多孔陶瓷材料论述..

1、多孔材料论述*第一章 多孔材料概述 21.1 多孔材料的概念 21.2 多孔材料的类型 21.2.1 多孔金属材料 31.2.2 多孔陶瓷材料 61.2.3 泡沫塑料 101.3 结束语 13第二章 多孔材料的应用 142.1 多孔金属材料的应用 142.2 多孔陶瓷材料的应用 172.3 泡沫塑料的用途 202.4 结束语 21第三章多孔金属制备 22第四章多孔陶瓷制备 234.1 挤出成型工艺 234.2 颗粒堆积成孔工艺 244.3 添加造孔剂工艺 244.4 发泡工艺 244.5 溶胶-凝胶(Sol Gel)工艺 254.6 冷冻干燥工艺 254.7 多孔模板组织遗传形成气孔的制备工艺

2、 25第五章 泡沫塑料的制备 285.1 泡沫塑料的发泡原理 285.1.1 泡沫塑料的原材料 285.1.2 发泡方法 285.1.3 气泡核的形成 285.1.4 气泡的长大 285.1.5 泡体的稳定和固化 295.1.6 几种泡沫塑料的发泡成形 295.2 泡沫塑料的成形工艺 30多孔材料论述*第一章 多孔材料概述多孔材料普遍存在于我们的周围，在结构、缓冲、减振、隔热、消音、过滤 等方面发挥着重大的作用。 高孔率固体刚性， 高面密度低， 故天然多孔固体往往 作为结构体来使用， 如本材和骨骼， 而人类对多孔材料的使用， 则不但有结构方 面的而且还开发了许多功能用途。 本章主要介绍这种重要

3、材料的基本概念和特 点。1.1 多孔材料的概念顾名思义，多孔材料是一类包含大量孔隙的材料。 这种多孔团体材料主要由 形成材料本身基本构架的连续固相和形成孔隙的流体相所组成。 其中流体相又可 随孔隙中所含介质的不同而出现两种情况， 即介质为气体时的气相和介质为液体 时的液相。那么，是否含有孔隙的材料就能称为多孔材料呢 ?回答是否定的。比 如在材料使用过程中经常遇到的孔洞、 裂隙等以缺陷形式存在的孔眩， 它们的出 现会降低材料的使用性能， 这是设计者所不希望的， 因而这些材料就不能叫做多 孔材料。所谓多孔材料， 必须具备如下两个要素： 一是材料中包含有大量的孔隙； 二是是所含孔隙被用来满足某种或某

4、些设计要求以达到所期待的使用性能指标。 可见，多孔材料中的孔隙是设计者和使用者所希望出现的功能相， 它们为材料的 性能提供优化作用。1.2 多孔材料的类型多孔材料的相对孔隙含量 （即孔率，又称孔隙率或孔隙度 ）是变化的。根据孔 率的大小可将其分为中低孔率材料和高孔率材料， 前者的孔隙多为封闭型， 其中 孔隙的行为类似于材料中的夹杂相； 后者则随孔隙形态和连续固相形态而呈现出 三种形式 （见图 11）。其个第一种形式为连续固体作多边形二维排列， 孔隙相应地 早柱状分隔地存在， 类似于蜜蜂的六边形巢穴， 因而可将这种二维多孔材料形象 的称为“蜂窝材料” ；第二种形式是连续固体呈三维网状结构，形成的

5、孔隙相 互连通，这种三维多孔材料被称为“开孔泡沫材料” ；第三种形式为连续固体 诚多面体壁面结构， 从而分隔出一个个封闭的孔隙， 这种三维多孔材料称为 “闭 孔泡沫材料” 。还有介于开孔泡沫材料和闭孔材料两种形态之间的“半开孔泡 沫材料” 。就获取方式的不同， 广义的多孔材料又可分为天然多孔材料和人造多孔材料 两大类。天然多孔固体的存在是普遍的，例如动物和人类用来支撑躯体的骨骼。 植物用来进行光合作用的叶片， 还有木材、 海绵和珊瑚等。 植物叶片和活树干中 所含孔隙内的流体相均为液体， 即树液。而人造多孔材料中所含孔隙内的液体相 多为气相。对于人造多孔材料，还可按材质组成的不同再分为以下几种类

6、型。1.2.1 多孔金属材料多孔金属材料在近 20 年里得到迅速发展，它是一种兼具功能和结构双重属性 的新型工程材料。 这种轻质材料不仅保留了金属的可焊性、 导电性及延展性等特 性。而巳具备吸能减振、消音降噪、电磁屏蔽、透气透水、低热导率等多孔材料 的特性。因此， 其应用范围在不断扩大， 这方面的研究国际材料科学界的一个前 沿性热点问题。下面根据制备方法，对多孔金属材料的主要特点作一简单介绍。1.2.1.1 粉末烧结型 该类多孔材料一般由球状或不规则形状的金属粉末或合金粉末经成形与烧 结而制成。由于选用原料和工艺制度的不同，所得多孔体具有各种不同的孔率、 孔径和孔径分布。其特点为透过性能良好，

7、孔径孔幸可调，比表面积大，耐高温 和低温，以及抗热震等。粉末烧结型多孔金属材料是发展较早的一种，况径大都小于0.3mm,孔率一般不高于 30，但也可通过特殊的工艺制成孔率大于 30的产品。在冶金、化 工等部门，为强化某些工艺，往往需要高温和高压，相应地要求有耐高温、耐高 压的过滤与分离材料； 在催化反应中， 需要有高比表面积的催化剂材料以提供尽 可能大的反应接触面； 为保证航空与液压系统安全可靠地工作， 需要对各种油类 与工作气体进行严格的精过滤； 航空与火箭的高温工作部分要求有孔隙结构均匀 的耐高温与抗热震多孔材料作发散冷却的基体， 等等。一般的有机、 陶瓷或玻璃 等多孔体总是难以同时满足强

