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1.多孔材料的構(gòu)成和類別 

 

多孔材料的構(gòu)成較為特殊，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為相互連通或者閉塞的孔洞，并且排列成網(wǎng)格狀，孔洞的界面則由柱狀物或板狀物構(gòu)成。這些柱狀物或板狀物通常被稱為固定相，起到支撐整個(gè)材料的作用，材料的力學(xué)性能主要取決于固定相的性能，孔洞中填充的物質(zhì)稱之為流動(dòng)相，根據(jù)填充物物理狀態(tài)的不同，又可以細(xì)分為氣相和液相，氣相的較為常見，整個(gè)多孔材料就是由固定相和流動(dòng)相構(gòu)成。常見的孔結(jié)構(gòu)包括:一部分是二維結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)是由非常多的多邊形孔在平面上匯聚而成的; 因?yàn)槠湫螤罡浞康牧呅谓Y(jié)構(gòu)非常相近而被稱為“蜂窩” 材料；另一部分是三維結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)是由非常多的多面體孔在空間內(nèi)匯聚而成的，通常稱之為“泡沫”材料，這類材料相對(duì)來說是更多的。多孔材料是功能材料的一種，根據(jù)其要求，多孔材料應(yīng)滿足以下兩個(gè)要求:

 

一是在結(jié)構(gòu)中需具有大量的孔隙; 

 

二是具有一定的實(shí)用性，其被設(shè)計(jì)出來的多孔結(jié)構(gòu)可滿足 使用者的期望或可達(dá)到所要求的性能指標(biāo)，對(duì)材料的性能起到優(yōu)化的作用。

 

多孔材料在自然界中很常見，而且具有一些優(yōu)良的力學(xué)性能，被人們廣泛利用。最為常見的就是木材，木材中間有很多細(xì)小的空洞，在多年前的古埃及金字塔中就已經(jīng)使用了這些基本的多孔材料，古羅馬時(shí)代還被用于酒瓶的瓶塞。而人類的骨骼，也可以稱得上是多孔材料，具有低密度和高的機(jī)械強(qiáng)度的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的多孔材料，孔隙直徑相對(duì)而言很大，達(dá)到了毫米級(jí)別，而現(xiàn)代制備的多孔材料，不僅包含了大孔徑的，還有孔徑達(dá)到了幾十納米的，獲得了在性能上與傳統(tǒng)材料有差別的新型多孔材料。在目前常用的多孔材料中，形狀跟蜂房的六邊形結(jié)構(gòu)非常相近的“蜂窩”材料是相對(duì)來說較為簡(jiǎn)單的，常用于一些輕質(zhì)構(gòu)件。

 

此外，像一些由高分子做成的泡沫材料，可起到緩沖和減少器件碰撞的作用，也是目前來說應(yīng)用非常廣泛的。根據(jù)多孔材料孔徑大小的不同，可以將多孔材料分為微孔 材料( microporous materials，孔徑＜2 nm)、介孔材料( mesoporous materials，2nm＜孔徑＜50nm) 以及大孔材料( macroporous materials，孔徑＞50 nm)；根據(jù)其化學(xué)組成的不同，可將多孔材 料分為無機(jī)多孔材料和有機(jī)多孔材料，常見的無機(jī)多孔材料有金屬多孔材料以及非金屬多孔材料；常見的有機(jī)多孔材料有生物材料以及非生物有機(jī)多孔材料。

 

2.多孔材料的性能

 

相較于致密材料，多孔材料在力學(xué)性能及耐腐蝕性能方面 相對(duì)較差一些，但因其孔隙多，比表面大等原因，在熱交換性能、催化性能、電化學(xué)活性等方面具有更大的優(yōu)勢(shì)。除此之外，多孔材料的緩沖性能、能量吸收性能、透氣性、透液性等，都是致密材料所不具備的。根據(jù)多孔材料的用途不同，對(duì)其性能的要求也不同。比如過濾材料，要求該多孔材料應(yīng)具有高的過濾精度、好的透過性及再生性;用于熱交換的材料應(yīng)具有高的熱交換效率;用于吸收聲音的材料應(yīng)具有好的聲阻性;此外還有電化學(xué)活性、電子發(fā)射能力等等?？傮w來說，多孔材料具有較多優(yōu)異性能，可總結(jié)如下: 

