一種測試多孔材料滲透率的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種測試多孔材料滲透率的裝置及方法，屬于材料測試領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 多孔材料，如人工骨、泡沫材料、多孔金屬等被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域。為了達到材 料的某種性能，人造孔隙成為一種興起的技術(shù)。表征材料的物理特性有強度、硬度等指標， 而滲透率常常被工程材料的設(shè)計者忽略，特別是對設(shè)計出的多孔材料的滲透率的測試成為 業(yè)界的一大難題。在骨組織工程支架材料領(lǐng)域，良好的滲透性能無疑是決定該支架材料能 否被人體成功吸收的前提條件。但是目前國內(nèi)外在骨支架材料的制備中很少考慮其滲透性 能，以至于跟天骨的滲透相容性相差較遠。因此如何快速簡單測試材料的滲透系數(shù)這一問 題擺在了各工程領(lǐng)域的面前。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明旨在提供一種測試多孔材料滲透率的裝置及方法。該方法可作為測試表征 多孔材料孔隙率及液體通透/滲透性的方法，該測試技術(shù)不僅操作簡單，而且測試精度高， 有望推廣成為其它多孔材料孔隙特征的測試技術(shù)，在材料測試工程領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價 值。
[0004] 本發(fā)明提供了一種測試多孔材料滲透率的裝置，包括材料試驗機、注射器，所述注 射器底部設(shè)有固定支座，注射器通過固定支座立在材料試驗機的試驗臺上，注射器內(nèi)腔室 放置水，底部出口處設(shè)有由待測試材料制成的圓柱或圓盤形試件，試件通過第一密封墊和 第二密封墊固定在注射器的出口；位移和壓力的數(shù)據(jù)通過試驗機的傳感器在計算機上顯 不。
[0005] 上述裝置中，所述第一密封墊和第二密封墊采用注射器活塞的膠頭，將膠頭中間 挖孔后置于注射器的出水底部;第一密封墊和第二密封墊的外徑為D，內(nèi)徑為d。第一密封墊 和第二密封墊相對較薄較硬，可以忽略其變形。
[0006] 上述裝置中，所述的注射器為醫(yī)用注射器，內(nèi)徑為30mm~45mm，容量為60ml~ 150ml。內(nèi)徑與容量的對應(yīng)關(guān)系為：①內(nèi)徑30mm、容量60ml;②內(nèi)徑35mm、容量100ml;③內(nèi)徑 37mm，容量100ml;④內(nèi)徑40mm、容量150ml;⑤內(nèi)徑45mm、容量150ml〇
[0007] 上述裝置中，所述的材料試驗機為Instron 5544,配有500N和1000N的力傳感器， 精度為1微牛，位移精度為1微米。
[0008] 本發(fā)明提供了一種測試多孔材料滲透率的方法，包括以下步驟：
[0009] (1)將注射器（內(nèi)徑D)的出水一端先放入第一密封墊密封；
[0010] (2)放入被測試件:將多孔材料打磨制成的試件放入密封橡膠墊I的上面，并記錄 試件的厚度h;
[0011] (3)放入第二密封墊:將第二密封墊(外徑D，內(nèi)徑d)放入注射器并與試件壓實；
[0012] (4)注水并排空空氣:往注射器腔體內(nèi)注水至制定的水位，將注射器倒置排出腔體 內(nèi)的空氣；
[0013] (5)材料試驗機加壓:在實驗中設(shè)置壓力Fo,并保持t分鐘，觀察水柱的下降高度zo， 并記錄，然后第i次時設(shè)置壓力為巧保持t分鐘，觀察記錄液面下降的高度 Zl，這樣共重復(fù)n+1 次；
[0014] (6)將&、^、(1、11，及水的粘度11帶入
即可求出該材料的滲 透系數(shù)K。
[0015] 所述壓力巧單位為牛，液面下降的高度Zl也為壓頭下降的距離，可以由計算機讀數(shù) 給出。
[0016] 所述水的粘度n=l〇-3Pa · s。
[0017]所述第1次，其中〇1，所述重復(fù)11+1次，1^1。
[0019]恒定壓力作用下，達西滲透定律可以寫為：
[0021]其中，Q為單位時間內(nèi)的通過試件的流量(m3/s)，K為滲透系數(shù)(m2)，S = 3!d2/4為試 件的橫截面積(m2)，p為施加的恒定壓力(Pa) Α為液體的粘度(Pa · s)，h為試件的厚度(m)。 假設(shè)加壓時間為t(s)，液面下降高度為z(m)，針管的面積為A = 3iD2/4(m2)，則（1)式子可以變 形為：