8、度、 塑性、高温等使用条件的要求， 粉末冶金多孔 金属材料在一定程度上弥补了以上各类多孔材料的不足，从而得到迅速发展。早在1909年，国外专利就提到过粉末冶金多孔制件， 到20世纪 20年代末至 30 年代初出现了若干制取粉末冶金过滤器的专利。第二次世界大战期间，由于 军事上的目的， 粉末冶金多孔材料得到迅速发展： 飞机、坦克上采用粉末冶金过 滤器；多孔镍用于雷达开关， 多孔铁代替铜做炮弹箍； 铁过滤器用于火焰喷射器 等。20世纪 50年代，利用发散冷却的方法将抗氧化多孔材料用于喷气发动机的 燃烧室和叶片上，以提高发动机的效率。随着化工、冶金、原子能、航空与火箭 技术的发展，后来还研制出了大批

9、耐腐蚀、耐高温、耐高压、高透气性的粉末冶 金多孔材料。20世纪60年代出现了 Hastelloy、I neon el、钛、不锈钢等抗腐蚀、 耐高温的粉末烧结多孔产品和特殊用途的多孔钨、 钽及难熔金属化合物等多孔材 料。到目前为止，大量生产与应用的粉末烧结多孔材料主要是青铜、不锈钢、镍 及镍合金、钛、铝等。1.2.1.2 纤维烧结型这类多孔金属材料是缘于上述应用对已有多孔体的改进。 一般说来， 用金属 纤维制成的多孔材料， 其性能优于用金属粉末制成的多孔材料。 比如用直径与金 属粉末粒度相同的金属纤维所制取的过滤材料， 其渗透型要比用粉末制取的高十 几倍。此外，它还具有较高的机械强度、抗腐蚀性和

10、热稳定性。该类材料孔隙绿 可达 90%以上，全部为贯通孔， 塑性和冲击韧性好，容尘量大，可用于许多过滤 条件苛刻的行业，被称为“第二代多孔金属过滤材料” 。发展较早的是美国 MEMTEC 公司，随后，比利时、日本、中国等相继建立生产线并进行规模化生 产。图 1.1 显示一种由金属纤维烧结工艺制备的多孔体结构图1.1 一种烧结金属纤维多孔材料的微观形貌1.2.1.3铸造型该类多孔金属材料均是由熔融金属或合金冷却凝固后形成的多孔体，随不同的铸造方式可覆盖很宽的孔隙范围并具有各种形状的孔隙，其典型代表是泡沫 铝。其产品大多数为闭孔隙和半通孔的多孔材料，但也可铸成三维连通孔隙的高 孔率产品。1.2.1

11、.4沉积型该类多孔金属材料是由原子液态金属在有机多孔基体内表面沉积后，去除有 机体并烧结而成的，其主要特点是孔隙连通，孔隙高（均在 80%以上），具有三 维网状结构。这类多孔材料是一种性能优异的新型功能结构材料，在多孔金属领 域占据特别重要的地位。从某种意义上说，它综合了低密度、高孔率、高比表面 积、高孔隙连通性和均匀性等指标，这是其他任何多孔金属产品都不能达到的。 但是，它的特性也决定其强度性能会受到一定限制。这类多孔材料在20世纪70年代就已开始批量制作与运用。而应用的拓宽和使用的需要，促进其在20实际80年代得到迅速发展。目前，这类材料在国内外均已实现大规模批量生产，其 典型代表是泡沫镍

12、（见图1.2）和泡沫铜。图1.2 一种由电沉法制备的泡沫镍多孔材料1.2.1.5复合型该类多孔材料即多孔金属复合材料。它是将不同金属或金属与非金属复合在一起制成的同一件多孔体，例如在石墨毡上电镀一层镍制成的石墨-镍复合多孔材料；也可以是多孔金属做芯层制成叠合的金属复合多孔体，例如不锈钢纤维毡与丝网制做的复网毡。通过复合，使产品获得了不同材料各自的优点， 使材料的 综合性能得以提高，能够更好的满足使用者的要求。此外，还可以采用其他方法制备多孔金属材料，其中有的可归于以上类型， 有的则自成一类。1.2.2多孔陶瓷材料该类材料的发展始于20世纪70年代，主相为气孔，是一种具有高温特性的 多孔材料。其

13、孔径从纳米级到毫米级不等，孔隙范围约在 20%95%之间。使用 温度可从常温一直到16000C。1.2.2.1 多孔陶瓷材料的分类一般地，可将多孔陶瓷材料分成两大类，即蜂窝陶瓷材料和泡沫陶瓷材料。前者的孔穴形成二维系列，后者则由中空多面体（孔穴）作三维排列组成。泡沫陶瓷材料通常还可以进一步细分为两种，即开孔（或网状）陶瓷材料以及闭孔陶瓷材料，这取决于各个孔穴是否具有固体壁面。 如果形成泡沫体的固 体仅包含于孔棱中，则称为开孔陶瓷材料，其孔隙是相互连通的（见图1.3）。如果存在于固体壁面，则泡沫体称为闭孔陶瓷材料，其中的孔穴由连续的陶瓷基体 相互分隔（见图1.4）。这些差别可通过比较两种泡沫体的

14、透过性而清楚的看出。图1.3 一种开孔Zr2（PO4）6陶瓷材料（CMZP）图1.4 一种闭孔CMZP陶瓷材料的微观结构有些泡沫陶瓷既存在部分开孔隙，也存在部分闭孔隙。这些多孔网状结构具 有相对低的质量、密度及热导率，并且具有不同的透过性能，其中开孔体的透过 率较高。通过陶瓷材料和制备工艺的适当匹配， 还可使多孔陶瓷材料具有相对较 高的强度、抗化学腐蚀能力，以及耐高温性能和均匀的结构。根据孔隙尺寸的大小，可以对多孔陶瓷材料进行以下分类：孔隙直径小于2nm的为微孔材料，孔隙直径在 25nm之间的为介孔材料，孔隙直径在 50nm 以上的为宏孔材料，。然而这种分类方式并未得到广泛采用，因为使用多孔材

15、料 的规则是多种多样的。表1.1列出了上述孔隙尺寸的分类，须注意不要将其与常用于过滤的孔隙尺 寸分类方式（表1.2）相混淆。表1.1多孔陶瓷的孔隙尺寸分类定义孔隙尺寸/nm微孔50表1.2过滤材料的孔隙尺寸分类定义孔隙尺寸/nm高超滤1超滤2100微滤1005000颗粒过滤器5000按材质的不同，多孔陶瓷主要有以下几类：1）高硅质硅酸盐材料，它主要 以硬质瓷渣、耐酸陶瓷渣及其他耐酸的合成陶瓷颗粒为骨料， 具有耐水性耐酸性， 使用温度达7000C ； 2）铝硅酸盐材料，它以耐火粘土熟料熟矶土硅线石和合成 莫来石颗粒为骨料，具有耐算性和耐弱碱性，使用温度达10000C; 3）精陶质材料，它以多种粘

