تأثير حجم الجسيمات والكثافة الحقيقية للكريات الزجاجية المجوفة الدقيقة على قوة الضغط

تستكشف هذه المذكرة التطبيقية العلاقة بين حجم الجسيمات والكثافة الحقيقية وقوة انضغاط الكريات الزجاجية المجوفة (HGMs). وباستخدام محلل حجم الجسيمات بالحيود الليزري Bettersizer 2600 ومقياس حيود الغاز BetterPyc 380، تؤكد أن حجم الجسيمات والكثافة الحقيقية تؤثر على قوة الانضغاط. تساهم الرؤى التي يقدمها Bettersize بشكل كبير في مجال هندسة المواد HGMs.

 

                        

المنتج	بيترسايزر 2600وBettersPyc 380
الصناعة	سيراميك
العينة	كريات زجاجية مجوفة مجهرية
نوع القياس	حجم الجسيمات، توزيع الجسيمات، الكثافة الحقيقية
تقنية القياس	حيود الليزر، طريقة الإزاحة الغازية

 

 

الانتقال إلى قسم

 

 
• مقدمة
 
• طريقة القياس
 
• النتيجة
 
• الخاتمة
 
• المرجع
 

 

 

---

 

مقدمة

 

الكريات الزجاجية المجهرية المجوفة (HGMs) هي مواد كروية غير عضوية غير معدنية غير معدنية يتم تصنيعها من خلال عمليات محددة، وعادةً ما يتراوح قطرها بين 10 و250 ميكرومتر وسماكة جدارها من 1 إلى 2 ميكرومتر كما هو موضح في الشكل 1. تشتهر هذه الكريات المجهرية بخصائصها الاستثنائية، مثل مقاومة التآكل، ومقاومة التآكل، والوقاية من الإشعاع، وانخفاض امتصاص الماء، والاستقرار الكيميائي. ويمكن استخدامها على نطاق واسع كمواد حشو للمواد المركبة في البناء والمطاط والطلاء والمجال البحري والفضاء الجوي وغيرها من المجالات. تُعد قوة انضغاط مواد HGMs معلمة فيزيائية حاسمة تؤثر بشكل مباشر على قابليتها للتطبيق وجودة المنتجات النهائية في مختلف المجالات.

 

 

الشكل 1. هيكل HGM

 

 

وفقًا لمعادلة قوة الانكسار النظرية للكرات الزجاجية المجوفة الفردية الدقيقة [1،2]:

 

 

 

P هي قوة الانضغاط

 

α هو عامل الشكل (نسبة القطر D إلى سمك الجدار t)

 

E هو معامل يونج النظري للكرات المجهرية المجوفة المجوفة

 

ν هي نسبة بواسون لمواد الجدار

 

 

ترتبط قوة انضغاط HGMs بالقطر D وسُمك الجدار t، حيث تؤثر هذه العوامل مجتمعة على عامل الشكل. ونظرًا لأن مسحوق HGMs يتكون من جسيمات عديدة ذات أحجام مختلفة، يجب مراعاة التأثير الشامل لحجم الجسيمات وتوزيعها. يعد القياس المباشر لسمك جدار جسيمات HGMs مهمة تستغرق وقتًا طويلاً، ولكن تقييم سمكها من خلال قياس الكثافة الحقيقية سيكون أكثر جدوى. يساعد القياس الدقيق والتحليل الدقيق لكل من توزيع حجم الجسيمات والكثافة الحقيقية لمساحيق HGMs في فهم أدائها في التطبيقات المختلفة بشكل أفضل، وتحسين كمية التعبئة وطرقها، وزيادة تعزيز أداء المواد المركبة واستقرارها.

 

 

طريقة القياس

 

استخدمت هذه الدراسة محلل حجم الجسيمات بالحيود الليزري Bettersizer 2600 ومقياس حيود الجسيمات بالليزر BetterPyc 380 الغازي للتحقق من توزيع حجم الجسيمات والكثافة الحقيقية لأربع مجموعات من التركيبات المتطابقة لمساحيق HGMs. تم تحليل نتائج الاختبار لاستكشاف العلاقة بين قوة الانضغاط وتوزيع حجم الجسيمات والكثافة الحقيقية.

 

يكتسب جهاز Bettersizer 2600، الذي يعتمد على نظرية Mie (المتوافقة مع المواصفة القياسية ISO 13320)، معلومات عن حجم الجسيمات وتوزيعها بسرعة من خلال قياس زاوية الحيود وشدة الجسيمات مقابل الليزر كما هو موضح في الشكل 2. وهو يوفر سرعات اختبار سريعة، حيث تتوفر نتائج البيانات في دقيقة واحدة فقط. باستخدام الطريقة الرطبة، كان معامل انكسار الجسيمات عالية الكثافة والوسائط المذيبة (الماء المقطر) 1.46 و1.33 على التوالي.

