СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОРИСТОСТИ КЕРАМИЧЕСКИХ И СИЛИКАТНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПОМОЩЬЮ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ
METHOD TO DETERMINE POROSITY OF CERAMIC AND SILICATE MATERIALS USING MAGNETIC FLUID

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области исследования строительных материалов и контрольно-измерительной технике и может быть использовано для определения пористости керамических и силикатных материалов.
Уровень техники
Известно несколько способов определения пористости твердых материалов. К основным из них можно отнести способы, основанные на замещении порового пространства в материале жидкой или газообразной средой.
Так, например, существует способ определения пористости, заключающийся в том, что сначала измеряют первоначальный объем материала, затем размещают материал в камере с жидкостью. Увеличивают давление в камере для вдавливания жидкости в материал. Измеряют объем жидкости, вдавленной в материал. Учитывают в измеренном объеме жидкости поправку, связанную с наличием в материале газа. Определяют пористость материала по отношению измеренного объема жидкости, вдавленной в материал, с учетом поправки к первоначальному объему материала. Кроме этого перед размещением материала в камере с жидкостью в ней размещают эту жидкость. Увеличивают давление в камере и измеряют сжимаемость жидкости. Измеряют временную характеристику давления в камере и/или объема жидкости для нахождения в ней точки перегиба. После полного вдавливания жидкости в материал дополнительно увеличивают давление в камере и измеряют деформируемость материала. Учитывают в измеренном объеме жидкости дополнительные поправки, связанные сжимаемостью жидкости и деформируемостью материала (Патент РФ: RU 2172942 С1). Данный способ является достаточно точным.
Существует также способ измерения общей пористости материалов по заполнению их водой при повышенном давлении и комнатной температуре, заключающийся в том, что образец заполняют водой при давлении 300 атм и комнатной температуре. Пористость определяют по изменению массы образца после заполнения его водой (Патент РФ: RU 2263894 С1). Данный способ позволяет достаточно быстро получать необходимые результаты.
Способ определения пористости материалов с использованием газа заключается в следующем. Измерительную камеру герметично соединяют с контролируемым материалом. После откачивания воздуха из измерительной камеры увеличивают ее объем, осуществляя разрежение газа до давления, обеспечивающего возможность молекулярного течения газа через поры исследуемого материала. Измеряют этот объем измерительной камеры, фиксируют время начала процесса течения газа через материал, остаточное давление газа и температуру в камере в этот период. По полученным данным определяют пористость исследуемого материала (Патент РФ: RU 2305828 С1).
Существенным недостатком приведенных методов является сложность их практической реализации.
Существуют способы определения пористости материалов, основанные на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом.
Так, например, спектроскопический способ определения пористости материалов включает в себя изготовление образца исследуемого материала, размещение его перед источником инфракрасного излучения и регистрацию спектра. Предварительно строится градуировочная зависимость пористости от коэффициента поглощения по эталонным монолитным образцам, имеющим ту же химическую природу, что и исследуемый образец. По полученным данным определяется пористость материала, из которого изготовлен образец (Патент РФ: RU 2310188 С1).
Еще один способ определения пористости состоит в том, что образец материала высушивают, насыщают сорбатом, воздействуют на образец световым излучением через оптический элемент под углом, превышающим угол полного внутреннего отражения, и по изменению интенсивности отраженного в процессе насыщения образца сорбатом излучения определяют пористость материала, при этом между оптическим элементом и образцом материала размещают слой вспомогательного пористого материала, обладающего более высокой, чем исследуемый материал, молекулярно-капиллярной впитываемостью и имеющего толщину не менее глубины проникновения в него светового излучения (Патент РФ: RU 2035035 С1).
Существует также акустический звуковой метод определения открытой пористости материалов. Он заключается в том, что с помощью излучающего звуковые сигналы преобразователя в исследуемом изделии создаются изгибные или продольные механические колебания. Определяют массу и резонансную частоту основного тона изгибных или продольных вынужденных механических колебаний изделия. Далее по измеренным значениям массы и резонансной частоты с помощью уравнений регрессии или построенных на их основе номограмм определяют открытую пористость материала, из которого изготовлен образец (ГОСТ 25714-83).
