多孔材料

　 　 固相與大量孔隙共同構成的多相材料。
　 　 多孔材料，多孔材料是一種由相互貫通或封閉的孔洞構成網絡結構的材料，孔洞的邊界或表面由支柱或平板構成。典型的孔結構有： 一種是由大量多邊形孔在平面上聚集形成的二維結構；由于其形狀類似于蜂房的六邊形結構而被稱為“蜂窩”材料； 更為普遍的是由大量多面體形狀的孔洞在空間聚集形成的三維結構, 通常稱之為“泡沫”材料。如果構成孔洞的固體只存在于孔洞的邊界(即孔洞之間是相通的)，則稱為開孔；如果孔洞表面也是實心的，即每個孔洞與周圍孔洞完全隔開， 則稱為閉孔； 而有些孔洞則是半開孔半閉孔的。
　 　 含一定數量孔洞的固體叫多孔材料，是一種由相互貫通或封閉的孔洞構成網絡結構的材料，孔洞的邊界或表面由支柱或平板構成。典型的孔結構有一種是由大量多邊形孔在平面上聚集形成的二維結構，由于其形狀類似于蜂房的六邊形結構而被稱為“蜂窩”材料更為普遍的是由大量多面體形狀的孔洞在空間聚集形成的三維結構，通常稱之為“泡沫”材料。有的文獻把孔隙率從份的叫多孔材料，大于的叫泡沫材料。而從大量的國內外文獻來看，稱為泡沫材料的孔隙率并未大于，如熟知的泡沫鋁，其孔隙率往往低于，有的文獻把孔隙率從一的叫泡沫材料，還有的文獻則認為，由于該材料最初采用發泡法制備，曾稱之為發泡材料，以后發展了滲流等制備法，稱之為通氣性材料，更合適的名稱應為多孔 泡沫材料，簡稱多孔材料或泡沫材料。總之，目前沒有一個統一、嚴格、公認的定義。多數學者將多孔材料和泡沫材料視為等同概念。 多孔材料在自然界中普遍存在如木材、軟木、海綿和珊瑚等(“cellulose”這個詞就來源于意為“充滿小孔的”拉丁小詞“cellula”）。
　 　 千百年來，這些天然的多孔材料被人們廣泛利用。在多年前的古埃及金字塔中就已經使用了木制建材在羅馬時代軟木就被用作酒瓶的瓶塞。近代人們開始自己制造多孔材料，其中最簡單的是由大量相似的棱形孔洞組成的蜂窩狀材料，可用作輕質構件。更常見的是高分子泡沫材料，其用途廣泛，可用于小到隨處可見的咖啡杯，大到飛機坐艙的減震墊。現代技術的發展使得金屬、陶瓷、玻璃等材料也能像聚合物那樣發泡。這些新型泡沫材料正逐漸地被用作絕緣、緩沖、吸收沖擊能量的材料，從而發揮了其由多孔結構決定的獨特的綜合性能。
　 　 分類
　 　 上面按孔徑尺寸分類的方法源國際純化學及應用化學組織，為推動多孔材料的研究，推薦了上述專門術語。按照孔徑大小的不同，多孔材料又可以分為微孔（孔徑小于2 nm ）材料、介孔（孔徑 2-50 nm ）材料和大孔（孔徑大于50 nm ）材料。
　 　 一般特性
　 　 相對連續介質材料而言, 多孔材料一般具有相對密度低、比強度高、比表面積高、重量輕、隔音、隔熱、滲透性好等優點。具體來說, 多孔材料一般有如下六種特性:
　 　 機械性能的改變
　 　 應用多孔材料能提高強度和剛度等機械性能, 同時降低密度, 這樣應用在航天、航空業就有一定的優勢, 據測算, 如果將現在的飛機改用多孔材料, 在同等性能條件下, 飛機重量減小到原來的一半。應用多孔材料另一機械性能的改變是沖擊韌性的提高, 應用于汽車工業能有效降低交通事故對乘客的創造傷害。
　 　 對機械波及機械振動的傳播性能的改變
