多孔材料

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

多孔材料機械性能

應用多孔材料能提高強度和剛度等機械性能, 同時降低密度, 這樣應用在航天、航空業(yè)就有一定的優(yōu)勢, 據(jù)測算, 如果將飛機改用多孔材料, 在同等性能條件下, 飛機重量減小到原來的一半。應用多孔材料另一機械性能的改變是沖擊韌性的提高, 應用于汽車工業(yè)能有效降低交通事故對乘客的創(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, 會發(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

多孔材料具有獨特的光學性能, 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、可重復使用的特殊過濾裝置等。

多孔材料吸附性

由于每種氣體或液體分子的直徑不同, 其運動的自由程度不同, 所以不同孔徑的多孔材料對不同氣體或液體的吸附能力就不同。可以利用這種性質(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使用。

多孔材料化學性能

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速度。

燒結多孔材料雖然力學性能和耐腐蝕性能等因存在孔隙而不如致密金屬，但有些性能如熱交換能力、電化學活性、催化作用等卻因比表面增大而比致密金屬好得多。多孔材料還具有一系列致密金屬所沒有的功能，如孔隙能透過氣、液介質(zhì)，能吸收能量，或起緩沖作用。燒結多孔材料因用途不同而各具特殊性能，如對過濾材料要求過濾精度、透過性和再生性；對某些多孔材料要求熱交換效率、電化學活性、聲阻性、電子發(fā)射能力等。

表征多孔結構的主要參數(shù)是：孔隙度、平均孔徑、最大孔徑、孔徑分布、孔形和比表面。除材質(zhì)外，材料的多孔結構參數(shù)對材料的力學性能和各種使用性能有決定性的影響。由于孔隙是由粉末顆粒堆積、壓緊、燒結形成的；因此,原料粉末的物理和化學性能,尤其是粉末顆粒的大小、分布和形狀，是決定多孔結構乃至最終使用性能的主要因素。多孔結構參數(shù)和某些使用性能（如透過性等）都有多種測定原理和方法?？讖匠Ｓ脷馀莘?、氣體透過法、吸附法和汞壓法等來測定，比表面常用低溫氮吸附法和流體透過法來測定。選擇測定方法時應盡量選用與使用條件相近的方法。流體透過多孔體的運動在層流條件下服從達西公式，即流速與壓力梯度成正比，與流體粘度成反比，其比例常數(shù)即透過系數(shù)為反映材料透過能力的特征參數(shù)。當貫通孔隙度、孔徑增大時，或多孔體厚度、流體粘度減小時，燒結多孔材料的透過能力隨之增大。燒結多孔材料的力學性能不僅隨孔隙度、孔徑的增大而下降，還對孔形非常敏感，即與“缺口”效應有關?？紫抖炔蛔儠r，孔徑小的材料透過性小，但因顆粒間接觸點多，故強度大。過濾精度即阻截能力是指透過多孔體的流體中的最大粒子尺寸，一般與最大孔徑值有關。孔徑分布是多孔結構均勻性的判據(jù)。對于過濾材料要求在有足夠強度的前提下，盡可能增大透過性與過濾精度的比值。根據(jù)這些原理，發(fā)展出用分級的球形粉末為原料，制成均勻的多孔結構，用粉末軋制法制造多孔的薄帶和焊接薄壁管，發(fā)展出粗孔層與細孔層復合的雙層多孔材料。

多孔材料可由多種金屬和合金以及難熔金屬的碳化物、氮化物、硼化物和

硅化物等制成，但常用的是青銅、不銹鋼、鎳及鈦等。多孔材料的孔隙度一般在15%以上，最高可達90%以上，孔徑從幾百埃到毫米級。多孔材料的孔隙度一般粗分為低孔隙度(<30%)、中孔隙度(30～60%)、高孔隙度(>60%)三類，孔徑分為粗孔(>50nm)、中等孔（2～50nm）和微孔(<2nm)三種。低孔隙度的多孔材料主要是含油軸承，高孔隙度的還包括金屬纖維多孔材料和泡沫金屬，主要用于電池極板、絕熱、消音、防震等。大量使用的過濾材料和發(fā)汗冷卻材料（見金屬發(fā)汗材料）多為中等孔隙度。過濾用的多孔材料可按過濾精度和流量分成等級系列。

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成。典型的孔結構有一種是由大量多邊形孔在平面上聚集形成的二維結構，由于其形狀類似于蜂房的六邊形結構而被稱為“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構，通常稱之為“泡沫”材料。有的文獻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。而從大量的國內(nèi)外文獻來看，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，有的文獻把孔隙率較低的叫泡沫材料，還有的文獻則認為，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，更合適的名稱應為多孔 泡沫材料，簡稱多孔材料或泡沫材料?？傊?，沒有一個統(tǒng)一、嚴格、公認的定義。多數(shù)學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”這個詞就來源于意為“充滿小孔的”拉丁小詞“cellula”）。

