第十一章多孔材料详解
多孔材料概述
多孔材料概述简介多孔材料是一种具有特殊结构的材料，其中包含许多微小的孔隙。
这些孔隙可以是以规则或不规则排列，大小和分布也各不相同。
多孔材料因其独特的性质和广泛的应用而备受关注。
本文将对多孔材料进行全面、详细、完整且深入地探讨。
多孔材料的分类根据孔隙大小，多孔材料可分为微孔材料和介孔材料。
微孔材料的孔隙尺寸通常在2纳米至50纳米之间，而介孔材料的孔隙尺寸可以达到50纳米至500纳米。
根据孔隙结构的形状和类型，多孔材料又可以分为连通孔、非连通孔、开放孔和闭合孔等。
多孔材料的制备方法制备多孔材料的方法多种多样。
下面列举几种常见的制备方法：模板法模板法是一种常用的多孔材料制备方法。
它使用具有孔隙结构的模板材料作为模板，在模板材料上沉积或浸渍其他材料，并经过烧结或溶解来得到多孔材料。
溶胶凝胶法溶胶凝胶法通过溶胶的凝胶化过程制备多孔材料。
首先，将溶胶中的固态颗粒进行分散，并形成胶体溶胶。
然后通过共聚或凝胶化反应使溶胶颗粒连接成网状结构，并形成凝胶。
最后，通过干燥和热处理去除模板剂和获得多孔材料。
碳化法碳化法是一种制备碳基多孔材料的方法。
通常使用金属有机化合物或聚合物作为碳源，在高温下进行热解或碳化反应。
这种方法可以在制备过程中控制孔隙大小和分布，并且可以通过后续处理改变材料的表面性质。
多孔材料的性质与应用多孔材料具有许多独特的性质，这些性质使其在各种领域有着广泛的应用。
下面介绍几个常见的应用领域：吸附材料由于多孔材料具有大量的表面积和高度发达的孔隙结构，因此它们在吸附材料领域具有重要的应用。
多孔材料可以用于气体分离、水处理、催化剂载体等方面。
储能材料多孔材料可以用于制备电池、超级电容器和储氢材料等储能器件。
由于多孔材料具有较高的比表面积和孔隙结构，这些材料具有较高的储能性能和快速的离子传递速度。
隔热材料多孔材料中的孔隙可以减少热传导，因此多孔材料常被用作隔热材料。
这些材料常用于建筑、航空航天和能源行业，以减少能量损失和提高系统效率。
多孔材料概述
多孔材料概述多孔材料是一种具有高度开放孔隙结构的材料，其表面具有大量的微孔和介孔，这些孔隙可以与外界环境相互作用，具有诸多特殊的物理、化学和机械性能。
多孔材料广泛应用于吸附、分离、催化、传质、过滤、吸音等领域，成为当代材料科学中的重要研究方向。
多孔材料的特点是其比表面积巨大，从而具有较强的吸附能力。
多孔材料的孔隙结构可以提供大量的吸附位点，吸附分子可以在孔隙中扩散和吸附，从而实现气体或溶液中物质的吸附和分离。
例如，活性炭是一种常用的多孔材料，其孔隙结构可以吸附有机物质、气体和重金属离子，被广泛应用于废水处理、空气净化和催化剂载体等领域。
多孔材料还具有良好的分离性能。
由于多孔材料具有独特的孔隙结构和表面化学性质，可以通过选择性吸附、分子筛效应、离子交换等方式实现对混合物的分离。
例如，分子筛是一种由多孔材料构成的固体，其孔隙结构可以选择性地吸附分子的大小和极性，从而实现对混合物的分离和纯化。
多孔材料还具有良好的催化性能。
多孔材料的孔隙结构可以提供大量的催化活性位点，加速反应物质的扩散和反应。
例如，金属有机骨架材料（MOF）是一类具有高度有序孔隙结构的多孔材料，其孔隙内的金属离子和有机配体可以形成独特的催化活性位点，具有优异的催化性能。
MOF材料已被广泛研究和应用于气体储存、分离和催化反应等领域。
多孔材料还具有良好的传质性能。
多孔材料的孔隙结构可以提供大量的扩散通道，加速物质的传质过程。
例如，陶瓷膜是一种由多孔材料构成的膜，其孔隙结构可以实现气体和液体的分离和传递。
陶瓷膜广泛应用于气体分离、液体过滤和膜反应器等领域。
多孔材料还具有良好的吸音性能。
多孔材料的孔隙结构可以吸收和散射声波，减弱声音的传播。
例如，声学泡沫是一种由多孔材料构成的材料，其孔隙结构可以吸收和隔离噪音，广泛应用于建筑隔音、汽车降噪等领域。
多孔材料具有较大的比表面积、较强的吸附能力、良好的分离性能、优异的催化性能、良好的传质性能和吸音性能等特点，被广泛应用于各个领域。
多孔材料的合成化学讲课讲稿
凝胶、层柱材料
4 多孔材料的合成机理
分子筛的转化机理 介孔材料的合成机理 多孔材料的合成机理
中硅酸根与铝酸根离子的聚合反应 阳离子的模板效应
征。
沸石与分子筛的骨架结构
在骨架中硅氧四面体是中性的，而铝氧四 面体则带有负电荷，骨架的负电荷由阳离子来 平衡。骨架中空部分（就是分子筛的孔道和笼） 可由阳离子、水或其它客体分子占据，这些阳 离子和客体分子是可以移动的，阳离子可以被 其它阳离于所交换。分子筛骨架的硅原子与铝 原于的摩尔比例常常被简称为硅铝比（Si／Al， 有时也用SiO2／Al2O3表示)。
次孔）。 ⑥溶胶-凝胶法 ⑦化学腐蚀法 ⑧多层自组装——双重模板,有控制的破坏； ⑨聚合物作模板剂； ⑩乳浊液作模板剂；
介孔和大孔材料的孔径控制：主要合成方法