 

2.1 化學(xué)性能

 

由于隙的存在，其密度會(huì)有不同程度的降低，因此多孔材料的穩(wěn)定性較其他材料會(huì)有所下降。另一方面，利用多孔材料的分子識(shí)別功能，可生產(chǎn)一些人造酶，這使得催化反應(yīng)速度得到了很大提高。

 

 2.2 傳播性能

 

反射和折射的發(fā)生，是因?yàn)椴▊鞑サ絻煞N介質(zhì)的界面上。多孔材料因其特殊的孔隙結(jié)構(gòu)，會(huì)使得反射、折射以及衍射都有不同程度的增加，因此其在阻波方面的優(yōu)勢(shì)會(huì)特別突出，利用該方面的特質(zhì)，多孔材料可用于制作隔音材料。除此之外，在減振以及抗爆炸沖擊等方面的應(yīng)用也是非常廣泛的。 

 

2.3 選擇滲透性

 

隨著技術(shù)的進(jìn)步，目前人們已經(jīng)可以控制多孔材料的孔洞尺寸以及分布方向，并能制造出孔型規(guī)則且排列規(guī)律的多孔材料。通過該技術(shù)制成的分子篩，能進(jìn)行高效的氣體分離;還有一些由此制成的特殊過濾裝置，可以多次重復(fù)使用。 

 

2.4 光電性能

 

目前多孔硅材料已經(jīng)成為新型光電子元件的寵兒。當(dāng)用激光照射多孔硅材料時(shí)，這些具有微孔的多孔材料會(huì)發(fā)射出可見光，利用該特殊的光學(xué)性能和電學(xué)性能，多孔硅材料可被用于制作燃料電池的多孔電極，而燃料電池因其優(yōu)異性能，也被認(rèn)為是未來汽車最具期待性的能源裝置。 

 

2.5 選擇吸附性 

 

選擇吸附性是指不同孔徑的多孔材料對(duì)不同氣體或液體的吸附能力是不同的，造成該現(xiàn)象的根本原因是每種氣體或液體分子的直徑不同，導(dǎo)致被吸附的情況不同。利用該特性，可制作高溫?zé)煔馓幚砥?、空氣凈化器、水凈化器、氣液分離器等。

 

綜上所述，多孔材料存在的這些優(yōu)異性能，符合當(dāng)今社會(huì)對(duì)工業(yè)發(fā)展高效益、低能耗、少排放和環(huán)保的目的要求，可以在人體骨骼、隔音、耐火防火、催化劑載體、過濾以及分離等方面發(fā)揮重要作用。隨著多孔材料在諸多領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，制備具有高強(qiáng)度、耐高溫、高透氣性及良好的冷熱沖擊的多孔材料，成為目前研究需要突破的重難點(diǎn)。同時(shí)，相當(dāng)一部分學(xué)者已經(jīng)在開發(fā)研究新的多孔材料體系，相信在不久將來將會(huì)得到令人驚喜的結(jié)果。 

 

3.多孔材料的制備和表征 

 

3.1 多孔材料的制備 

 