　 　 波傳播至兩種介質的界面上時, 會發生反射和折射。由于多孔的存在, 增多了反射和折射的可能, 同時衍射的可能也增多了。所以多孔材料能起到阻波的作用。利用這種性質, 多孔材料可以用作隔音材料、減振材料和抗爆炸沖擊的材料。
　 　 對光電性能改變
　 　 選擇滲透性
　 　 由于目前人們已經能制造出規則孔型而且排列規律的多孔材料,并且, 孔的尺寸和方向已經可以控制。利用這種性能可以制成分子篩, 比如高效氣體分離膜、可重復使用的特殊過濾裝置等。
　 　 選擇吸附性
　 　 由于每種氣體或液體分子的直徑不同, 其運動的自由程不同, 所以不同孔徑的多孔材料對不同氣體或液體的吸附能力就不同。可以利用這種性質制作出用于空氣或水凈化的高效氣體或液體分離膜, 這種分離膜甚至還可重復使用。
　 　 化學性能的改變
　 　 多孔材料由于密度的變小, 一般材料的活性都將增加。基于具有分子識別功能的多孔材料而產生的人造酶, 能大大提高催化反應速度。多孔材料具有獨特的光學性能, 微孔的多孔硅材料在激光的照射下可以發出可見光, 將成為制造新型光電子元件的理想材料。多孔材料的特殊光電性能還可以制出燃料電池的多孔電極, 這種電池被認為是下一代汽車最有前途的能源裝置。
　 　 材料的構成和性能
　 　 燒結多孔材料雖然力學性能和耐腐蝕性能等因存在孔隙而不如致密金屬，但有些性能如熱交換能力、電化學活性、催化作用等卻因比表面增大而比致密金屬好得多。多孔材料還具有一系列致密金屬所沒有的功能，如孔隙能透過氣、液介質，能吸收能量，或起緩沖作用。燒結多孔材料因用途不同而各具特殊性能，如對過濾材料要求過濾精度、透過性和再生性；對某些多孔材料要求熱交換效率、電化學活性、聲阻性、電子發射能力等。
　 　 表征多孔結構的主要參數是：孔隙度、平均孔徑、最大孔徑、孔徑分布、孔形和比表面。除材質外，材料的多孔結構參數對材料的力學性能和各種使用性能有決定性的影響。由于孔隙是由粉末顆粒堆積、壓緊、燒結形成的；因此,原料粉末的物理和化學性能,尤其是粉末顆粒的大小、分布和形狀，是決定多孔結構乃至最終使用性能的主要因素。多孔結構參數和某些使用性能（如透過性等）都有多種測定原理和方法。孔徑常用氣泡法、氣體透過法、吸附法和汞壓法等來測定，比表面常用低溫氮吸附法和流體透過法來測定。選擇測定方法時應盡量選用與使用條件相近的方法。流體透過多孔體的運動在層流條件下服從達西公式，即流速與壓力梯度成正比，與流體粘度成反比，其比例常數即透過系數為反映材料透過能力的特征參數。當貫通孔隙度、孔徑增大時，或多孔體厚度、流體粘度減小時，燒結多孔材料的透過能力隨之增大。燒結多孔材料的力學性能不僅隨孔隙度、孔徑的增大而下降，還對孔形非常敏感，即與“缺口”效應有關。孔隙度不變時，孔徑小的材料透過性小，但因顆粒間接觸點多，故強度大。過濾精度即阻截能力是指透過多孔體的流體中的最大粒子尺寸，一般與最大孔徑值有關。孔徑分布是多孔結構均勻性的判據。對于過濾材料要求在有足夠強度的前提下，盡可能增大透過性與過濾精度的比值。根據這些原理，發展出用分級的球形粉末為原料，制成均勻的多孔結構，用粉末軋制法制造多孔的薄帶和焊接薄壁管，發展出粗孔層與細孔層復合的雙層多孔材料。