Недостатком данных методов является сравнительно малая точность получаемых результатов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятый авторами за прототип является способ определения величины пористости, основанный на замещении порового пространства в материале жидкой средой при нормальных условиях. Так, например, для определения пористости строительных материалов на керамической или силикатной основах чаще всего используется вода, в результате чего определение пористости сводится к определению водопоглощения материала.
Простейший способ определения пористости кирпича заключается в заполнении его пор водой. Предварительно кирпич высушивается до постоянного веса в сушильной печи при температуре 100-110°С. Затем высушенный кирпич ставится на ребро в ванну и постепенно заливается водой: сначала на 1/2, затем на 2/3 своей высоты и, наконец, совершенно покрывается водой. Постепенное заливание водой производится с той целью, чтобы полностью удалить воздух, заключенный в порах кирпича. Кирпич остается в воде от 24 до 72 час. Затем его взвешивают и таким образом узнают вес воды, заполнившей поры. Далее по известной формуле определяется водопоглощение в процентах.
К числу известных недостатков такого метода относятся трудоемкость процесса и большие временные затраты.
Раскрытие изобретения
Задачей предлагаемого изобретения является определение пористости материалов с помощью магнитной жидкости. Магнитные измерения параметров магнитной жидкости и параметров образца, пропитанного такой жидкостью, проводятся с высокой точностью, характерной для предлагаемого метода (погрешность определения пористости не превышает 3%).
Технический результат, который может быть получен с помощью предлагаемого изобретения, сводится к уменьшению материальных и временных затрат, трудоемкости процесса измерения и обработки результатов, а также к получению высокоточных результатов измерения.
Технический результат достигается с помощью использования в качестве пропитывающей образец среды магнитной жидкости, представляющей собой коллоидный раствор ферро- или ферримагнитных наночастиц (с средним размером 10 нм) в немагнитной жидкой среде (чаще всего керосине). Магнитные жидкости (магнитные коллоидные наносистемы) производятся на специализированных промышленных объектах.
Сущность метода определения пористости материалов с помощью магнитной жидкости заключается в следующем.
Исследуемый образец, представляющий собой гладкий цилиндр, диаметром основания 6 мм и высотой 8 мм, выточенный из исследуемого материала, высушивается в сушильной печи в течение 24 часов при температуре 110°С. В течение 72 часов после сушки образец пропитывается магнитной жидкостью средней концентрации. Проведенные опыты показывают, что 72 часов достаточно для того, чтобы образец полностью пропитался магнитной жидкостью. Для пропитки образца используется магнитная жидкость, представляющая собой коллоидный раствор наночастиц магнетита в керосине с объемной долей магнетита 10-15%. В дальнейшем проводится измерение кривых намагничивания цилиндра, пропитанного магнитной жидкостью, и образца магнитной жидкости такого же объема и такой же формы, что и цилиндр, при помощи вибрационного магнитометра. По полученным кривым намагничивания определяются магнитный момент насыщения цилиндра, пропитанного магнитной жидкостью, и образца магнитной жидкости такого же объема и такой же формы, что и цилиндр. Далее по формуле, выведенной ниже, определяется пористость материала, из которого изготовлен образец.
Известно, что магнитный момент некоторого однородного образца магнитного материала, намагниченного до насыщения, определяется по формуле:
S
где m - магнитный момент вещества, V - объем образца, M - намагниченность насыщения вещества.
В случае неоднородности образца, т.е., когда он состоит из областей магнитного вещества, вкрапленных в немагнитную матрицу, его магнитный момент в случае насыщения может быть рассчитан как сумма моментов отдельных магнитных областей, что приводит к выражению:
m
s
где V - суммарный объем магнитной фазы, М - ее намагниченность насыщения.