根據(jù)孔洞的有序性，可將多孔材料分為有序多孔材料和無序多孔材料。其中無序多孔材料相對(duì)來說制備比較簡(jiǎn)單，且成本不高，適合進(jìn)行大量推廣和應(yīng)用，泡沫金屬就是實(shí)例。根據(jù) 使用和制造多孔材料性能的不同要求，在選擇合適的原材料方面，一些球形或不規(guī)則形狀的粉末以及金屬纖維可列入選取范圍。制備多孔材料的方法多種多樣，其中溶膠凝膠法、有機(jī)泡 沫浸漬法、發(fā)泡法是比較成熟和常用的方法。溶膠凝膠法是將一些具有高化學(xué)活性組分的化合物通過溶液、溶膠、凝膠，繼而固化，再經(jīng)熱處理將其制成氧化物固體或別的化合物固體的技術(shù)，可通過改變?nèi)苣z的pH值，來控制孔洞的大小及孔隙率的高低，這是其他方法很難做到的。Cho Ｒong Kim就是用溶膠凝膠法制備了納米尺寸的多孔氧化鈦聚合物材料。有機(jī)泡沫浸漬法具有工藝簡(jiǎn)單，易于工業(yè)化等優(yōu)點(diǎn)，成品可具有高孔隙率。發(fā)泡法是通過成型過程中材料的揮發(fā)分或分散在材料中 的揮發(fā)分使材料產(chǎn)生泡孔的方法，適合制取閉氣孔制品。除此之外，還有一些新的制備方法開始得到應(yīng)用，如離子交換法、 PCVI( Pressure－pulse Chemical Vapor Infiltration) 等。 

 

3.2 多孔材料的表征 

 

關(guān)于多孔材料的研究一般都伴隨著其多孔結(jié)構(gòu)的表征，多孔材料包括多孔形貌、孔徑大小和分布、孔隙特征等結(jié)構(gòu)特性。根據(jù)其檢測(cè)多孔材料表征的不同可分為壓汞法，氣泡法，離心 法，核磁共振光譜，小角X射線衍射法，氣體吸附法和電子顯微鏡觀察。

 

4.多孔材料的應(yīng)用 

 

4.1 過濾與分離

 

目前，制作過濾器的主要材料就是多孔材料。多孔材料具有優(yōu)異的滲透性，在滲透過程中，多孔材料中的孔道可對(duì)流體 介質(zhì)中的固體粒子起到阻礙和收集的作用，由此把液體和固體進(jìn)行分離，起到凈化和過濾的作用，比如使用該類型的多孔材料過濾器，可過濾汽油、石油中的固體顆粒。目前用于制作過濾器材料的主要是多孔金屬材料，常見的有多孔青銅和多孔不銹鋼，進(jìn)行油水分離或從冷凍劑中分離水的分離媒介，用的就是多孔金屬材料。多孔金屬材料在生物領(lǐng)域的應(yīng)用也很多，金屬泡沫常用作腎器官中滲透膜的支撐體，也可用于人體體液的脫鹽和脫氫處理。除此之外，由青銅、不銹鋼、鎳等多種多孔金屬材料制作而成的空氣凈化器，能夠抑制厭氧菌的生長(zhǎng)，被人們看作是未來活性炭和脫脂棉的替代材料。 

 

4.2 能量吸收

 

多孔材料的重要特性之一，就是能夠吸收大量能量，利用該特性，人們制作了緩沖器和吸振器等能量吸收裝置，其在汽車的沖撞擋板、航天飛機(jī)的起落架、生產(chǎn)生活中的升降機(jī)和傳送器安全墊、機(jī)床吸能防護(hù)罩內(nèi)襯等方面都有廣泛應(yīng)用。除此之外，利用多孔材料在能量吸收方面的特性，還可將其制作成消音材料，其中泡沫金屬就是應(yīng)用之一。由多孔金屬制作而成的消音材料，具有非常好的吸聲性能，其效果甚至可以與聚合物泡沫相媲美，此外，在耐火性、透氣性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及吸音效率等方面的表現(xiàn)也非常優(yōu)異，因此多孔金屬吸聲材料憑其優(yōu)異性能及美觀的外表裝飾應(yīng)用越來越廣泛。比如長(zhǎng)距離高壓管道的噪音消除、蒸汽發(fā)電站和氣動(dòng)工具的消聲器等等，都是使用的泡沫金屬。 

 

4.3 電極材料 

 

電極材料也是多孔材料的重要用途之一。其中多孔鎳常被用作蓄電池、空氣電池以及燃料電池的電極，同時(shí)要求其孔隙率越高越好。此外，泡沫鉛常被用作鉛酸電池的活性物質(zhì)支 撐體，其泡沫結(jié)構(gòu)將大大降低整體重量。 

 

4.4 熱交換 

 