• 现在有许多合成方法可被用来合成介孔材料和大孔材料，如按 产物的孔直径分类，主要有以下几种： 2～５nm，使用不同链长的表面活性剂作模板剂； 2 ～7nm，高温合成； 4 ～7nm，二次合成﹙合成后水热处理﹚； 4 ～10nm，使用带电的表面活性剂和中性有机物； 4 ～11nm，二次合成﹙水-胺合成后处理﹚；多层自组装——有 控制的破坏； 2 ～30nm，聚合物作模板剂； ＞50nm，乳浊液作模板剂； ＞150nm，胶体颗粒﹙模板剂﹚晶化。
保温隔热材料
多孔材料具有较高的气孔率和较低的基体导热系 数，所以这种材料具有很好的隔热保温效果。利 用多孔材料的这种优点可以将其用于各种防止热 辐射的场合，以及用于保温节能方面，因此从环 保和节能两方面来说都是有利的。
采用多孔材料建筑材料可以让房屋具有非常好的 保温隔热效果；航天器的热保护系统就广泛采用 了多孔材料
化学中的多孔材料研究和应用
化学中的多孔材料研究和应用随着科技的不断发展和需求的不断提高，多孔材料日益成为化学领域的研究热点。
多孔材料具有体积大、比表面积高、空隙结构多样等优良性质，能够广泛应用于催化、吸附、分离、储能等领域。
本文将着重介绍多孔材料的概念、分类及在不同领域的应用。
一、多孔材料概念及分类多孔材料是指具有孔隙结构的材料，这些孔隙具有一定的大小、形状和分布。
由于这些孔隙的存在，多孔材料比普通材料具有更大的比表面积和更高的吸附能力，因此在许多领域中具有广泛的应用。
根据孔隙大小和形状的不同，多孔材料可以分为微孔材料、介孔材料和大孔材料三类。
1. 微孔材料微孔材料的孔径一般在2-50 Å之间，具有高的比表面积、高的吸附能力和选择性。
常见的微孔材料有分子筛、活性炭、碳分子筛等。
分子筛是一种以硅铝比为基础的高孔隙材料，具有非常高的表面积、高的吸附能力和选择性。
分子筛的孔隙大小通常在0.3-1.0 nm之间，这些孔隙的形状和大小决定了分子筛在催化、吸附和分离等领域的广泛应用。
活性炭是一种多孔材料，其多孔结构和大的比表面积能使其吸附气体、液体、溶液等的能力大大增强。
目前常见的活性炭的制备方法有物理法和化学法。
碳分子筛是一种以石墨为原料制备的多孔材料，具有高的微孔比表面积、超高的孔容和较好的机械稳定性，可广泛应用于甲烷储气、二氧化碳分离等方面。
2. 介孔材料介孔材料的孔径在50 Å-500 Å之间，比微孔材料的孔径大了许多，但比大孔材料的孔径小。
介孔材料的孔径大小介于分子筛和大孔材料之间，因此它们的吸附能力和选择性通常也在这两者之间。
常见的介孔材料有硅胶、氧化铝等。
硅胶是一种具有高比表面积和良好分散性的固体颗粒，广泛应用于柱层析、催化剂载体、吸附剂等方面。
硅胶分为非晶态硅胶、晶体硅胶和中孔硅胶等多个类别。
氧化铝是一种重要的催化剂载体材料，具有良好的化学稳定性、高的塑性和较好的磨耗性。
氧化铝主要分为非晶态氧化铝、晶体氧化铝和介孔氧化铝等多个类别。
材料科学中的多孔材料的性质和应用研究
材料科学中的多孔材料的性质和应用研究多孔材料作为一种全新的材料，其在材料科学中的应用研究已经成为热门话题。
多孔材料因其具有的多种优异性能，如轻便、高强度、高渗透率、高电导率、高吸附性、低密度等，已经在众多领域得到广泛应用，包括催化、分离、传感、光学、电子、能源等方面。
本文在此基础上，就多孔材料的性质和应用研究，给出一些深入的探讨和分析。
一、多孔材料的分类和结构多孔材料按照孔径分为超微孔、微孔和介孔三类。
其中，超微孔直径小于2nm，微孔直径在2-50nm之间，介孔直径在50-500nm之间。
按照结构的不同，多孔材料又可以分为层状、三维和网络结构三种。
层状多孔材料是由两个有机分子层间距离的间隔距离形成的。
这种结构的优点是具有良好的反应性和选择性，因为它能够容易地选择具有理想层间尺度的分子进行催化反应。
但也存在缺点，如层间距离通常仅在几个纳米尺度范围内，其大多数孔道都是闭合的。
三维多孔材料是最常见的多孔材料。
这种材料具有类似于海绵的三维孔道和孔壁，孔径可以在宏观、微观和介观尺度下控制。
三维多孔材料可以用于各种反应，包括氧化、水化、加氢等，而且是催化反应的理想选择。
但是，三维多孔材料也存在一些困难，例如它们在特定条件下可能会塌陷或变形。
网络结构多孔材料则是最新发展中的一种多孔材料类型。
这种多孔材料的孔径分布范围从纳米到宏观，同时具有高度可控性和化学多样性。
由于其尺寸和几何形状的可控性较高，它们可以控制精准的反应，同时其层次结构可以进一步调优催化反应的选择性和活性。
二、多孔材料的性质1. 非常低的密度和高度的孔隙率；2. 较大的表面积和孔体积；3. 可多样性的孔径分布范围、孔道长度和形态控制；4. 调整内部孔道的表面化学环境，从而实现大分子溶剂进行有效的递交送；5. 可控制的反应能力和选择性；6. 它们不仅具有环保特性，而且可以重复使用。
三、多孔材料的应用1. 分离和过滤多孔材料由于其高度的孔隙率和较大的表面积具有良好的分离和过滤性能。
多孔材料孔结构表征ppt课件
3. 孔结构的表征技术
3. 孔结构的表征技术
总结 显微法是研究100nm以上的大孔较为有 效的手段 ，能直接提供全面的孔结构信息。 对于孔径在30nm以下的纳米材料，常用气体 吸附法来测定其孔径分布；而对于孔径在 100μm以下的多孔体，则常用压汞法来测定 其孔径分布。
