不銹鋼絲網(wǎng)多孔材料的孔隙特征及滲透性能分析

周照耀 盧煌軍 王郡文

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院∥國家金屬材料近凈成形工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510640)

多孔材料具有密度小、比表面積大、阻尼性能好、比力學(xué)性能高的特點(diǎn)，是一種性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)功能材料，由于其兼具結(jié)構(gòu)和功能的雙重優(yōu)勢(shì)，被廣泛地用于環(huán)保、電化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，具有消音降噪、減振吸能、過濾分離、熱交換等功能[1- 3]。按制備方式的不同，金屬多孔材料分為燒結(jié)金屬粉末多孔材料、燒結(jié)金屬纖維多孔材料、燒結(jié)金屬絲網(wǎng)多孔材料[4]。不銹鋼絲網(wǎng)多孔材料是以不銹鋼編織絲網(wǎng)為原材料，經(jīng)過特殊的卷繞、壓制、軋制、燒結(jié)等工藝制備成的多孔板材，它保持了母材可焊接、可導(dǎo)電、可延展的特性，又具有多孔材料的特點(diǎn)，是一種性能優(yōu)異的功能結(jié)構(gòu)材料[5]。筆者所在課題組在前期工作[5]中對(duì)不銹鋼絲網(wǎng)多孔材料制備過程的相關(guān)參數(shù)及結(jié)構(gòu)表征、沖擊性能進(jìn)行了研究。

多孔材料的滲透性能(透過性能)是指流體在一定壓差下透過多孔體的能力，其高低取決于流體的特性、多孔體的通孔率、孔徑及孔隙分布、孔隙形狀和多孔層厚度等因素[6]。對(duì)用于過濾分離、流體混合、布?xì)夥至鞯阮I(lǐng)域的多孔材料，滲透性能是一項(xiàng)十分重要的指標(biāo)[7]，研究不銹鋼絲網(wǎng)多孔材料的滲透性能將為過濾器的設(shè)計(jì)、工藝和使用提供參考依據(jù)。許多學(xué)者對(duì)多孔材料的滲透性能展開了研究，楊延安等[8]研究了金屬纖維氈的液體透過性能，發(fā)現(xiàn)透水率和透油率均隨壓差的增大而增長，且透水率和透油率與過濾精度之間有大致的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即過濾精度越高，透水率和透油率越低。張衛(wèi)艷等[9]采用粉末冶金方法制備了多孔質(zhì)青銅材料，研究加工工藝對(duì)多孔材料孔隙結(jié)構(gòu)的影響，分析并測(cè)試加工過程中多孔材料的滲透率大小及均勻性，發(fā)現(xiàn)研磨是恢復(fù)多孔材料滲透性能的最佳工藝，并且可以主動(dòng)控制多孔材料的滲透性能。目前對(duì)金屬絲網(wǎng)多孔材料滲透性能的研究并不多見，文中以304不銹鋼絲網(wǎng)為原材料制備多孔板材，從微觀上分析其孔隙率、孔隙分布及表面形貌，并研究其空氣滲透性能。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 材料制備

文中所用金屬絲網(wǎng)多孔材料是以100目304不銹鋼絲網(wǎng)為原材料(見圖1)，絲網(wǎng)絲徑100 μm，孔隙150 μm×150 μm，鋼絲縱橫交織，細(xì)致整齊，形成規(guī)則的矩形網(wǎng)孔。多孔材料的制備流程如圖2所示。首先，將不銹鋼絲網(wǎng)裁剪成所需寬度，文中取400 mm；然后，將其固定在卷揚(yáng)機(jī)的芯板(棒)上，啟動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)，芯板快速轉(zhuǎn)動(dòng)，不銹鋼絲網(wǎng)緊密地卷繞在芯板上；卷繞完后抽出芯板，將折疊整齊的不銹鋼絲網(wǎng)壓制結(jié)合，并保壓2 min；為增大層間的結(jié)合力，壓制之后的多層絲網(wǎng)經(jīng)過軋制后緊密貼合成板材，再經(jīng)過真空燒結(jié)實(shí)現(xiàn)結(jié)合(燒結(jié)溫度1 230～1 330 ℃，不同的燒結(jié)溫度對(duì)多孔板的機(jī)械性能有很大的影響[5])?？紤]到金屬多孔材料表面的特殊性能，為不破壞多孔材料表面的孔隙，一般采用線切割的加工方式[10]。

