多孔材料

无机新材料
多
孔
材
料
学院：环境与化学工程学院
班级：应用化学01班
姓名：乔梦茹
学号：41004010120
多孔材料
应用化学01班乔梦茹41004010120
摘要：多孔材料可分为金属和非金属两大类,也可细分为多孔陶瓷材料、高分子多孔材料和多孔金属材料3 种不同的类型。

多孔金属材料又称为泡沫金属,作为结构材料,它具有密度小、孔隙率高、比表面积大等特点;作为功能材料,它具有多孔、减振、阻尼、吸音、隔音、散热、吸收冲击能、电磁屏蔽等多种性能。

而且,多孔金属材料往往兼有结构材料和功能材料的双重作用,是一类性能优异的多用途材料。

关键词：多孔材料微孔材料制备应用
近年来 ,多孔金属材料已经在冶金、石油、化工、纺织、医药、酿造等国民经济部门以及国防军事等部门得到了广泛的应用。

在材料科学研究中,永不改变的话题是探索新材料。

人们注意到许多天然材料因其多孔的结构而具备优良的性能,因此,人们发展出了各种人造多孔材料。

作为材料科学研究中较年轻的一员,多孔材料迅速成为近年来国际科学界关注的热点之一。

1、多孔材料的分类
多孔材料的重要特征是孔的种类和属性，具体包括孔道与窗口的大小尺寸和形状、孔道维数、孔道走向、孔壁组成等性质，可以按照不同标准来划分多孔材料的类型。

国际纯粹和应用化学协会（IUPAC）以孔径尺寸为标准将多孔材料定义为三类：微孔材料、介孔材料、大孔材料。

此外，多级孔材料（微孔-介孔、微孔-大孔、介孔-大孔）成为多孔材料研究的又一热点领域，是新一代材料的代表。

1、微孔材料：
微孔材料按照其结构和组成的特点可以分为沸石分子筛，类分子筛空旷骨架材料以及金属-有机骨架化合物（MOF）。

a)沸石分子筛
天然沸石是一类天然硅铝酸盐矿物，并且在灼烧时会产生气泡膨胀的类似沸腾的现象，因此将其定义为沸石。

二十世纪四十年代，以Barrer R.M.为首的沸
石化学家成功模仿天然沸石的生成环境，在水热条件下加热碱和硅酸盐的水溶液，合成出来首批低硅铝比的沸石分子筛。

此后，大批科研工作者采用高温水热合成技术对新型沸石分子筛进行了大规模，系统地挖掘。

随着工业化的日渐成熟和不断发展，沸石分子筛的应用领域越来越广，尤其在石油加工和石化工业中地位显著。

虽然许多种天然沸石被勘探出来，但是为了满足工业上大规模的需求，人工沸石分子筛的合成显得尤其重要。

b)类分子筛空旷骨架材料
1982年磷酸铝分子筛被发现，类分子筛空旷骨架化合物出现，极大丰富了微孔晶体材料的组成化学和结构化学。

空旷骨架微孔材料化合物的结构类型迅速增加起来，骨架元素种类丰富，已经涉及到元素周期表上大部分主族元素和过渡金属元素。

到目前为止，已有几百种类分子筛空旷骨架类型被报道，骨架元素组成丰富，主要有磷酸铝系列、磷酸盐系列、亚磷酸盐系列、硼酸盐系列、氧化锗或硅锗系列等。

近几年，类分子筛空旷骨架材料的合成发展很快，从最初的水热合成法，发展到溶剂热合成法、离子液热法、微波法等等。

但是，由于这类化合物的孔道通常被模板剂分子所占据，模板剂除去又极易引起骨架结构破坏，不能成为自由孔道，所以从严格意义上讲它们不属于微孔化合物，想要达到实际应用还有一段距离。

c)金属-有机骨架化合物（MOF）
近几年来，微孔材料的范畴被扩展到配位聚合物，称为是金属-有机骨架化合物，它们通常指有机配体与金属离子经自组装形成具有周期性网络结构的金属-有机骨架晶体材料。

