1、多孔材料 引言多孔材料普遍存在于我們的周圍，在結構、緩沖、減振、隔熱、消音、過濾等方面發揮著重大的作用。高孔率固體剛性高而密度低，故天然多孔固體往往作為結構體來使用，如木材和骨骼；而人類對多孔材料使用，不但有結構的，而且還開發了許多功能用途。多孔材料：是一類包含大量孔隙的材料，這種多孔固體材料主要由形成材料本身基本構架的連續固相和形成孔隙的流體相所組成，介質為氣體和液體。對多孔材料的研究是由沸石開始的；沸石沸石是一種礦石，最早發現于1756年。瑞典的礦物學家克朗斯提（Cronstedt）發現有一類天然硅鋁酸鹽礦石在灼燒時會產生沸騰現象。分子篩具有均勻的微孔結構，這些孔穴能把比其直徑小的分子吸附

2、到孔腔的內部，并對極性分子和飽和分子具有優先吸附能力，因而能把極性程度不同，飽和程度不同，分子大小不同及沸點不同的分子分離開來。(0.3-2.0 nm)多孔材料的類型多孔材料的相對孔隙含量（即孔率，又稱孔隙率或孔隙度）是變化的。根據孔徑尺寸在2nm以下的稱為微孔，2nm-50nm為介孔，而在50nm以上的稱為大孔。也可根據材料分為多孔金屬、多孔陶瓷、多孔塑料等。另外根據孔率大小也可分為中低孔率材料和高孔率材料，前者多為封閉型，后者則會呈現三種類型：蜂窩材料、開孔泡沫材料、閉孔泡沫材料。多孔材料的基本參量表征多孔材料是由固相和通過固相形成的孔隙所組成的復合體，它區別于普通密實固體材料的最顯著特點

3、是具有有用的孔隙。多孔材料最基本的參量是直接表征其孔隙性狀的指標，如孔率 、孔徑、比表面積等。另外多孔材料的性能也在很大程度上依賴于孔隙形貌、孔隙尺寸及其分布。孔率多孔體中的孔隙有貫通孔、和閉合孔等類型，這些孔率的總和就是總孔率，即平時所說的“孔率”。大多數使用過程均是利用其貫通，只有作為漂浮、隔熱、包裝及其他結構等用途時才需要較高的閉孔率。按照孔率的定義，有：與孔率相當的概念是“相對密度”，它是多孔體表觀密度與對應致密材質密度的比值：孔徑與孔徑分布 多孔材料的孔徑指的是多孔體中孔隙的名義直徑，一般都只有平均或等效的意義。其表征方式有最大孔徑、平均孔徑、孔徑分布等，相應的測定方法有很多，如斷面

4、直接觀測法、氣泡法、透過法、壓汞法、氣體吸附法、離心法，懸浮液過濾法，X射線小角度散射法等。斷面直接觀測法首先通過顯微鏡或投影儀讀出斷面上規定長度內的空隙個數，由此計算平均弦長L。氣泡法氣泡法是利用對通孔材料具有良好浸潤性的液體浸漬多孔樣品，使之充滿開孔隙空間，然后以氣體將連通孔中的液體推出，依據所用氣體壓力來計算孔徑值。氣體吸附法在恒溫下，將作為吸附質的氣體分壓從0.01-1atm逐步升高，測出多孔試樣對其相應的吸附量，由吸附量對分壓作圖，可得到多孔體的吸附等溫線；反之，測定相應的脫附量，由脫附量對分壓作圖，則可得到對應的脫附等溫線 。試樣的孔隙體積由氣體吸附質在沸點溫度下的吸附量計算。根據

5、開爾文方程，孔隙半徑可表示為：對于孔徑在30nm以下的多孔材料，常用氣體吸附法來測定其孔徑分布；而對于孔徑在100m 以下的多孔體，則常用壓汞法來測定其孔徑分布。孔隙形貌孔隙形貌對多孔材料性能的影響遠大于孔隙尺寸。實際上，蜂窩體和泡沫體的孔隙構型一般并不是圓柱形或球體或其他規則形狀，而是一種不規則的多面體構型，故孔穴尺寸在不同方向上均會或多或少地存在著差異。多孔體的這種各向異性程度可用各向異性率來表征，其中蜂窩體孔穴的各向異性率為R=L1/L2；類似泡沫體孔穴的各向異性率為：R12=L1/L2,R13=L1/L3；（L=1.5/N）比表面積材料的比表面積是其單位體積或單位質量所具有的表面積，前

