粉末多孔材料的研究與應(yīng)用

粉末多孔材料的研究與應(yīng)用

粉末多孔材料顧名思義，多孔材料是一種有許多孔的材料。它是由材料的實體和孔之間的連接或關(guān)閉的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。如果孔隙之間是相互相通的,則稱為開孔;如果孔隙與孔隙之間是完全隔開的,則稱為閉孔;也有些孔隙則是半開半閉的。粉末冶金多孔材料,又稱多孔燒結(jié)材料,由金屬或合金粉末(球狀或不規(guī)則形狀),或短纖維,經(jīng)成形、燒結(jié)制成。材料內(nèi)部孔道縱橫交錯、互相貫通,一般有30%~60%的孔隙度,孔徑1~100μm。常用的金屬或合金有青銅、不銹鋼、鐵、鎳、鈦、鎢、鉬以及難熔金屬化合物等。做成的制品有坩堝狀、碟狀、管狀、板狀、薄膜等。粉末冶金多孔材料導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能好,透過性能好,耐高溫與低溫,抗熱震,抗介質(zhì)腐蝕?？捎糜谥圃爝^濾器、多孔電極、滅火裝置、防凍裝置等。圖1是多孔鋁,圖2是多孔鎳。多孔材料的優(yōu)異性能材料和材料由于粉末冶金多孔材料中存在大量的孔隙,所以其密度顯著減小。例如多孔鋼的密度與致密材料相比能夠減輕34.2%。鋁合金多孔材料或鎂合金的的密度可以小于lg/cm3,當(dāng)材料的外表致密時,則可以浮出水面。粉末冶金多孔材料密度低,比強(qiáng)度(強(qiáng)度與密度之比)大,廣泛應(yīng)用于機(jī)械工具和交通運輸工具等領(lǐng)域。多孔材料軋制而成的板材,可以制作汽車、機(jī)器的蒙皮,取代目前所用的板材。應(yīng)用在航天、航空業(yè)也有較大的優(yōu)勢。在飛機(jī)中,如果將一些致密材料改用多孔材料,就能夠在維持同等性能的條件下,將其重量大幅度減小。反射和折射粉末冶金多孔材料具有很多致密金屬所難以具備的功能,例如能吸收能量,起緩沖的作用。機(jī)械波及機(jī)械振動的傳播性能在有孔隙結(jié)構(gòu)的多孔材料中傳播時會發(fā)生變化,就是說,當(dāng)波傳播至材料的致密部分與孔隙的界面時,就會有反射和折射的發(fā)生。多孔材料能夠起到阻波的作用,這是由于孔隙的存在而增多了反射、折射與衍射的機(jī)會?？梢砸罁?jù)這種性質(zhì)將粉末冶金多孔材料制作隔音材料、減振材料和抗爆炸沖擊材料。利用粉末冶金多孔材料所具有的能量吸收特性,可以將其用來制造能量吸收器、減震緩沖器等,應(yīng)用于機(jī)械工程和車輛工程,當(dāng)它們受到突然的沖擊時,可避免或減少惡性事故的發(fā)生。激光照射下的可見光粉末冶金多孔材料具有獨特的光學(xué)性能與電學(xué)性能。例如,微孔的多孔硅材料在激光的照射下能夠發(fā)出可見光,有希望成為制造新型光電子元件的理想材料。利用多孔材料的特殊光電性能,還可以制作燃料電池的多孔電極,這種電池被認(rèn)為是很有前途的下一代汽車能源裝置。在分子篩中的應(yīng)用粉末冶金多孔材料具有良好的透過性,選擇性的滲透與吸附性?？紫赌芡高^氣、液介質(zhì)?，F(xiàn)在已經(jīng)制造出具有規(guī)則形狀與排列、且孔的尺寸和方向都能夠控制的多孔材料。將粉末冶金多孔材料制成分子篩,例如用于高效氣體分離膜、可重復(fù)使用的特殊過濾裝置等。