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多孔材料孔结构表征
目录
1 引言 2 多孔材料的特性 3 孔结构的表征技术
1.引言
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 高而密度低，故天然多孔固体往往作为结 构体来使用，如木材和骨骼；而人类对多 孔材料使用，不但有结构的，而且还开发 了许多功能用途。
①孔径； ②孔径分布； ③孔形态； ④孔通道特性等
3. 孔结构的表征技术
3.1.显微法 显微法就是采用扫描电子显微
镜或透射电子显微镜对多孔陶瓷进 行直接观察的方法。该法是研究 100nm以上的大孔较为有效的手段 ，能直接提供全面的孔结构信息。 但显微法观察的视野小，只能得到 局部信息；而透射电子显微镜制样 较困难，孔的成像清晰度不高；显 微法是属于破坏性试验等，这些特 点使它成为其他方法的辅助手段， 用于提供有关孔形状的信息。
我们以沸石为例，现有制得的两 种沸石NaX和MNaX。
采用扫描电镜、X 射线衍射、氮 气吸附/脱附等对样品的结构表征结果
2. 孔结构的表征技术
图为NaX 和MNaX 的XRD 图谱,与标准 样对比未观察到任 何其它的杂峰, 说 明它们具有沸石固 有的FAU 拓扑结构 。MNaX 的衍射峰表 现出宽化的迹象, 说明它晶粒小。
MNaX体现出Ⅰ和Ⅳ型结合的特征，在较低的相对压力 (p/p0<0.01)下吸附量随压力的增大迅速上升, 即微孔填 充, 而后吸附量随压力的增加继续缓慢增加, 并当相对压 力达到p/p0≈0.4 时吸附量随压力增加迅速增加,吸附和脱 附过程变得不可逆, 即出现毛细凝聚现象，等温线上出 现明显的滞后环, 表现出典型的介孔材料特征。
多孔材料PPT教学课件
硅铝分子筛：亲水
应用：消除环境污染如苯、CO等 香烟过滤嘴：高科技---国家烟草局
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沸石分子筛的性质
均一孔径：强烈筛分能力 筛分氧气与氮气：重要应用项目 分子筛膜：水与氢气；氢气与烃 燃料电池重要课题
气体分离
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沸石分子筛的性质
强的离子交换能力：nM1m+---mM2n+
洗涤剂：消除水中的Mg2+与Ca2+
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第2节 沸石类材料及其结构特征
• 沸石和分子筛的性质 沸石和类沸石分子筛是应用最广泛的 催化剂和吸附剂，其结构的规则有序性， 决定了其性质的可预测性。沸石不同与其 它无机氧化物是因为沸石具有以下特殊性 质：
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（1）骨架组成的可调变性； （2）非常高的表面积和吸附容量 （3）吸附性质能被控制，可从吸水性到疏水性； （4）酸性或其他活性中心的强度和浓度能被调 整； （5）孔道规则且孔径大小正好在多数分子的尺寸 范围之内； （6）孔腔内可以有较强的电场存在； （7）复杂的孔道结构允许沸石和分子筛对产物、 反应物或中间物有形状选择性，避免副反应；
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3.高硅沸石（Si/Al＞5） 如：ZSM-5（MFI）、 ZSM-11（MEL）、β 沸 石（BEA） 4.全硅分子筛（Si/Al接近∞） 优势是没有阳离子，与含有阳离子的硅铝 酸盐沸石相比较有较大的有效孔径尺寸。 5.全硅笼合物 笼合物的结构可以看作是由小环（4、5、6或8 元环）组成的笼堆积而成，尽管骨架较为空旷， 但由于其窗口太小，几乎没有吸附能力，如方 钠石。
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•
磷酸铝（AlPO-n)作为类沸石材料， 是另一类分子筛。它们的骨架是由AlO4 四面体和PO4四面体连接而成。从概念 上讲，认为中性的磷酸铝骨架是作为中 性的纯硅分子筛中两个Si被一个Al和一 个P所取代。而且磷酸铝骨架Al或P能被 其它元素所取代生成MeAPO-n或SAPOn分子筛。
分析多孔材料的结构和性质
分析多孔材料的结构和性质多孔材料是指在其内部形成孔隙或空洞的材料。
它们在各种领域都有着广泛应用，比如催化剂、吸附剂、分离膜、传感器等。
多孔材料的结构和性质对其应用效果有着很大影响。
本文将就多孔材料的结构和性质进行分析。
一、多孔材料的结构多孔材料的结构可以分为两种类型：一种是有规则排列的孔道结构，称为晶体孔材料；另一种则是没有规则排列的孔道结构，称为非晶体孔材料。
