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多孔材料

补充:0  浏览:3222  发布时间:2012-10-30
    固相与大量孔隙共同构成的多相材料。
    多孔材料,多孔材料是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料,孔洞的边界或表面由支柱或平板构成。典型的孔结构有: 一种是由大量多边形孔在平面上聚集形成的二维结构;由于其形状类似于蜂房的六边形结构而被称为“蜂窝”材料; 更为普遍的是由大量多面体形状的孔洞在空间聚集形成的三维结构, 通常称之为“泡沫”材料。如果构成孔洞的固体只存在于孔洞的边界(即孔洞之间是相通的),则称为开孔;如果孔洞表面也是实心的,即每个孔洞与周围孔洞完全隔开, 则称为闭孔; 而有些孔洞则是半开孔半闭孔的。
    含一定数量孔洞的固体叫多孔材料,是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料,孔洞的边界或表面由支柱或平板构成。典型的孔结构有一种是由大量多边形孔在平面上聚集形成的二维结构,由于其形状类似于蜂房的六边形结构而被称为“蜂窝”材料更为普遍的是由大量多面体形状的孔洞在空间聚集形成的三维结构,通常称之为“泡沫”材料。有的文献把孔隙率从份的叫多孔材料,大于的叫泡沫材料。而从大量的国内外文献来看,称为泡沫材料的孔隙率并未大于,如熟知的泡沫铝,其孔隙率往往低于,有的文献把孔隙率从一的叫泡沫材料,还有的文献则认为,由于该材料最初采用发泡法制备,曾称之为发泡材料,以后发展了渗流等制备法,称之为通气性材料,更合适的名称应为多孔 泡沫材料,简称多孔材料或泡沫材料。总之,目前没有一个统一、严格、公认的定义。多数学者将多孔材料和泡沫材料视为等同概念。 多孔材料在自然界中普遍存在如木材、软木、海绵和珊瑚等(“cellulose”这个词就来源于意为“充满小孔的”拉丁小词“cellula”)。
    千百年来,这些天然的多孔材料被人们广泛利用。在多年前的古埃及金字塔中就已经使用了木制建材在罗马时代软木就被用作酒瓶的瓶塞。近代人们开始自己制造多孔材料,其中最简单的是由大量相似的棱形孔洞组成的蜂窝状材料,可用作轻质构件。更常见的是高分子泡沫材料,其用途广泛,可用于小到随处可见的咖啡杯,大到飞机坐舱的减震垫。现代技术的发展使得金属、陶瓷、玻璃等材料也能像聚合物那样发泡。这些新型泡沫材料正逐渐地被用作绝缘、缓冲、吸收冲击能量的材料,从而发挥了其由多孔结构决定的独特的综合性能。
    分类
    上面按孔径尺寸分类的方法源国际纯化学及应用化学组织,为推动多孔材料的研究,推荐了上述专门术语。按照孔径大小的不同,多孔材料又可以分为微孔(孔径小于2 nm )材料、介孔(孔径 2-50 nm )材料和大孔(孔径大于50 nm )材料。
    一般特性
    相对连续介质材料而言, 多孔材料一般具有相对密度低、比强度高、比表面积高、重量轻、隔音、隔热、渗透性好等优点。具体来说, 多孔材料一般有如下六种特性:
    机械性能的改变
    应用多孔材料能提高强度和刚度等机械性能, 同时降低密度, 这样应用在航天、航空业就有一定的优势, 据测算, 如果将现在的飞机改用多孔材料, 在同等性能条件下, 飞机重量减小到原来的一半。应用多孔材料另一机械性能的改变是冲击韧性的提高, 应用于汽车工业能有效降低交通事故对乘客的创造伤害。
    对机械波及机械振动的传播性能的改变
    波传播至两种介质的界面上时, 会发生反射和折射。由于多孔的存在, 增多了反射和折射的可能, 同时衍射的可能也增多了。所以多孔材料能起到阻波的作用。利用这种性质, 多孔材料可以用作隔音材料、减振材料和抗爆炸冲击的材料。
    对光电性能改变
    选择渗透性
    由于目前人们已经能制造出规则孔型而且排列规律的多孔材料,并且, 孔的尺寸和方向已经可以控制。利用这种性能可以制成分子筛, 比如高效气体分离膜、可重复使用的特殊过滤装置等。
    选择吸附性
    由于每种气体或液体分子的直径不同, 其运动的自由程不同, 所以不同孔径的多孔材料对不同气体或液体的吸附能力就不同。可以利用这种性质制作出用于空气或水净化的高效气体或液体分离膜, 这种分离膜甚至还可重复使用。
    化学性能的改变
    多孔材料由于密度的变小, 一般材料的活性都将增加。基于具有分子识别功能的多孔材料而产生的人造酶, 能大大提高催化反应速度。多孔材料具有独特的光学性能, 微孔的多孔硅材料在激光的照射下可以发出可见光, 将成为制造新型光电子元件的理想材料。多孔材料的特殊光电性能还可以制出燃料电池的多孔电极, 这种电池被认为是下一代汽车最有前途的能源装置。
    材料的构成和性能
