第1章多孔材料概述

多孔材料普遍存在于我们的周围并广泛出现在我们的日常生活中，起着结构、缓冲、减震、隔热、消音、过滤等方方面面的作用。高孔率固体刚性高而且体积密度低，故天然多孔固体往往作结构体之用，如木材和骨骼； 而人类对多孔材料的使用，除了结构方面之外，更多的是功能方面的用途，而且开发了许多功能与结构一体化的应用。本章主要介绍这种重要材料的基本概念和特点。
1.1多孔材料的基本概念
顾名思义，多孔材料是一类包含大量孔隙的材料。这种多孔固体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，其中流体相又可能随孔隙中所含介质的不同而出现两种情况，即介质为气体的气相和介质为液体的液相。
那么，是否含有孔隙的材料就能称之为多孔材料呢？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隙，这些孔隙的出现会降低材料的使用性能，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； 二是所含孔隙被用来满足某种或某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多孔材料的主要类属
不同多孔材料的相对孔隙含量（即孔率，又称孔隙率和孔隙度）是变化的。根据孔率的大小可将其分为中低孔率多孔材料和高孔率多孔材料： 前者孔隙多为封闭型（图1.1），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不同的情况（图1.2~图1.4）。其中第一种情况为连续固体作多边形二维排列，孔隙相应地呈柱状空间分隔地存在，其孔隙的轴向截面形状则一般为三角形、四边形和六边形（图1.2），类似于蜜蜂的六边形巢穴，因而这种二维多孔材料被形象地称为“蜂窝材料”。藕状材料（定向孔隙多孔材料）则有着与蜂窝材料相似的结构，但孔隙截面一般为圆形和椭圆形，孔隙在长方向一般不能贯通，且孔隙没有那么



图1.1低孔率多孔材料内部孔隙结构示例


（注： 标*照片为本书作者或其指导研究生的制品，
标**照片为本书作者拍摄作品，其余引自参考文献，全书同）



多孔材料引论（第2版）
第1章多孔材料概述



图1.2二维蜂窝材料示例


(a) 正六边形孔隙的蜂窝材料;  (b) 准六边形孔隙的蜂窝材料; 

(c) 正方形孔隙的蜂窝材料;  (d) 三角形孔隙的蜂窝材料




均匀、排列没有那么紧密。第二种情况是连续固体呈三维网状结构（图1.3），这种三维多孔材料可称为“三维网状泡沫材料”。该类泡沫材料形成的孔隙是相互连通的，属于典型的通孔结构。第三种情况是连续固体呈球形、椭球形或多面体壁面结构（图1.4），这种三维多孔材料称为“胞状泡沫材料”。在此类泡沫材料中，孔隙壁面可以分隔出一个个封闭的孔隙，构成闭孔胞状泡沫材料（图1.4(a)）； 孔隙壁面也可以是打通的，从而构成通孔胞状泡沫材料（图1.4(b)）。从文献来看，习惯上大多将上述三维网状泡沫材料叫做“开孔泡沫材料”，将闭孔胞状泡沫材料叫做“闭孔泡沫材料”，将通孔胞状泡沫材料叫做“半开孔泡沫材料”，即习惯上所谓介于开孔材料和闭孔材料之间的结构。





图1.3三维网状泡沫材料示例*




图1.4胞状泡沫材料示例


(a) 闭孔胞状泡沫材料;  (b) 通孔胞状泡沫材料



多孔固体包括天然多孔固体和人造多孔材料两大类。天然多孔固体的存在是十分普遍的，例如动物和人类用来支撑肢体的骨骼（参见图1.5），植物用来进行光合作用的叶片（见图1.6），还有木材（见图1.7）、海绵、珊瑚（图1.8）、浮石（图1.9）和火山岩（图1.10）等。火山岩是一种天然的多孔材料，可直接用作某些建筑材料或者直接用其制作艺术品（图1.11）。但从“材料”的概念来看，要将人和动物的活体骨骼以及活体树干等天然多孔固体直接称为“天然多孔材料”却并不合适。当然，如果树木被人类砍伐用以制作某种构件或设施时，即成为所谓天然多孔材料，例如用来制作建筑构件、家具等的木材。植物叶片和活树干中的孔隙内所含流体相均为液体即树液，而人造多孔材料中的孔隙内所含流体相多为气相。
对于人造三维多孔材料，还可按材质组成的不同再分为多孔金属、多孔陶瓷和泡沫塑料等几个类型。