晶体孔材料是指材料中的孔道是在确定的结构中排列出现的，这种结构与一些特殊的结晶体系具有相似的几何结构。
比如，一些具有三角形、矩形等几何形状的晶体结构，都可以在其中形成孔道结构。
这种结构通常具有很强的形状选择性，因此这种孔材料多用于分离、催化和其他具有形状选择性的应用中。
非晶体孔材料的孔道结构则是没有规则排列的。
这种结构通常是由于随机形成的孔道壁所形成的。
这种细小和分散的孔道结构有助于在材料的表面上提高分子的吸附能力，同时也能为催化反应提供高表面积和高反应位点密度的平台。
二、多孔材料的性质多孔材料的性质是由其孔隙结构所决定。
以下是多孔材料的主要性质描述：1、高比表面积由于多孔材料的孔隙结构，其具有非常高的比表面积。
这种小的颗粒能够把表面所展示出来的比例极大提高。
例如，对于一个直径为1微米的球形颗粒来说，它的表面积是6.28平方微米。
而如果将这个球形颗粒变成100个半径为50纳米的颗粒，那么其表面积将会增加至314平方微米（前提是这些颗粒在空间位置上隔开）。
2、在吸附和分离中的应用多孔材料的孔隙结构能够使得气体、液体分子通过非常具有选择性的吸附和分离过程。
这种选择性是由于孔隙的尺寸和分子之间的分子相互作用所决定的。
3、催化剂的应用多孔材料可提供高反应位点密度的平台，以及在催化反应中扮演重要的角色。
其小颗粒和小孔的结构可以增加化学反应的表面积和反应位点密度。
而且它们是催化药剂稳定化的重要因素，从而保证了催化剂的性质高效的是引入。
4、在感应器和电子学器件的应用多孔材料也可用于制备传感器和各种电子学器件。
多孔陶瓷材料论述
★多孔材料论述★第一章多孔材料概述 (2)1.1 多孔材料的概念 (2)1.2 多孔材料的类型 (2)1.2.1 多孔金属材料 (3)1.2.2 多孔陶瓷材料 (6)1.2.3 泡沫塑料 (10)1.3 结束语 (13)第二章多孔材料的应用 (14)2.1 多孔金属材料的应用 (14)2.2 多孔陶瓷材料的应用 (17)2.3 泡沫塑料的用途 (20)2.4 结束语 (21)第三章多孔金属制备 (22)第四章多孔陶瓷制备 (23)4.1 挤出成型工艺 (23)4.2 颗粒堆积成孔工艺 (24)4.3 添加造孔剂工艺 (24)4.4 发泡工艺 (24)4.5 溶胶-凝胶(Sol Gel)工艺 (25)4.6 冷冻干燥工艺 (25)4.7 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 (28)5.1 泡沫塑料的发泡原理 (28)5.1.1 泡沫塑料的原材料 (28)5.1.2 发泡方法 (28)5.1.3 气泡核的形成 (28)5.1.4 气泡的长大 (28)5.1.5 泡体的稳定和固化 (29)5.1.6 几种泡沫塑料的发泡成形 (29)5.2 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。
材料学中多孔材料的应用
材料学中多孔材料的应用材料学是一门研究材料的科学，通过对材料的组成、结构、性质、制备和性能等方面的研究，发展出一系列材料制备和改性的方法，为人类的工业生产提供了强大的支撑。
其中，多孔材料是材料学中一个非常重要的研究领域，因为它们具有特殊的结构和性能，被广泛应用于许多领域，包括能源、环境、医学、化学、电子等。
一、什么是多孔材料多孔材料是一种具有空隙或孔隙结构的材料，它们的空隙大小和形状可以控制。
多孔材料一般分为有机多孔材料和无机多孔材料。
有机多孔材料一般是由高分子材料组成的，例如聚合物、胶体、淀粉等，它们的孔径大小一般在纳米或微米级别；而无机多孔材料则是由无机材料组成的，例如金属、氧化物、硅化合物等，它们的孔径大小可以达到纳米级以下。
二、应用领域1.能源领域多孔材料在能源领域的应用主要是基于它们具有大的比表面积和高的孔隙率的特性。
例如在锂离子电池中，多孔材料可以作为电极材料的载体，提高电极的容量和充放电效率；在燃料电池中，多孔材料可以用于制备电解质膜和电极，提高燃料电池的性能和稳定性；在太阳能电池中，多孔材料可以作为散光层或反射层，提高太阳能电池的吸收效率和转换效率。
2.环境领域多孔材料在环境领域的应用主要是基于它们具有吸附和分离等特性。
例如在水处理中，多孔吸附材料可以用于去除水中的有害污染物，例如重金属、染料、农药等；在大气污染控制中，多孔材料可以用于去除气体中的有害气体，例如二氧化硫、一氧化碳、甲醛等；在生物医学领域中，多孔材料可以用于制备一些医用材料，例如药物传递系统、骨密度增强材料等。
3.化学领域多孔材料在化学领域的应用主要是基于它们具有大的表面积和高的孔隙度的特性。
例如在催化反应中，多孔材料可以作为载体或者配位基团，提高催化活性和选择性；在分子分离和分析中，多孔材料可以用于制备固相萃取柱和色谱柱，提高分离效率和选择性。
4.电子领域多孔材料在电子领域的应用主要是基于它们具有大的比表面积和高的孔隙度的特性。
多孔材料
铁镍合金、合金钢 不锈钢、超合金、不锈钢
碟状、角状 不规则
球形 球形 球形
100～600 较细、均匀