金属-有机骨架化合物作为一种新型功能性晶体材料不仅具有丰富的空间拓扑结构，而且在气体存储和分离、光、电、磁、手性拆分以及催化方面都拥有巨大的应用前景。

这类材料结构通常非常空旷，这使它们在气体存储方面获得巨大优势，但一般情况下结构的空穴被大量有机溶剂分子所占据支撑，相对于分子筛材料非常不稳定。

2、介孔材料：
1992年，美国Mobil公司报道了首例有序介孔二氧化硅M41s系列材料的合成，开启了介孔材料研究的大门，被认为是分子筛发展史上又一新的里程碑。

随后，通过调节表面活性剂的浓度，他们又得到了不同结构的有序介孔二氧化硅材
料，除了二维p6mm六方结构的MCM-41，还有Ia3d立方结构的MCM-48和层状介孔材料MCM-50，构成MCM系列介孔分子筛。

介孔分子筛的诱人之处在于它具有许多优良特性：高比表面、高孔容；基于纳米尺度上高度有序的孔道、孔径单一分布，并且孔径尺寸可以在很宽范围内调节；具有不同的孔道形状、结构、孔壁组成；在催化、吸附、生物等方面有广泛应用前景。

3、大孔材料：
在发现了微孔和介孔材料之后，基于对多层次结构的更高追求，人们开始探索更大孔的材料的合成。

当孔径增大到一定尺寸时，会出现许多独特的性质，比如当孔径达到光波长范围内，有序的大孔材料会出现意想不到的光学性质；在孔径可以调控的情况下，可以作为催化剂载体或药物载体，尤其是多级结构（介孔-大孔、微孔-大孔）有利于物质的扩散和传输。

受仿生材料为模板的合成技术的启示，研究者们采用单分散胶体颗粒（如聚乙烯小球、SiO2微球、碳微球）作为超大模板，通过纳米级铸造合成法，合成出不同尺寸分布的均一有序的大孔材料。

可见，大孔材料在实践工业生产中有很好的应用前景。

2、多孔材料的制备：
从20 世纪中叶开始,世界各国竞相投入到多孔金属材料的研究与开发之中,并相继提出了各种不同的制备工艺。

多孔金属材料作为多孔材料的重要组成部分,在材料学领域具有不可取代的地位。

根据制备过程中金属所处的状态可以将这些制备方法划分为以下几种: (1) 液相法, (2) 固相法, (3) 金属沉积法。

液相法
a ) 直接发泡法
(1) 直接吹气法发泡法
对于制备泡沫金属,直接吹气法是一种简便、快速且低耗能的金属发泡方法。

该方法的工艺是首先向金属液中加入SiC、Al2O3等以提高金属液的粘度,然后使用特制的旋转喷头向熔体中吹入气体(如空气、氩气、氮气) 。

该方法主要应用于泡沫铝的生产中。

用这种工艺来生产泡沫铝,首先应在熔融铝液中加入一种高熔点材料的细小颗粒,这种难熔颗粒在铝液中既可以增加铝液粘度,又可以在气体和金属的界面上形成一层表面活性剂,从而保证气体能稳定地滞留在铝液中,并在凝固过程中不会导致泡沫塌陷。

(2)金属氢化物分解发泡法
这种方法是在熔融的金属液中加入发泡剂(金属氢化物粉末) ,氢化物被加 ,并且发生体积膨胀,使得液体金属发泡,冷却后得到泡沫金属材
热后分解出H
2
料。

在制备过程中,为了防止不均匀现象的发生,也可以加入固体Ca来增加粘度,以避免气泡逸出。

b)铸造法
渗流铸造法的原理是先把填料放于铸模之内,在其周围浇铸金属,然后把填料去除掉,得到泡沫金属材料。

高压渗流法是将填料和调节性载体(均可燃) 按一定的比例混合均匀,把这种混合物在模子内压实,烘干后得到一定尺寸的预制块,将预制块放入高压渗流模内,加入熔融金属液,在一定的高压下,金属液体快速渗入预制块的孔隙之中,冷却后将可燃性预制块在一定温度下燃烧去除,就得到了三维网络状的金属泡沫金属。

C)溅射法
溅射法可以制备多孔金属(合金) 材料。

该方法的原理是在反应器内维持可控的惰性气体压力,在等离子的作用下,通过电场的作用将金属沉积在基体上,与此同时,惰性气体的原子也一并沉积,升高温度,金属熔化时惰性气体发生膨胀形成一个个的空穴,冷却后即为泡沫金属。

