多孔材料
- 多孔材料是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料。
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相对连续介质材料而言, 多孔材料一般具有相对密度低、比强度高、比表面积高、重量轻、隔音、隔热、渗透性好等优点。具体来说, 多孔材料一般有如下六种特性:
应用多孔材料能提高强度和刚度等机械性能, 同时降低密度, 这样应用在航天、航空业就有一定的优势, 据测算, 如果将飞机改用多孔材料, 在同等性能条件下, 飞机重量减小到原来的一半。应用多孔材料另一机械性能的改变是冲击韧性的提高, 应用于汽车工业能有效降低交通事故对乘客的创造伤害。
波传播至两种介质的界面上时, 会发生反射和折射。由于多孔的存在, 增多了反射和折射的可能, 同时衍射的可能也增多了。所以多孔材料能起到阻波的作用。利用这种性质, 多孔材料可以用作隔音材料、减振材料和抗爆炸冲击的材料。
多孔材料具有独特的光学性能, 微孔的多孔硅材料在激光的照射下可以发出可见光, 将成为制造新型光电子元件的理想材料。多孔材料的特殊光电性能还可以制出燃料电池的多孔电极, 这种电池被认为是下一代汽车最有前途的能源装置。
由于人们已经能制造出规则孔型而且排列规律的多孔材料,并且, 孔的尺寸和方向已经可以控制。利用这种性能可以制成分子筛, 比如高效气体分离膜、可重复使用的特殊过滤装置等。
由于每种气体或液体分子的直径不同, 其运动的自由程度不同, 所以不同孔径的多孔材料对不同气体或液体的吸附能力就不同。可以利用这种性质制作出用于空气或水净化的高效气体或液体分离膜, 这种分离膜甚至还可重复使用。
多孔材料由于密度的变小, 一般材料的活性都将增加。基于具有分子识别功能的多孔材料而产生的人造酶, 能大大提高催化反应速度。
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(>50nm)、中等孔（2～50nm）和微孔(<2nm)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。
含一定数量孔洞的固体叫多孔材料，孔洞的边界或表面由支柱或平板构成。典型的孔结构有一种是由大量多边形孔在平面上聚集形成的二维结构，由于其形状类似于蜂房的六边形结构而被称为“蜂窝”材料。
更为普遍的是由大量多面体形状的孔洞在空间聚集形成的三维结构，通常称之为“泡沫”材料。有的文献把孔隙率充分的叫多孔材料，大于多孔材料孔隙率的叫泡沫材料。而从大量的国内外文献来看，称为泡沫材料的孔隙率并未大于多孔材料的孔隙率，如熟知的泡沫铝，其孔隙率往往低于多孔材料的孔隙率，有的文献把孔隙率较低的叫泡沫材料，还有的文献则认为，由于该材料最初采用发泡法制备，曾称之为发泡材料，以后发展了渗流等制备法，称之为通气性材料，更合适的名称应为多孔 泡沫材料，简称多孔材料或泡沫材料。总之，没有一个统一、严格、公认的定义。多数学者将多孔材料和泡沫材料视为等同概念。 多孔材料在自然界中普遍存在如木材、软木、海绵和珊瑚等(“cellulose”这个词就来源于意为“充满小孔的”拉丁小词“cellula”）。
千百年来，这些天然的多孔材料被人们广泛利用。在多年前的古埃及金字塔中就已经使用了木制建材在罗马时代软木就被用作酒瓶的瓶塞。近代人们开始自己制造多孔材料，其中最简单的是由大量相似的棱形孔洞组成的蜂窝状材料，可用作轻质构件。更常见的是高分子泡沫材料，其用途广泛，可用于小到随处可见的咖啡杯，大到飞机坐舱的减震垫。现代技术的发展使得金属、陶瓷、玻璃等材料也能像聚合物那样发泡。这些新型泡沫材料正逐渐地被用作绝缘、缓冲、吸收冲击能量的材料，从而发挥了其由多孔结构决定的独特的综合性能。
