1.多孔材料的构成和类别 

 

多孔材料的构成较为特殊，它的内部结构表现为相互连通或者闭塞的孔洞，并且排列成网格状，孔洞的界面则由柱状物或板状物构成。这些柱状物或板状物通常被称为固定相，起到支撑整个材料的作用，材料的力学性能主要取决于固定相的性能，孔洞中填充的物质称之为流动相，根据填充物物理状态的不同，又可以细分为气相和液相，气相的较为常见，整个多孔材料就是由固定相和流动相构成。常见的孔结构包括:一部分是二维结构，这些结构是由非常多的多边形孔在平面上汇聚而成的; 因为其形状跟蜂房的六边形结构非常相近而被称为“蜂窝” 材料；另一部分是三维结构，这些结构是由非常多的多面体孔在空间内汇聚而成的，通常称之为“泡沫”材料，这类材料相对来说是更多的。多孔材料是功能材料的一种，根据其要求，多孔材料应满足以下两个要求:

 

一是在结构中需具有大量的孔隙; 

 

二是具有一定的实用性，其被设计出来的多孔结构可满足 使用者的期望或可达到所要求的性能指标，对材料的性能起到优化的作用。

 

多孔材料在自然界中很常见，而且具有一些优良的力学性能，被人们广泛利用。最为常见的就是木材，木材中间有很多细小的空洞，在多年前的古埃及金字塔中就已经使用了这些基本的多孔材料，古罗马时代还被用于酒瓶的瓶塞。而人类的骨骼，也可以称得上是多孔材料，具有低密度和高的机械强度的特点。传统的多孔材料，孔隙直径相对而言很大，达到了毫米级别，而现代制备的多孔材料，不仅包含了大孔径的，还有孔径达到了几十纳米的，获得了在性能上与传统材料有差别的新型多孔材料。在目前常用的多孔材料中，形状跟蜂房的六边形结构非常相近的“蜂窝”材料是相对来说较为简单的，常用于一些轻质构件。

 

此外，像一些由高分子做成的泡沫材料，可起到缓冲和减少器件碰撞的作用，也是目前来说应用非常广泛的。根据多孔材料孔径大小的不同，可以将多孔材料分为微孔 材料( microporous materials，孔径＜2 nm)、介孔材料( mesoporous materials，2nm＜孔径＜50nm) 以及大孔材料( macroporous materials，孔径＞50 nm)；根据其化学组成的不同，可将多孔材 料分为无机多孔材料和有机多孔材料，常见的无机多孔材料有金属多孔材料以及非金属多孔材料；常见的有机多孔材料有生物材料以及非生物有机多孔材料。

 

2.多孔材料的性能

 

相较于致密材料，多孔材料在力学性能及耐腐蚀性能方面 相对较差一些，但因其孔隙多，比表面大等原因，在热交换性能、催化性能、电化学活性等方面具有更大的优势。除此之外，多孔材料的缓冲性能、能量吸收性能、透气性、透液性等，都是致密材料所不具备的。根据多孔材料的用途不同，对其性能的要求也不同。比如过滤材料，要求该多孔材料应具有高的过滤精度、好的透过性及再生性;用于热交换的材料应具有高的热交换效率;用于吸收声音的材料应具有好的声阻性;此外还有电化学活性、电子发射能力等等。总体来说，多孔材料具有较多优异性能，可总结如下: 

 

2.1 化学性能

 

由于隙的存在，其密度会有不同程度的降低，因此多孔材料的稳定性较其他材料会有所下降。另一方面，利用多孔材料的分子识别功能，可生产一些人造酶，这使得催化反应速度得到了很大提高。

 

 2.2 传播性能

 

反射和折射的发生，是因为波传播到两种介质的界面上。多孔材料因其特殊的孔隙结构，会使得反射、折射以及衍射都有不同程度的增加，因此其在阻波方面的优势会特别突出，利用该方面的特质，多孔材料可用于制作隔音材料。除此之外，在减振以及抗爆炸冲击等方面的应用也是非常广泛的。 

 

2.3 选择渗透性

 

随着技术的进步，目前人们已经可以控制多孔材料的孔洞尺寸以及分布方向，并能制造出孔型规则且排列规律的多孔材料。通过该技术制成的分子筛，能进行高效的气体分离;还有一些由此制成的特殊过滤装置，可以多次重复使用。 