每種氣體或液體分子的直徑不同,運動的自由程也不同,因此,不同孔徑的多孔材料對不同氣體或液體的吸附能力也就不同。利用這種性質(zhì),可以制作出用于水凈化、且可重復(fù)使用的高效液體分離膜。多孔材料的催化反應(yīng)由于粉末冶金多孔材料內(nèi)部有很多孔,所以其活性一般會增加?；诰哂蟹肿幼R別功能的多孔材料會產(chǎn)生人造酶,從而能夠大幅度提高催化反應(yīng)的速度。由于孔隙的存在,燒結(jié)多孔材料力學(xué)性能等可能會不如致密金屬,但由于比表面增大,有些性能卻比致密金屬好得多,如熱交換能力、電化學(xué)活性、催化作用等。多孔材料還具有熱交換效率高、電化學(xué)活性、聲阻性、抗介質(zhì)腐蝕等優(yōu)點。吸聲劑的應(yīng)用粉末冶金多孔材料內(nèi)部存在的大量氣體,使得當(dāng)材料接收到振動源的能量時,會在材料內(nèi)部產(chǎn)生很大的內(nèi)耗,從而將傳遞來的能量化解掉。粉末冶金多孔材料還具有很好的吸聲能力,所以廣泛應(yīng)用于隔離噪音源的材料,如鋁合金多孔材料、鎂合金多孔材料可應(yīng)用于潛水艇內(nèi)的隔墻,能夠很好地防止聲納的跟蹤。用于人流嘈雜地方的天花板,可以大幅度地降低噪音。該材料將來還可以用于汽車等交通工具上,降低發(fā)動機(jī)的噪音。在其他方面的應(yīng)用粉末冶金多孔材料還具有孔徑和孔隙度均可控制、導(dǎo)熱、導(dǎo)電、可焊接和加工、電磁波吸收特性良好、對氣體敏感等特性,所以粉末冶金多孔材料在通訊工程,環(huán)保工程等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。利用仿真技術(shù)開發(fā)的粉末冶金多孔材料人工骨骼,具有生物材料的特性,所以可以作為人體理想的骨骼材料。多孔材料的結(jié)構(gòu)多孔材料的最大特點是“多孔”。孔的物理結(jié)構(gòu)有三種:(1)孔全部被封,孔與孔之間由材料實體隔開;(2)孔與孔被“半封住”,即相鄰的孔之間的固體墻壁內(nèi)部,藏有狹小的通道,氣體或液體分子可以經(jīng)過這些小管子在孔之間通過,但是比較費勁;(3)孔與孔之間有很寬敞的通道,氣體或液體分子可以在整個孔隙中自由流通。為了保證多孔材料的性能,需要對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。其主要參數(shù)有孔隙度、最大孔徑、平均孔徑、孔徑分布、孔隙形狀和比表面。對材料的力學(xué)性能和各種使用性能有決定性影響的因素當(dāng)然首先是材質(zhì),但材料的多孔結(jié)構(gòu)也是重要的參數(shù)。孔隙是由粉末顆粒性狀與工藝條件所決定的,所以原料粉末的物理和化學(xué)性能,尤其是粉末顆粒的尺寸、尺寸分布和形狀,是決定多孔結(jié)構(gòu)以及最終使用性能的主要因素。對于多孔結(jié)構(gòu)參數(shù),有多種測定方法?？紫抖取Ｊ侵缚紫兜暮?一般使用體積分?jǐn)?shù)。是由1減去相對密度而得,相對密度則是實際密度(包含孔隙)與理論密度的比值。孔徑。是指孔隙的尺寸大小。常用的測量方法有氣泡法、氣體透過法、吸附法和汞壓法等。選擇測定方法時應(yīng)盡量與使用條件相接近。流體透過多孔體的運動在層流條件下流速與壓力梯度成正比,與流體黏度成反比,其比例常數(shù)就是透過系數(shù),該系數(shù)反映了多孔材料透過能力。