    烧结多孔材料虽然力学性能和耐腐蚀性能等因存在孔隙而不如致密金属,但有些性能如热交换能力、电化学活性、催化作用等却因比表面增大而比致密金属好得多。多孔材料还具有一系列致密金属所没有的功能,如孔隙能透过气、液介质,能吸收能量,或起缓冲作用。烧结多孔材料因用途不同而各具特殊性能,如对过滤材料要求过滤精度、透过性和再生性;对某些多孔材料要求热交换效率、电化学活性、声阻性、电子发射能力等。
    表征多孔结构的主要参数是:孔隙度、平均孔径、最大孔径、孔径分布、孔形和比表面。除材质外,材料的多孔结构参数对材料的力学性能和各种使用性能有决定性的影响。由于孔隙是由粉末颗粒堆积、压紧、烧结形成的;因此,原料粉末的物理和化学性能,尤其是粉末颗粒的大小、分布和形状,是决定多孔结构乃至最终使用性能的主要因素。多孔结构参数和某些使用性能(如透过性等)都有多种测定原理和方法。孔径常用气泡法、气体透过法、吸附法和汞压法等来测定,比表面常用低温氮吸附法和流体透过法来测定。选择测定方法时应尽量选用与使用条件相近的方法。流体透过多孔体的运动在层流条件下服从达西公式,即流速与压力梯度成正比,与流体粘度成反比,其比例常数即透过系数为反映材料透过能力的特征参数。当贯通孔隙度、孔径增大时,或多孔体厚度、流体粘度减小时,烧结多孔材料的透过能力随之增大。烧结多孔材料的力学性能不仅随孔隙度、孔径的增大而下降,还对孔形非常敏感,即与“缺口”效应有关。孔隙度不变时,孔径小的材料透过性小,但因颗粒间接触点多,故强度大。过滤精度即阻截能力是指透过多孔体的流体中的最大粒子尺寸,一般与最大孔径值有关。孔径分布是多孔结构均匀性的判据。对于过滤材料要求在有足够强度的前提下,尽可能增大透过性与过滤精度的比值。根据这些原理,发展出用分级的球形粉末为原料,制成均匀的多孔结构,用粉末轧制法制造多孔的薄带和焊接薄壁管,发展出粗孔层与细孔层复合的双层多孔材料。
    多孔材料可由多种金属和合金以及难熔金属的碳化物、氮化物、硼化物和硅化物等制成,但常用的是青铜、不锈钢、镍及钛等。多孔材料的孔隙度一般在15%以上,最高可达90%以上,孔径从几百埃到毫米级。多孔材料的孔隙度一般粗分为低孔隙度(<30%)、中孔隙度(30~60%)、高孔隙度(>60%)三类,孔径分为粗孔(>50μm)、中等孔(2~50μm)和微孔(<2μm)三种。低孔隙度的多孔材料主要是含油轴承,高孔隙度的还包括金属纤维多孔材料和泡沫金属,主要用于电池极板、绝热、消音、防震等。大量使用的过滤材料和发汗冷却材料(见金属发汗材料)多为中等孔隙度。过滤用的多孔材料可按过滤精度和流量分成等级系列。
    制造工艺
    制造多孔材料的粉末原料,可根据用途和性能要求,选用球形和不规则形状的粉末或金属纤维。用球形粉末易于获得流体阻力小、结构均匀、再生性好的过滤和流态控制用的多孔材料,但这种粉末制品的力学性能不如不规则形状粉末的制品。不规则形状粉末或纤维用于制造孔隙度高的材料。为了获得由粉末颗粒叠排造成的多孔结构,制造多孔材料的成形压力和烧结温度一般低于制造烧结致密材料。
    多孔材料的孔径、强度等性能在很大程度上取决于所选用粉末的平均粒度、粒度分布、颗粒形状等;为了制出预定性能的材料,通常要对粉末进行预处理,如退火、粒度分级、球化和球选以及加入各种添加剂(造孔剂、润滑剂、增塑剂)等。成形工艺除一般的冷模压-烧结工艺外,还可根据制品的形状尺寸等,选用松装烧结(简单异形制品)、粉末轧制(厚度0.1~3mm的板、带、管)、挤压 (异形长制品)、等静压制(异形大制品)和粉浆浇注(复杂异形制品)等工艺(见粉末冶金烧结,粉末冶金成形)。如以金属纤维作原料,常用在液体中沉积的方法制备均匀分布的纤维毡,然后再压制、烧结成金属纤维多孔材料。用粉末制造泡沫金属,要将发泡剂和固化剂同粉末均匀混合成形,并在加热过程中经发泡固化和烧结。这类泡沫金属的孔隙度可高达90%以上。为改善综合性能,还可用不同粒度的粉末制作不同孔径的双层或多层结构的材料,或将粉末与金属网或纤维一起成形,制成纤维增强材料。
    应用前景展望
    在众多的多孔材料中, 制备角度, 无序孔多孔材料的制备较易, 成本较低, 易于大量推广和使用。例如泡沫金属。目前常见的方法有五种:(1)粉末冶金法, 它又可分为松散烧结和反应烧结两种;(2)渗流法;(3)喷射沉积法;(4)熔体发泡法;(5)共晶定向凝固法。图 2 所示为渗流法, 将一定粒径的可溶性盐粒装填在模具中压实, 并随模具一起放入炉内加热, 同时在电阻式坩埚炉内配制所需的合金, 待合金熔化完毕, 出炉浇入模具中, 通过在金属液表面施加一定的压力使其渗透到粒子之间的缝隙之中;当金属液凝固后便可得到金属合金与粒子的复合体, 用水将复合体中的盐粒溶去, 即可制得具有三维连通泡孔的泡沫合金。但是这种方法生产的材料性能不均匀, 质量很难控制。
    可控孔多孔材料的制备过程相对复杂, 且技术条件要求较高。从前面分析的特性来看, 可控孔多孔材料拥有许多无序孔多孔材料所不具备的特性, 随着新技术的发展, 可控孔多孔材料的制备方法将越来越成熟, 这类方法必将成为今后多孔材料科学的发展趋势。

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