[0023]那么在第i次試驗及第i-Ι次試驗有：
[0026]為了消除原有液柱(高度)的壓力誤差，前后兩次結(jié)果相減：
[0028]假設(shè)材料試驗機施加的恒定壓力分別為F1&F1-1，上式變?yōu)椋?br>[0032] 那么可連續(xù)加壓重復(fù)η次試驗求取平均值疋：
[0034]本發(fā)明的有益效果：
[0035] (1)該測試方法操作簡單、精度高、節(jié)約成本；
[0036] (2)有望推廣到其他工程多孔材料的測試，材料測試工程領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價 值。
【附圖說明】
[0037]圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0038]圖2為圖1中A部分的放大圖。
[0039]圖3為試件測試狀態(tài)俯視圖（放大）。
[0040] 圖中1為材料試驗機，2為注射器，3為固定支座，4為試驗臺，5為試件，6為第一密封 墊，7為第二密封墊;8為計算機。
【具體實施方式】
[0041] 下面通過實施例來進一步說明本發(fā)明，但不局限于以下實施例。
[0042] 圖1示出了本發(fā)明的測試裝置，包括材料試驗機1、注射器2,所述注射器2底部設(shè)有 固定支座3，注射器2通過固定支座3立在材料試驗機1的試驗臺4上，注射器2內(nèi)腔室放置水， 底部出口處設(shè)有由待測試材料制成的圓柱或圓盤形試件5,試件5通過第一密封墊6和第二 密封墊7固定在注射器2的出口；位移和壓力的數(shù)據(jù)通過試驗機的傳感器在計算機8上可以 讀出來。
[0043] 上述裝置中，所述第一密封墊6和第二密封墊7采用注射器活塞的膠頭，將膠頭中 間挖孔后(外徑D，內(nèi)徑d)墊與注射器的出水底部。第一密封墊和第二密封墊相對較薄較硬， 可以忽略其變形。
[0044] 上述裝置中，所述的注射器為醫(yī)用注射器，內(nèi)徑有30mm(60ml)、35mm(100ml)、37mm (100ml)、40mm(150ml)及45mm(150ml)。
[0045] 上述裝置中，所述的材料試驗機1為Instron 5544,配有500N的力傳感器，精度為1 微牛。
[0046] 如圖該方法根據(jù)達西滲透定律將測試材料制成圓柱/圓盤形試件放入注射器，然 后利用材料試驗機控制液體壓力，通過測試計算出液體通過該材料的速度進而得到其滲透 率系數(shù)。
[0047]實施例1:人工骨滲透率的測試
[0048] (1)采用150ml注射器，內(nèi)徑為D = 40mm，人工骨試件打磨成直徑d = 30mm，厚為5mm 的薄片，放入注射器的第一密封墊和第二密封墊之間并壓實。然后注水并排空空氣，記錄水 柱的原始高度ho。然后使用材料試驗機加壓，設(shè)置壓力10N，并保持2分鐘，觀察水柱的下降 高度zo,并記錄，為了減小誤差，采用連續(xù)測試、壓力增量法，每次增加5N，保持相同的時間2 分鐘。取水的粘度n=l(T 3Pa · s。然后重復(fù)5次，并記錄每次液面下降的高度。填入下表1:
[0049]表1:實施例1--人工骨滲透率的測試數(shù)據(jù)表格
[0050]
[0051]
可以得到該試件的滲透率系數(shù)為 f=2.547:xl0~|4rn2。
[0052] 實施例2:多孔鈦金屬滲透率的測試
[0053] (1)采用150ml注射器，內(nèi)徑為D = 30mm，多孔鈦金屬試件打磨成直徑d = 25mm，厚為 l〇mm的薄片，放入注射器的第一密封墊和第二密封墊之間并壓實。然后注水并排空空氣，記 錄水柱的原始高度hQ。然后使用材料試驗機加壓，設(shè)置壓力50N，并保持5分鐘，觀察水柱的 下降高度zo,并記錄，為了減小誤差，采用連續(xù)測試、壓力增量法，每次增加50N，保持相同的 時間5分鐘。取水的粘度n=l(T 3Pa · s。然后重復(fù)5次，并記錄每次液面下降的高度。填入下表 2：
[0054] 表2:實施例2-一多孔鈦金屬的測試數(shù)據(jù)表格
[0057]
，可以得到該試件的滲透率系數(shù)為 1^9332 xl0'16ra2c
[0058] 實施例3:泡沫鋁材料的滲透率測試