 

2.4 光电性能

 

目前多孔硅材料已经成为新型光电子元件的宠儿。当用激光照射多孔硅材料时，这些具有微孔的多孔材料会发射出可见光，利用该特殊的光学性能和电学性能，多孔硅材料可被用于制作燃料电池的多孔电极，而燃料电池因其优异性能，也被认为是未来汽车最具期待性的能源装置。 

 

2.5 选择吸附性 

 

选择吸附性是指不同孔径的多孔材料对不同气体或液体的吸附能力是不同的，造成该现象的根本原因是每种气体或液体分子的直径不同，导致被吸附的情况不同。利用该特性，可制作高温烟气处理器、空气净化器、水净化器、气液分离器等。

 

综上所述，多孔材料存在的这些优异性能，符合当今社会对工业发展高效益、低能耗、少排放和环保的目的要求，可以在人体骨骼、隔音、耐火防火、催化剂载体、过滤以及分离等方面发挥重要作用。随着多孔材料在诸多领域中的广泛应用，制备具有高强度、耐高温、高透气性及良好的冷热冲击的多孔材料，成为目前研究需要突破的重难点。同时，相当一部分学者已经在开发研究新的多孔材料体系，相信在不久将来将会得到令人惊喜的结果。 

 

3.多孔材料的制备和表征 

 

3.1 多孔材料的制备 

 

根据孔洞的有序性，可将多孔材料分为有序多孔材料和无序多孔材料。其中无序多孔材料相对来说制备比较简单，且成本不高，适合进行大量推广和应用，泡沫金属就是实例。根据 使用和制造多孔材料性能的不同要求，在选择合适的原材料方面，一些球形或不规则形状的粉末以及金属纤维可列入选取范围。制备多孔材料的方法多种多样，其中溶胶凝胶法、有机泡 沫浸渍法、发泡法是比较成熟和常用的方法。溶胶凝胶法是将一些具有高化学活性组分的化合物通过溶液、溶胶、凝胶，继而固化，再经热处理将其制成氧化物固体或别的化合物固体的技术，可通过改变溶胶的pH值，来控制孔洞的大小及孔隙率的高低，这是其他方法很难做到的。Cho Ｒong Kim就是用溶胶凝胶法制备了纳米尺寸的多孔氧化钛聚合物材料。有机泡沫浸渍法具有工艺简单，易于工业化等优点，成品可具有高孔隙率。发泡法是通过成型过程中材料的挥发分或分散在材料中 的挥发分使材料产生泡孔的方法，适合制取闭气孔制品。除此之外，还有一些新的制备方法开始得到应用，如离子交换法、 PCVI( Pressure－pulse Chemical Vapor Infiltration) 等。 

 

3.2 多孔材料的表征 

 

关于多孔材料的研究一般都伴随着其多孔结构的表征，多孔材料包括多孔形貌、孔径大小和分布、孔隙特征等结构特性。根据其检测多孔材料表征的不同可分为压汞法，气泡法，离心 法，核磁共振光谱，小角X射线衍射法，气体吸附法和电子显微镜观察。

 

4.多孔材料的应用 

 

4.1 过滤与分离

 

目前，制作过滤器的主要材料就是多孔材料。多孔材料具有优异的渗透性，在渗透过程中，多孔材料中的孔道可对流体 介质中的固体粒子起到阻碍和收集的作用，由此把液体和固体进行分离，起到净化和过滤的作用，比如使用该类型的多孔材料过滤器，可过滤汽油、石油中的固体颗粒。目前用于制作过滤器材料的主要是多孔金属材料，常见的有多孔青铜和多孔不锈钢，进行油水分离或从冷冻剂中分离水的分离媒介，用的就是多孔金属材料。多孔金属材料在生物领域的应用也很多，金属泡沫常用作肾器官中渗透膜的支撑体，也可用于人体体液的脱盐和脱氢处理。除此之外，由青铜、不锈钢、镍等多种多孔金属材料制作而成的空气净化器，能够抑制厌氧菌的生长，被人们看作是未来活性炭和脱脂棉的替代材料。 

 

4.2 能量吸收

 