千百年來，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，大到飛機坐艙的減震墊。現(xiàn)代技術的發(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)揮了其由多孔結構決定的獨特的綜合性能。

上面按孔徑尺寸分類的方法源國際純化學及應用化學組織，為推動多孔材料的研究，推薦了上述專門術語。按照孔徑大小的不同，多孔材料又可以分為微孔（孔徑小于2 nm ）材料、介孔（孔徑 2-50 nm ）材料和大孔（孔徑大于50 nm ）材料。

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、結構均勻、再生性好的過濾和流態(tài)控制用的多孔材料，但這種粉末制品的力學性能不如不規(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構，制造多孔材料的成形壓力和燒結溫度一般低于制造燒結致密材料。

多孔材料的孔徑、強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；為了制出預定性能的材料，通常要對粉末進行預處理，如退火、粒度分級、球化和球選以及加入各種添加劑(造孔劑、潤滑劑、增塑劑)等。成形工藝除一般的冷模壓-燒結工藝外,還可根據(jù)制品的形狀尺寸等,選用松裝燒結(簡單異形制品)、粉末軋制(厚度0.1～3mm的板、帶、管)、擠壓 (異形長制品)、等靜壓制（異形大制品）和粉漿澆注（復雜異形制品）等工藝（見粉末冶金燒結，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，并在加熱過程中經(jīng)發(fā)泡固化和燒結。這類泡沫金屬的孔隙度可高達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構的材料，或將粉末與金屬網(wǎng)或纖維一起成形，制成纖維增強材料。

在眾多的多孔材料中, 制備角度, 無序孔多孔材料的制備較易, 成本較低, 易于大量推廣和使用。例如泡沫金屬。常見的方法有五種:(1)粉末冶金法， 它又可分為松散燒結和反應燒結兩種;(2)滲流法;(3)噴射沉積法;(4)熔體發(fā)泡法;(5)共晶定向凝固法。圖 2 所示為滲流法, 將一定粒徑的可溶性鹽粒裝填在模具中壓實, 并隨模具一起放入爐內(nèi)加熱, 同時在電阻式坩堝爐內(nèi)配制所需的合金, 待合金熔化完畢, 出爐澆入模具中, 通過在金屬液表面施加一定的壓力使其滲透到粒子之間的縫隙之中;當金屬液凝固后便可得到金屬合金與粒子的復合體, 用水將復合體中的鹽粒溶去, 即可制得具有三維連通泡孔的泡沫合金。但是這種方法生產(chǎn)的材料性能不均勻, 質(zhì)量很難控制。

可控孔多孔材料的制備過程相對復雜, 且技術條件要求較高。從前面分析的特性來看, 可控孔多孔材料擁有許多無序孔多孔材料所不具備的特性, 隨著新技術的發(fā)展, 可控孔多孔材料的制備方法將越來越成熟, 這類方法必將成為今后多孔材料科學的發(fā)展趨勢。

無機多孔材料具有比表面積大(見表)、密度小、 熱導率小、相對密度小、孔隙率大等特點，主要用途是作催化劑（包括載體）、吸附劑（脫色）、保溫、絕熱、污水和廢氣處理、過濾液體和氣體（甚至細菌）、輕質(zhì)建筑材料，消除大氣中的二氧化氮和二氧化硫尾氣、宇宙飛船中消除二氧化碳及水,在農(nóng)業(yè)上可用來改良土壤,還可以用作水泥、橡膠、塑料和造紙工業(yè)中的填料和色譜中的固定相等。 　天然多孔材料中以硅藻土和沸石（見分子篩）最具代表性。

人工多孔材料名目繁多，既有單一組成的，又有多組分，用途也各不相同。它們都是經(jīng)過不同的處理而形成多孔的。各種材料的人工造孔方法也不同，例如：①活性炭是木材或煤經(jīng)干餾而成，主要成分是具不規(guī)則石墨結構的碳。②多孔氧化鋁（又稱活性氧化鋁）是由氫氧化鋁脫水而得。③有一類多孔材料則是在制造過程中加入一定量的發(fā)泡劑以形成孔，如泡沫混凝土和泡沫玻璃等(用于土木建筑工程或作保溫材料)。④有的多孔材料是靠制造加熱過程中體積膨脹而成孔，如蛭石經(jīng)受熱后體積可膨脹20～30倍，從而形成多孔。⑤化學處理也可成孔，如微孔玻璃是堿金屬硼硅酸鹽玻璃在一定條件下，用酸處理而獲得孔徑大小不同的玻璃。⑥多孔陶瓷的造孔方法是在配料中加入一定量的可燃盡物質(zhì)（如木炭粉或礱糠），在低溫下燒成時，使主體材料間造成孔隙；或者在高溫下形成一定量的液相，在主體材料粘結的同時收縮而造成孔隙。⑦一些工業(yè)廢渣，如粉煤灰中，有一部分空心玻璃珠（又稱漂珠）也是多孔材料。2100433B