6、者為體積比表面積，后者為質量比表面積。在多孔材料的大部分應用中，如消聲降噪、過濾分離、反應催化、熱量交換以及人骨生物組織內生長等許多場合，都需要利用孔隙的內表面，其使用性能強烈地依賴于內表面積的大小，故此時多孔體的比表面積成為整個多孔部件的一項重要指標。測定比表面積的方法主要有氣體吸附法（BET法）、流體透過法和壓汞法等。流體透過法透過法是通過測量流體透過多孔體的阻力來測算比表面積的一種方法，其中用的較多的是氣體。在層流條件下，將多孔材料中的孔道視為毛細管通過理論推導及實驗可得出比表面積公式：多孔材料孔隙特性的壓汞法測定基本原理:根據毛細管現象，若液體對多孔材料不浸潤 ，則表面張力將阻止液體浸

7、入孔隙。但對孔材料不浸潤（即浸潤角液體施加一定壓力后，外力即可克服這種阻力而驅使液體浸入孔隙中。因此，液體充滿一給定孔隙所需壓力值即可度量該孔徑的大小 。 上述公式表明，使汞浸入孔隙所需壓力取決于汞的表面張力、浸潤角和孔徑。汞對多數材料不浸潤,這是本法的基本要求。接觸角測量普遍認可的接觸角定義是：過三相接觸點,向l-g界面做切線,l-g界面切線與s-l界面之間的夾角,即為接觸角。對接觸角的測量有很多方法，比如量角法、透過法、Wilhemly板、斜板法等。多孔性能的相關表征1.X-ray computed tomography2.Eddy-current sensoring3.Acoustic

8、measurements4.X-ray and neutron small angle scattering5.Vibrational analysis多孔金屬材料相對于致密金屬材料，多孔金屬具有許多優良特性，如密度小、比表面積大、能量吸收性好、熱導率低、換熱散熱能力高、吸聲性和好、隔音性佳、透過性優、電磁波吸收性好、阻火、抗熱震等。常用多孔金屬材料的材質有青銅、鎳、鈦、鋁、不銹鋼，以及其他金屬和合金。在所有多孔金屬中受到特別重視的是泡沫鋁。在許多應用中，都需要液體或氣體等介質能夠通過多孔材料。尤其是在高速流體流過的情況下，更應有一個極高的開孔率。而承受載荷的結構材料則大多要求是閉孔材料。多孔

9、金屬材料的綜合應用多孔鈦是一種新型的過濾凈化材料，特點是耐腐蝕性強，具有很好的物理機械性能，可以滿足過濾工程對力學性能的需要，使用壽命長，應用領域十分廣闊，可適應多種再生方法使得它在過濾方面的應用更有價值。多孔鈦板壓濾機示意圖1壓縮空氣入口2進料口3過濾機上蓋4過濾機殼體5出料（卸渣）口6多孔鈦板7多孔不銹鋼板8濾液出口熱交換相對于陶瓷材料和有機材料，金屬材料具有良好的導熱性，所以，具有比表面積的多孔金屬是熱交換和加熱、散熱的有效材料。熱管是多孔介質熱交換器的一個重要類型，是一種內表面覆蓋多孔芯材結構的密封排液容器。典型熱管中的熱流和工作液流聲音吸收和消音降噪多孔金屬的開口孔隙和半開口孔隙使其

10、具備了吸收聲音的能力，聲音吸收意味著入射聲波在材料中既不被反射也不被穿透，其能力被材料所吸收。濾音器是將聲音減小或控制全部聲音衰減的一種元件。聲阻值與多孔體孔率、孔隙形狀等結構因素有關，并隨元件厚度增加而增大，隨元件面積增大而減小，多孔金屬元件在電話機的送話器和受話器中作為聲學阻抗，以提供必要的聲阻。電話機送話器中多孔體聲阻元件阻火由于多孔金屬具有不燃燒性，所以可用作防火材料。阻火器原理是根據火焰通過多孔體的毛細管時產生熱交換，使燃燒的熱量經多孔體的孔壁及相鄰結構而散失，從而阻值火焰燃燒。多孔體的臨界熄火孔徑取決于燃氣混合物的性質與組成，它與燃氣各性能之間的關系用Pekle（65）準數Pe臨界