圖1 100目304不銹鋼絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of 100-mesh 304 stainless steel wire mesh

圖2 不銹鋼絲網(wǎng)多孔材料的制備流程

Fig.2 Preparation process of sintered stainless steel wire mesh porous material

多孔材料的孔隙率又稱孔率或孔隙度，是指多孔體中孔隙所占多孔體總體積的比率，一般以百分?jǐn)?shù)表示，該指標(biāo)是決定多孔材料導(dǎo)熱性能、拉壓強(qiáng)度、力學(xué)性能的關(guān)鍵因素[11]。多孔體中的孔隙率包括開口貫通孔隙率和閉合孔隙率等，其中開口貫通孔隙率(開孔率)嚴(yán)重影響整個(gè)多孔材料的流體滲透性能，研究表明，多孔材料的性能主要取決于孔隙率，其權(quán)重超出所有其他影響因素[12]?？紫堵实臏y(cè)試方法有顯微分析法、浸泡介質(zhì)法、漂浮法、質(zhì)量-體積直接計(jì)算法等。文中制備的金屬絲網(wǎng)多孔材料的原材料均為304不銹鋼，不存在密度不同的夾雜物，且切割的試樣均為圓柱形，其三維尺寸可精確測(cè)量得到，所以文中采用質(zhì)量-體積直接計(jì)算法測(cè)量孔隙率，即

(1)

式中，P為金屬絲網(wǎng)多孔材料的孔隙率，%；m為被測(cè)試樣的質(zhì)量，g；V為被測(cè)試樣的體積，cm3；ρs為304不銹鋼致密材料的密度，7.93 g/cm3。

1.2 孔隙微觀形貌

對(duì)不銹鋼絲網(wǎng)多孔材料樣品表面進(jìn)行掃描電鏡處理可獲得其微觀圖像，用Quanta 200環(huán)境電子掃描顯微鏡觀察材料的微觀結(jié)構(gòu)，通過微觀圖像可以分析燒結(jié)金屬絲網(wǎng)多孔材料絲網(wǎng)間的結(jié)合狀況、孔隙形狀及分布、孔連通狀況。

1.3 滲透性能測(cè)試

文中設(shè)計(jì)了一套測(cè)試多孔材料滲透性能的裝置，該裝置主要是根據(jù)達(dá)西(Darcy)定律測(cè)定樣品兩端的壓力差和流體流量，經(jīng)過Origin軟件擬合得到流速-壓差曲線，進(jìn)而得到多孔材料的滲透系數(shù)。圖3為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。

1—空氣壓縮機(jī)；2—儲(chǔ)氣罐；3—控制閥；4—過濾器；5—調(diào)節(jié)閥；6—空氣流量計(jì)；7—壓力變送器；8—數(shù)顯表；9—樣品室

在測(cè)定多孔材料的滲透性能時(shí)，多數(shù)情況均選用氣體作為試驗(yàn)流體，即最終以多孔材料的透氣系數(shù)來表征[13]。這是因?yàn)橛靡后w作為實(shí)驗(yàn)流體有諸多不利之處，如流體中含有的固體小顆粒會(huì)使?jié)B透性能發(fā)生變化、部分材料可能對(duì)某些液體具有吸附作用。文中選用的氣體為壓縮空氣，因其簡(jiǎn)單易獲取且潔凈。在流速較低的情況下，流體為層流流動(dòng)，流體通過多孔材料時(shí)其滲透性能一般可用達(dá)西(Darcy)公式表示：

(2)

