Dp＝50um时，根据卡门-科泽尼定理可得多孔质金属的孔隙率φ为25％。

本发明的测量多孔质金属孔隙率的装置100及方法，通过设计多孔质金属夹具5使得多孔质金属样品一端直接联通大气，从而仅仅需要一个电子压力表4即可实现，省了后端电子压力表的使用，同时也简化了多孔质金属夹具5设计，只需做到一端密封即可，降低成本，且结构简单；通过设置三联件2对压缩后的空气进行过滤，从而可以防止损伤多孔质金属样品，也可以提高试验结果的准确性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种测量多孔质金属孔隙率的装置，其特征在于：所述测量多孔质金属孔隙率的装置包括用以压缩空气的空压机、与所述空压机连接用以检测压缩后空气流量的电子流量计、与所述电子流量计连接的用以放置呈板状的多孔质金属样品的多孔质金属夹具、与所述电子流量计连接的用以检测气压的电子压力表，所述多孔质金属夹具夹持多孔质金属样品以使得所述多孔质金属样品一侧朝向多孔质金属夹具形成进气侧，另一侧朝向外界空气形成自由侧，所述多孔质金属夹具与多孔质金属样品的周向密封。

2.根据权利要求1所述的测量多孔质金属孔隙率的装置，其特征在于：所述多孔质金属夹具包括底板、自所述底板朝向一侧延伸的限位板，所述底板上设有朝向限位板一侧开设的出气孔，所述出气孔与所述电子流量计连通，所述限位板环绕所述多孔质金属样品设置，并与所述多孔质金属样品抵持密封。

3.根据权利要求2所述的测量多孔质金属孔隙率的装置，其特征在于：所述限位板与多孔质金属样品设有密封胶。

4.根据权利要求3所述的测量多孔质金属孔隙率的装置，其特征在于：所述底板朝向所述限位板的一侧向内凹陷形成密封槽，所述密封槽环绕所述限位板设置，所述密封胶设置在所述密封槽内。

5.根据权利要求2所述的测量多孔质金属孔隙率的装置，其特征在于：所述底板朝向所述限位板的一侧向内凹陷形成有出气槽，所述出气槽与所述出气孔连通。

6.根据权利要求2所述的测量多孔质金属孔隙率的装置，其特征在于：所述底板朝向所述限位板的一侧向内凹陷形成多个固定孔或固定槽，所述固定孔或者固定槽内设有胶水以固定多孔质金属样品。

7.根据权利要求2所述的测量多孔质金属孔隙率的装置，其特征在于：所述底板的侧壁上开设有连通所述电子流量计和所述出气孔的进气孔。

8.根据权利要求1所述的测量多孔质金属孔隙率的装置，其特征在于：所述空压机与所述电子流量计之间设有用以净化空气的三联件。

9.一种测量多孔质金属孔隙率的方法，其特征在于：所述测量多孔质金属孔隙率的方法包括如下步骤：

S1：提供如权利要求1-8任意一项所述的测量多孔质金属孔隙率的装置，提供多孔质金属样品，使用多孔质金属夹具固定多孔质金属样品；

S2：启动空压机，使得压缩空气通过电子流量计至多孔质金属夹具并穿过多孔质金属样品，电子流量计读取单位时间内流过多孔质金属样品的体积流量Q，电子压力表读取相对大气压力的表压Δp；

S3：根据当前温度下高压气体的动力粘度μ、多孔质金属样品的厚度L、多孔质金属样品的侧面面积S，利用达西定律计算得到多孔质金属的渗透率K；

S4：根据卡门-科泽尼定理计算得到多孔质金属的孔隙率φ，其中Dp是多孔质金属的平均颗粒直径，K为多孔质金属的渗透率。