0.1～10 0.1～5 0.1～10 较细
不锈钢
粒状
还原法
气体还原 碳还原 金属热还原
惰性填料中 等离子体枪 垂直炉
钨、钼、铁、钴、镍 铁、钨 钽、铌、钛、鋯
铁、钴、镍 钽、钨、钼 钛、钼
铁钴合金，钨铼合金 钴镍合金
含油轴承
• 粉末冶金含油是一类孔隙中含浸有润滑油的多孔性合金制 品。当轴旋转时，因轴与含油轴承之间的摩擦使含油轴承 的温度升高和泵吸作用 。润滑油含渗出于含渗出于含油 轴承之内径或外径的摩擦表面，当轴停止转动时。润滑油 又回流于含油轴承内部。 因此，润滑油的消耗量是非常 的小，可在不从外部供给润滑油的情况下，长期运转使用。 非常适合于供油困难与避免润滑油污染的场合。
优点：
1、比滚珠轴承噪音小 2、震动小 3、制品简易 4、少量油汁飞溅损失，可长久无给油运转
5、减少后加工作业及即省材料浪费
6、多孔给油特性，不必特殊的给油设备 7、形状设计自由 8、可得到熔制金属无法制造的数种金属以及金属与非金属 复合体，适于大量生产，价格便宜。
3.2.2自润滑原理
• 轴承是支撑旋转轴的机械元件。可以分为 两大类。轴承的内径面与轴的轴面直接接 合，呈滑动摩擦的称为滑动轴承（sliding bearing）；通过滚珠或滚柱支撑轴进行旋 转的称为滚动轴承（rolling bearing）。烧 结含油轴承虽然属于前者，但该类轴承具 有一些特点。
3. 多孔材料
• 粉末冶金多孔材料:又称多孔烧结材料。由 球状或不规则形状的金属或合金粉末经成 型、烧结制成。材料内部孔道纵横交错、 互相贯通，一般有15％～60％的体积孔隙 度 ，孔径1～100微米。透过性能和导热、 导电性能好，耐高温 、低温，抗热震，抗 介质腐蚀。用于制造过滤器、多孔电极 、 灭火装置、防冻装置等。
多孔材料,泡沫材料,气凝胶材料的关系
多孔材料,泡沫材料,气凝胶材料的关系1. 多孔材料的概念多孔材料是一种具有多个孔隙的材料，这些孔隙可以是微观的、纳米级的，也可以是宏观的、毫米级的。
由于多孔材料有着大量的孔隙结构，因此具有较大的比表面积和较高的孔隙率，从而具有较强的吸附和贮存能力。
多孔材料的种类繁多，既包括自然存在的多孔材料，如泥炭、炭质材料等，也包括人工合成的多孔材料，如泡沫材料、气凝胶材料等。
2. 泡沫材料的特点泡沫材料是一类由气体充填在具有孔隙结构的固体材料中而形成的一种特殊材料。
泡沫材料广泛应用于隔热、隔音、减震、吸附等领域，是一种轻质、多孔的材料。
泡沫材料的孔隙结构可以通过选择合适的泡沫材料制备方法进行调控，泡沫材料的孔隙大小、形状和分布可以根据具体应用进行设计和调整。
3. 气凝胶材料的特性气凝胶材料是一种特殊的多孔材料，具有超低密度、极大比表面积和优异的隔热性能。
气凝胶材料的制备通常是通过溶胶-凝胶法，将溶胶液注入模具中，经过凝胶化、干燥等工艺步骤形成固体多孔结构。
由于气凝胶材料具有非常小的孔隙尺寸和高度分散的孔隙结构，因此具有非常良好的隔热、吸附等性能。
4. 多孔材料、泡沫材料和气凝胶材料的关系多孔材料是一个广泛的概念，包括了泡沫材料和气凝胶材料。
泡沫材料是多孔材料的一种特殊形式，其主要特点是由气体充填在固体材料的孔隙中形成。
气凝胶材料则是多孔材料的另一种特殊形式，具有非常小的孔隙尺寸和高度分散的孔隙结构。
可以说，泡沫材料和气凝胶材料都属于多孔材料的范畴。
5. 多孔材料、泡沫材料和气凝胶材料的应用多孔材料、泡沫材料和气凝胶材料广泛应用于各个领域。
泡沫材料常用于隔热隔音、减震吸音、包装填充等方面，比如建筑隔热隔音材料、汽车减震材料、家具包装填充材料等。
气凝胶材料常用于隔热、吸附、催化等领域，比如建筑保温隔热材料、吸附材料、催化剂载体等。
6. 结论多孔材料、泡沫材料和气凝胶材料是一类具有特殊孔隙结构的材料。
它们各自具有不同的特点和应用，但都是在特定应用领域中发挥着重要作用的材料。
第十一章 其他材料
判断题
1、多孔吸声的主要特性是轻质、多孔、且以 较细小的闭口孔隙为主。
2、材料受潮或冰冻后，其导热系数都降低。 3、一般来说，材料的孔隙率越大，导热系数
数越小。
4、绝热性能好的材料，其吸声性能也一定好。 5、不论寒冷还是炎热地区，其建筑物外墙均
应选用热容量大的墙体材料。 6、任何材料都可以不同程度地吸收声音。
料，适用作（ ）材料；具有开口细孔 的材料，适宜用作（ ）材料。
选择题
1、对装饰材料的质量要求，除满足功能需要 外，为了保证其装饰效果，还注意（ ） 方面。 A．材料的颜色、光泽、透明度 B．材料的表面组织 C．材料的形状尺寸 D．以上全部
2、以下何项不属于安全玻璃（ ）。
A.夹丝玻璃 B.平板玻璃
5、封闭孔隙多孔轻质材料最适用作（ ）
A．吸声 B．隔声
C．保温 D．防火
6、下列几种玻璃中（ ）不宜用于公共建 筑的天窗。
A．平板玻璃
B. 夹丝玻璃
C．夹层玻璃
D. 钢化玻璃
7、以下何种材料的比强度最低（ ）。 A.钢材 B.木材 C.塑料 D.混凝土
8、下列（ ）岩石属于变质岩。 A.花岗岩、玄武岩、辉长岩、闪长岩、辉绿 岩； B.石灰岩、砂岩； C.大理岩、片麻岩