固相法
a)粉末冶金法
该方法的原理是将金属粉末与造孔剂按一定的配比混合均匀后,在一定的压力下压制成具有一定致密度的预制品。

将预制品在真空烧结炉中进行烧结,制得复合材料烧结坯,将烧结坯以一定方法去除造孔剂,最后制得了多孔金属材料。

b）粉末发泡法
该方法的基本工艺是将金属或非金属粉末与发泡剂按一定的比例混合均匀,然后在一定的压力下压制成具有一定致密度的预制品。

将预制品经过进一步加工,如轧制、模锻等,使之成为半成品[13] ,然后将半成品放入一定的钢模中加热,使得发泡剂分解放出气体发泡,最后得到多孔泡沫金属材料。

金属沉积法
金属沉积法就是采用化学的或物理的方法把欲得泡沫金属的金属物沉积在
易分解的有机物上,可分为电沉积和气相沉积两种。

a)电沉积法
电沉积是用电化学的方法实现制备,它主要由4个步骤组成:
(1)以泡沫有机物为基体,在酸性条件下用强氧化剂对有机物进行腐蚀,使其表面
变得易于被水润湿并产生微痕,常用的氧化剂为H
2Cr
2
O
7
、H
2
SO
4
、H
3
PO
4
的混合物，
称为粗化。

(2)粗化后用PdCl
2溶液中的Pd
2
+对表面进行催化,称为活化。

(3)放入镀液进行化学镀,得到均匀地附着于与有机物表面导电的金属层,镀液中含有金属离子和还原剂,常见的镀层有Cu、Ni、Fe、Co、Ag、Au和Pd。

(4)最后将经过化学镀处理的有机物进行电镀得到所需要种类的金属和厚度。

b)气相沉积法
泡沫金属也可以由气态的金属或金属复合体来制得。

固态的基体是必须的,因为它可以说明泡沫金属产生的几何学。

以泡沫镍的制备为例,通过Ni+4CO→
Ni(CO)
4的反应。

当加热到120℃以上时,Ni(CO)
4
分解为金属Ni和CO,在分解过程
中,Ni沉积在泡沫体表面上即为所要制备的产物。

3、多孔金属材料的应用
多孔金属材料作为结构材料的应用领域主要集中在汽车行业、船舶行业、铁路行业三大行业。

而在这三大行业中,多孔金属材料主要扮演着能量吸收材料和减振材料的角色。

此外,多孔金属材料在生物医学领域也有应用。

(1) 能量吸收材料
多孔金属材料可用作能量吸收材料,多孔金属的应力2应变曲线分为3个阶段:线弹性区、屈服平台区、致密化区。

它的能量吸收能力主要取决于图2 中的屈服平台区,由图可以看出,应力2应变曲线存在较大的屈服平台区。

能量吸收能力由应力应变曲线下方的面积决定,高而宽的屈服平台区可获得较大的吸能能力。

因此泡沫金属是用于制造车辆碰撞能量吸收部件的理想材料。

泡沫铝材作为能量吸收材料已广泛应用于汽车行业。

(2) 减振材料
多孔金属材料具有优良的抗冲击性能,因此它可作为减振材料。

其抗冲击性能主要取决于线弹性区。

线弹性区的面积越大,表示该材料的抗冲击性能越好,其减振
性越好。

因此,多孔金属材料已被广泛应用于汽车行业中。

超轻质泡沫镁是密度最低的轻质金属材料,并且具有很高的减振能力。

此外,在发生碰撞时,泡沫镁合金能有效地吸收冲击能。

(3) 生物材料
因为多孔材料具有开放多孔状结构,允许新骨细胞组织在内生长及体液的传统。

尤其是多孔材料的强度及杨氏模量可以通过对孔隙率的调整同自然骨相匹配。

多孔钛对人体无害且具有优良的力学性能和生物相容性,已被用作植入骨用生物材料。

多孔镁因具有生物降解及生物吸收特性也被列入植入骨用生物材料的行列。

由于多孔金属材料具有轻质、比表面积大等特点,又集结构材料和功能材料的特点于一身,所以多孔金属材料的应用范围很广。

参考文献：
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[5] 曹立宏,马颖. 多孔泡沫金属材料的性能及其应用.甘肃科技, 2006 , 22
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