16、土熟料颗粒与粘土混合烧结，得到微孔陶瓷材料；4）硅藻土质材料，它主要以精选硅藻土为原料，加粘土烧结而成，用于精滤水和酸性介质； 5）纯炭质材料，它以低灰分煤或石油沥青焦颗粒为原料，或加入部分石墨，用 稀焦油粘结烧制而成，用于耐水、冷热强酸、冷热强碱介质以及空气的消毒和过 滤等；6）刚玉和金刚砂材料，它以不同型号的电熔刚玉和炭化硅颗粒为骨料， 具有耐强酸、耐高温特性，使用温度可达 16000C; 7）堇青石钛酸铝材料，其特 点是热膨胀系数小，因而广泛采用于热冲击环境； 8）其他，即采用工业废料、 尾矿和石英玻璃或普通玻璃为原料制成的材料， 视原料组成的不同而用于不同的 场合。泡沫陶瓷是多孔陶瓷材

17、料的重要组成部分， 开孔泡沫陶瓷具有三维网状陶瓷 骨架结构，是一种孔相互连通的新型多孔陶瓷制品，其特点有1）孔率高，容重低； 2）面积大，流体接触效率高，流体压力损失小； 3）耐高温，耐化学腐蚀， 抗热震性能好。 特别是材料内部存在大量的连通孔隙和高比表面能的毛细孔， 因 而在低流体阻力损失下可保持良好的过滤吸附性能，被广泛应用于冶金、化工、 环保、能源、生物等领域，如用作金属熔体过滤、高温烟气净化、催化剂载体和 化工精滤材料等。 该材料的孔率、 容重、阻力损失和透气度均可通过工艺方法进 行调整，孔径范围一般在 0.1474mm 之间，其材质主要有堇青石、氧化铝或堇 青石氧化铝。 采用堇青石主

18、要是为了提高制品的热震稳定性， 而采用氧化铝则 是为了提高其强度和耐热性。 随着对制品耐热性要求的提高， 还开发了氮化硅和 碳化硅等多孔产品。多孔陶瓷材料的研究和开发已收到普遍的重视， 许多应用在技术上已成为可 能，特别是其在能源与环保等关系到国计民生方面的应用， 具有巨大的经济效益 和社会效益。1.2.2.2 多孔陶瓷的特点多孔陶瓷材料具有如下特性： 1）化学稳定性好， 即选择合适的材质和工艺， 可制成适应各种腐蚀环境的多孔制品； 2）机械强度和刚度高，即在气压、液压 或其他应力负载下，孔道形状与尺寸不会发生变化； 3）耐热性佳，即由耐高温 陶瓷制成的多孔体可对熔融钢水或高温燃气等进行过滤。

19、多孔陶瓷的这些优良特性非常适应化工、环保、能源、冶金、电子等领域， 而其具体的应用场合又由多孔体自身的结构状态决定。 它们初期仅作为细菌过滤 材料使用，随着控制材料细孔水平的提高，逐渐用于分离、分散、吸收和流体接 触等方面，而J,泛应用于化工、石油、冶炼、纺织、制药、食品机械、水泥等 工业部门。 此类材料作为吸声材料、 敏感元件和人工骨、 齿根等材料也越来越受 到重视。随着它们使用范围的扩大， 其材质也由普通粘土质发展到耐高温、 耐腐 蚀、抗热冲击的材质，如SiC、AI2O3、堇青石等。123泡沫塑料泡沫塑料又称多孔塑料，是一种以塑料为基本组分，内部含有大量气泡孔隙 的多孔塑料制品。由于泡沫塑

20、料由大量充满气体的气孔组成，因此亦可视为以气体为填料的复合塑料。一般热固性塑料、通用塑料、工程塑料和耐高温塑料等均 可制成泡沫塑料，该类多孔体是目前塑料制品中用量最多的品种之一，在塑料工业中占有重要地位。泡沫塑料的密度取决于气体与固体聚合物的体积比，低密度泡沫塑料的气体与团体聚合物的体积比约为9： 1，高密度泡沫塑料的气体与固体聚合物的体积比约为1.5: 1，所以泡沫塑料的气体与固体塑料的体积比在9: 11.5: 1这一范围之间。1.2.3.1 泡沫塑料的分类泡沫塑料品种繁多，分类方法也多种多样，较常用的有如下3种：1）按泡沫的孔隙结构，可分为开孔泡沫塑料和闭孔泡沫塑料。开孔泡沫塑料的泡孔相互

21、 连通，其气体相与聚合物相各自呈连续分布（见图 1.5（a）。流体在多孔体中通 过的难易程度与开孔率和聚合物本身的特性有关。闭孔泡沫塑料的泡孔相互分 隔，其聚合物相呈连续分布，但气体孤立存在于各个不连通的孔隙之中（见图1.5（b）。实际的泡沫塑料同时存在着两种泡沫结构，即开孔泡沫塑料中含有一些闭孔结构，而闭孔泡沫塑料中也含有一些开孔结构。 一般地，在被称为开空结构的泡沫塑料体中，含有的开孔结构多达 90%95%。（2）按多孔体的密度,(a)（b）图1.5三维多孔泡沫塑料（a）开孔聚氨酯泡沫体（b）闭孔聚乙烯泡沫体可分为低发泡、中发泡和高发泡等3种泡沫塑料。密度在0.4g/cm3以上，气体/固体

22、发泡倍率（发泡倍率是致密度与同种材质的发泡塑料表观密度之比）小于1.5的为低发泡泡沫塑料；密度在0.10.4g/cm?之间，气体/固体发泡倍率为1.59.0 的为中发泡泡沫塑料；密度在 0.1g/cm3以下，气体/固体发泡倍率为大于9的为 高发泡泡沫塑料。 也有人将发泡倍率小于 4 或 5 的称为低发泡泡沫塑料， 将发泡 倍率大于4或5的称为高发泡泡沫塑料。还有人将密度0.4g/cm3作为划分低发泡 和高发泡两类泡沫塑料的界限。常用的泡沫塑料制品，如床垫、坐垫、包装衬块 和包装膜等多属高发泡型； 而发泡板、 管、导型材等以塑代木的泡沫塑料多属低 发泡型。(3)按泡沫体质地的软硬程度，可分为硬质