C.夹层玻璃 D.钢化玻璃
3、使用墙面砖的主要目的是( )。
Ⅰ．免遭大气腐蚀 Ⅱ．免受机械损害
Ⅲ．使墙.柱具有更好的保温和隔热性能 Ⅳ．提高建筑物的艺术和卫生效果
A．Ⅰ.Ⅱ.Ⅲ C．Ⅰ.Ⅲ.Ⅳ
B．Ⅱ.Ⅲ.Ⅳ D．Ⅰ.Ⅱ.Ⅳ
4、关于玻璃的性能，以下何者不正确？ A．热稳定性好 B．在冲击作用下容易破碎 C．耐酸性强 D．耐碱性较差
7、大理石既可用于室内，也可用于室外。 8、花岗石是一种高档饰面材料，但某些花岗
多孔材料精品PPT课件
Ⅰ、二维蜂窝材料 Ⅱ、三维开孔泡沫材料 Ⅲ、三维闭孔泡沫材料
多孔材料的基本参量表征
多孔材料是由固相和通过固相形成的孔隙所组成 的复合体，它区别于普通密实固体材料的最显著 特点是具有有用的孔隙。
多孔材料最基本的参量是直接表征其孔隙性状的 指标，如孔率 、孔径、比表面积等。另外多孔 材料的性能也在很大程度上依赖于孔隙形貌、孔 隙尺寸及其分布。
D L /(0.785)2 L / 0.616
气泡法
气泡法是利用对通孔 2r cos r 2 p
材料具有良好浸润性 的液体浸渍多孔样品， 使之充满开孔隙空间， 然后以气体将连通孔 中的液体推出，依据 所用气体压力来计算 孔径值。
气体吸附法
在恒温下，将作为吸附质
的气体分压从0.01-1atm逐
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。
根据孔径尺寸在2nm以下的称为微孔，2nm-50nm为 介孔，而在50nm以上的称为大孔。也可根据材料 分为多孔金属、多孔陶瓷、多孔塑料等。
另外根据孔率大小也可分为中低孔率材料和高孔 率材料，前者多为封闭型，后者则会呈现三种类 型：蜂窝材料、开孔泡沫材料、闭孔泡沫材料。
根据BET多层吸附模型，吸附量与吸附质气体分压 之间满足如下关系：多层吸附模型，吸附量与吸附
质气X体 p分0p压之p间 满足X如1M下C关系XC：MC1pp0
流体透过法
透过法是通过测量流体透过多孔体的阻力来测算比 表面积的一种方法，其中用的较多的是气体。
在层流条件下，将多孔材料中的孔道视为毛细管通 过理论推导及实验可得出比表面积公式：
密度与对应致密材质密度的比值：
(1
r ) 100%
(1
多孔材料概述
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，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。
如果构成孔洞的固体只存在于孔洞的边界(即孔洞之间是相通的)，则称为开孔；如果孔洞表面也是实心的，即每个孔洞与周围孔洞完全隔开，则称为闭孔；而有些孔洞则是半开孔半闭孔的。
由于多孔材料具有相对密度低、比强度高、比表面积高、重量轻、隔音、隔热、渗透性好等优点, 其应用范围远远超过单一功能的材料, 而在航空、航天、化工、建材、冶金、原子能、石化、机械、医药和环保等诸多领域具有广泛的应用前景。
泡沫材料，简称多孔材料或泡沫材料。
总之，目前没有一个统一、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。
.。
多孔材料的合成与应用
多孔材料的合成与应用多孔材料是指通过特殊合成方法制备出的具有较大的孔隙结构的材料。
这种材料在吸附、分离、催化等方面有广泛的应用前景。
本文将介绍几种常见的多孔材料及其合成方法、性质以及各自的应用。
一、金属有机骨架材料（MOFs）金属有机骨架材料（MOFs）是一种具有高度可调性的多孔材料。
其基本单元是由有机配体和金属离子组成的骨架结构。
这些骨架结构可以有效地控制气体吸附、分离、催化等方面的性质。
MOFs的合成方法种类繁多，包括溶液热合成、溶剂热合成、水热合成、溶剂挥发法等。
MOFs的应用包括：气体储存、气体分离、催化反应、传感器等。
二、介孔材料介孔材料是一种具有孔径在2~50纳米之间的多孔材料。
介孔材料的合成方法主要包括溶胶-凝胶法、后期合成法、硬模板法等。
介孔材料具有大的比表面积、优良的吸附性能和容易控制孔径等特点，因此被广泛应用于吸附、分离、催化等领域。
其中，介孔硅材料是目前应用最广泛的一种介孔材料。
三、纳米孔材料纳米孔材料的孔径在1~10纳米之间，表面积比介孔材料还要大。
纳米孔材料合成方法包括：电化学法、化学水解法、热解法等。
纳米孔材料具有很高的选择性和灵敏度，因此在催化、生物学、纳米电子学和光电子学等方面的应用被广泛研究。
典型的纳米孔材料有介孔金属硅酸盐、纳米碳管和纳米孔材料等。
四、纳米多孔材料纳米多孔材料是一种应用广泛的多孔材料。
它具有较小的粒径（通常在10~100纳米之间）和高度分化的孔道结构。
纳米多孔材料的合成方法包括：溶剂热法、水热合成、后期合成法等。
纳米多孔材料的应用包括：催化、传感器、药物传递、吸附等。
五、多孔材料在环境领域的应用多孔材料在环境领域有着广泛的应用前景。
如：纳米孔材料可用于水污染物的吸附和去除；介孔材料可用于气体催化处理等。