图1.5网状多孔骨质形貌示例


(a) 人体股骨的SEM图像;  (b) 鲸鱼骨的光学照片**





图1.6植物叶片多孔结构示例——常春藤叶片的横截面形貌





图1.7杉木中3个正交截面的显微图像


(a) 径向;  (b) 切向;  (c) 轴向





图1.8珊瑚表观多孔形貌示例**





图1.9浮石表观多孔形貌示例**





图1.10火山岩截面多孔形貌示例**




图1.11火山岩制作的艺术品示例**



1.3多孔金属材料
多孔金属材料是一种兼具功能和结构双重属性的新型工程材料，在近30年来得到了迅速的发展。这种轻质材料不仅保留了可焊性、导电性及延展性等金属特性，而且具备体积密度低、比表面积大、吸能减震、消音降噪、电磁屏蔽、透气透水、低热导率等自身的特性。因此，其应用在不断增加，其研究是国际材料界的一个前沿热点。
下面介绍根据几种主要的制备方法获得的多孔金属材料及其各种类型的主要特点。
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、孔径和孔率可控、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，孔径大都小于0.3 mm，孔率一般不高于30%，但也可通过特殊的工艺方案制成孔率远远大于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，各种油类与工作气体要进行严格的精过滤； 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。一般的有机或陶瓷、玻璃等多孔体总是难以同时满足强度、塑性、高温等使用条件，粉末冶金多孔金属材料则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。“二战”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； 多孔铁代替铜作炮弹箍； 铁过滤器用于灭焰喷射器等。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、Inconel、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。图1.12是一种粉末烧结型多孔铝材料的微观形貌。



图1.12粉末烧结型多孔铝的微观形貌示例： 光学显微照片(比例为4∶1)


2） 纤维烧结型
该类多孔金属材料是缘于上述应用对已有多孔体的改进。用金属纤维所制多孔材料，其一些性能可以优于金属粉末所制多孔材料。比如用直径与金属粉末粒度相同的金属纤维制取的过滤材料，其渗透性要比用粉末制取的高很多倍。此外，它还具有较高的机械强度、抗腐蚀性能和热稳定性能。该材料孔率可达90%以上，全部为贯通孔，塑性和冲击韧性好，容尘量大，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”。发展最早的是美国MEMTEC公司，随后比利时、日本、中国等相继建立生产线进行规模生产。图1.13显示了一种由金属纤维烧结工艺制备的多孔体结构。


图1.13烧结金属纤维多孔材料的微观形貌示例


3） 熔体铸造型
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率范围和具备各种形状的孔隙，其典型代表是发泡法和渗流法所制备的泡沫铝。其中发泡法产品大多为闭孔隙和半通孔的多孔材料（图1.14），渗流法产品一般为三维网状连通孔隙的高孔率产品。



图1.14发泡法所制泡沫铝的表观形貌示例


4） 金属沉积型
该类多孔金属材料系由原子态金属在有机多孔基体内表面沉积后，除去有机体并烧结而成，其主要特点是孔隙连通，孔率高（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非常重要的地位。从某种意义上可以说，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，这是其他多孔金属产品难于达到的。但是，它的特性也决定了它的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应用。而应用的拓宽和使用的需要，促进其在20世纪80年代得到迅速发展。目前在国内外均大规模批量生产，其典型产品是电沉积法制备的泡沫镍和泡沫铜。图1.15是本书作者采用电沉积法制备的金属镍泡沫体形貌。


图1.15金属沉积法所得泡沫制品形貌示例*


(a) 镀层较薄的样品;  (b) 镀层较厚的样品


5） 定向凝固型
该类多孔金属材料由溶解在金属熔体中的气体在定向冷却过程中析出气泡所形成，因其制品的构造十分类似于植物藕根（图1.16），因此被形象地称为“藕状金属”，也称“定向孔隙多孔金属”。


图1.16采用固-气共晶定向凝固法（GASAR法）制备的藕状金属示例

6） 复合型
该类多孔材料即多孔金属复合材料。它是将不同金属或是将金属与非金属复合在一起制成同一件多孔体，如在石墨毡上电镀一层镍制成的石墨-镍复合多孔材料，三维网状泡沫镍注入熔融铝合金形成的泡沫镍铝合金复合材料； 也可由多孔金属作芯体制成夹合的金属复合多孔体，如用不锈钢纤维毡与丝网复合制作的复网毡，泡沫铝与金属面板复合制作的夹层结构等。通过复合，使产品获得了不同材料各自的优点，并具有综合基础上的提高，从而产生一种全新的综合性能，更好地满足产品的使用要求。




此外，还有一些比较特别的方法制备出来的多孔金属材料，其中有的可归于以上类型，有的则自成一类。
1.4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。其孔径由埃(1 =10-10 m)级到毫米级不等，孔率范围在20%~95%，使用温度可由常温一直到1600℃。