材料分析技术-孔结构分析
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1
典型孔结构
2
孔与孔结构
固体表面由于多种原因总是凹凸不平的， 凹坑深度大于凹坑直径就成为孔。 有孔的物质叫做多孔体(porous material)， 没有孔的物质是非孔体(nonporous material)。 多孔体具有各种各样的孔直径(pore diameter)、孔径分布(pore size distribution)、孔隙率（porosity）和孔容积 (pore volume)。
20
BET等温吸附法
由吸附法适用的孔径范围0.5-60nm
21
孔结构分析目录
• 孔结构概述 • 测孔的几种主要方法
– 显微镜观察法 – 计算机断层扫描（CT）computerized tomography – 小角度X散射法SAXS(Small angle x-ray scattering) – 等温吸附法(BET)
– 显微镜观察法
– 计算机断层扫描（CT）computerized tomography – 小角度X散射法SAXS(Small angle x-ray scattering) – 等温吸附法(BET) – 压汞法(MIP) Mercury intrusion porosimetry
8
显微镜观察法
孔结构分析
• 孔结构概述 • 测孔的几种主要方法
– 显微镜观察法 – 计算机断层扫描（CT）computerized
tomography
– 小角度X散射法SAXS(Small angle x-ray
scattering)
– 等温吸附法(BET) – 压汞法(MIP) Mercury intrusion porosimetry
9
显微镜观察法
• 利用孔和固相的灰度差别 • 代表性-统计 • 体视学
10
孔结构分析目录
• 孔结构概述 • 测孔的几种主要方法
– 显微镜观察法
– 计算机断层扫描（CT）computerized tomography
– 小角度X散射法SAXS(Small angle x-ray scattering) – 等温吸附法(BET) – 压汞法(MIP) Mercury intrusion porosimetry
13
小角度X散射法(SAXS)
基本原理
布拉格方程
2d sin 2sin / d
当非常小：
2 / d
适用的孔径范围2-30nm
14
小角度X散射法(SAXS)
Intensity
(100)
(110) (200) Al-MCM-41
ASON2
ASON3
ASON4 ASON6
2
3
4
5
6
7
2-theta/ o
18
毛细凝聚与开尔文方程
在固体细孔内低于饱和蒸汽压力的蒸汽就可以凝聚为液体
19
由吸附（脱附）量求Baidu Nhomakorabea分布
首先须将复杂孔结构假设为简单结构：有圆柱孔 形、平行板形、球腔形等，由于圆柱孔形介于后 两种孔形之间，所以孔分布计算大都选用这种孔 形模型。 然后，逐步降低蒸气压力，蒸发-解凝现象随之由 大孔向小孔逐级发展，相应压力从P1降到P2，必 然有-△V的蒸气脱附量从凯尔文半径大于rk2的全 部孔中排出，可计算出脱附的凝聚液体积。 按照不同的孔分布计算各孔径范围吸附的量。 以作图法或表格法作△V（ P ） /△r （ P ） ～ r （ P ）的关系图。
< 2nm 2～50nm
50～7500nm
> 7500nm（大
影响材料的透过性， 渗透，过滤等性能。
微 分 孔 径 / cm3g-1
0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00
10
PC 180d
w/b=0.3 w/b=0.4 w/b=0.5
100
1000
孔 径 / nm
16
BET等温吸附
理论假设: 固体表面是均匀的; 吸附靠分子间力, 吸附可以是多分子层的; 被吸附的气体分子横向之间无相互作用力; 吸附与脱附建立起动态平衡
• 多分子层吸附示意图
17
BET等温吸附-吸附总量
p 1 C 1 p ( p0 p) C C p0
式中Γ 为压力p下的吸附量; Γ∞ 为单分子层的最大吸 附量; p0为吸附温度下吸附质的饱和蒸气压; c 为与吸附热有关的常数， 上式亦称二常数BET公式.