燒結(jié)多孔材料的透過能力隨貫通孔隙度的增大、孔徑的增大、多孔體厚度的減小、以及流體黏度的減小而增大。燒結(jié)金屬多孔材料的力學(xué)性能隨孔隙度的增大及孔徑的增大而下降,而且,力學(xué)性能對孔的形狀非常敏感,這是由應(yīng)力集中所造成的。孔隙度一定時,孔徑小的多孔材料透過性小,但強(qiáng)度大。過濾精度也稱為阻截能力,是指透過多孔體的流體中的最小固體顆粒尺寸?？讖椒植际敲枋霾煌叽缈紫兜拇嬖跔顩r的參數(shù),也是判斷多孔結(jié)構(gòu)是否均勻的依據(jù)。對于過濾材料,要求在有足夠強(qiáng)度的前提下,盡可能增大透過性與過濾精度。根據(jù)這些原理,可以采用分級的球形粉末為原料,制成均勻的多孔結(jié)構(gòu),用粉末軋制法制造多孔的薄帶與焊接薄壁管,還有粗孔層與細(xì)孔層組合的雙層多孔材料。比表面。是指材料的表面積與質(zhì)量或體積的比值。常用低溫氮吸附法和流體透過法來測定。原料的預(yù)處理和成型一般說來,可以選用球形和不規(guī)則形狀的粉末或金屬纖維,作為制造多孔材料的粉末原料。采用球形粉末作為原料時,獲得的多孔材料流體阻力小、結(jié)構(gòu)均勻、再生性好;而采用不規(guī)則形狀粉末或纖維作為原料時,能夠制造孔隙度更高的材料,且力學(xué)性能較好。制造多孔材料的成形壓力和燒結(jié)溫度一般會略低于制造燒結(jié)致密材料,這是為了獲得具有理想結(jié)構(gòu)的多孔結(jié)構(gòu)。所選用粉末的平均粒度、粒度分布、顆粒形狀等對于所制備多孔材料的孔徑、強(qiáng)度等性能起著很大的作用。對原料粉末進(jìn)行預(yù)處理是為了獲得預(yù)定的微觀組織結(jié)構(gòu)與性能,預(yù)處理包括退火、粒度分級、球化與球選、加入各種造孔劑、潤滑劑、增塑劑等。成形固結(jié)工藝可以采用模壓–燒結(jié)工藝;如果是簡單異形制品,則可以選用松裝燒結(jié)工藝進(jìn)行成形;對于厚度為0.1~3mm的板、帶、管,可以采用粉末軋制工藝;對于異形長制品,可以采用粉末擠壓工藝;對于異形大制品,可以采用等靜壓制工藝;對于復(fù)雜異形制品,可以采用粉漿澆注工藝。如果是金屬纖維作原料,可以使其在液體中沉積,得到均勻分布的纖維氈,然后壓制、燒結(jié)成金屬纖維多孔材料。制造泡沫金屬(孔隙度更大的材料)時,是將原料粉末、發(fā)泡劑、固化劑等一起均勻混合成形,固化和燒結(jié)。由于在加熱過程中發(fā)泡,所以可獲得理想的組織與性能。泡沫金屬的孔隙度可高達(dá)90%以上?？梢赃x用不同粒度的粉末制作不同孔徑的雙層或多層結(jié)構(gòu)的材料,還可以將粉末與金屬網(wǎng)或纖維一起成形,制成纖維增強(qiáng)材料,能夠改善多孔材料的綜合性能?？紫蹲鳛椤皞}庫”粉末冶金多孔材料中的孔隙,是一種有用的結(jié)構(gòu)。當(dāng)孔隙為連通開孔時,孔隙可以作為“倉庫”或“通道”。前者的典型應(yīng)用例子為燒結(jié)金屬含油軸承,后者的典型應(yīng)用例子為過濾器。當(dāng)孔隙為閉孔時,孔隙內(nèi)充滿了空氣,多孔材料主要用于隔熱、隔音材料。多孔材料過濾器粉末冶金多孔材料中的孔隙允許流體(氣體或液體)以及小于一定尺寸的固體顆粒通過,將大于該尺寸的固體顆粒截留,就是說,能夠利用其多孔的過濾分離作用凈化液體和氣體。