في صناعات مثل المواد الحرارية، والسيراميك، وتعدين المساحيق، تُعدّ المسامية الظاهرية (المسامية المفتوحة) والكثافة الظاهرية من أهم المعايير الفيزيائية المستخدمة لتقييم تماسك المادة، وقوتها، ومقاومتها للصدمات الحرارية، ومقاومتها للتآكل. ويُعدّ التحديد الدقيق لهاتين الخاصيتين ذا أهمية بالغة لأبحاث وتطوير المواد، ومراقبة الجودة، وتحسين العمليات.

في الوقت الحاضر، تُعدّ طريقة الفراغ (المعروفة أيضًا بطريقة الغمر) القائمة على مبدأ أرخميدس من أكثر طرق الاختبار الكلاسيكية شيوعًا واستخدامًا. ستتناول هذه المقالة بشكل منهجي مبدأ الاختبار، وإجراءات التشغيل، والمعايير المطبقة، والمزايا التقنية لهذه الطريقة.

أولاً: مبدأ الاختبار

يعتمد المبدأ الأساسي لطريقة إزاحة أرخميدس (طريقة الفراغ) على قانون أرخميدس للطفو، والذي ينص على أن الجسم المغمور في سائل ساكن يتعرض لقوة طفو لأعلى تساوي وزن السائل الذي يزيحه الجسم.

في اختبار المواد المسامية، يُستخدم فراغ لضمان تغلغل السائل بالكامل في جميع المسام المفتوحة داخل المادة. ثم تُقاس كتلة العينة في ثلاث حالات: الحالة الجافة، والحالة المشبعة، والحالة المعلقة (المغمورة)، وتُستخدم الصيغ التالية للحساب:

المسامية الظاهرية: هي نسبة حجم المسام المفتوحة إلى الحجم الكلي للمادة، وتعكس كمية المسام المتصلة بالبيئة الخارجية.

الكثافة الظاهرية: هي نسبة كتلة المادة بعد التجفيف إلى حجمها الكلي (الحجم الصلب + حجم المسام المفتوحة + حجم المسام المغلقة)، وتعكس الكثافة الكلية للمادة.

ثانيًا: إجراءات الاختبار (الخطوات القياسية)

يتوافق الإجراء التالي مع المعيار الوطني GB/T 2997 والمعايير العامة مثل ISO 5017:

1. التجفيف والوزن

جفف العينة حتى تصل إلى كتلة ثابتة، ثم سجل وزنها الجاف (m₁).

٢. التشريب بالتفريغ

ضع العينة في حجرة تفريغ، ثم قم بتفريغها حتى يصل الضغط المتبقي إلى أقل من ٢٫٥ كيلو باسكال، مع الحفاظ على هذه الظروف لفترة محددة (عادةً حوالي ٣٠ دقيقة). بعد ذلك، أدخل سائل التشريب (مثل الماء المقطر أو الكيروسين أو أي سوائل خاملة أخرى لا تتفاعل مع المادة)، واستمر في التفريغ لضمان تغلغل السائل بالكامل وملء جميع المسام المفتوحة داخل العينة.

3. قياس الوزن بعد التشبع

أخرج العينة المشبعة وامسح برفق السائل الزائد على سطحها (دون سحب السائل من المسام). زن العينة في الهواء للحصول على كتلتها بعد التشبع (م₂).

4. قياس الوزن بعد التعليق

علق العينة المشبعة في سائل الغمر باستخدام سلة، ثم قِس وزنها الظاهري بعد الغمر (م₃).

٥. الحساب

المسامية الظاهرية (P)

P = (m₂ − m₁) / (m₂ − m₃) × ١٠٠٪

الكثافة الظاهرية (ρb)

ρb = m₁ / (m₂ − m₃) × ρliquid

حيث:

ρliquid = كثافة سائل الغمر عند درجة حرارة الاختبار

ثالثًا: لماذا نستخدم طريقة التفريغ؟

غالباً ما تفشل طرق الغمر التقليدية في السماح للسائل بالتغلغل الكامل في المسام الدقيقة، مما يؤدي إلى نتائج قياس أقل من المتوقع. أما بيئة الفراغ فتزيل الهواء من المسام بكفاءة، مما يضمن ملء السائل لجميع المسام المفتوحة بالكامل، وبالتالي الحصول على نتائج قياس عالية الدقة وقابلة للتكرار بدرجة كبيرة.