MOFs、纳米孔材料和纳米多孔材料等均可用于环境污染控制、温室气体捕获、水处理、污泥处理等领域。
六、结论多孔材料因其独特的孔道结构和优异的性质，成为当今材料科学研究的前沿领域。
多孔吸声材料原理
（7）空腔共振吸声结构
空腔共振吸声结构由封闭的空腔和较小的武器所组成，它有很 强的频率选择性，在其共振频率附近，吸声系数较大，而对离共 振频率较远的声波吸收和很小。 淮海工学院 土木工程系
11.2.3
隔声材料
主要起隔绝声音作用的材料。主要用于外墙、门窗、隔墙、 隔断等。
隔声类型：隔绝空气声 隔绝固体声 原理截然不同，隔声与材料、建筑结构有密切的关系。
d
可见，材料导热系数A的物理意义是，厚度为lm的材料， 当温度差为1K时，在ls内通过1m’面积的热量。材料的导热系数 愈小，表示其绝热性能愈好。
淮海工学院 土木工程系
Q d R A(T T ) 1 2
11.1.1.3
影响导热系数的因素
1、物质构成 2、微观结构 3、孔隙构造 4、湿度 5、温度 6、热流方向
（1）空气声的隔绝
对于空气声隔声，材料的体积密度越大，质量越大，隔声性 越好，因此应选用密实的材料作为隔声材料，如砖、泥凝土、钢 板等。如采用轻质材料或薄壁材料，需辅以多孔吸声材料或采用 夹层结构，如夹层玻璃就是一种很好的隔声材料。 淮海工学院 土木工程系
材料隔绝空气声的能力，可以用材料对声波的透射系 数或材料的隔声量来衡量。
0.80－0.60
0.60－0.40
0.40－0.20
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在建筑室内使用吸声材料后的降噪效果可以用现场 实测的混响时间来测量，或按下式计算降噪量：
T1 Lp 10 lg T2
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11.2.2
吸声材料及其构造
（1）多孔吸声材料
原理：声波进入材料内部互相贯通的孔隙，空气 分子受到摩擦和沾滞阻力，使空气产生振动，从而使 声能转化为机械能，最后因摩擦而转变为热能被吸收 。
多孔纳米材料讲解
海绵和珊瑚等。千百年来，这些天然的多孔材 料被人们广泛利用。
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。
应用
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。
碳素材料：成功商业化，性价比高。 金属氧化物材料：RuO2为主，导电性好，比容
量大，循环寿命长，价格高，污染。
导电聚合物材料：工作电压高但电阻大 。 杂多酸：具有固体电解质的优点，使用方便。
能量存储装置比较
元器件
比能量 Wh/kg
普通电容器 <0.2
比功率 充放电次数
W/kg 104~106 >106
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硫酸
碳源 /SBA-15
C /SBA-15
OMC
有序介孔碳孔径的调变
H I Lee, et al. Adv. Mater., 2008, 20, 757-762.
周期性孔结构变化
OMC BC5 BC25
比表面积和孔分布
碳表面氧原子含量（XPS）
Oxygen content (%)
5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5
超级电容器 0.2~20.0 102~104 >105
充电电池 20~200 <500
<104
超级电容器应用背景
优良的脉冲充放性能 大容量储能性能
比能量大于2.5Wh/kg 比功率大于500W/kg
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沸石分子筛具有如下特点：
在分子筛骨架结构中形成许多有规则的孔道和空腔， 这些孔道和空腔在分子筛形成过程中充满着水分子和一 些阳离子，其中水分子可以通过加热脱除，形成有规则 的孔道和空腔结构骨架，通道的尺寸大到足够允许客体 分子通过，而阳离子则定位在孔道或空腔中一定位置上。 在孔道和空腔中的阳离子是可以交换的，经阳离子 交换后，可以使分子筛的催化及吸附性能产生较大的变 化，例如 A 型分子筛骨架中的钠离子可以被 K+ 、 Ca2+ 所 交换。不同离子交换后的 A 型分子筛的吸附有效孔径会 发生变化；用稀土离子交换后的 Y 型分子筛具有很好的 催化反应活性。
硅氧四面体共用两个顶点，可连接成长链 ：
通式
[ Si n O 3n + 1 ] ( 2n + 2 )
-
这种链状硅酸根之间，通过阳离子相互结合成束，即
成纤维状硅酸盐，如石棉。 石棉
硅氧四面体共用两 个顶点，形成环状阴 离子结构 ：如绿柱石
Be3Al2(SiO3)6
SiO44- 共三个顶点相联，可形成片状（层状）结构，层