例如用來凈化飛機(jī)和汽車上的燃料油和空氣;化學(xué)工業(yè)上各種液體和氣體的過濾;原子能工業(yè)上排出氣體中放射性微粒的過濾等。粉末冶金多孔材料作為過濾器,具有以下優(yōu)點:優(yōu)良的透過性能,過濾速度大;孔徑與孔隙度可以控制,過濾精度高、分離效果好,用于儀器、儀表可以精確地控制流體的流動;強(qiáng)度高、韌性好,適用于高壓環(huán)境;抗腐蝕性能好,適用于多種酸、堿等腐蝕性介質(zhì);再生性能好,再生后過濾性能恢復(fù)90%以上,可重復(fù)多次使用;使用壽命長。除了可以對一般的氣體和液體過濾之外,還可以進(jìn)行高溫燃?xì)獾膬艋^濾。如果多孔材料的材質(zhì)是高熔點金屬或陶瓷,還可以用于冶煉鑄造時熔融金屬的過濾。當(dāng)多孔材料的孔隙小到介孔尺度時,還可以作為分子篩來分離氣體。表1是一些多孔材料過濾器的使用溫度范圍與適用環(huán)境。圖3是多孔材料過濾器的實例。圖4是分子篩制氧設(shè)備。用于工業(yè)化利用粉末冶金多孔材料的比表面大且具有支撐強(qiáng)度等特點,可以制作高效催化劑或催化劑載體,應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)。發(fā)生在兩相界面上的催化作用。通常催化劑為多孔固體材料,反應(yīng)物為液體或氣體。在多相催化反應(yīng)中,固體催化劑對反應(yīng)物分子發(fā)生化學(xué)吸附作用,使反應(yīng)物分子得到活化,降低了化學(xué)反應(yīng)的活化能,而使反應(yīng)速率加快。多孔材料具有較大的比表面積,能夠促進(jìn)催化作用。粉末多孔材料使用多孔材料的典型能量吸收裝置是緩沖器及吸震器,可以用于航天工業(yè)中宇宙飛船的起落架、升降機(jī)、汽車的防沖擋、傳送器安全墊、高速磨床的防護(hù)罩吸能內(nèi)襯等。粉末冶金多孔材料制成的元件使用于汽車沖擊區(qū),能夠控制能耗的變形,以保護(hù)側(cè)面沖擊。在中空鋼材等外殼中充入鋁多孔材料,能夠使部件在服役時具備良好的變形行為。車體或發(fā)動機(jī)的一些部件采用粉末冶金多孔材料,可以減輕重量并維持較高的剛性。汽車追求低比重和高能量吸收能力,相應(yīng)的材料倍受青睞。使用粉末冶金多孔材料材料,可實現(xiàn)相應(yīng)的高能量吸收。粉末冶金多孔材料在能量吸收方面的又一重大應(yīng)用例是消音材料。該類消聲材料具有的良好的聲性能,可以與最好的聲控材料聚合物泡沫相媲美,而且能適用于高溫。粉末冶金多孔材料作為吸聲材料,具有優(yōu)良的吸聲效率、透聲損失、透氣性、耐火性、以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等力學(xué)性能。有機(jī)材料在雨水條件下吸聲效率易于下降,陶瓷等燒結(jié)材料的抗沖擊性能差,在有些情況下不能滿足要求。而粉末冶金多孔材料具有優(yōu)異的性能,可以既作外表裝飾,又作吸聲材料,所以被廣泛用于建筑、自動辦公設(shè)備、無線電錄音室等。圖5是使用了多孔減震材料的坦克。圖6是使用了吸聲材料的體育館。粉末多孔材料粉末冶金多孔材料材料還可以用作電極材料。各種蓄電池、燃料電池、空氣電池中,大都采用多孔鎳作為電極。與傳統(tǒng)燒結(jié)基板材料相比,粉末冶金多孔材料材料輕質(zhì)高孔率,能夠使材料的消耗與極板質(zhì)量大幅度降低,且能夠提高能量密度。