23、、软质和半硬质泡沫材料等 3类。在常温下，泡沫塑料中的聚合物处于结晶态。或其玻璃化温度高于常温， 这类泡沫塑料在常温下质地较硬， 称为硬质泡沫塑料； 而泡沫塑料中聚合物晶体 的熔点低于常温， 或无定形聚合物的玻璃化温度低于常温， 这类泡沫醒料在常温 下质地较软， 称为软质泡沫塑料； 介于这两类之间的则为半硬质泡沫塑料。 根据 这种分类方式，酚醛泡沫塑料、环氧树脂泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、聚碳酸 酯泡沫塑料、硬聚氯乙烯泡沫塑料和多数聚烯烃泡沫塑料等均居于硬质泡沫塑 料；而泡沫橡胶、 弹性聚氨酯泡沫塑料、 软聚氯乙烯和部分聚烯烃的泡沫体等则 属于软质泡沫塑料。从量的角度来定义，在23T和50%的

24、相对湿度条件下，弹性模量大于 700 MPa 的聚合物多孔体称为硬质泡沫塑料；在相同的温度和相对湿度条件下，弹 性模量小于 70MPa 的聚合物多孔体称为软质泡沫塑料；而弹性模量在 70700 MPa 之间的泡沫体则称为半硬质泡沫塑料。制备泡沫塑料最常用的树脂品种有聚苯乙烯(PS)、聚氨酯(PU)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)和服甲醛(UF)，其他常用品种还有酚醛(PE)、环氧(ER)、有 机硅(OS)、聚乙烯缩甲醛、醋酸纤维素及聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等。另外，近年来不断增加的品种，如聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)、聚四氯乙烯(PTFE)、 尼龙(PA)等也在不断投产。1.2.3

25、.2 泡沫塑料的特点 尽管泡沫塑料的品种很多，但都含有大量气孔，所以具有一些共同的特点， 如密度小、热导率低、隔热性好、可吸收冲击载荷、缓冲性能佳、隔音性能优良 及比强度高等。(1) 相对密度低 这也是所有多孔材料的共性。泡沫塑料中含有大量的泡孔， 其密度一般仅为对应的致密塑料制品的几分之一到几十分之一。 加之塑料本身是 一种密度较小的材料 (聚合物主要由轻原子组成， 且分子间由较弱的范德华力结 合而不那么紧密， 因此密度较低， 刚性较小)。故泡沫塑料产品的密度可以很小， 是所有多孔材料中密度最小的一类。(2) 隔热性能优良 由于泡沫塑料中存在着许多气泡，泡孔内气体的热导率 比固体塑料的低 1

26、 个数量级，因此泡沫塑料的热导率比对应的致密塑料大大降 低。另外，闭孔泡沫体中气体相互隔离，也减少了气体的对流传热，有利于提高 泡沫塑料的隔热性。(3) 吸收冲击载荷性好 泡沫塑料在冲击载荷作用下，泡孔中的气体会受到 压缩，从而产生滞流现象。这种压缩、回弹和滞流现象会消耗冲击载荷能量。此 外，泡沫体还可以较小的负加速度， 逐渐分步地终止冲击载荷， 因而呈现出优良 的减振缓冲能力。(4) 隔音效果佳 泡沫塑料的隔音效果是通过以下两种方式来实现的：一是 吸收声波能量，从而终止声波的反射传递，二是消除共振，降低噪声。当声波到 达泡沫塑料泡孔壁面时， 声波冲击泡体，使泡体内气体受到压缩井出现滞流现象，

27、 从而将声波冲击能耗散掉。 此外， 增加泡体刚性， 还可以消除或减少泡体因声波 冲击而引起的共振及产生的噪声。(5) 比强度高 比强度是材料强度与相对密度的比值。虽然泡沫塑料的机械 强度随孔率增大而下降， 但总体上其比强度要远远高于孔率相当的多孔金属与多 孔陶瓷材料。空心球状填料与树脂基体组成的合成泡沫塑料， 具有很高的压缩比强度， 可 用作深海船体的弹性介质材料。填料通常可用空心 (或多孔 )玻璃、陶瓷颗粒及热 固性(或热塑性 )树脂等。微球填料也可归于纤维增强塑料，它可提高纤维增强树 脂体系的韧性。泡沫塑料的增强， 促进了具有特殊潜力的材料科学的发展。 尽管由于开发和 应用不足， 使其优点

28、尚未得到充分利用， 但热塑性增强材料在经济上和技术上均 具有一定优势。 在不少要求比强度指标的场合， 可以考虑其新的用途； 也可通过 增强技术与其他材料的组合使用， 得到性能优异的复合泡沫多孔材料， 如低密度、 低可燃性、低成本并且具有良好的强度性能等。当然，上述多孔金属材料、 多孔陶瓷材料和泡沫塑料等， 均可与其他材料进 行复合，从而形成综合性能更忧的复合多孔材料，满足更为广泛的高性能需求。 1.3 结束语材料的多孔化给原来的材料赋予了崭新的优异性能。这种性能的延伸使 多孔材料具有致密材料难以胜任的用途，大大托宽了其在工程领域的应用范围。 不管哪一种多孔材料，它们都具有相对密度小、比表面积大

29、、热导率低、比强度 高及吸能性能好等共同属性。 低密度多孔材料可用来设计轻质坚硬部件、 大型轻 便结构体和各种漂浮物； 低热导率多孔材料可用于简便隔热， 这种隔热的效果仅 次于价格昂贵而操作较难的真空方法；低刚性泡沫体可作为减振缓冲的理想材 料，如弹性体泡沫是机器安装底座的标推材料， 面大的压缩应变则使其在能量吸 收应用方面具有吸引力。在各种保护性场合，多孔材料都存在着一个巨大的市 场。第二章 多孔材料的应用根据材料的结构和性能，多孔材料的应用主要有三个方面：一是作为结构 型材料，二是作为功能型材料， 三是作为结构和功能结合型材料， 其中第三个方 面是设计者们更希望追求的。总的说来，由于孔隙结

