多孔材料引論(第2版)

相對(duì)連續(xù)介質(zhì)材料而言, 多孔材料一般具有相對(duì)密度低、比強(qiáng)度高、比表面積高、重量輕、隔音、隔熱、滲透性好等優(yōu)點(diǎn)。具體來(lái)說(shuō), 多孔材料一般有如下六種特性:

多孔材料機(jī)械性能

應(yīng)用多孔材料能提高強(qiáng)度和剛度等機(jī)械性能, 同時(shí)降低密度, 這樣應(yīng)用在航天、航空業(yè)就有一定的優(yōu)勢(shì), 據(jù)測(cè)算, 如果將飛機(jī)改用多孔材料, 在同等性能條件下, 飛機(jī)重量減小到原來(lái)的一半。應(yīng)用多孔材料另一機(jī)械性能的改變是沖擊韌性的提高, 應(yīng)用于汽車工業(yè)能有效降低交通事故對(duì)乘客的創(chuàng)造傷害。

多孔材料傳播性能

波傳播至兩種介質(zhì)的界面上時(shí), 會(huì)發(fā)生反射和折射。由于多孔的存在, 增多了反射和折射的可能, 同時(shí)衍射的可能也增多了。所以多孔材料能起到阻波的作用。利用這種性質(zhì), 多孔材料可以用作隔音材料、減振材料和抗爆炸沖擊的材料。

多孔材料光電性能

多孔材料具有獨(dú)特的光學(xué)性能, 微孔的多孔硅材料在激光的照射下可以發(fā)出可見光, 將成為制造新型光電子元件的理想材料。多孔材料的特殊光電性能還可以制出燃料電池的多孔電極, 這種電池被認(rèn)為是下一代汽車最有前途的能源裝置。

多孔材料滲透性

由于人們已經(jīng)能制造出規(guī)則孔型而且排列規(guī)律的多孔材料,并且, 孔的尺寸和方向已經(jīng)可以控制。利用這種性能可以制成分子篩, 比如高效氣體分離膜、可重復(fù)使用的特殊過(guò)濾裝置等。

多孔材料吸附性

由于每種氣體或液體分子的直徑不同, 其運(yùn)動(dòng)的自由程度不同, 所以不同孔徑的多孔材料對(duì)不同氣體或液體的吸附能力就不同?？梢岳眠@種性質(zhì)制作出用于空氣或水凈化的高效氣體或液體分離膜, 這種分離膜甚至還可重復(fù)使用。

多孔材料化學(xué)性能

多孔材料由于密度的變小, 一般材料的活性都將增加?；诰哂蟹肿幼R(shí)別功能的多孔材料而產(chǎn)生的人造酶, 能大大提高催化反應(yīng)速度。

制造多孔材料的粉末原料，可根據(jù)用途和性能要求，選用球形和不規(guī)則形狀的粉末或金屬纖維。用球形粉末易于獲得流體阻力小、結(jié)構(gòu)均勻、再生性好的過(guò)濾和流態(tài)控制用的多孔材料，但這種粉末制品的力學(xué)性能不如不規(guī)則形狀粉末的制品。不規(guī)則形狀粉末或纖維用于制造孔隙度高的材料。為了獲得由粉末顆粒疊排造成的多孔結(jié)構(gòu)，制造多孔材料的成形壓力和燒結(jié)溫度一般低于制造燒結(jié)致密材料。

多孔材料的孔徑、強(qiáng)度等性能在很大程度上取決于所選用粉末的平均粒度、粒度分布、顆粒形狀等；為了制出預(yù)定性能的材料，通常要對(duì)粉末進(jìn)行預(yù)處理，如退火、粒度分級(jí)、球化和球選以及加入各種添加劑(造孔劑、潤(rùn)滑劑、增塑劑)等。成形工藝除一般的冷模壓-燒結(jié)工藝外,還可根據(jù)制品的形狀尺寸等,選用松裝燒結(jié)(簡(jiǎn)單異形制品)、粉末軋制(厚度0.1～3mm的板、帶、管)、擠壓 (異形長(zhǎng)制品)、等靜壓制（異形大制品）和粉漿澆注（復(fù)雜異形制品）等工藝（見粉末冶金燒結(jié)，粉末冶金成形）。如以金屬纖維作原料，常用在液體中沉積的方法制備均勻分布的纖維氈，然后再壓制、燒結(jié)成金屬纖維多孔材料。用粉末制造泡沫金屬，要將發(fā)泡劑和固化劑同粉末均勻混合成形，并在加熱過(guò)程中經(jīng)發(fā)泡固化和燒結(jié)。這類泡沫金屬的孔隙度可高達(dá)90%以上。為改善綜合性能，還可用不同粒度的粉末制作不同孔徑的雙層或多層結(jié)構(gòu)的材料，或?qū)⒎勰┡c金屬網(wǎng)或纖維一起成形，制成纖維增強(qiáng)材料。

含一定數(shù)量孔洞的固體叫多孔材料，孔洞的邊界或表面由支柱或平板構(gòu)成。典型的孔結(jié)構(gòu)有一種是由大量多邊形孔在平面上聚集形成的二維結(jié)構(gòu)，由于其形狀類似于蜂房的六邊形結(jié)構(gòu)而被稱為“蜂窩”材料。

更為普遍的是由大量多面體形狀的孔洞在空間聚集形成的三維結(jié)構(gòu)，通常稱之為“泡沫”材料。有的文獻(xiàn)把孔隙率充分的叫多孔材料，大于多孔材料孔隙率的叫泡沫材料。而從大量的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)來(lái)看，稱為泡沫材料的孔隙率并未大于多孔材料的孔隙率，如熟知的泡沫鋁，其孔隙率往往低于多孔材料的孔隙率，有的文獻(xiàn)把孔隙率較低的叫泡沫材料，還有的文獻(xiàn)則認(rèn)為，由于該材料最初采用發(fā)泡法制備，曾稱之為發(fā)泡材料，以后發(fā)展了滲流等制備法，稱之為通氣性材料，更合適的名稱應(yīng)為多孔 泡沫材料，簡(jiǎn)稱多孔材料或泡沫材料。總之，沒有一個(gè)統(tǒng)一、嚴(yán)格、公認(rèn)的定義。多數(shù)學(xué)者將多孔材料和泡沫材料視為等同概念。 多孔材料在自然界中普遍存在如木材、軟木、海綿和珊瑚等(“cellulose”這個(gè)詞就來(lái)源于意為“充滿小孔的”拉丁小詞“cellula”）。

千百年來(lái)，這些天然的多孔材料被人們廣泛利用。在多年前的古埃及金字塔中就已經(jīng)使用了木制建材在羅馬時(shí)代軟木就被用作酒瓶的瓶塞。近代人們開始自己制造多孔材料，其中最簡(jiǎn)單的是由大量相似的棱形孔洞組成的蜂窩狀材料，可用作輕質(zhì)構(gòu)件。更常見的是高分子泡沫材料，其用途廣泛，可用于小到隨處可見的咖啡杯，大到飛機(jī)坐艙的減震墊?，F(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展使得金屬、陶瓷、玻璃等材料也能像聚合物那樣發(fā)泡。這些新型泡沫材料正逐漸地被用作絕緣、緩沖、吸收沖擊能量的材料，從而發(fā)揮了其由多孔結(jié)構(gòu)決定的獨(dú)特的綜合性能。