粉末冶金多孔銅可作電解銅還原的陰極、電有機(jī)合成電極;粉末冶金多孔鎳具有良好的電解質(zhì)擴(kuò)散、遷移和物質(zhì)交換性能,可以用作化學(xué)反應(yīng)工程中的流通性和流經(jīng)性多孔電極。該類材料用于電化學(xué)反應(yīng)器,可以增加電極表面粉末冶金多孔鉛可以用作鉛酸電池的活性物質(zhì)支撐體,使電極結(jié)構(gòu)大大減輕。具有良好的電磁波吸收性能的粉末冶金多孔材料,可用于電磁屏蔽、電磁兼容等器件?？紫断嗷ミB通的三維網(wǎng)狀銅或鎳,透氣散熱性好,比重小,屏蔽性能優(yōu)于金屬網(wǎng),可實現(xiàn)波導(dǎo)窗的屏蔽效果,且體積比波導(dǎo)窗小,適合于在移動式的儀器設(shè)備中使用。圖7是使用了多孔材料的小型燃料電池。圖8是燃料電池混合動力汽車。粉末多孔材料粉末冶金多孔材料作為流體分布裝置也得到了廣泛的應(yīng)用。例如采用多孔不銹鋼控制火箭鼻錐體偏航指示儀外殼;粉末冶金多孔材料可以用于磁帶處理設(shè)備中的漂浮塑性膜的氣浮輥筒。青銅、鎳、蒙乃爾合金、不銹鋼等粉末燒結(jié)多孔板已廣泛應(yīng)用于流體分布板。粉末冶金多孔材料還可以用作流體控制,例如氣體或液體的計量器、自動化系統(tǒng)中的信號控制延時器等。還用于流體分布裝置,熱交換器,加熱器,散熱器,結(jié)構(gòu)材料,生物材料等。合成系統(tǒng)的使用性能粉末冶金多孔材料具有很大的比表面積,是熱交換和與加熱的有效材料,可以用作熱交換器、加熱器、散熱器,表現(xiàn)出很高的效率和優(yōu)良的使用性能。粉末冶金多孔鋼可應(yīng)用的溫度區(qū)間很寬,可制作汽車發(fā)動機(jī)的排氣歧管。粉末冶金多孔材料耐火性好,還具有與阻火能力協(xié)調(diào)的高滲透性,可作為防止火焰沿管道蔓延的優(yōu)質(zhì)材料,制成滅火器。在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用粉末冶金多孔材料具有適宜的強(qiáng)度、延展性與可加工性,可用作輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料,尤其是使用溫度超過200℃的場合。粉末冶金多孔鋁很早就用于飛機(jī)夾合件的芯材。在航空和導(dǎo)彈工業(yè)中,多孔網(wǎng)狀金屬被用作輕質(zhì)、傳熱的支撐結(jié)構(gòu)件。還可以焊接、電鍍或膠粘于結(jié)構(gòu)體,制作成夾層構(gòu)件,用作飛機(jī)機(jī)翼金屬外殼的支撐體、導(dǎo)彈鼻錐的防外殼高溫倒坍支撐體、雷達(dá)鏡的反射材料等。在建筑領(lǐng)域,粉末冶金多孔材料可以制作輕、硬、耐火的元件、欄桿或支撐體。粉末冶金多孔銅易且于變形,所以適合于制作緊固器。粉末冶金多孔材料還可采用許多有機(jī)和無機(jī)材料作為增強(qiáng)體。孔率為6%~30%的Fe或Ni增強(qiáng)鋁合金多孔材料可用于內(nèi)燃機(jī)引擎。此外,粉末冶金多孔材料還可作鑲板、殼體和管體的輕質(zhì)芯,制成多種層壓復(fù)合材料。圖9是信號控制延時器。圖10是美國的導(dǎo)彈鼻錐。