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楼主你好! 因为空气的导热系数最低，在大气压下温度250K，空气密度1.4128，K导电系数=0.02227 W/m·C。这样设计多通孔，让热量损失更难，就起到了隔热和防止热量散失的功效。
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上面按孔径尺寸分类的方法源国际纯化学及应用化学组织，为推动多孔材料的研究，推荐了上述专门术语。按照孔径大小的不同，多孔材料又可以分为微孔（孔径小于2 nm ）材料、介孔（孔径 2-50 nm ）材料和大孔（孔径大于50 nm ）材料。
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。
在众多的多孔材料中, 制备角度, 无序孔多孔材料的制备较易, 成本较低, 易于大量推广和使用。例如泡沫金属。常见的方法有五种:(1)粉末冶金法， 它又可分为松散烧结和反应烧结两种;(2)渗流法;(3)喷射沉积法;(4)熔体发泡法;(5)共晶定向凝固法。图 2 所示为渗流法, 将一定粒径的可溶性盐粒装填在模具中压实, 并随模具一起放入炉内加热, 同时在电阻式坩埚炉内配制所需的合金, 待合金熔化完毕, 出炉浇入模具中, 通过在金属液表面施加一定的压力使其渗透到粒子之间的缝隙之中;当金属液凝固后便可得到金属合金与粒子的复合体, 用水将复合体中的盐粒溶去, 即可制得具有三维连通泡孔的泡沫合金。但是这种方法生产的材料性能不均匀, 质量很难控制。
可控孔多孔材料的制备过程相对复杂, 且技术条件要求较高。从前面分析的特性来看, 可控孔多孔材料拥有许多无序孔多孔材料所不具备的特性, 随着新技术的发展, 可控孔多孔材料的制备方法将越来越成熟, 这类方法必将成为今后多孔材料科学的发展趋势。
无机多孔材料具有比表面积大(见表)、密度小、 热导率小、相对密度小、孔隙率大等特点，主要用途是作催化剂（包括载体）、吸附剂（脱色）、保温、绝热、污水和废气处理、过滤液体和气体（甚至细菌）、轻质建筑材料，消除大气中的二氧化氮和二氧化硫尾气、宇宙飞船中消除二氧化碳及水,在农业上可用来改良土壤,还可以用作水泥、橡胶、塑料和造纸工业中的填料和色谱中的固定相等。 天然多孔材料中以硅藻土和沸石（见分子筛）最具代表性。
人工多孔材料名目繁多，既有单一组成的，又有多组分，用途也各不相同。它们都是经过不同的处理而形成多孔的。各种材料的人工造孔方法也不同，例如：①活性炭是木材或煤经干馏而成，主要成分是具不规则石墨结构的碳。②多孔氧化铝（又称活性氧化铝）是由氢氧化铝脱水而得。③有一类多孔材料则是在制造过程中加入一定量的发泡剂以形成孔，如泡沫混凝土和泡沫玻璃等(用于土木建筑工程或作保温材料)。④有的多孔材料是靠制造加热过程中体积膨胀而成孔，如蛭石经受热后体积可膨胀20～30倍，从而形成多孔。⑤化学处理也可成孔，如微孔玻璃是碱金属硼硅酸盐玻璃在一定条件下，用酸处理而获得孔径大小不同的玻璃。⑥多孔陶瓷的造孔方法是在配料中加入一定量的可燃尽物质（如木炭粉或砻糠），在低温下烧成时，使主体材料间造成孔隙；或者在高温下形成一定量的液相，在主体材料粘结的同时收缩而造成孔隙。⑦一些工业废渣，如粉煤灰中，有一部分空心玻璃珠（又称漂珠）也是多孔材料。2100433B