[0059] (1)采用200ml注射器，內(nèi)徑為D = 45mm，人工骨試件打磨成直徑d = 35mm，厚為40mm 的薄片，放入注射器的第一密封墊和第二密封墊之間并壓實。然后注水并排空空氣，記錄水 柱的原始高度ho。然后使用材料試驗機加壓，設(shè)置壓力100N，并保持10分鐘，觀察水柱的下 降高度ZQ，并記錄，為了減小誤差，采用連續(xù)測試、壓力增量法，每次增加100N，保持相同的 時間10分鐘。取水的粘度n=l〇_ 3Pa · s。然后重復(fù)5次，并記錄每次液面下降的高度。填入下 表3:
[0060]表3:實施例3--泡沫鋁材料的測試數(shù)據(jù)表格 [0061]
[0062] (2)最后將以上數(shù)據(jù)帶入公式
可以得到該試件的滲透率系數(shù)
【主權(quán)項】
1. 一種測試多孔材料滲透率的裝置，包括材料試驗機、注射器，其特征在于:所述注射 器底部設(shè)有固定支座，注射器通過固定支座立在材料試驗機的試驗臺上，試驗機壓頭向注 射器活塞尾部施加壓力，注射器內(nèi)腔室放置水，底部出口處設(shè)有由待測試材料制成的圓柱 或圓盤形試件，試件通過第一密封墊和第二密封墊固定在注射器的出口；位移和壓力的數(shù) 據(jù)通過試驗機的傳感器在計算機上顯示。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測試多孔材料滲透率的裝置，其特征在于:所述第一密封墊和 第二密封墊采用注射器活塞的膠頭，將膠頭中間挖孔后置于注射器的出水底部;第一密封 墊和第二密封墊的外徑為D，內(nèi)徑為d。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測試多孔材料滲透率的裝置，其特征在于:所述的注射器為醫(yī) 用注射器，內(nèi)徑為30mm~45mm，容量為60ml~150ml。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測試多孔材料滲透率的裝置，其特征在于:所述的材料試驗機 為Instron 5544,配有500N和1000N的力傳感器，精度為1微牛，位移精度為1微米。5. -種采用權(quán)利要求1~4任一項所述的測試多孔材料滲透率的裝置的測試方法，其特 征在于:包括W下步驟： (1) 將注射器的出水一端先放入第一密封墊密封； (2) 放入被測試件:將多孔材料打磨制成的試件放入密封橡膠墊I的上面，并記錄試件 的厚度h; (3) 放入第二密封墊:將第二密封墊放入注射器并與試件壓實； (4) 注水并排空空氣:往注射器腔體內(nèi)注水至制定的水位，將注射器倒置排出腔體內(nèi)的 空氣； (5) 材料試驗機加壓:在實驗中設(shè)置壓力Fo,并保持t分鐘，觀察水柱的下降高度Z0,并記 錄，然后第i次時設(shè)置壓力為Fi保持t分鐘，觀察記錄液面下降的高度zi運樣共重復(fù)n+1次； (6) 將Fl、Zl、d、t、i，及水的粘度rl帶入公式即可求出該材料的滲透系 數(shù)玄。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的測試方法，其特征在于:所述第i次，其中i含1，所述重復(fù)n+1 次，nM。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種測試多孔材料滲透率的裝置及方法，屬于材料測試技術(shù)領(lǐng)域。該方法根據(jù)達西定律將測試材料制成圓柱/圓盤形試件放入注射器，然后利用材料試驗機控制液體壓力，通過測試計算出液體通過該材料的速度進而得到該材料的滲透率系數(shù)。該方法可作為測試表征多孔材料孔隙率及液體通透/滲透性的方法。該測試技術(shù)不僅操作簡單，而且測試精度高，有望推廣成為其它多孔材料孔隙特征的測試技術(shù)，在材料測試工程領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。
【IPC分類】G01N15/08
【公開號】CN105572013
【申請?zhí)枴緾N201510981827
【發(fā)明人】武曉剛, 王艷芹, 武曉紅, 李世興, 郭媛, 高志鵬, 王穎, 陳維毅
【申請人】太原理工大學(xué)
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2015年12月24日