与一般水相同 产生中等的表面张力
强度、渗透性
强度、渗透性、高湿度 下的收缩
凝胶 孔
胶粒间 孔
微孔
层间孔
10～ 2.5nm
2.5～ 0.5nm
﹤ 0.5nm
产生强的表面张力
强吸附水，不能形成新 月形液面
结构水
相对湿度50%以下时的 收缩
收缩、徐变
收缩、徐变
7
孔结构分析目录
• 孔结构概述 • 测孔的几种主要方法
10000
100000
5
孔结构的主要内容-孔的几何学
连通孔 封闭孔 盲孔 形貌：等轴，扁平
– 声学 – 流体
6
举例：水泥中孔的分类
类别 名 称 直 径
孔中水的作用
对浆体性能影响
粗 孔 大孔
1000～ 15μm
与一般水相同
强度、渗透性
毛细 孔
大毛细 孔
小毛细 孔
10～0.05 μm
50～ 10nm
11
计算机断层扫描CT法
12
孔结构分析目录
• 孔结构概述 • 测孔的几种主要方法
– 显微镜观察法 – 计算机断层扫描（CT）computerized
tomography
– 小角度X散射法SAXS(Small angle x-ray scattering)
– 等温吸附法(BET) – 压汞法(MIP) Mercury intrusion porosimetry
15
孔结构分析目录
• 孔结构概述 • 测孔的几种主要方法
– 显微镜观察法 – 计算机断层扫描（CT）computerized tomography – 小角度X散射法SAXS(Small angle x-ray scattering)
– 等温吸附法(BET)
– 压汞法(MIP) Mercury intrusion porosimetry
3
孔结构的主要内容-孔隙率
孔隙率，孔率，孔隙度： 孔隙体积与总体积的比值。
– 力学性能 – 导热 – 导电 – 光学 – 声学 – 渗透 – 等等。
4
孔结构的主要内容-孔径及其分布
孔径：等效直径 孔径分布：
微孔（micropore） 中孔（mesopore）
大孔（macropore）
巨孔（megapore） 气压下水银可进入）
典型孔结构
2
孔与孔结构
固体表面由于多种原因总是凹凸不平的， 凹坑深度大于凹坑直径就成为孔。 有孔的物质叫做多孔体(porous material)， 没有孔的物质是非孔体(nonporous material)。 多孔体具有各种各样的孔直径(pore diameter)、孔径分布(pore size distribution)、孔隙率（porosity）和孔容积 (pore volume)。
20
BET等温吸附法
由吸附法适用的孔径范围0.5-60nm
21
孔结构分析目录
• 孔结构概述 • 测孔的几种主要方法
– 显微镜观察法 – 计算机断层扫描（CT）computerized tomography – 小角度X散射法SAXS(Small angle x-ray scattering) – 等温吸附法(BET)
– 显微镜观察法
– 计算机断层扫描（CT）computerized tomography – 小角度X散射法SAXS(Small angle x-ray scattering) – 等温吸附法(BET) – 压汞法(MIP) Mercury intrusion porosimetry
8
显微镜观察法
孔结构分析
• 孔结构概述 • 测孔的几种主要方法
– 显微镜观察法 – 计算机断层扫描（CT）computerized
tomography
– 小角度X散射法SAXS(Small angle x-ray
scattering)
– 等温吸附法(BET) – 压汞法(MIP) Mercury intrusion porosimetry
9
显微镜观察法
• 利用孔和固相的灰度差别 • 代表性-统计 • 体视学
10
孔结构分析目录
• 孔结构概述 • 测孔的几种主要方法
– 显微镜观察法
– 计算机断层扫描（CT）computerized tomography
– 小角度X散射法SAXS(Small angle x-ray scattering) – 等温吸附法(BET) – 压汞法(MIP) Mercury intrusion porosimetry