30、构形态的不同和各种材质的互补， 以及宽广的孔率范 围和一定的孔径分布，多孔材料已广泛应用于航空航天、电子与通信、原子能、 电化学、石油化工、交通运输、冶金、机械、医学、环保、建筑等领域，涉及流 体分离过滤、 流体分布、消音降噪、 吸能减振、 阻尼缓冲、电磁屏蔽、 隔热阻火、 热交换、电化学过程、 催化反应工程和生物工程等诸多方面的用途， 可制作过滤 器、流体分离器、催化剂及催化剂载体、隔音材料、消音器、能量吸收器、减振 缓冲器、电磁屏蔽器件、电磁兼容器件、阻燃器、换热器、散热器，以及多孔电 极等；此外，还可以制作多种复合材料、生物材料 （如钛合金多孔态人工骨 ）、填 充材料和轻质结构材料。下面

31、就多孔体所用材质的不同， 对多孔金属材料、 多孔陶瓷材料和泡沫塑料 的用途分别进行介绍。2.1 多孔金属材料的应用相对于致密金属材料， 多孔金属具有许多优良特性， 如密度小、比表面积大、 能量吸收性好、热导率低（闭孔体）、换热散热能力高 （通孔体）、吸声性好 （通孔体）、 隔音性佳 （闭孔体）、透过性 （渗透性）忧（通孔体）、电磁波吸收性好 （通孔体）、阻火 （通孔体 ）、耐热耐火、抗热震、气敏 （一些多孔金属对某些气体十分敏感 ）、能再 生、加工性好等。多孔陶瓷质脆且抗热震性差， 有机泡沫塑料则强度低且不耐火、 耐高温，而多孔金属克服了这些弱点。 因此，多孔金届兼具多孔材料的绝大部分 优异性

32、能， 其应用几乎涵盖了多孔材料的所有用途。 例如：利用多孔金属的均匀 透过件可制作各种过滤器、 分离器、流体分布器、 混合器、渗出元件和节流元件、 气体输送带、气浮辊筒、气浮轴承、海水淡化器支撑元件、水银开关以及印刷、 记录、显影中的某些部件等； 利用其大的比表面积可制作各种多孔电极、 催化剂 及催化剂载体、 电容器、 电解槽阳极以及热交换器等， 利用其毛细管现象可制作 火箭鼻锥、尾喷管、机冀前沿和祸轮叶片等所使用的各种强制发散冷却材料和自 发汗材料、浸渍阴极、灯芯和吸油器等；利用其吸能性可制作各种吸音材料、减 振材料、火焰阻止器、声阻及缓冲器等；利用其低密度、低热导率以及可变形等 特性可制作

33、各种隔热材料、密封材料、炮弹箍等；利用其强度、韧性、生物相容 性 （如钛合金等 ）的综合性能可制作多孔态人工骨骼等。一般而言，多孔金属的导电性、导热性、加工性、装卸方便性、耐温性、抗 热震性，以及强度、 韧性、抗冲击能力等综合力学性能等， 均优于其他多孔材料。 所以，多孔金属材料在用于多孔电极、电磁屏蔽、换热散热、高温密封和高性能 结构等方面，有着其他多孔材料难以比拟的独特优势。常用多孔金属材料的材质有青铜、镍、钛、铝、不锈钢，以及其他金属和合 金。在所有多孔金属中受到特别重视的是泡沫铝。 国外研究表明， 泡沫铝材料的 使用加强了汽车构架的刚度；稳定性大大上升。采用泡沫铝可减少整个汽车工 程的

34、投资，降低生产成本。约有 20的汽车车身结构件可用泡沫铝制造。此 外，泡沫铝还能满足某些汽车零部件对材料兼具良好的消声性能和隔热性能的 要求。适应于日益提高的环保要求，泡沫铝也正在取代交通运输工具中使用的 传统发泡树脂隔热材料，这样可以消除发生事故时车辆中的有机材料产生的有 害烟雾，大大减少了突发事故中的人员死亡。在许多应用中， 都需要液体或气体等介质能够通过多孔材料。 尤其是在高速 流体流过的情况下， 更应有一个极高的开孔率。 而承受载荷的结构材料则大多要 求是闭孔材料。因此，须有合适的多孔材料满足这些不同的要求。承载结构件一定要轻，否则就不如用传统的块体金属或合金来制备。因此， 可以选用泡

35、沫铝、泡沫镁、泡沫钛或其他轻质多孔金属制备。医学应用则选用 钛。因为钛与生物组织的相容性好。 在含有侵蚀性介质或高温情况下， 则可选用 钦或不锈钢。另外，还需要考虑加工和成本问题。工艺上须保证多孔金属能够加工成所 要求的形状。成本上须保证所制造的元件价格合理，否则这种多孔金属的制备 工艺也是不能实施的。表 21 列举了粉末冶金法所得多孔材料的应用， 表 2 2 则概括了多孔金属 的综合用途。表2.1粉末冶金多孔材科的应用机能与特性用途应用实例过滤气-固分离各种气体与气态化合物的过滤；咼温姻气的除尘；气中的有用物质回收液-固分离各种油类、水、水溶胶、合成树脂熔融物、熔融金属以及酸、碱、盐的过滤气

36、-夜分离压维空气中的除油、除水；液压油中的气泡去除液-夜分离油-水分离；水-药物分离浓缩与分离气体分离混合气体的分离；气体冋位素的分离液体分离反渗透法中的渗透膜贯通孔透过特性送入气体充气装置（饮料、发泡）、气体辊筒，气浮轴承，物料输送 板；气体分布器，气体发散材料，气体喷射器逸出气体呼吸塞；透气性金属模；抑制器 （通过多孔塞放出气休 而抑制气动装置）透过液体雾化器；海水淡化支撑器；液体取样分析吸收冲击消音材料压维空气消音；吸声材料；声阻缓冲材料缓冲器（防止高能流体脉冲）弹性压缩材科封印材科，减振器大比表面积化学反应催化剂；催化剂载体；各种电极热传导材料热交换器；火焰阻止器毛细管现象输送或供给液