 

 

 

الشكل 2. مخطط نظام Bettersizer 2600

 

 

يعتمد مقياس الغاز BetterPyc 380 على معادلة الحالة الغازية المثالية ويستخدم طريقة إزاحة الغاز (المتوافقة مع المواصفة القياسية ISO 12154:2014) مع نظام التحكم في درجة الحرارة. وهو يسمح بقياس حجم الغازات عالية الكثافة ومن ثم كثافتها الحقيقية. يتم استخدام الهيليوم كغاز تحليلي في هذه الدراسة، مع إجراء القياسات عند ضغط 19.5 رطل لكل بوصة مربعة ومعدل توازن مضبوط يبلغ 0.005 رطل لكل بوصة مربعة/دقيقة عند درجة حرارة 20. توفر الأداة سرعات اختبار سريعة وتعمل بشكل غير مدمر، مما يجعلها طريقة فعالة وموثوقة لاختبار الكثافة.

 

 

 

الشكل 3. رسم تخطيطي لنظام BetterPyc 380

 

 

النتيجة

 

يعرض الجدول 1 حجم الجسيمات النموذجي وبيانات الكثافة الحقيقية لأربع مجموعات عينات. يلاحظ أن العينتين HGM-1 وHGM-2 لهما أحجام جسيمات وتوزيعات متشابهة، بكثافة حقيقية تبلغ 0.6033 جم/سم3 و0.3842 جم/سم3 على التوالي. تبلغ قوة ضغطهما 83 ميجا باسكال و38 ميجا باسكال على التوالي. وفقًا لصيغة قوة الانكسار النظرية، عندما يظل القطر ثابتًا، تشير الكثافة الحقيقية الأعلى إلى سماكة جدار أكثر سمكًا، مما يؤدي إلى عامل شكل أصغر وبالتالي زيادة قوة الانضغاط. تتوافق النتائج التجريبية بشكل جيد مع التوقعات النظرية.

 

                                               

العينة	توزيع حجم الجسيمات (ميكرومتر)			الكثافة الحقيقية (جم/سم3 )	قوة الضغط (ميجا باسكال)
	D10	D50	D90
HGM-1	16.62	40.57	79.76	0.6033	83
HGM-2	16.34	40.48	79.82	0.3842	38
HGM-3	12.09	20.43	33.12	0.5033	110
HGM-4	4.51	10.11	21.06	0.7824	207

 

الجدول 1. توزيع حجم الجسيمات والكثافة الحقيقية وقوة الضغط لعينات HGMs.

 

 

بمقارنة HGM-2 وHGM-3 وHGM-4، كما هو موضح في الشكل 4، يتضح أنه كلما انخفض حجم الجسيمات D50، تزداد الكثافة الحقيقية (المشار إليها بسُمك الجدار) تدريجيًا، مما يدل على عامل شكل أصغر. وتفسر هذه الظاهرة الزيادة في قوة الانضغاط. تؤكد هذه الملاحظة على أهمية حجم الجسيمات وكثافتها في تحديد الخواص الميكانيكية للكرات الزجاجية المجوفة المجهرية.

 

 

الشكل 4. D50، الكثافة الحقيقية وقوة الانضغاط للكريات المجهرية الزجاجية المجوفة HGM-2 وHGM-3 وHGM-4

 

 

الخلاصة

 

باختصار، بالنسبة للكرات المجهرية الزجاجية المجوفة ذات التركيبة نفسها، يتيح التحكم في نطاقات أحجام الجسيمات المختلفة من خلال النخل إنتاج عينات ذات خصائص قوة متفاوتة. لتلبية معايير حجم الجسيمات المحددة، يعد تحسين العملية لتحسين الكثافة الحقيقية للكريات الزجاجية المجوفة المجهرية المجوفة نهجًا قابلاً للتطبيق، مما قد يعزز من قوتها الانضغاطية. يمكن أن يوفر محلل حجم الجسيمات بالليزر Bettersizer 2600 ومقياس حجم الجسيمات بالليزر Bettersize ومقياس حجم الجسيمات الغازي BetterPyc 380 المصمم من قبل Bettersize مراجع أساسية ومراقبة لتصميم المواد والتطبيقات الهندسية.

 

        

بيترسايزر 2600

بيتر بيك 380

 

 

المرجع

 

[1] P.W. Bratt, J. Cunnion, B.D. Spivack, Advances in Materials Characterization 441 (1983).
[2] S.P. Timoshenko, J.M. Gere, Theory of Elastic Stability, McGraw-Hill, New York, 1961.

 

 

 

نبذة عن المؤلفين

            

	بيرفيل ليو كبير مهندسي التطبيقات في شركة بيترسايز إنسترومنتس
	يانلينغ تشو   مهندس تطبيقات @ Bettersize Instruments

 

 

 

        

هل تريد الحصول على مواد سيراميك عالية الأداء؟ استكشف مجموعتنا من الملاحظات التطبيقية للسيراميك FIVE التي أعدها مختبر أبحاث Bettersize.   تحميل مجاني