具有均匀的微孔，其孔径与一般分子大小相当的一类物质 。分子筛的应用非常广泛，可以作高效干燥剂、选择性吸 附剂、催化剂、离子交换剂等。 • 常用分子筛为结晶态的硅酸盐或硅铝酸盐，是由硅氧四面 体或铝氧四面体通过氧桥键相连而形成分子尺寸大小（通 常为0.3~2 nm）的孔道和空腔体系，因吸附分子大小和 形状不同而具有筛分大小不同的流体分子的能力。
与层之间通过阳离子约束，得片层状硅酸盐。
如云母 KMg3 ( OH )2 Si3 AlO10
金云母
SiO44- 共用四个顶点，结成三维网络状结构，如沸石类。 沸石有微孔，有笼，有吸附性。孔道规格均一。 根据孔径的大小，可筛选分子，称沸石分子筛。
由于沸石分子筛的孔道一致，故对分子的选择性强，不同于 活性炭，见下图的对比。
2. 微孔材料
1）微孔材料的结构及特点 微孔材料多为沸石分子筛，其骨架元素是硅、铝(称为 骨架硅、铝)及与其配位的氧原子，也可以用磷、镓、锗、 钒、钛、铬和铁等元素取代或部分取代骨架硅或铝，而形 成一些杂原子型分子筛。
通常在讨论分子筛时，除非特别指明骨架元素外，一 般均指硅铝分子筛。
分子筛
• 1932年，McBain提出了“分子筛”的概念。分子筛是指
2）微孔材料的合成及机理
a）分子筛的合成 传统的分子筛合成是以水玻璃和偏铝酸钠为原理制备 硅铝分子筛，其基本化学过程为
成胶：一定比例的 NaAlO2 和 Na2SiO3 在有相当高的 pH 值的水溶液中形成碱性硅铝凝胶。 晶化：在适当的温度下及相应饱和水蒸气压力下，处 于过饱和态的硅铝凝胶转化为结晶。不同类型的分子筛的 合成方法如下图所示。
硅酸盐结构
硅酸盐结构的图示法
硅酸盐种类极多，其结构可分为链状、片状和三维网络
状，但其基本结构单元都是硅氧四面体。 从 O － Si 连 O Si O O
线投影， 得到平面
O 图形，中心是 Si 和一个 O 的重叠，
SiO44- (单聚正硅酸根 ) 则单聚正硅酸根可表示如右图：
焦硅酸根 Si2O76二聚硅酸根
A型沸石的结构骨架
构成硅铝沸石分子筛骨架的最基本结构单元是硅氧四 面体(SiO4)和铝氧四面体(AlO4)，在磷酸铝分子筛中，则为 磷氧四面体(PO4)。在这些四面体中，硅、铝和磷都以高价 氧化态的形式出现，采取 SP3 杂化轨道与氧原子成键。由 于硅或铝的原子半径比氧原子半径小得多，因此，它们处 于氧原子组成的四面体的包围之中，这些四面体又通过氧 桥连接成不同的骨架结构。
1993年，美国一个多孔材料研究工作组曾确立了以下 10 个方面作为多孔材料在工业生产上的可能应用： a. 高效气 体分离膜； b. 化学过程的催化膜；c. 高速电子系统的衬底 材料；d. 光学通讯材料的先驱体；e. 高效隔热材料； f. 燃 料 电池 的 多 孔电 极 ； g. 电 池 的 分离 介 质 和电 极 ； h. 燃料(包括天然气和氢气)的存储介质；i. 环境净化的选择 吸收剂；j. 可重复使用的特殊过滤装置。 多孔材料的研究范围很广，目前研究得较多的有各种 无机凝胶、有机凝胶、多孔半导体材料、多孔金属材料等。 这些材料的共同特点是密度小、孔隙率高、比表面积大、 对气体有选择性透过作用。 一般说来，材料的孔径小，则气体的渗透性差而选择 透过性好；材料的孔径大，则气体的渗透性好而选择透过 性差。介孔材料两方面性能都好，因而受到广泛重视。
近年来，由于技术的发展，分子筛的合成由传统的水 玻璃和偏铝酸钠为原料向以天然的黏土为原料，在碱性条 件下直接水热合成分子筛的方向发展，比较成功的是以高 岭土为原料合成A型和Y型分子筛。 在以高岭土为原料时，首先必须将高岭土活化，即在 750~900oC条件下灼烧脱水形成偏高岭土。偏高岭土在一定 的碱性和硅铝比的条件下，于 100~150oC水热处理 4～ 6h， 即可得到晶体结构不同的A型分子筛；Y型分子筛则反应条 件比较苛刻，硅铝比也要以高模数的水玻璃配制。 以高岭土为原料制备分子筛的优点是高岭土的硅铝比和 A型分子筛的硅铝比相近，因此分子筛的硅源和铝源可以由 同一种天然黏土矿提供，可以避免使用纯度高的单组分原 料，降低了生产成本，提高了黏土矿的应用领域和产品的 价值。
第十一章
多孔材料
1. 多孔材料及分类 2. 微孔材料 3. 介孔材料
4. 大孔材料
5. 多孔材料的应用
1. 多孔材料及分类
国际纯化学及应用化学联合会按孔径的大小对多孔材料 进行了分类： 微孔 (孔径 < 2 nm)； 介孔 (孔径 2~50 nm)； 大孔 (孔径 > 50 nm)。 多孔材料是当前材料科学中发展较为迅速的一种材料， 特别是孔径在纳米级的多孔材料，具有许多独特的性质和 较强的应用性，引起了科学界及工商界的重视。美国能源 部曾为用于选择透过膜分离技术的多孔材料研究提供了巨 额半径
活性炭
沸石分子筛
石油工业上广泛使用沸石分子筛做催化剂或催化剂载体。
硅铝分子筛 (Molecular sieves) A型沸石 Na2O · Al2O3·2SiO2·5H2O
沸石(Zeolites)的组成和结构 沸石是一类最重要的分子筛，其骨架由顶角相连的 SiO4 和 AlO4 四面体组成 . 分子筛的功能和用途 离子交换功能 吸附功能 分离功能 催化功能