多孔材料是材料科学的一个重要分支，对我们的科学研究、工业生产具有重要的意义。多孔材料是指具有大量的一定尺寸孔隙结构和较高比表面积的材料。多孔材料研究工作十分活跃。无论是制备方法的创新和改善，还是物理性能的研究和利用，都取得了长足进展。随着制备方法研究的深入和完善，多孔材料的应用范围将更加广泛，必将成为今后一种极具应用潜力的新材料。
全书共分5章，第1章对吸附理论、吸附等温线类型、孔结构表征、孔径分布解析方法及理论进行了详细介绍。第2章介绍了多孔炭材料制备，包括以微孔为主的活性炭和中孔炭材料。第3章主要介绍了软模板法制备有序介孔材料的方法和理论知识。第4章介绍了空心结构材料的制备方法和原理。第5章介绍无机膜材料的制备、表征方法和原理。
这类材料的物理结构特征是材料内部有大量的、互相贯通的、向外敞开的微孔，即材料具有一定的透气性。工程上广泛使用的有纤维材料和灰泥材料两大类。前者包括玻璃棉和矿渣棉或以此类材料为主要原料制成的各种吸声板材或吸声构件等；后者包括微孔砖和颗粒性矿渣吸声砖等。
吸声机理和频谱特性多孔吸声材料的吸声机理是当声波入射到多孔材料时，引起孔隙中的空气振动。由于摩擦和空气的粘滞阻力,使一部分声能转变成热能;此外，孔隙中的空气与孔壁、纤维之间的热传导，也会引起热损失，使声能衰减。
多孔材料的吸声系数随声频率的增高而增大，吸声频谱曲线由低频向高频逐步升高，并出现不同程度的起伏，随着频率的升高，起伏幅度逐步缩小，趋向一个缓慢变化的数值。
影响多孔材料吸声性能的因素影响多孔材料吸声性能的参数主要有：①流阻，它是在稳定的气流状态下，吸声材料中的压力梯度与气流线速度之比。当厚度不大时，低流阻材料的低频吸声系数很小,在中、高频段,吸声频谱曲线以比较大的斜率上升，高频的吸声性能比较好。增大材料的流阻，中、低频吸声系数有所提高；继续加大材料的流阻，材料从高频段到中频段的吸声系数将明显下降，此时，吸声性能变劣。所以，对一定厚度的多孔材料，有一个相应适宜的流阻值，过高和过低的流阻值，都无法使材料具有良好的吸声性能。②孔隙率，指材料中连通的孔隙体积与材料总体积之比，多孔吸声材料的孔隙率一般在70％以上，多数达90％。③结构因数，材料中间隙的排列是杂乱无章的，但在理论上往往采用毛细管沿厚度方向纵向排列的模型，所以，对具体的多孔材料必须引进结构因数加以修正。多孔材料结构因数,一般在2～10之间，也有高达20～25的。在低频范围内，结构因数基本不起作用，这是因为在这个范围内，空气惯性的影响很小，而弹性起主要作用。当材料流阻比较小时，若增大结构因数，在高、中频范围内，可以看到吸声系数的周期性变化。
在吸声理论中，用流阻、孔隙率、结构因数来确定材料的吸声特性，而在实际应用上，通常是以材料厚度、容重（重量／体积）来反映其结构状态和确定其吸声特性。增加材料的厚度，可提高低、中频吸声系数，但对高频吸收的影响很小。如果在吸声材料和刚性墙面之间留出空间，可以增加材料的有效厚度，提高对低频的吸声能力。由于材料流阻和容重往往存在着对应关系，因此在工程应用上往往通过调整材料的容重以控制材料的流阻。容重对材料吸声性能的影响是复杂的，但是厚度的变化比起容重的变化对材料吸声性能的影响要大，也就是厚度的影响是第一位的，而容重的影响则是第二位的。
此外，材料的表面处理、安装和布置方式以及温度、湿度等对材料吸声性能也有影响。
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