多孔鈦材料的使用鈦對人體無害,且有較好的生物相容性,粉末冶金多孔鈦材料大量用于醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè),例如多孔鈦髓關(guān)節(jié)用于矯形術(shù),多孔鈦種植牙根用于牙缺損的修復(fù),W-Cr-Ni合金復(fù)合體用于多孔復(fù)合心瓣體等。國際最新的科學(xué)發(fā)展和發(fā)展趨勢微細(xì)化、納米化過濾介質(zhì)對于金屬多孔材料,過濾與分離是其最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,對材料的過濾精度要求也越來越高,如食品、飲料行業(yè)要求過濾精度達(dá)到微米級水準(zhǔn),生物、醫(yī)藥用過濾介質(zhì)達(dá)到亞微米乃至納米水平。因此,過濾孔徑逐步向微細(xì)化、納米化的方向發(fā)展。美國MOTT公司的燒結(jié)金屬粉末等效孔徑已經(jīng)到達(dá)5nm,比利時BEKAERT的燒結(jié)金屬纖維氈等效孔徑可以做到1μm,日本NICHIDAI司的燒結(jié)金屬絲網(wǎng)等效孔徑最小達(dá)到2~3μm。無序結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)常用的粉末冶金多孔材料有金屬粉末多孔材料、金屬纖維多孔材料等,其孔結(jié)構(gòu)一般為簡單的無序結(jié)構(gòu)。隨著其應(yīng)用領(lǐng)域的拓展,不斷地出現(xiàn)了各種形式的梯度結(jié)構(gòu)或復(fù)合結(jié)構(gòu)。最早的梯度復(fù)合金屬多孔材料是金屬復(fù)合絲網(wǎng)材料,孔隙分布均勻,具有很高的整體強(qiáng)度與剛性,耐腐蝕、耐高溫、可折疊,滲透性能好,再生性能好,使用壽命長,且在外力作用下不容易發(fā)生變形。多功能化的納米多孔材料早期的粉末冶金多孔材料的材質(zhì)主要是銅、鎳、青銅、黃銅等,第二次世界大戰(zhàn)后開始了對多孔不銹鋼的研究,20世紀(jì)60~90年代,不銹鋼、鎳合金、鈦及鈦合金的多孔材料,以及特殊用途的銀、鎢、鉭、難熔金屬化合物的多孔材料都得到了迅速發(fā)展,尤其是不銹鋼多孔材料,得到了大規(guī)模的應(yīng)用。近年來,隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬,粉末冶金多孔材料的材質(zhì)正在向著合金化方向發(fā)展,各類不同性能的粉末冶金多孔材料應(yīng)運而生。粉末冶金多孔材料材質(zhì)的另一發(fā)展趨勢是復(fù)合化,復(fù)合化是實現(xiàn)多功能化的途徑之一。復(fù)合化包括金屬與合金復(fù)合的多孔材料、金屬與陶瓷復(fù)合的多孔材料、金屬與有機(jī)物復(fù)合的多孔材料等。納米多孔材料的研制與制備中國在粉末冶金多孔材料方面的研究有近40年的歷史,特別是在鈦材、不銹鋼的粉末燒結(jié)多孔制備和精密絲網(wǎng)多孔燒結(jié)技術(shù)方面,處于先進(jìn)行列。目前,中國已經(jīng)形成了頗具規(guī)模的燒結(jié)金屬多孔濾材生產(chǎn)能力,燒結(jié)金屬多孔材料的年需求量大約5億人民幣。據(jù)不完全統(tǒng)計,中國年產(chǎn)青銅過濾元件已超過100萬件,不銹鋼過濾元件的有效過濾面積超過4m2,鎳及鎳合金過濾元件接近1萬件,燒結(jié)鈦過濾元件超過