多孔材料（综述）(2)

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。

1.3.4、 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。

1.3.5、 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。

1.3.6、 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。

1.4 多孔材料的评价体系

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。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。

1.5多孔材料的制备方法

1.5.1 多孔金属材料，

制备金属多孔材料的方法很多，按照工艺的划分，可以分为三类：固态金属

烧结法、液态金属凝固法和原子离子态金属沉积法[2]。

1.5.2多孔陶瓷

比较成熟的方法有粉末烧结法、浆料固结法、有机泡沫浸浆法、溶胶-凝胶法，新的制备技术有：微波加热工艺、颗粒堆积工艺、水热-热静压工艺，玻璃分相腐蚀工艺，注凝成型工艺、凝胶铸造工艺、模板填隙工艺等[3-5]

1.6 多孔材料的应用

1993年5月，美国一个多孔材料研究工作组(Porous Materials EXPO.Albuquerque. New Mexico）确立了以下十个方面作为多孔材料在工业生产上的可能应用:①高效气 体分离膜;②化学过程的催化膜;③高速电子系统的衬底材料;④光学通讯材料的先驱体; ⑤高效隔热材料;⑥燃料电池的多孔电极;⑦电池的分离介质和电极;⑧燃料(包括天然气 和氢气)的存储介质;⑨环境净化的选择吸收 ;⑩可重复使用的特殊(HEPA-型)过滤装 置。[6]

2 多孔陶瓷

2.1多孔陶瓷的概述

多孔陶瓷是一种经高温烧成、内部具有大量彼此相通并与材料表面也相贯通的孔道结构的陶瓷材料。多孔陶瓷的种类很多, 目前研制及生产的所有陶瓷材料几乎均可以通过适当的工艺制成多孔体。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。两种陶瓷都展现了各向同性的微观形貌，但是孔隙率、孔径、比表面积、渗透率都不尽相同，其中由于蜂窝陶瓷的孔径较大且为开孔结构，因而在渗透率方面展现出了比泡沫陶瓷更好的性能。

制备多孔陶瓷的制备方法有很多，基本的原理是粉料成型以后放入炉子里面在一定温度下进行烧结，最后得到多孔材料。其与致密陶瓷不同的地方在于，在这些工艺中加入了可以产生多孔结构的工艺或者技术，比如在成型过程中添加孔结构的机械成孔法、模板复刻法、粉末堆积法、发泡法、升华干燥法、纳米浇铸法；或者是在烧结过程中产生气泡，比如：起泡剂法、有机泡沫浸渍法、反应结合法、自蔓燃高温合成法。制造多孔材料的原料，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。

2.2多孔陶瓷的性能特点

(1)气孔率高。多孔陶瓷的重要特征是具有中较多的均匀可控的气孔。气孔有开口气孔和闭口气孔之分，开口气孔具有过滤、吸收、吸附、消除回声等作用，而闭口气孔则有利于阻隔热量、声音以及液体与固体微粒传递。

(2)强度高。多孔陶瓷材料一般由金属氧化物、二氧化硅、碳化硅等经过高温煅烧而成，这些材料本身具有较高的强度，煅烧过程中原料颗粒边界部分发生融化而粘结，形成了具有较高强度的陶瓷。

(3)物理和化学性质稳定。多孔陶瓷材料可以耐酸、碱腐蚀，也能够承受高温、高压，自身洁净状态好，不会造成二次污染，是一种绿色环保的功能材料。 (4)过滤精度高，再生性能好。用作过滤材料的多孔陶瓷材料具有较窄的孔径分布范围和较高的气孔率与比表面积，被过滤物与陶瓷材料充分接触，其中的悬浮物、胶体物及微生物等污染物质被阻截在过滤介质表面或内部，过滤效果良好。多孔陶瓷过滤材料经过一段时间的使用后，用气体或者液体进行反冲洗，即可恢复原有的过滤能力。

2.3 多孔陶瓷的制备工艺

2.3.1 机械成孔法

本工艺的特点是靠设计好的多孔金属模具来成孔。将制备好的泥条通过一种具有蜂窝网格结构的模具挤出成型, 经过烧结就可以得到最典型的多孔陶瓷即现用于汽车尾气净化的蜂窝状陶瓷172。此外, 也可以在多孔金属模具中利用泥浆浇注工艺获得多孔陶瓷182。该类工艺的优点在于可以根据需要对孔形状和孔大小进行精确设计, 对于蜂窝陶瓷最常见的网格形状为三角形、正方形。其缺点是不能成形复杂孔道结构和孔尺寸较小的材料[7]。

2.3.2自蔓延高温合成( SHS) 工艺

制取多孔材料的另外一种新方法--燃烧合成法, 是一种很有特色的方法, 燃烧合( Combust ionSynthesis) , 又称自蔓延高温合成( Self-Propagating High-Temperature Synthesis, 即SHS) 。用燃烧合成技术制备多孔材料的主要过程是放热反应, 化学反应释放出来的热量维持反应的自我进行, 合成新物质的同时获得了所期望的多孔材料, 包括具有一定 形状的多孔材料。这项研究工作俄罗斯结构宏观动力研究所托木斯克分部做得比较多[6]。燃烧合成过程总是伴随着烧结现象, 烧结体的孔隙度很高, 可以达到50%左右, 甚至更高。SHS 与常规方法相比主要有以下特点和优势：1.合成反应过程迅速, 一般在几秒或几十秒内完成, 节省时间; 2. 除启动反应所需极少量的能源外, 材料合成靠自身反应放出的热量进行, 不需要外部热量的加入, 因而能大量节省能源; 3. 由于在合成反应过程中, 原料中的有害杂质能挥发逸出, 所以产品纯度易于提高;4.实用性大, 适于制造各类无机材料, 如各类陶瓷、金属间化合物; 5. 设备和工艺相对简单, 投资小;6.?燃烧反应过程中产生高的温度梯度和冷却速度, 能够生成新的非平衡相和亚稳相;7.利用反应物本身的化学能, 辅以其它手段, 可以使合成和致密化同步完成。SHS存在的不足之处是反应速率难以控制, 试样的烧结尺寸难以控制。张小明等[8] 制备出具有高孔隙度的TiNi 形状记忆合金, 孔隙度高达51%, 最大孔径为150Lm, 相对透气系数为1750m3/ h*kPa*m2, 具有较好的孔洞连通性和透过性能。

2.3.3颗粒堆积法

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