多孔陶瓷材料论述

★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(SolGel)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..........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，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。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。1.2.1.4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（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1600ºC。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2~5nm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微孔介孔宏孔22~5050表1.2过滤材料的孔隙尺寸分类定义孔隙尺寸/nm高超滤超滤微滤颗粒过滤器〈12~100100~50005000按材质的不同，多孔陶瓷