11、表示：多孔材料的結構用途汽車工業：交通運輸工具質量的減輕，將大大節省動力能源，這就意味著可以大大減少汽油的消耗量。而礦物石油消耗量的減少又可大大降低有害氣體的排放，減少環境污染。因此，質量的減輕是汽車工業發展的新趨勢。另外，泡沫金屬的吸能性能可以使汽車火車在碰撞中的變形得到控制（減振器、車座的保護裝置），開孔泡沫金屬能很好的解決使消音器材既隔音又耐熱這一突出問題。總的來說，目前汽車工業中用量最大的多孔金屬材料還是泡沫鋁： （1）輕質結構（2）沖擊能吸收（3）噪聲控制等其他優點。在航天、建筑業、鐵道業、造船業等領域的應用也都是利用多孔金屬的以上種種優點；除了上述工程應用外，多孔金屬材料還有另外一

12、些用途，如以金、銀為基體的泡沫金屬具有美麗的外觀，可考慮作為潛在的新型輕質珠寶飾物；泡沫鋁用來制造奇特的家具、時鐘和燈具等。多孔金屬的制備從20世紀初人類開始用粉末冶金方法制備多孔金屬材料算起，多孔金屬的制造史已近百年。所得產品的孔率從原來的百分之十幾、二十幾到現在的可達98%以上的高孔率。目前，已有很多制備多孔金屬的工藝方法，其中有的類似于液態發泡技術，有的是利用金屬特性（如燒結活性或電沉積等）的特殊制備方法。1、固態金屬燒結法：金屬粉末、金屬纖維燒結法、氣體捕捉法、占位填料法、氧化物還原燒結法等；2、液態金屬凝固法：熔體發泡法、氣體注入法、固氣共晶凝固法、粉體溶化發泡法等；3、金屬沉積法：

13、濺射夾氣沉積法、氣相沉積法、電沉積法等；4、其他方法：腐蝕造孔法等。固態金屬燒結法空氣氮氣兩用霧化設備：1排風系統2一高頻爐操作臺3一過濾器4一壓縮空氣貯存塔5一坩堝6一熔融金屬流7氣壓計8一閥門9一漏包10一漏包座11一噴嘴12一噴嘴座13淋水管14閥門15霧化室16氮氣匯流排17一排水管18一放水閥19取粉閥20一運粉車對金屬粉末的制備除了霧化法，還有機械球磨法、還原法、氣相沉積、液相沉積等方法。 其中氣相沉積可通過金屬蒸汽冷凝、羰基物熱分解、氣相還原三種途徑實現，而液相沉積法包括金屬置換、溶液氣體還原、溶鹽金屬熱還原等方式。多孔體的成形粉末多孔體的成形方法可概括為三類：加壓成形(模壓、擠

14、壓和軋制等)；無壓成形；還有某些特殊的成形方法，如噴涂、真空沉積和其他成形的新工藝等。其中加壓成形包括模壓成形、等靜壓、粉末壓制、增塑擠壓等方式，而無壓成形有粉漿澆注和松裝燒結法。泡沫鋁的制備泡沫鋁的光學顯微圖像由泡沫鋁充入中空鋼模制得的部件氣體捕捉法氣體捕捉法的工藝過程模板填隙法 近年來發展了一種利用膠質晶體作為模板制備納米結構多空金屬的方法，其中膠質晶態模板是亞微米膠質金態球體的三維密堆積，固態基體復現了長程有序結構，生長出有序空隙材料。納米金屬晶體前體的顯微圖像（a）典型的硅膠晶態模板SEM圖像（b）熱處理后具有金納米晶附著的硅膠體TEM圖像多孔金的制備過程氣體注入法氣體注入法制備泡沫金