37、体加湿器将液体加在膜带上， 如定影、显影；渗出器（记录、印 刷）；给油器；燃烧嘴；灯芯；发汗冷却材料；消冰装置 （飞机 机翼前缘设置多孔体使防陈液体渗出 ）控制流动控制流动、流速分流；分散板控制气流层喷射气体而控制边界层；使紊流转变为层流其他医用人造骨头填料与绝热材料垫圈；隔离层阴极材料钡钨阴极装饰品香水宝石；钱币；奖章表2.2多孔金属材料的综合用途应用领城用途举例建筑墙面装饰板；天花板；移动隔断；滑动门；地板；活动房；其他装饰件等机械机械夹持装置，升降机和传送器的安全垫；高速磨床防护装置的吸能减振内衬交通运输铁路轻体车辆结构；车厢地扳：防火墙；各种集装箱；船舶结构；冲击能 吸收材料；减振缓冲

38、材料；防冲挡板；挡泥板；侧门；前板；顶盖板；汽 车底盘填充轻质结构材料；内部用具与装饰件；发动机隔与防护材航空宇宙飞船的起落架：空降设备的保护；舱壁；飞机零部件电梯；升降钒，托盘；工作台电子与通信电磁屏敝室；电于仪器外壳和电磁屏敝等场合的结构和功能材料，咼速列车发电机室；无线电录音室民用生活浴室设施；卫生间设施，厨房设施环境保护制造高性能吸音板和隔音墙；高速公路、铁路的降噪其他告示板；道路标志牌；护栏；包装材料，黑扳，抛物面天线，铸塑模（塑料制品）;抛光用的电磁旋转抛光轮；海洋开发器材（如管道、浮标等）场地板；化油器浮标；音响器材；热交换器；过滤器；耐火阻燃与隔热制 品，其他特殊功能的结构等;

39、网球2.2 多孔陶瓷材料的应用多孔陶瓷是一种新型的陶瓷材料，其制造始于20世纪50年代未，而较显著 的发展和工业应用则始于20世纪70年代，初期仅作为细菌过滤材料使用。随着 制备工艺技术的不断提高以及各种高性能产品的不断出现， 多孔陶瓷材料的应用领域和应用范围也在不断扩大。 因为多孔陶瓷材料具有透过性好、 密度低、 埂度 高、比表面积大、热导率小，以及耐高温、耐腐蚀等优良特性，因此广泛地应用 于冶金、化工、环保、能源、生物、食品、医药等领域，作为过滤、分离、扩散、 布气、隔热、吸声、化工填料、生物陶瓷、化学传感器、催化剂和催化剂载体等 元件材料。此外，多孔陶瓷还可用作防火材料、气体燃烧器的烧嘴

40、、高温膜反应 器、制造业中的散气隔板、流态化隔板、电解液隔板、生物发酵器等。其中由堇 青石、莫来石、碳化硅、氧化铝、部分稳定化氧化桔及一些复合材料体系（如SiC-Al2O3、Al2O3-ZrO2、AI2O3-莫来石、莫来石-ZrO2等）制造的多孔陶瓷，已 在电子学和生物医学等方面有着特殊的用途。低热导率、耐高温、耐磨、耐蚀等陶瓷材料的固有属性，也成为多孔陶瓷优 于其他多孔材料的特点。因此，在隔热、高温、磨损、腐蚀等场合，多孔陶瓷相 对于其他多孔材料而言，具有较大的优势。当多孔材料作传输用途时， 其孔隙的连通性十分重要。 它在从生物反应器中 的多相催化剂和细菌隔离膜，一直到热燃气和柴油发动机排出

41、物的环境过滤器 等，都是关键的因素。气体分离、隔热、化学传感器、催化剂和催化剂裁体，细 菌固定、颗粒过滤器等用途，全都涉及到多孔体的传输性能。作为一种利用物理表面的新型材料，泡沫陶瓷还可用来制造各种分离装置、 流体分布元件、混合元件、节流元件，以及多孔电极、保温材料、轻质结构材料 等。由于多孔陶瓷材料的上述特点，有些场合的用途目前主要由该材料来承担， 而较少或不能由其他多孔材料承担。 如高温气体净化过滤器、 柴油机排放物颗粒 过滤器、熔触金属过滤器、高温耐化学品可渗透材料设备、高温隔热件、高温结 构镶板芯件、化工过程的分子筛和分离膜、离子交换剂、折射器、电瓷炉内衬、 湿度传感器、气体探测器、热

42、敏电阻、多孔压电陶瓷，以及生物医学方面的骨酪 和牙齿机能恢复重组材料等。多孔陶瓷的各种用途与其孔穴的表面化学特性和尺寸特性密切相关。 孔穴的 表面化学特性取决于陶瓷酌组成、状态 （结晶质、非晶质的区别及晶体结构 ）和孔 穴表面处理等因素。例如，不同氧化物（SiO2、AI2O3;、TiO2等）的催化作用各不 相同，非晶质氧化物中表面的羟基（一 OH）或硅氨烷基（三SiOH的有无和多少对表面特性的影咱很大.酵素裁体是利用表面的硅氨酵中间分子使酵素与玻璃共价结 合，而吸附、吸收性能则取决于孔穴表面的化学组成、晶体结构、非品质、羟基 的有无等。利用这种吸附特性的不同，可作为层析的充填材料以及吸附尼古丁

43、的 烟草过滤器，利用对各种成分的吸附特性不同则可进行有机溶液混合体的分离。 孔穴的尺寸特性中最突出的是孔径。小于孔径的物质可通过孔穴面大于孔径的物 质不能进入，由此可对微粒子、微生物和病毒进行分离和过滤。当然，孔穴的分 布、形式及比表面积对分离、过滤性能也会产生影响。表 2.3列出了一些与孔穴 特性对应的多孔陶瓷用途，表2.4则列出了一些与孔穴形态对应的多孔陶瓷应用。 其中最为普遍的应用之一就是用氧化硅含量高的多孔陶瓷制造铁合金（黑色合金）的熔融金属过滤器以及用氧化铝含量高的多孔陶瓷制造非铁合金（有色合金）的熔融金属过滤器。表2.3与孔穴特性对应的多孔陶瓷用途孔穴特性对应用途表面化学特性催化刑