تُعدّ هذه الطريقة مناسبة بشكل خاص لما يلي:

المواد المسامية ذات المسامية الظاهرية العالية (> 5%)

المنتجات المُلبّدة ذات أحجام المسام الصغيرة أو هياكل المسام المعقدة

المواد الصلبة التي لا تتأثر بالغمر (لا تذوب، ولا تتمدد، ولا تتفاعل)

رابعاً: المواد والصناعات القابلة للتطبيق

مجالات الصناعة والمواد النموذجية

1. المواد المقاومة للحرارة

طوب طيني، طوب عالي الألومينا، طوب مغنيسيا-كربون، مواد صب، طوب عازل

٢. السيراميك المتقدم

سيراميك الألومينا (Al₂O₃)، والزركونيا (ZrO₂)، وكربيد السيليكون (SiC)، ونيتريد السيليكون (Si₃N₄)

3. مواد البناء

الطوب المسامي، الخرسانة الخلوية، الحجر الطبيعي، السيراميك (الركام الطيني المتمدد)

٤. علم المعادن المساحيق

مرشحات المعادن المتلبدة، محامل مشبعة بالزيت

٥. المواد الكاشطة وأدوات التجليخ

عجلات التجليخ ذات الرابطة الخزفية، أحجار التجليخ الزيتية

خامساً: توصيات اختيار المعدات

يجب أن يتمتع جهاز تحليل المسامية الظاهرية/الكثافة الظاهرية المؤهل بالميزات التالية:

✅ ميزان إلكتروني عالي الدقة (دقة 0.01 غرام أو أعلى)

✅ حجرة تفريغ ذات سعة كبيرة ومضخة تفريغ مستقرة (أقصى ضغط تفريغ < 2 كيلو باسكال)

✅ وظيفة التعبئة التلقائية للسوائل ومراقبة مستوى السائل

✅ رف وسلة مخصصان مطابقان للمعايير (GB/T 2997، ASTM C20، ISO 5017)

✅ نظام آلي لجمع البيانات وحسابها للحد من الأخطاء البشرية

سادساً: قيود الطريقة

تجدر الإشارة إلى أن طريقة تصريف الفراغ وفقًا لطريقة أرخميدس لها القيود التالية:

1. لا يمكن قياس سوى المسامية المفتوحة، ولا يمكن الحصول على قياسات المسامية المغلقة أو المسامية الكلية.

2. غير مناسبة للمساحيق أو الجسيمات متناهية الصغر: لا يمكن تشكيل المساحيق على هيئة عينات مكعبة، وقد تتعطل أو تُفقد أثناء عملية الغمر.

3. يجب ألا تتفاعل العينات مع سائل الغمر: إذا ترطبت المادة أو ذابت أو انتفخت عند ملامستها للماء، فيجب استبدالها بسائل بديل مثل الكيروسين أو الكحول.

إذا لزم تحديد المسامية المغلقة أو المسامية الكلية أو الكثافة الحقيقية، فينبغي استخدام محلل الكثافة الحقيقية باستخدام طريقة تمدد الغاز (طريقة إزاحة الهيليوم).

سابعاً: الخاتمة

أصبحت طريقة إزاحة أرخميدس (طريقة الفراغ)، بمبدأها الواضح وتشغيلها الموحد ونتائجها الموثوقة، الطريقة المرجعية لتحديد المسامية الظاهرية والكثافة الكلية لمواد الكتل المسامية. ويُعد جهاز اختبار المسامية الظاهرية والكثافة الكلية المقابل جهاز اختبار أساسي لا غنى عنه لمختبرات مراقبة الجودة في صناعات المواد الحرارية والسيراميك ومواد البناء.

من خلال اتباع الإجراءات الموحدة بدقة ودمج أنظمة الوزن الأوتوماتيكية الحديثة وتقنية التحكم في الفراغ، يمكن لهذه الطريقة أن تحسن بشكل كبير من كفاءة الاختبار ودقة البيانات، مما يوفر دعمًا قويًا وموثوقًا للبيانات لتقييم أداء المواد وتحسين العمليات.