15、屬的工藝過程固-氣共凝法所制得的孔隙結構GASAR法制造設備示意圖固-氣共凝法粉體溶化發泡法鉛/TiH2致密體在750度下發泡的膨脹行為熔體凝固法工作原理是通過熔融金屬經粘度調節后摻入釋放氣泡劑，在熱的作用下發泡劑發生分解，原位釋放氣體，氣體受熱膨脹從而推動起泡過程，引起熔體直接發泡，經過冷卻形成泡沫金屬。熔體發泡法制備泡沫金屬金屬沉積法濺射夾氣沉積：在一定的惰性氣體分壓下，采用陰極濺射的方法在基體材料上沉積出夾雜惰性氣體原子的金屬，加熱至金屬熔點以上充分保溫，使夾雜的氣體膨脹而形成孔隙，冷卻后即得到閉孔結構的多孔金屬材料。噴霧夾帶沉積法將金屬熔體連續霧化，產生快速飛濺的細小金屬霧珠，沉積收集

16、于基體上，如果注入粉末物質在與熔融金屬接觸時可分解并釋放大量氣體，則會在沉積物中產生孔隙，從而制備出多孔金屬材料。電沉積電沉積技術以金屬的離子態，亦即電解質中的離子溶液為起點，將金屬電鍍于開孔的聚合物泡沫基體上，然后去除聚合物而得到泡沫金屬。電沉積法制備泡沫金屬的工藝流程熔模鑄造法氣相沉積真空蒸鍍：用電子束、電弧、電弧等方式進行加熱，在真空環境下蒸發欲蒸鍍的物質而產生蒸汽，并使其沉積在冷態多孔基材上，凝固的金屬覆蓋于聚合物泡沫基材的表面，形成一定厚度的金屬膜層，其厚度依賴于蒸汽密度和沉積時間。反應沉積氣氛蒸發沉積多孔陶瓷材料的應用多孔陶瓷是一種新型的陶瓷材料，其制用造始于20世紀50年代末，而

17、較顯著的發展和工業應用則始于20世紀70年代，初期僅作為細菌過濾材料使用。多孔陶瓷材料具有透過性好、密度低、硬度高、比表面積大、熱導率小，以及耐高溫、耐腐蝕等優良特性，因此廣泛的應用于冶金、化工、環保、能源、生物、食品、醫藥等領域，作為過濾、分離、擴散、布氣、隔熱、吸聲、化工填料、化學傳感器、催化劑等元件材料。與空穴形態對應的多孔陶瓷應用熔融金屬過濾過濾器材質的選取；（多孔陶瓷在流體過濾用途中存在著明顯的優勢，即其更耐高溫、更耐苛刻的化學環境和更耐磨損）目前，日、美、英、德等國大多采用氧化鋁、二氧化鋯以及莫來石制成的泡沫陶瓷過濾器。熔融金屬過濾裝置示意圖1過濾器2墊片3慮框4隔板5慮箱6隔熱材

18、料7外殼8蓋9發熱體10排氣孔生物材料近年來，一系列生物實驗已證明骨可在過孔羥基磷灰石植入材料中生長：孔徑為1540m時可長入顯微組織，孔徑為40100m時可長入非礦物類骨組織，大于100m是可長入血管組織，而要保持組織的健康生存能力，孔徑應大于100150m.大孔徑不僅能增加可實現的接觸面積以及抗移動能力，還可將血液提供給長入生物植入材料的連接組織。除了以上講的幾種用途外，多孔陶瓷還可用來作為隔熱材料、阻火器、傳感器、布氣、吸聲、阻尼材料等很多方面。多孔陶瓷的制備制備多孔陶瓷的方法多種多樣也，工藝較成熟、用的較多的主要制備技術包括：粉末燒結法、漿料發泡法、有機泡沫浸漿法、溶膠凝膠法等。目前應用最廣泛的多孔陶瓷制備工藝是有機泡沫浸漿復制技術，其生產的網狀陶瓷是一種有陶瓷網絡包圍連通空隙組成的多孔材料。 有機泡沫 的選擇 預處理浸漬處理除去多余漿料干燥陶瓷粉料溶劑添加劑漿料制備排出有機泡沫燒成泡沫塑料的應用由于泡沫塑料具有質輕、質量比強度高、隔音、隔熱和吸收沖擊能等優點，故廣泛應用于工業、農業、交通運輸、軍事、建筑及日常用品等部門，作為包裝材料