式中：Q為流體流量，m3/s；A為流體通過的多孔體截面積(垂直于流體流動(dòng)方向)，m2；Q/A表示流體速度；K為反應(yīng)多孔材料的特征參數(shù)——滲透系數(shù)，m2；Δp為流體在多孔體兩端的壓力差，Pa；μ為流體的絕對(duì)黏度，Pa·s；δ為多孔體厚度，m。

當(dāng)流體流動(dòng)速度較高時(shí)，流動(dòng)為紊流，流體經(jīng)過多孔材料時(shí)需要考慮慣性損失，流體經(jīng)過多孔材料的運(yùn)動(dòng)規(guī)律需要采用佛切麥爾(Forcheimar)對(duì)達(dá)西(Darcy)方程的改進(jìn)[14- 16]：

(3)

式中：v為流體速度，m/s；K1為粘性滲透系數(shù)，m2；K2為慣性滲透系數(shù)，m。

如圖3所示，空氣壓縮機(jī)工作，將高壓氣體存儲(chǔ)在儲(chǔ)氣罐內(nèi)，儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓縮空氣經(jīng)過過濾器和減壓閥之后進(jìn)入測(cè)試裝置。裝置前端設(shè)置有流量調(diào)節(jié)閥和空氣流量計(jì)，樣品室的前端設(shè)置有高精度壓力變送器(KE-240型)，后端直接連接大氣，其實(shí)物圖如圖4所示。圖5為樣品室裝配圖和組件實(shí)物照片。

圖4 空氣滲透性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)部分實(shí)物圖Fig.4 Partial physical picture of air permeability test system

樣品線切割之后經(jīng)過清洗干燥，直徑24 mm，如圖6所示。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

步驟1 按圖3所示連接好裝置，關(guān)閉各閥門，啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)，往儲(chǔ)氣罐內(nèi)打入壓縮空氣；

步驟2 待罐內(nèi)達(dá)到設(shè)定壓力后，打開各閥門

圖5 樣品室裝配圖和組件實(shí)物照片

Fig.5 Assembly drawing of sample room and photograph of components

圖6 空氣滲透性能測(cè)試樣品Fig.6 Samples of air permeability test

開關(guān)，往裝置通入壓縮空氣；

步驟3 重復(fù)步驟2共3遍；

步驟4 打開進(jìn)氣閥，調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥，讀取并記錄空氣流量計(jì)和數(shù)顯表的數(shù)值；

步驟5 重復(fù)步驟4共3遍；

步驟6 關(guān)閉空氣壓縮機(jī)電源，儲(chǔ)氣罐泄壓，取出樣品。

2 結(jié)果與討論

2.1 孔隙率測(cè)試結(jié)果分析

文中使用6種不同樣品，其參數(shù)如表1所示。由表可知，100目304不銹鋼絲網(wǎng)經(jīng)過卷繞、壓制、軋制、燒結(jié)之后，制備得到的多孔板材的孔隙率在20%～40%之間。由于卷繞層數(shù)和軋制力不同，其孔隙率會(huì)有略微差別。6種樣品的制備工藝流程相同，其不同之處在于初始卷繞層數(shù)和軋制厚度。初始卷繞層數(shù)越多，軋輥間隙越大，板材厚度越厚；卷繞層數(shù)一定時(shí)，軋輥間隙越小，板材孔隙率越小?？梢愿鶕?jù)所需板材的厚度和孔隙率去調(diào)節(jié)初始卷繞層數(shù)和軋輥間隙，此參數(shù)為材料制備工藝推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。

表1 6種不銹鋼絲網(wǎng)多孔材料樣品的規(guī)格參數(shù)

Table 1 Specification parameters of 6 sintered stainless steel wire mesh porous material samples

序號(hào)直徑/mm厚度/mm質(zhì)量/g孔隙率/%SY-1241.654.7320.11SY-2242.505.9733.45SY-3243.007.6229.21SY-4241.653.8435.14SY-5242.505.8035.34SY-6243.006.9935.06

