多孔材料引论(第2版)

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:

多孔材料机械性能

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。

多孔材料传播性能

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。

多孔材料光电性能

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。

多孔材料渗透性

由于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。

多孔材料吸附性

由于每种气体或液体分子的直径不同, 其运动的自由程度不同, 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。

多孔材料化学性能

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。

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。

含一定数量孔洞的固体叫多孔材料，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。有的文献把孔隙率充分的叫多孔材料，大于多孔材料孔隙率的叫泡沫材料。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多孔材料的孔隙率，如熟知的泡沫铝，其孔隙率往往低于多孔材料的孔隙率，有的文献把孔隙率较低的叫泡沫材料，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，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。