多孔材料的重要特性之一，就是能够吸收大量能量，利用该特性，人们制作了缓冲器和吸振器等能量吸收装置，其在汽车的冲撞挡板、航天飞机的起落架、生产生活中的升降机和传送器安全垫、机床吸能防护罩内衬等方面都有广泛应用。除此之外，利用多孔材料在能量吸收方面的特性，还可将其制作成消音材料，其中泡沫金属就是应用之一。由多孔金属制作而成的消音材料，具有非常好的吸声性能，其效果甚至可以与聚合物泡沫相媲美，此外，在耐火性、透气性、结构强度以及吸音效率等方面的表现也非常优异，因此多孔金属吸声材料凭其优异性能及美观的外表装饰应用越来越广泛。比如长距离高压管道的噪音消除、蒸汽发电站和气动工具的消声器等等，都是使用的泡沫金属。 

 

4.3 电极材料 

 

电极材料也是多孔材料的重要用途之一。其中多孔镍常被用作蓄电池、空气电池以及燃料电池的电极，同时要求其孔隙率越高越好。此外，泡沫铅常被用作铅酸电池的活性物质支 撑体，其泡沫结构将大大降低整体重量。 

 

4.4 热交换 

 

用于热交换和加热的材料，必须要有足够大的比表面积，多孔材料刚好可以满足这一要求。尤其是具有通体孔的多孔材料，因其超高加热效率以及优异的使用性能，是制作热交换 器、加热器以及散热器的理想材料。在一些复杂结构中，多孔材料可与管状或平面状材料配合使用，能克服在三维复杂流动和强对流条件下，对边界层的有害影响。此外，闭孔的多孔材料可用于制作绝热材料，相对于传统绝热材料来说，其强度和耐温性都更优异一些。 

 

4.5 结构材料 

 

在轻质结构材料中，多孔金属因其优异的强度、延展性以及工艺性能，一直具有广泛的应用;为增强多孔金属材料的实用性，通常将其与致密基体相结合，以此来提高性能。多孔材料用作结构材料的实例很多。在航空及国防军事工业中，多孔网状金属材料常被焊接、电镀或者粘贴在结构体上，将其制作成夹层构件，用作轻质并能传热的支撑材料。常见的应用有机翼金属外壳的支撑体;用于防止外壳因高温而倒坍的导弹鼻锥支撑体;雷达镜的反射材料等。在建筑行业，一些栏杆、建筑元件或其支撑体需满足质轻、硬且耐火等特点，而多孔金属材料可满足其要求。在电梯行业，因电梯需要高频高 速的不断加速和减速，为降低能耗，人们希望能使用轻质结构，但传统的轻质结构材料又不满足安全性的要求，因此，同时具备吸能及强度的多孔金属材料在这类情景中的应用越来越广泛。 

 

4.6 生物材料

 

多孔材料作为生物材料被用于医疗卫生行业已经非常常见了，比如钛可制作成用于矫形术的髋关节，也可制作成种植在牙根用于牙齿修复的多孔钛牙齿;除此之外，钨铬镍合金也是常见的多孔生物材料，常用于制作多孔复合心瓣体。这些材料之所以能用作生物材料，究其原因是由于其对人体无害且有较好的生物相容性。

 

4.7 多孔材料的展望 

 

多孔材料在实际应用中面临着较多的问题。首先，多孔材料的孔结构会使其机械强度有所降低，实际应用中非常易产生断裂，使用寿命降低，从而在工业生产中存在很大的安全隐患以及经济负担;其次，传统制备工艺的很大问题在于实现多孔材料特别是微孔级多孔材料的大规模生产;再者，在实现多孔材料的孔径尺寸以及分布的连续可控性方面还存在一定难度; 另外，在多孔复合材料层间亲和力的研究方面仍存在很大空白。这在一定程度上限制了多孔材料作为结构和功能材料的大规模生产及应用，因此需更多的科研工作者致力于多孔材料制备工艺的创新。 

 

5.结束语

 

随着多孔材料在各行各业日益受到重视，它的应用也越来越广泛，特别是在能源、环保、化学工业等行业已经显示出独优势，经过进一步的研发、应用及推广将必定带来无尽的经济和社会效益。

 

来源：新疆工业职业技术学院，迈爱德编辑整理

来源：Internet

关键词： 多孔材料