Пористые фильтрующие элементы

Для изготовления фильтрующих элементов обычно применяют ткани, войлок, керамику, фарфор, а также сетчатые фильтры из различных материалов. Их недостатками являются низкая коррозионная стойкость, недостаточная механическая прочность, низкая термостойкость и жаропрочность. В большинстве случаев они не допускают высоких перепадов давлений и с трудом поддаются регенерации.

При создании современной техники стремятся к использованию легких материалов, обладающих высокими физико-механическими характеристиками. Материаловеды всего мира пытаются найти вторую, третью структуры вещества, позволяющие известным материалам придать новые свойства.

В Институте металлургии Российской академии наук было получено аморфное железо, структура которого представляла собой хаотическое переплетение молекул. Твердость и прочность такого материала увеличивается в сотни раз. Процесс изготовления аморфного железа включает в себя нагрев до высокой температуры с резким последующим охлаждением (скорость охлаждения — миллион градусов в секунду).

В настоящее время одним из перспективных направлений материаловедения является создание пористых металлических и неметаллических материалов.

Область применения пористых материалов весьма широка. Эти материалы при малой плотности обладают высокой жесткостью, прочностью и высокими демпфирующими способностями; благодаря развитой внутренней поверхности они могут быть использованы для проведения и интенсификации различных физикохимических и электрохимических процессов, создания фильтров и др.

Развитая внутренняя поверхность пористых материалов позволяет осуществлять с высокой интенсивностью процессы, обычная скорость протекания которых мала. Использование пористых материалов для работы в жидких и газовых средах позволяет уменьшить ограничения, связанные с низкой диффузией реагентов. В системах с проточными пористыми электродами без применения специальных селективных мембран и диафрагм могут быть разделены электродные продукты, продукты абсорбции и десорбции отсасыванием их через поры. Пористые материалы обеспечивают проведение физико-химических процессов в невесомости. Выполнение охлаждения стенок ракетных двигателей из пористых материалов, по которым в пограничный слой потока горячего газа подается охладитель, является одним из перспективных и наиболее эффективных способов гидродинамической защиты. Из пористых материалов изготавливают автомобильные бамперы, которые при столкновении с препятствием способны, разрушаясь, гасить энергию удара. При заполнении топливных баков пористым материалом полезная вместимость бака снижается на 5…7%, но в случае аварии такая конструкция не позволяет произойти взрыву топлива, а способствует его постепенному медленному выгоранию.

Металлические пористые материалы изготавливают:

• • спеканием в водородной среде свободно насыпанного в форму металлического порошка — свободное спекание',
• • спеканием в водородной среде нанесенного на сетчатую или перфорированную ленту водного шлама из металлического порошка — шламовое спекание',
• • спеканием в водородной среде металлического порошка, уплотненного между валками, с порообразующим агентом или без него — валковое спекание;
• • прессованием металлического порошка с порообразующим агентом с последующим их спеканием в водородной среде.

Свободное спекание дает высокую пористость (50…90%), однако получаемые при этом пористые материалы недостаточно прочны и обладают значительным электрическим сопротивлением. Использование в качестве каркаса перфорированных пластинок или сеток увеличивает прочность, укрепляет связи частиц порошка и ослабляет внутреннее сопротивление.

Шламовое спекание применяют для нанесения пористой массы на гладкие пластины, в этом случае порошок сохраняется в виде суспензии и может использоваться пороноситель.

Валковое спекание служит для получения требуемых изделий в больших количествах, на пористость в значительной степени оказывает влияние диаметр и скорость валков; при равномерном распределении порошка между валками получаются изделия с однородным распределением пор при пористости 60%.

Прессование из порошка с добавкой порообразующих агентов в специальных формах и последующее спекание в водородной или другой нейтральной среде используют при изготовлении топливных элементов, абсорберов, десорберов и др.

Высокопористые порошковые металлические материалы благодаря жесткому пространственному каркасу имеют более высокую прочность. Они выдерживают резкие колебания температур, легко обрабатываются, свариваются и паяются, обеспечивают необходимые коррозионную стойкость, жаростойкость, теплопроводность.

Вследствие высокой пористости такие материалы имеют хорошую проницаемость для жидкостей и газов при достаточно тонкой фильтрации (до 30 мкм). Эти материалы легко регенерируются и при этом почти полностью восстанавливают свои первоначальные свойства. Они не засоряют фильтрующиеся жидкости или газы материалами фильтра.

Технология изготовления металлических пористых элементов зависит от их формы и размеров. Фильтры небольших размеров изготавливают спеканием свободно засыпанного порошка. Для более крупных фильтров применяют холодное прессование и последующее спекание. Для получения тонких пористых лент применяют прокатку.

Для изготовления пористых проницаемых элементов применяют порошки различных металлов и сплавов: углеродистых и коррозионно-стойких сталей различных марок, сплавов никеля с хромом и молибденом, сплавов меди, титана, алюминия, вольфрама, молибдена и др. В технике наибольшее распространение получили фильтры из коррозионно-стойкой стали, бронзы, сплавов никеля и титана.

Применение порошковых материалов увеличивает срок службы насосов, двигателей и других агрегатов, работающих на очищенных жидкостях. С их помощью повышают эффективность химических процессов и улучшают качество вакуумной продукции, создают предпосылки для получения материалов с новыми свойствами.

Контрольные вопросы

• 1. В чем состоят преимущества методов порошковой металлургии?
• 2. Какова технология получения изделий из порошковых материалов?
• 3. Для изготовления каких деталей применяют антифрикционные порошковые материалы?
• 4. Какова область использования фрикционных порошковых материалов?
• 5. Каковы свойства и область применения высокопористых порошковых материалов?