　 　 多孔材料可由多種金屬和合金以及難熔金屬的碳化物、氮化物、硼化物和硅化物等制成，但常用的是青銅、不銹鋼、鎳及鈦等。多孔材料的孔隙度一般在15%以上，最高可達90%以上，孔徑從幾百埃到毫米級。多孔材料的孔隙度一般粗分為低孔隙度(<30%)、中孔隙度(30～60%)、高孔隙度(>60%)三類，孔徑分為粗孔(>50μm)、中等孔（2～50μm）和微孔(<2μm)三種。低孔隙度的多孔材料主要是含油軸承，高孔隙度的還包括金屬纖維多孔材料和泡沫金屬，主要用于電池極板、絕熱、消音、防震等。大量使用的過濾材料和發汗冷卻材料（見金屬發汗材料）多為中等孔隙度。過濾用的多孔材料可按過濾精度和流量分成等級系列。
　 　 制造工藝
　 　 制造多孔材料的粉末原料，可根據用途和性能要求，選用球形和不規則形狀的粉末或金屬纖維。用球形粉末易于獲得流體阻力小、結構均勻、再生性好的過濾和流態控制用的多孔材料，但這種粉末制品的力學性能不如不規則形狀粉末的制品。不規則形狀粉末或纖維用于制造孔隙度高的材料。為了獲得由粉末顆粒疊排造成的多孔結構，制造多孔材料的成形壓力和燒結溫度一般低于制造燒結致密材料。
　 　 多孔材料的孔徑、強度等性能在很大程度上取決于所選用粉末的平均粒度、粒度分布、顆粒形狀等；為了制出預定性能的材料，通常要對粉末進行預處理，如退火、粒度分級、球化和球選以及加入各種添加劑(造孔劑、潤滑劑、增塑劑)等。成形工藝除一般的冷模壓-燒結工藝外,還可根據制品的形狀尺寸等,選用松裝燒結(簡單異形制品)、粉末軋制(厚度0.1～3mm的板、帶、管)、擠壓 (異形長制品)、等靜壓制（異形大制品）和粉漿澆注（復雜異形制品）等工藝（見粉末冶金燒結，粉末冶金成形）。如以金屬纖維作原料，常用在液體中沉積的方法制備均勻分布的纖維氈，然后再壓制、燒結成金屬纖維多孔材料。用粉末制造泡沫金屬，要將發泡劑和固化劑同粉末均勻混合成形，并在加熱過程中經發泡固化和燒結。這類泡沫金屬的孔隙度可高達90%以上。為改善綜合性能，還可用不同粒度的粉末制作不同孔徑的雙層或多層結構的材料，或將粉末與金屬網或纖維一起成形，制成纖維增強材料。
　 　 應用前景展望
　 　 在眾多的多孔材料中, 制備角度, 無序孔多孔材料的制備較易, 成本較低, 易于大量推廣和使用。例如泡沫金屬。目前常見的方法有五種:(1)粉末冶金法， 它又可分為松散燒結和反應燒結兩種;(2)滲流法;(3)噴射沉積法;(4)熔體發泡法;(5)共晶定向凝固法。圖 2 所示為滲流法, 將一定粒徑的可溶性鹽粒裝填在模具中壓實, 并隨模具一起放入爐內加熱, 同時在電阻式坩堝爐內配制所需的合金, 待合金熔化完畢, 出爐澆入模具中, 通過在金屬液表面施加一定的壓力使其滲透到粒子之間的縫隙之中;當金屬液凝固后便可得到金屬合金與粒子的復合體, 用水將復合體中的鹽粒溶去, 即可制得具有三維連通泡孔的泡沫合金。但是這種方法生產的材料性能不均勻, 質量很難控制。
　 　 可控孔多孔材料的制備過程相對復雜, 且技術條件要求較高。從前面分析的特性來看, 可控孔多孔材料擁有許多無序孔多孔材料所不具備的特性, 隨著新技術的發展, 可控孔多孔材料的制備方法將越來越成熟, 這類方法必將成為今后多孔材料科學的發展趨勢。