多孔材料的表征及其分析

多孔材料孔结构的表征分析

摘要:多孔材料的研究已成为当今材料科学研究领域的一大热点，而多孔材料的研究离不开结构表征分析。多孔材料的表征常用X射线小角度衍射法、气体吸附法、电子显微镜观察法等。重点介绍了这些表征方法对多孔材料的孔道有序性、孔形态、比表面积和孔体积及孔径等的表征分析应用，最后简单介绍了孔结构表征的新方法。

关键词: 多孔材料应用特性孔结构表征分析法

1.引言

近年来多孔材料的开发和应用日益受到人们的关注。不仅发展非常迅速,种类也很多,如多孔聚合物、多孔陶瓷、泡沫塑料、多孔金属材料等。这些材料具有一些共同的特点:密度小, 孔隙率高, 比表面积大。由于它们所具有的特殊结构及性能, 使得它们备受关注。

多孔材料在很多领域都得到了应用, 如过滤器、流体分离装置、多孔电极、催化剂载体、火焰捕集器、建筑用隔音材料、水下潜艇消音器、宇航结构层压面板、汽车缓冲挡板等, 遍及化工、电化学、建筑、军工及航天等领域。由于使用目的不同，对材料的性能要求各异，需要不同的制备技术，因此，制备出的多孔材料种类很多，形态也很多，如多孔陶瓷的形态可以为粒状、圆柱状、孔管状以及蜂窝状等。

2.多孔材料的一般特性

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特性:

2．1机械性能的改变

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。如果将现在的飞机改用多孔材料，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。2．2选择渗透性

由于目前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。

2．3选择吸附性

由于每种气体或液体分子的直径不同。其运动的自由程不同，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。

2．4化学性能的改变

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。

3.孔结构表征方法

多孔材料孔结构的研究迫切需要准确、简洁的表征技术,表征方法很多，根据检测目的不同，一般可分为X射线小角度衍射法、气体吸附法、电子显微镜观察法、压汞法、气泡法、离心力法、透过法、核磁共振法等。

3.1孔形状

孔形状对多孔金属的应用起关键作用。孔隙的形状千姿百态,以三维立体的形式相互贯通,孔的形状用形状因子(F)来定量描述:F=4πA/ρp2 ,式中:A为孔的截面积; ρp为孔周长。圆形孔和正方形孔的开关因子为1,而狭长缝隙孔的F值趋近于零。孔截面>75μm2时,F可用图像分析法测量,孔截面<75μm2时,F用扫描电镜测量。

3.2孔率

多孔材料的孔率是指多孔体中空隙所占体积与多孔体总体积之比，一般以百分数来表示。该指标既是多孔材料中最易获得的基本参量，也是决定多孔材料性能的关键因素。多孔体中的孔隙包括贯通孔、半通孔和闭合孔3种。

3.2.1 显微分析法

即采用扫描电子显微镜或透射电子显微镜对多孔材料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。观测出断面的总面积So和其中包含的空隙面积Sp，然后利用式(1)即可求得孔率。

θ=Sp/So (1) 但显微法观察的视野小，只能得到局部信息，而透射电子显微镜样品制备较困难，这些特点使它成为其他方法的辅助手段，也用于提供有关孔形状的信息。

3.2.2 浸泡介质法

采用流体静力学原理，先用天平称量出试样在空气中的重量W1，然后浸入介质（如除气的油、水、二甲苯等）一段时间，使其饱和后取出试样，称出其在空气中的总重量W2。然后将饱和介质的试样放在吊具上浸入工作液体中称量，此时试样连同吊具的总重量为W3，而无试样时吊具悬吊于工作液体中的重量为

W4。由此，可得出多孔体孔率为：

θ0=1-(w1ρ1)/(w2-w3+w4)ρs (2)

多孔材料的开孔率为:

θ=(w2-w1)ρ1/(w2-w3+w4)ρme(3)

式中:ρl 为工作液体的密度；ρs为多孔体对应致密固体材质的密度zρme 为饱和介质的密度。

3.3孔径与孔径分布

多孔材料的孔径指的是多孔体中孔隙的名义直径，一般都只有平均或等效的意义。其表征方法有最大孔径、平均孔径、孔径分布等。相应的测定方法也很多，如断面直接观测法、气泡法、透过法、气体吸附法等。

气泡法的测量原理是毛细管现象，当气体压力由小逐渐增大到一定值时，气体即可将浸渍液体从孔隙（视为毛细管）中推开而冒出气泡，测定出现第一个气泡时的压力差，就可以利用式（4）的Laplace 方程求得多孔材料的孔径：

r= 2σcosθ/Δp （4）

式中：r为多孔材料的最大孔径，m；σ 为浸渍液体的表面张力，N/m；θ为浸渍液体对被测材料的浸润角，°；Δp 为气体作用在毛细管孔上的净压降，Pa。

3.4孔隙形貌

通常采取射线源和探测器围绕样品进行旋转式螺旋扫描的方式，得出取自许多方向上的样品的X 射线图像。从各个图像获得射线在物体任意点的衰减，从而实现局部密度的数字再现。通常采用光学显微镜来测量孔壁的中跨厚度，记录所测各个孔壁的位置。用数字扫描电子显微镜的图像分析来逐个测定孔棱沿孔壁的厚度分布，最后即可得出孔隙的结构形貌。

3.5比表面积

测定比表面积的方法主要有气体吸附法（BET 法）、流体透过法等。由于BET法一般难以测定每克只有十分之几平方米以下的比表面积，故常采用透过法测定多孔材料的比表面积。在层流条件下，将多孔材料中的孔道视为毛细管，通过理论推导和对多种材料的实验，最后可得出计算多孔体比表面积的柯青-卡门公式：

Sv =ρSw=14×10-2/3×[Δp Aθ3/ηδQ(1-θ)]1/2(5) 式中：Sv 为体积比表面，m2/cm3；ρ 为试验密度，g/cm3；Sw为质量比表面，