Следовательно, для образца из пористого материала, пропитанного магнитной жидкостью выражение для его магнитного момента определяется выражением:
пор
s
где V - общий объем пор в образце, М - намагниченность насыщения магнитной жидкости.
Магнитный момент образца магнитной жидкости такой же формы и такого же объема, что и пропитанный образец, определяется по формуле
Соответственно, отношение определенных экспериментально магнитного момента пористого образца, пропитанного магнитной жидкостью, и магнитного момента образца магнитной жидкости, занимающего такой же объем и имеющего такую же форму, даст отношение объема пор в образце к объему всего образца, т.е. пористость материала. Таким образом, для определения пористости вещества П предложенным методом используется формула:
Краткое описание чертежей
На фиг.1 даны цилиндр из красного керамического кирпича марки М-100 и тот же цилиндр (черного цвета), пропитанный 13%-ной магнитной жидкостью.
На фиг.2 - кривые намагничивания магнитной жидкости цилиндра из красного керамического кирпича, пропитанного 13%-ной магнитной жидкостью, - образец 1 и цилиндра из белого силикатного кирпича, пропитанного 13%-ной магнитной жидкостью, - образец 2.
Осуществление изобретения
Примеры конкретного выполнения способа определения пористости керамических и силикатных материалов.
Пример 1.
Из красного керамического кирпича марки М-100 вытачивается маленький гладкий цилиндр с диаметром основания 6 мм и высотой 8 мм. В течение суток цилиндр высушивается в сушильной печи при температуре 110°С. Затем в стакане с 13%-ной магнитной жидкостью цилиндр пропитывается ею в течение 3 суток. На фиг.1 приведена фотография цилиндра из красного керамического кирпича марки М-100 и того же цилиндра (черного цвета), пропитанного 13%-ной магнитной жидкостью. Впоследствии проводится измерение кривых намагничивания пропитавшегося магнитной жидкостью цилиндрического образца и использующейся магнитной жидкости такого же объема и формы, что и образец. Магнитные измерения по времени занимают 1 час и производятся на вибрационном магнитометре, сопряженном с помощью специального программного обеспечения с компьютером. По измеренным кривым намагничивания пропитанного магнитной жидкостью цилиндрического образца (фиг.2, образец 1) и магнитной жидкости такого же объема и такой же формы, что и образец (фиг.2, магнитная жидкость), определяются соответствующие значения магнитных моментов насыщения, и по формуле (5) вычисляется пористость материала, из которого изготовлен кирпич.
Пример 2.
Из силикатного кирпича марки М-100 вытачивается маленький гладкий цилиндр с диаметром основания 6 мм и высотой 8 мм. В течение суток цилиндр высушивается в сушильной печи при температуре 110°С. Затем в стакане с 13%-ной магнитной жидкостью цилиндр пропитывается ею в течение 3 суток. Впоследствии проводится измерение магнитных моментов пропитавшегося магнитной жидкостью цилиндрического образца и использующейся магнитной жидкости такого же объема и формы, что и образец. Магнитные измерения по времени занимают 1 час и производятся на вибрационном магнитометре, сопряженном с помощью специального программного обеспечения с компьютером. По измеренным кривым намагничивания пропитанного магнитной жидкостью цилиндрического образца материала (фиг.2, образец 2) и магнитной жидкости такого же объема и такой же формы, что и образец (фиг.2, магнитная жидкость), определяются соответствующие значения магнитных моментов насыщения, и по формуле (5) вычисляется пористость материала, из которого изготовлен кирпич.
Таким образом, предлагаемый способ определения пористости материалов позволяет быстро, эффективно и просто получать точный результат.
Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:
- уменьшение материальных и временных затрат;
- уменьшение трудоемкости процесса измерения и обработки результатов;
- высокая точность получаемых результатов;
- физические свойства использованной для измерений магнитной жидкости не нарушаются, вследствие чего ее можно использовать многократно.