2.2 SEM微觀形貌分析及孔徑分析

燒結(jié)后不銹鋼絲網(wǎng)多孔板材的宏觀和微觀形貌如圖7所示。從宏觀上看，材料表面致密平整，有金屬光澤，與普通鋼板差別不大；在其放大圖中，材料表面不銹鋼絲網(wǎng)縱橫交錯(cuò)，由于絲網(wǎng)層相互結(jié)

圖7 燒結(jié)不銹鋼絲網(wǎng)多孔板的宏觀和微觀形貌

Fig.7 Macroscopic and microscopic appearances of sintered stainless steel wire mesh porous plate

合，孔隙在厚度方向并非直通。從截面上可看出孔道彎曲復(fù)雜，絲網(wǎng)間實(shí)現(xiàn)了明顯的冶金結(jié)合，金屬絲網(wǎng)保持連續(xù)。這種連續(xù)的金屬絲網(wǎng)骨架對(duì)多孔材料的機(jī)械性能有重要的、積極的影響，能顯著增強(qiáng)材料的抗斷裂性能和沖擊韌性[5]。

如圖8所示，在電子掃描微觀圖像中，不銹鋼絲網(wǎng)多孔板材的孔隙分布比較均勻。由于不同絲網(wǎng)層間的結(jié)合和壓制過程中的塑性變形，孔隙不再是規(guī)則的矩形，而是呈現(xiàn)出不規(guī)則的細(xì)縫狀通道，金屬絲間相互重疊，孔徑大致在0～60 μm之間。

圖8 燒結(jié)不銹鋼絲網(wǎng)多孔板材的表面孔隙分布

Fig.8 Pore size distribution of sintered stainless steel wire mesh porous plate

2.3 滲透性能測(cè)試結(jié)果分析

按圖4所示搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，檢測(cè)不銹鋼絲網(wǎng)多孔材料的透氣性能，得到了氣體流速與壓差的關(guān)系曲線。為得到Forcheimar式中所示的無常數(shù)項(xiàng)二次函數(shù)關(guān)系式，采用自定義的無常數(shù)項(xiàng)二次函數(shù)對(duì)所獲得的壓降-流速數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。在氣源壓力分別為0.10、0.15、0.20 MPa的條件下進(jìn)行測(cè)試，壓力變送器精度等級(jí)為0.5級(jí)，量程為0.15 MPa，空氣流量計(jì)量程為1 000 L/min。圖9所示為不銹鋼絲網(wǎng)多孔材料兩端的壓差隨氣體流速的變化曲線。圖9中，不同氣源壓力情況下，壓差隨氣體流速的變化曲線基本吻合，由此可說明測(cè)試結(jié)果是穩(wěn)定的。不銹鋼絲網(wǎng)多孔材料的滲透性能是其本身的一種屬性，表征流體在一定壓差下透過多孔體的能力，其大小取決于流體的特征、多孔體的孔隙大小、孔隙分布、通孔率、孔隙形狀和多孔體厚度等，而與外界的壓差、流速、流量等無關(guān)。圖9中不同氣源壓力下壓差-流速曲線的吻合也說明了這一點(diǎn)。

圖9 不同氣源壓力下6種試樣的流速-壓差實(shí)驗(yàn)值

Fig.9 Flow rate-pressure drop experimental data of 6 samples under different gas pressure sources

對(duì)不同氣源壓力下的流速-壓差數(shù)據(jù)做無常數(shù)項(xiàng)二次擬合，6個(gè)試樣的流速-壓差擬合曲線如圖10所示。從圖中可以看出，滲透性能在不同的氣源壓力下保持穩(wěn)定，取其在3種氣源壓力下擬合曲線的系數(shù)的平均值，結(jié)果如表2所示，再根據(jù)其平均值確定粘性滲透系數(shù)K1和慣性滲透系數(shù)K2，結(jié)果如表3所示。