用于熱交換和加熱的材料，必須要有足夠大的比表面積，多孔材料剛好可以滿足這一要求。尤其是具有通體孔的多孔材料，因其超高加熱效率以及優(yōu)異的使用性能，是制作熱交換 器、加熱器以及散熱器的理想材料。在一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)中，多孔材料可與管狀或平面狀材料配合使用，能克服在三維復(fù)雜流動(dòng)和強(qiáng)對(duì)流條件下，對(duì)邊界層的有害影響。此外，閉孔的多孔材料可用于制作絕熱材料，相對(duì)于傳統(tǒng)絕熱材料來說，其強(qiáng)度和耐溫性都更優(yōu)異一些。 

 

4.5 結(jié)構(gòu)材料 

 

在輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料中，多孔金屬因其優(yōu)異的強(qiáng)度、延展性以及工藝性能，一直具有廣泛的應(yīng)用;為增強(qiáng)多孔金屬材料的實(shí)用性，通常將其與致密基體相結(jié)合，以此來提高性能。多孔材料用作結(jié)構(gòu)材料的實(shí)例很多。在航空及國(guó)防軍事工業(yè)中，多孔網(wǎng)狀金屬材料常被焊接、電鍍或者粘貼在結(jié)構(gòu)體上，將其制作成夾層構(gòu)件，用作輕質(zhì)并能傳熱的支撐材料。常見的應(yīng)用有機(jī)翼金屬外殼的支撐體;用于防止外殼因高溫而倒坍的導(dǎo)彈鼻錐支撐體;雷達(dá)鏡的反射材料等。在建筑行業(yè)，一些欄桿、建筑元件或其支撐體需滿足質(zhì)輕、硬且耐火等特點(diǎn)，而多孔金屬材料可滿足其要求。在電梯行業(yè)，因電梯需要高頻高 速的不斷加速和減速，為降低能耗，人們希望能使用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，但傳統(tǒng)的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料又不滿足安全性的要求，因此，同時(shí)具備吸能及強(qiáng)度的多孔金屬材料在這類情景中的應(yīng)用越來越廣泛。 

 

4.6 生物材料

 

多孔材料作為生物材料被用于醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)已經(jīng)非常常見了，比如鈦可制作成用于矯形術(shù)的髖關(guān)節(jié)，也可制作成種植在牙根用于牙齒修復(fù)的多孔鈦牙齒;除此之外，鎢鉻鎳合金也是常見的多孔生物材料，常用于制作多孔復(fù)合心瓣體。這些材料之所以能用作生物材料，究其原因是由于其對(duì)人體無害且有較好的生物相容性。

 

4.7 多孔材料的展望 

 

多孔材料在實(shí)際應(yīng)用中面臨著較多的問題。首先，多孔材料的孔結(jié)構(gòu)會(huì)使其機(jī)械強(qiáng)度有所降低，實(shí)際應(yīng)用中非常易產(chǎn)生斷裂，使用壽命降低，從而在工業(yè)生產(chǎn)中存在很大的安全隱患以及經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān);其次，傳統(tǒng)制備工藝的很大問題在于實(shí)現(xiàn)多孔材料特別是微孔級(jí)多孔材料的大規(guī)模生產(chǎn);再者，在實(shí)現(xiàn)多孔材料的孔徑尺寸以及分布的連續(xù)可控性方面還存在一定難度; 另外，在多孔復(fù)合材料層間親和力的研究方面仍存在很大空白。這在一定程度上限制了多孔材料作為結(jié)構(gòu)和功能材料的大規(guī)模生產(chǎn)及應(yīng)用，因此需更多的科研工作者致力于多孔材料制備工藝的創(chuàng)新。 

 

5.結(jié)束語

 

隨著多孔材料在各行各業(yè)日益受到重視，它的應(yīng)用也越來越廣泛，特別是在能源、環(huán)保、化學(xué)工業(yè)等行業(yè)已經(jīng)顯示出獨(dú)優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過進(jìn)一步的研發(fā)、應(yīng)用及推廣將必定帶來無盡的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

 

來源：新疆工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，邁愛德編輯整理