44、载体；吸附、吸收；酵素固定；吸附产 物物性变化尺寸特性过滤、分离；微生物的固定；反渗透膜特性； 微细发泡表2.4与孔穴形态对应的多孔陶瓷应用孔穴形态对应用途开口孔穴金属熔化过滤器；排气过滤器；催化剂载体； 多孔燃烧器；气体扩擞器；火焰阻止器；骨骼 替换材料；细胞/酶/菌的载体；渗透复合材料基 体；液体充气元件闭合孔穴轻质夹层结构；窑具材料；隔热；冲击能吸收；药物传播系统；咼温下的声音衰减；加热元件各向异性孔穴/梯度孔隙热交换器；气相反应器；分离膜；化学传感器；铸模；功能梯度材料2.3 泡沫塑料的用途由于泡沫塑料具有质轻、质量比强度高、隔音、隔热和吸收冲击能等优点， 故广泛采用于工业、农业、交通

45、运输、军事、建筑及日常用品等部门，作为包装 材料、隔音材料、保暖材料、农用制品、建筑材料、电器材料、医疗用品、机械 零件和日用杂品等用途。 在日常生活中， 泡沫塑料堪称为一种极为普遍和极为显 著的多孔材料。人们对其一般性的典型形态也是极为熟悉的。软质泡沫塑料的主要特点是柔软、弹性好、开孔率高，适合用作各种坐垫、 衬垫、床垫、服装衬里、过滤材料、吸油材料等。其中块状软泡塑料主要用于家 具、垫材、复合面料、服装鞋帽与箱包衬里材料等，模塑软泡塑料主要用于汽车 坐垫、靠背、头枕、摩托车坐垫、运动器材等。汽车和摩托车工业的大力发展为 聚氨酯模塑软泡提供了广阔的市场。硬质泡沫塑料的主要特点是热导率低、强度

46、大、闭孔率局，适合用作冰箱、 冷库、冷藏车辆、工业管道和输油管等方面的保温隔热材料、包装材料、衬垫材 料、建筑用夹层板等。硬质泡沫塑料作为绝热材料和结构材料，应用得越来越 广泛，除冰箱、冷库、冷藏集装箱、管道保温等领域外，在建筑和运输等方面也 有较大发展。彩镀钢板硬泡夹层材料已用于体育馆、游泳馆、影剧院、大型厂房 的屋顶，保温效果好，施工效率高。江苏省化工研究所研制的特种硬泡塑料， 还成功地用到了直升机机冀填充结构上。半硬质泡沫塑料具有一定的强度， 并能吸收冲击能， 因此适作防振材料、 汽 车保险杠、汽车仪表板衬芯材料等。随着科学校术的不断发展， 泡沫塑科的用途也在逐步扩大、 改善和提高。 目

47、 前泡沫塑料的应用已遍及各行各业、 特别是包装、 建筑、生活日用品和高科技等 领域泡沫塑料已占有不可取代的地位。泡沫塑料质轻且能吸收冲击载荷 因而是极好的包装材料 如发泡聚苯乙烯 (PS)用于音响、电视机、洗衣机等包装聚乙烯(PE)的发泡片、模、网则已广泛用于细、软、不规则外形的各种电器、仪器、水果等包装。泡沫塑料的隔 音隔热特性对建筑行业是很重要的。 用发泡板制作的各种面板、 隔板，既质轻又 有显著的隔热隔音性能。 以固态空心球为填料， 可在现场直接浇铸成形建构各种 隔热隔音墙。所得墙体具有良好的保温效果。用发泡塑料异型材料制作的门窗， 除保留有塑料异型材料门窗的各种优点外， 质吏轻， 隔热

48、隔音性能更好， 形状更 稳定。由于泡体可缓解内应力，低发泡塑料能以塑代木，可与木材一样钉、锯、 刨。泡沫塑料的生活日用面更宽， 弹性好的软质泡沫塑料大量用于制作各种坐垫、 床垫、枕芯、衬里、服装，也用于保温、缓冲、防振。用发泡人造革制作的包、 外套、鼓和各种日用品，既美观，手感又好，而且使用舒适。另外，开孔泡沫塑 料还可用作过滤器、载油体、载水体、人造土壤等。目前所用的地拖不少是泡沫 塑料所制，吸水性强，清除方便。上述泡沫塑料的各种特性，如载油、载水、隔 热、隔音、轻质、缓冲等，在高科技领域也得到了应用。聚乙烯泡沫塑料、聚氯乙烯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料和聚氨酪泡沫塑 料，被称为四大泡沫塑料。

49、2.4 结束语在上述金属、陶瓷、聚合物这 3 大种类的多孔材料中， 多孔陶瓷具有最高的 耐热性、耐磨性和化学稳定性，尤其适合于温度特别高、磨损大、介质腐蚀性严 重的场合，但存在质脆、 不易密封和安装困难等不足。 泡沫塑料具有最低的密度、 最大的柔软性和最高的液体吸收性能， 是包装、吸水及一般性隔热和日常缓冲衬 垫等的最优选择，缺点是高温牲能差、强度小耐蚀性能低，多孔金属克服了上 面两类多孔材料的缺点和不足， 具有最佳的综合性能指标， 故其成为应用最为广 泛和全面的优秀多孔材料， 用途几乎涉及了多孔材料所有的应用领域。 但是，多 孔金属的耐热耐磨能力一般不如多孔陶瓷， 而柔软性等则不如泡沫塑料，

50、 且价格 较贵。因此，应根据各类多孔材料的特点，根据具体的应用场合，选择最合适的 多孔材料类型。 可以相信， 随着各类材料的不断改进和复合水平的不断提高， 高 牲能的新型多孔材料将会不断出现，满足各行各业的应用需求。第三章多孔金属制备从20世纪初期人类开始用粉末冶金方法制备多孔金属材料算起，多孔金属的制造史已有近百年。在这近一个世纪的时间里，制备方法日益发展，新的方法不断出现，所得产品也从原来仅百分之十几、二十几的低孔率到现在可达98%以上的高孔率。目前，已有很多制备多孔金属的工艺方，其中有的类似于液态发 泡技术，有的是利用金属特性（如烧结活性或电沉积等）的特殊制备方法。金属扮末烧结法（开孔制