圖10 不同氣源壓力下透氣性能測(cè)試結(jié)果及無常數(shù)項(xiàng)二次擬合曲線

Fig.10 Air permeability test results and quadratic fitting curves without constant term under different gas pressure sources

表2 無常數(shù)項(xiàng)二次擬合曲線的系數(shù)

Table 2 Coefficients of quadratic fitting curves without constant term

編號(hào)一次系數(shù)二次系數(shù)SY-10.934310.01759SY-20.398250.00858SY-30.674280.02044SY-40.198780.00171SY-50.325770.00323SY-60.448750.00811

表3 6種試樣空氣滲透性能實(shí)驗(yàn)的粘性滲透系數(shù)K1和慣性滲透系數(shù)K2的實(shí)驗(yàn)值

Table 3 Experimental values of viscous permeability coefficientK1and inertial permeability coefficientK2in the air permeability test about 6 samples

序號(hào)厚度/mm孔隙率/%K1/10-11m2K2/10-6mSY-11.6520.113.196113.054SY-22.5033.4511.362351.244SY-33.0029.218.053176.830SY-41.6535.1415.0241160.457SY-52.5035.3413.890930.742SY-63.0035.0612.100445.563

K1與K2都是對(duì)多孔材料滲透性能的表征。由于氣體流速較高，管道內(nèi)氣體流動(dòng)為紊流，粘性滲透系數(shù)K1遠(yuǎn)小于慣性滲透系數(shù)K2。從表3中可以看出，金屬絲網(wǎng)多孔材料的滲透性能與孔隙率和厚度有著密切的關(guān)系，且其對(duì)粘性滲透系數(shù)和慣性滲透系數(shù)有著相同的影響趨勢(shì)。

對(duì)比SY- 1和SY- 4、SY- 2和SY- 5、SY- 3和SY- 6，在厚度一致的情況下，孔隙率越大，其粘性滲透系數(shù)和慣性滲透系數(shù)越大。這是因?yàn)椋紫堵试酱?，多孔體的骨架更疏松，氣體更容易通過，從而具有更強(qiáng)的滲透性。

對(duì)比SY- 4、SY- 5、SY- 6，樣品的孔隙率近似，其厚度越大，粘性滲透系數(shù)和慣性滲透系數(shù)反而越小，這是因?yàn)楹穸雀蟮亩嗫撞牧希淇紫锻ǖ栏L，氣體在流經(jīng)微孔的過程中會(huì)損耗更多的能量，其中SY- 4樣品的厚度最小、孔隙率較大，其粘性滲透系數(shù)和慣性滲透系數(shù)最大，說明孔隙率大、厚度小的多孔材料的流體透過性能強(qiáng)。多次測(cè)量所得曲線非常接近，說明金屬絲網(wǎng)多孔材料的滲透性能穩(wěn)定，這對(duì)金屬絲網(wǎng)多孔材料的制備與應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。通過不同的卷繞層數(shù)、軋制厚度等來控制材料的孔隙率，可以設(shè)計(jì)出滿足使用要求的產(chǎn)品。

3 結(jié)論

文中通過對(duì)100目304不銹鋼絲網(wǎng)多孔材料制備過程、形貌與孔隙的分析，以及材料滲透性能的測(cè)試，得到如下結(jié)論：

(1)經(jīng)過文中特殊制備工藝后，以304不銹鋼絲網(wǎng)為原材料，能得到孔徑大致在0～60 μm之間的多孔材料，且其表面平整，孔隙分布均勻，金屬骨架連續(xù)，燒結(jié)之后金屬絲間可實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合；

(2)滲透性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明，金屬絲網(wǎng)多孔材料的滲透系數(shù)與多孔材料的孔隙率和厚度有密切的關(guān)系，孔隙率越大、厚度越小，其滲透性能越強(qiáng)；

(3)在不同的氣源條件下，金屬絲網(wǎng)多孔材料的滲透性能保持穩(wěn)定，這對(duì)該材料在過濾分離場(chǎng)合的應(yīng)用具有重要意義。