多孔材料

[拼音]：duokong cailiao

[外文]：porous materials

用粉末冶金方法制造的内部存在大量孔隙的材料。这类材料通常包括具有过滤分离、流体控制、热交换、电化学反应、声阻、缓冲等特殊功能的多孔材料，这些功能都是利用孔隙的物理特性获得的（见图）。广义地说，这类材料还包括含油轴承（见减摩材料）和用粉末冶金方法制造的密封材料、泡沫金属等。

1923年，美国克劳斯（C.Claus）用粉末冶金法制成过滤器获得美国专利权。30年代开始用青铜、镍、铁等多孔材料生产过滤器，用于过滤空气、燃料、润滑油等。第二次世界大战期间，多孔材料的应用范围扩大了，如用于流体的压力、流量控制、预防机翼结冰、水银浸渗开关、气体扩散分离等。战后，不锈钢多孔材料实现了工业生产，并得到广泛应用。60年代以来，随着应用领域的不断扩大，粉末制造方法及其成形技术的不断发展，粉末冶金多孔材料得到了全面的发展。如在材质方面，有钨、钛等多孔新材料的出现；在结构方面，有多层和纤维增强等多孔复合结构的产生；在工艺方面，有粉末轧制、挤压和等静压制等新工艺的研制成功；在产品方面，有纤维多孔材料和泡沫金属等新的类型的问世等等。中国在50年代开始生产青铜过滤器；60年代开始生产不锈钢多孔材料和高孔隙、超微孔多孔材料；70年代研制成钛多孔材料、纤维增强多孔材料、多孔动密封材料和泡沫金属等。

烧结多孔材料除具有优异可控的多孔结构特性外，还保持一定的金属和合金特性，如耐高温、耐低温、耐压、抗介质腐蚀、抗热震、导热、导电、可焊接、可加工等等；它的综合性能高于传统的纸制的、棉和化纤织品的、陶瓷的、玻璃的、金属丝、金属网的过滤材料，因而应用日益广泛。

材料的构成和性能

烧结多孔材料虽然力学性能和耐腐蚀性能等因存在孔隙而不如致密金属，但有些性能如热交换能力、电化学活性、催化作用等却因比表面增大而比致密金属好得多。多孔材料还具有一系列致密金属所没有的功能，如孔隙能透过气、液介质，能吸收能量，或起缓冲作用。烧结多孔材料因用途不同而各具特殊性能，如对过滤材料要求过滤精度、透过性和再生性；对某些多孔材料要求热交换效率、电化学活性、声阻性、电子发射能力等。

表征多孔结构的主要参数是：孔隙度、平均孔径、最大孔径、孔径分布、孔形和比表面。除材质外，材料的多孔结构参数对材料的力学性能和各种使用性能有决定性的影响。由于孔隙是由粉末颗粒堆积、压紧、烧结形成的；因此，原料粉末的物理和化学性能，尤其是粉末颗粒的大小、分布和形状，是决定多孔结构乃至最终使用性能的主要因素。多孔结构参数和某些使用性能（如透过性等）都有多种测定原理和方法。孔径常用气泡法、气体透过法、吸附法和汞压法等来测定，比表面常用低温氮吸附法和流体透过法来测定。选择测定方法时应尽量选用与使用条件相近的方法。流体透过多孔体的运动在层流条件下服从达西公式，即流速与压力梯度成正比，与流体粘度成反比，其比例常数即透过系数为反映材料透过能力的特征参数。当贯通孔隙度、孔径增大时，或多孔体厚度、流体粘度减小时，烧结多孔材料的透过能力随之增大。烧结多孔材料的力学性能不仅随孔隙度、孔径的增大而下降，还对孔形非常敏感，即与“缺口”效应有关。孔隙度不变时，孔径小的材料透过性小，但因颗粒间接触点多，故强度大。过滤精度即阻截能力是指透过多孔体的流体中的最大粒子尺寸，一般与最大孔径值有关。孔径分布是多孔结构均匀性的判据。对于过滤材料要求在有足够强度的前提下，尽可能增大透过性与过滤精度的比值。根据这些原理，发展出用分级的球形粉末为原料，制成均匀的多孔结构，用粉末轧制法制造多孔的薄带和焊接薄壁管，发展出粗孔层与细孔层复合的双层多孔材料。

多孔材料可由多种金属和合金以及难熔金属的碳化物、氮化物、硼化物和硅化物等制成，但常用的是青铜、不锈钢、镍及钛等。多孔材料的孔隙度一般在15％以上，最高可达90％以上，孔径从几百埃到毫米级。多孔材料的孔隙度一般粗分为低孔隙度(＜30％)、中孔隙度(30～60％)、高孔隙度(＞60％)三类，孔径分为粗孔(＞50μm)、中等孔（2～50μm）和微孔(＜2μm)三种。低孔隙度的多孔材料主要是含油轴承，高孔隙度的还包括金属纤维多孔材料和泡沫金属，主要用于电池极板、绝热、消音、防震等。大量使用的过滤材料和发汗冷却材料（见金属发汗材料）多为中等孔隙度。过滤用的多孔材料可按过滤精度和流量分成等级系列。

制造工艺

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。

参考书目

Fundamental Principles of Powder Metallurgy