13
小角度X散射法(SAXS)
基本原理
布拉格方程
2d sin 2sin / d
当非常小：
2 / d
适用的孔径范围2-30nm
14
小角度X散射法(SAXS)
Intensity
(100)
(110) (200) Al-MCM-41
ASON2
ASON3
ASON4 ASON6
2
3
4
5
6
7
2-theta/ o
18
毛细凝聚与开尔文方程
在固体细孔内低于饱和蒸汽压力的蒸汽就可以凝聚为液体
19
由吸附（脱附）量求Baidu Nhomakorabea分布
首先须将复杂孔结构假设为简单结构：有圆柱孔 形、平行板形、球腔形等，由于圆柱孔形介于后 两种孔形之间，所以孔分布计算大都选用这种孔 形模型。 然后，逐步降低蒸气压力，蒸发-解凝现象随之由 大孔向小孔逐级发展，相应压力从P1降到P2，必 然有-△V的蒸气脱附量从凯尔文半径大于rk2的全 部孔中排出，可计算出脱附的凝聚液体积。 按照不同的孔分布计算各孔径范围吸附的量。 以作图法或表格法作△V（ P ） /△r （ P ） ～ r （ P ）的关系图。
< 2nm 2～50nm
50～7500nm
> 7500nm（大
影响材料的透过性， 渗透，过滤等性能。
微 分 孔 径 / cm3g-1
0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00
10
PC 180d
w/b=0.3 w/b=0.4 w/b=0.5
100
1000
孔 径 / nm
16
BET等温吸附
理论假设: 固体表面是均匀的; 吸附靠分子间力, 吸附可以是多分子层的; 被吸附的气体分子横向之间无相互作用力; 吸附与脱附建立起动态平衡
• 多分子层吸附示意图
17
BET等温吸附-吸附总量
p 1 C 1 p ( p0 p) C C p0
式中Γ 为压力p下的吸附量; Γ∞ 为单分子层的最大吸 附量; p0为吸附温度下吸附质的饱和蒸气压; c 为与吸附热有关的常数， 上式亦称二常数BET公式.
与一般水相同 产生中等的表面张力
强度、渗透性
强度、渗透性、高湿度 下的收缩
凝胶 孔
胶粒间 孔
微孔
层间孔
10～ 2.5nm
2.5～ 0.5nm
﹤ 0.5nm
产生强的表面张力
强吸附水，不能形成新 月形液面
结构水
相对湿度50%以下时的 收缩
收缩、徐变
收缩、徐变
7
孔结构分析目录
• 孔结构概述 • 测孔的几种主要方法
10000
100000
5
孔结构的主要内容-孔的几何学
连通孔 封闭孔 盲孔 形貌：等轴，扁平
– 声学 – 流体
6
举例：水泥中孔的分类
类别 名 称 直 径
孔中水的作用
对浆体性能影响
粗 孔 大孔
1000～ 15μm
与一般水相同
强度、渗透性
毛细 孔
大毛细 孔
小毛细 孔
10～0.05 μm
50～ 10nm
11
计算机断层扫描CT法
12
孔结构分析目录
• 孔结构概述 • 测孔的几种主要方法
– 显微镜观察法 – 计算机断层扫描（CT）computerized
tomography
– 小角度X散射法SAXS(Small angle x-ray scattering)
– 等温吸附法(BET) – 压汞法(MIP) Mercury intrusion porosimetry
15
孔结构分析目录
• 孔结构概述 • 测孔的几种主要方法
– 显微镜观察法 – 计算机断层扫描（CT）computerized tomography – 小角度X散射法SAXS(Small angle x-ray scattering)
– 等温吸附法(BET)
– 压汞法(MIP) Mercury intrusion porosimetry
3
孔结构的主要内容-孔隙率
孔隙率，孔率，孔隙度： 孔隙体积与总体积的比值。
– 力学性能 – 导热 – 导电 – 光学 – 声学 – 渗透 – 等等。
4
孔结构的主要内容-孔径及其分布
孔径：等效直径 孔径分布：
微孔（micropore） 中孔（mesopore）
大孔（macropore）
巨孔（megapore） 气压下水银可进入）