51、品） 金属纤维烧结法（开孔制品） 浆料烧结法（开孔、闭孔制品） 模板填隙法（开孔制风） 气体捕捉法（开孔制品） 占位填料法（开孔制品） 金属扮末粘结法（开孔制品） 粉末混合反应浇结法（外孔、闭孔制品） 氧化物还原烧结法（开孔制品） 金属中空球烧结法（闭孔较多的制品）熔体发泡法（闭孔制品）气体注入法（溶体吹泡法）（闭孔制品） 固-气共晶凝固法（GASAR）（闭孔制品） 定向凝固法（闭孔制品）粉体熔化发泡法（闭孔制品） 熔模铸造法（开孔制品） 渗流铸造法（开孔制品）溅射夹气沉积法闭孔制品 喷雾夹带沉积法闭孔制品 气相沉积法（开孔制品） 电沉积法（开孔制品）自蔓延高温合成（SHS）（开孔制品） 腐蚀

52、造孔法（开孔制品） 其他图3.1多孔金属材料的制备方法分类第四章多孔陶瓷制备从19世纪70年代，多孔陶瓷就被作为细菌过滤而实用了。因其具有均匀透过性、较大的比表面积、低密度、低热传导率以及耐高温、耐腐蚀等特性，作为一类新型陶瓷材料，已广泛应用于冶金、化工、环保、能源、生物等各个部门作 为过滤、分离、布气、吸音、化工填料、生物陶瓷和催化剂载体等材料。多孔陶瓷的制备工艺很多，如添加造孔剂工艺、发泡工艺、有机泡沫浸渍工 艺、Sol Gel工艺固态颗粒烧结工艺等。表4.1列出了几种工艺方法的特点及应用 情况。表4.1几种多孔陶瓷制备工艺的比较成型方法孔径气孔率(%)优点缺点应用实例添加造10卩m1 m

53、m050米用不同的成型方法气孔分布均过滤器，催孔剂工可制得形状复杂的制匀性差；难以化剂载体，艺品；可制取各种气孔制取高气孔生物材料结构制品率制品等有机泡100 1 m5mm70 90适于制取咼开气孔率制品形状受金属熔体沫浸渍制品且气孔相互贯限制；制品成过滤器，隔工艺通；工艺简单，成本低分密度不易热材料热控制转换器等发泡工10卩m2 mm40 90适于制取闭气孔制对原料要求轻质材料、艺品,气孔率高；试样强高；工艺条件保温材料度咼难控制等Sol Gel2 nm100 nm095适于制取微孔制品和生产率低；工微孔分离工艺薄膜材料；气孔分布艺条件不易膜；吸音布均匀控制气材料等4.1 挤出成型工艺将制备

54、好的泥条通过一种预先设计好的具有蜂窝网格结构的模具挤出成型 经过烧结就可以得到最典型的多孔陶瓷 ,即现用于汽车尾气净化的蜂窝状陶瓷。 其典型工艺流程为：粉体原料+水+有机添加剂一研磨一陈腐一挤压成型一干燥一烧结 该类工艺的优点在于可以根据需要对孔形状和孔大小进行精确设计,其缺点是不能成形复杂孔道结构和孔尺寸较小的材料 ,同时对挤出物料的塑性有较高要 求。4.2 颗粒堆积成孔工艺依靠粗颗粒堆积 ,颗粒结合部形成多孔结构。粗的颗粒靠细粒熔化粘合 ,也可 以加入易熔的粘结剂结合。这种工艺可通过调整颗粒级配对孔结构进行控制,制品的空隙率一般为 20%30%左右,在原料中加入碳粉、木屑、淀粉、塑料等成

55、孔剂,高温下使其挥发可将整体孔隙率提高至 75%左右。4.3 添加造孔剂工艺该工艺是通过在陶瓷坯料中添加占据一定空间的造孔剂 ,经过烧结后 ,造孔剂离开基体留下孔洞而形成多孔陶瓷。在普通陶瓷工艺中 ,调整烧结温度和时间可 以控制烧结制品的孔隙度和强度 ,但对于多孔陶瓷 ,烧结温度太高会使部分气孔封 闭或消失 ,烧结温度太低则制品强度低。采用添加造孔剂的方法则可避免这种缺 点,使烧结制品既具有高的孔隙度又有较好的强度。该工艺可通过优化造孔剂形 状、粒径和制备工艺来精确设计制品的孔结构 ,但其缺点是难以获得高气孔率制 品。与普通的陶瓷工艺相比 ,这种工艺的关键在于造孔剂种类和用量的选择。造孔剂的种

56、类有无机和有机两类 ,通常使用的造孔剂有炭粉、锯末屑、煤粉萘、淀粉、聚乙烯醇（PVA）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMIMA）、聚乙烯醇缩丁醛（PVB）、 聚苯乙烯颗粒等。一些熔点较高 ,但可溶于水、酸或碱溶液的无机盐或其它化合 物如 NA2SO4 、 CaSO4、 NaCl、 CaCl2 等也可作为造孔剂。该类造孔剂的特点是 在基体陶瓷烧结温度下不排除 ,待基体烧结后 ,用水、酸或碱溶液浸出造孔剂而成 为多孔陶瓷。这类造孔剂特别适用于玻璃质较多的多孔陶瓷或多孔玻璃的制备。4.4 发泡工艺发泡工艺是在陶瓷组分中添加有机或无机化学物质 ,在处理期间形成挥发性气体,产生泡沫 ,经干燥和烧成制成网眼型和泡沫型两种多孔陶瓷。与泡沫浸渍工 艺相比 ,该法更易控制制品的形状、成分和密度 ,并可制备出各种孔径和不同形状 的多孔陶瓷 ,特别适合于闭孔陶瓷制品的生产。用来做发泡剂的化学物质有 :碳化 钙、氢氧化钙、铝粉硫酸铝和双氧水作发泡剂 ;由亲水性聚氨脂塑料和陶瓷泥浆 同时发泡制备多孔陶瓷 ;用硫化物和硫酸盐混合作发泡剂等。4.5溶胶-凝胶(Sol Gel)工艺Sol Gel 法主要用于制备微孔陶瓷 ,特别是