多孔材料（综述）(4)

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。这3 种孔率的总和就是总孔率。平时所言“孔率”即指总孔率。在使用过程中，大多数情况下利用的是贯通孔和半通孔[43]。

（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[44]。

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。

（2）浸泡介质法

本测量方法[43] 采用流体静力学原理，其测量方式是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。根据流体静力学原理就可得出多孔体孔率和多孔体体内的开孔率

本方法中工作介质采用已知密度的液体，并尽可能满足如下条件：①与试样不发生反应、不溶解；②对试样的浸润性好,以利于试样表面气体的排除；③粘度低、易流动；④表面张力小以减少液中称量的影响；⑤在测量温度下的蒸气压 低；⑥体膨胀系数小；⑦密度大。常用的工作液体有纯水、煤油、苯甲醇、甲苯、四氯化碳、三溴乙烯、四溴乙炔等[45]。 2.4.2.2 孔径及孔径分布

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[44]。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、离心力法、悬浮液过滤法、X 射线小角度散射法等[44, 46-48] 。其中直接观测法只适于测量个别或少数空隙的孔径，而其他的间接测量均是利用一些与孔径有关的物理现象，通过实验测出各有关物理参数，并在假设空隙为均匀圆孔的条件下计算出等效孔径。这里只介绍常用的气泡法。气泡法的测量原理是毛细管现象[44]，即利用对材料具有良好浸润性的液体（常用的有水、乙醇、异丙醇、丁醇、四氯化碳等）浸润试样，使试样中的开口孔隙达到饱和，然后以压缩气体将试样孔隙中的浸入液体吹出。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：

2 r cosp= σ θΔ （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，°；p 为气体作用在毛细管孔上的净压降，Pa。

如果测出每级孔径所对应的 及通过相应孔隙的气体流量，根据气体流量与对应压差的关系可得到该材料的孔径分布情况[42]。本方法所需的仪器设备简单，易于操作，特别适合于较大空隙（大于100μm）的最大孔径测量。 (1)孔隙形貌

孔隙形貌对多孔材料性能的影响远大于孔隙尺寸[49]。首先，多孔材料的孔穴形貌和微观结构可用不同放大倍数的光学显微镜来观察分析[50]。尽管实际分析是无损检测，但准备样品通常要经过切割、镶嵌和抛光等。为使孔穴壁膜和内部出现不同的亮度，可将多孔体镶入深色树脂并制作抛光面。当然，通过此方法测出的孔隙尺寸有失真实性，故对得到的结果需作某些诠释或修正。还可利用CT 技术来获取多孔体的三维密度分布形态[50]。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。借助于同步加速器产生的X 射线束（52keV）所获得的这种图像，甚至可以解析孔壁的内表面结构。孔壁结构也可根据其中跨壁厚和沿孔壁长度方向的厚度来确定。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。多孔材料的内部结构也可以通过超声波图像获得[49-52]。虽然目前尚没有这种方法得以成功应用的实例，但使用该方法检测多孔结构的希望仍然存在。

(2)比表面积

在多孔材料的大部分应用中都需要利用孔隙的内表面，其使用性能强烈地依赖于内表面的大小，故此时多孔体的比表面积成为整个多孔部件的一项重要指标。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。透过法是通过测量流体透过多孔体的阻力来测算比表积的一种方法[53]。流体多使用气体，因其测量范围较宽。工业上透过法的应用范围大约在70～20000cm2/g 之间[53]。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[54-55]：

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，m2/g； Δp 为流体流过试样两端的压力差，MPa；A 为流体通过试样的横截面积，m2；η 为流体的粘度，Pa?s；δ 为试样的厚度，m；Q 为单位时间内通过试样的流体体积，m3/s；θ 为试样的孔率，%。流体通过多孔体的流动条件为层流。当多孔体的孔道很细，甚至接近作为流体的气体分子平均自由程时，式(5)不适用，因为流体难以通过这种细孔。

2.4.3 功能性表征

2.4.3.1 渗透性能

渗透性是指过滤材料在一定压差下允许流体通过的性能。它不仅取决于流体的种类，同时还取决于多孔材料的结构。其大小用渗透度来衡量，渗透度k 由Darcy 定律[56]给出：

（6）

如果视流过多孔材料的气体为理想气体，并假定出口处压力等于1 个大气压，Collins[57]从Darcy 定律推出渗透度k为：

（7）

其中：Q 为流体的流速，m3/s；l 为测试样品的厚度，m；μ为流体的粘度，Pa?s；A 为测试样品的面积，m2；Δp 为样品两端的压差，MPa；pi 为入口压力，MPa。此时，因为是气体流过多孔材料，所以k 也就是透气度[58]。

2.4.3.2 吸声性能的测试

表征吸声材料和吸声结构吸声性能的重要参数之一是吸声系数 ,其表达式如下[59]:

（8）

式中: Es 为吸收声能,Ei 为入射声能, S 为驻波比。S 可用式(9)表达: S=Pmin/Pmax （9）

式中: Pmin 为驻波声压极小值,Pmax 为驻波声压极大值。试验方法为驻波管法，将待测多孔材料试样安放在驻波管的前端,移动探管测得 和 数据,将其代入式（8）和式（9）计算得出吸声系数α 值。

2.5 多孔陶瓷的应用

多孔陶瓷由于具备陶瓷的一些性能，比如耐高温、优良的绝热性能、耐化学腐蚀的特点。因而可以在某些场合部分的替代致密陶瓷，比如作为耐热材料；同时由于其具有特殊的孔结构，因而具有致密陶瓷所不能比拟的优良性能，比如渗透能力、降低噪音的能力，甚至由于与骨骼十分的类似，因而在生物材料方面也出现了新的应用。

2.5.1 传统应用

2.5.1.1 制作耐热材料 多孔陶瓷的高气孔率，使其具有较小的密度和低的 …… 此处隐藏：4652字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……