粉末冶金多孔材料

粉末冶金多孔材料Powder Metallurgy Porous Materials供稿|贾成厂1，金成海2/ JIA Cheng-chang 1，JIN Cheng-hai 2作者单位：1. 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083；2. 钢铁研究总院，北京 100088概 述多孔材料，顾名思义就是有很多孔的材料，是由材料实体与孔隙构成的相互贯通或封闭的网络结构。

如果孔隙之间是相互相通的，则称为开孔；如果孔隙与孔隙之间是完全隔开的，则称为闭孔；也有些孔隙则是半开半闭的。

粉末冶金多孔材料，又称多孔烧结材料，由金属或合金粉末 (球状或不规则形状)，或短纤维，经成形、烧结制成。

材料内部孔道纵横交错、互相贯通，一般有 30%~60% 的孔隙度，孔径 1~100 μm 。

常用的金属或合金粉末冶金多孔材料，也称多孔烧结材料，由金属或合金粉末经成形、烧结工艺而制成。

常用的金属或合金有青铜、不锈钢、铁、镍、钛、钨、钼以及难熔金属化合物等。

粉末冶金多孔材料具有孔径和孔隙度均可控制、导热、导电、可焊接和加工、高的比强度、冲击韧性、能量吸收性能、化学活性、阻波性能、独特的光学性能、良好的透过性、选择性的渗透与吸附性、止振性能等一系列优异的性能。

在气体和液体过滤、高温燃气的净化过滤、熔融金属的过滤、固体催化、缓冲器及吸震器、电极材料、屏蔽材料、流体分布装置、热交换器、加热器、散热器、结构材料、生物材料等领域得到广泛应用。

内容导读有青铜、不锈钢、铁、镍、钛、钨、钼以及难熔金属化合物等。

做成的制品有坩埚状、碟状、管状、板状、薄膜等。

粉末冶金多孔材料导热、导电性能好，透过性能好，耐高温与低温，抗热震，抗介质腐蚀。

可用于制造过滤器、多孔电极、灭火装置、防冻装置等。

图 1 是多孔铝，图 2 是多孔镍。

多孔材料的优异性能力学性能由于粉末冶金多孔材料中存在大量的孔隙，所以其密度显著减小。

例如多孔钢的密度与致密材料相比能够减轻 34.2%。

铝合图 1 多孔铝图 2 多孔镍DOI: 10.3969/j.issn.1000–6826.2013.01.004金多孔材料或镁合金的的密度可以小于 l g/cm 3，当材料的外表致密时，则可以浮出水面。

粉末冶金多孔材料密度低，比强度 (强度与密度之比) 大，广泛应用于机械工具和交通运输工具等领域。

多孔材料轧制而成的板材，可以制作汽车、机器的蒙皮，取代目前所用的板材。

应用在航天、航空业也有较大的优势。

在飞机中，如果将一些致密材料改用多孔材料，就能够在维持同等性能的条件下，将其重量大幅度减小。

能量吸收特性粉末冶金多孔材料具有很多致密金属所难以具备的功能，例如能吸收能量，起缓冲的作用。

机械波及机械振动的传播性能在有孔隙结构的多孔材料中传播时会发生变化，就是说，当波传播至材料的致密部分与孔隙的界面时，就会有反射和折射的发生。

多孔材料能够起到阻波的作用，这是由于孔隙的存在而增多了反射、折射与衍射的机会。

可以依据这种性质将粉末冶金多孔材料制作隔音材料、减振材料和抗爆炸冲击材料。

利用粉末冶金多孔材料所具有的能量吸收特性，可以将其用来制造能量吸收器、减震缓冲器等，应用于机械工程和车辆工程，当它们受到突然的冲击时，可避免或减少恶性事故的发生。

光电性能粉末冶金多孔材料具有独特的光学性能与电学性能。

例如，微孔的多孔硅材料在激光的照射下能够发出可见光，有希望成为制造新型光电子元件的理想材料。

利用多孔材料的特殊光电性能，还可以制作燃料电池的多孔电极，这种电池被认为是很有前途的下一代汽车能源装置。

透过性、渗透与吸附性粉末冶金多孔材料具有良好的透过性，选择性的渗透与吸附性。

孔隙能透过气、液介质。

现在已经制造出具有规则形状与排列、且孔的尺寸和方向都能够控制的多孔材料。

将粉末冶金多孔材料制成分子筛，例如用于高效气体分离膜、可重复使用的特殊过滤装置等。

每种气体或液体分子的直径不同，运动的自由程也不同，因此，不同孔径的多孔材料对不同气体或液体的吸附能力也就不同。

利用这种性质，可以制作出用于水净化、且可重复使用的高效液体分离膜。

化学性能由于粉末冶金多孔材料内部有很多孔，所以其活性一般会增加。

基于具有分子识别功能的多孔材料会产生人造酶，从而能够大幅度提高催化反应的速度。

由于孔隙的存在，烧结多孔材料力学性能等可能会不如致密金属，但由于比表面增大，有些性能却比致密金属好得多，如热交换能力、电化学活性、催化作用等。

多孔材料还具有热交换效率高、电化学活性、声阻性、抗介质腐蚀等优点。

止振性能粉末冶金多孔材料内部存在的大量气体，使得当材料接收到振动源的能量时，会在材料内部产生很大的内耗，从而将传递来的能量化解掉。

粉末冶金多孔材料还具有很好的吸声能力，所以广泛应用于隔离噪音源的材料，如铝合金多孔材料、镁合金多孔材料可应用于潜水艇内的隔墙，能够很好地防止声纳的跟踪。

用于人流嘈杂地方的天花板，可以大幅度地降低噪音。

该材料将来还可以用于汽车等交通工具上，降低发动机的噪音。

其他性能粉末冶金多孔材料还具有孔径和孔隙度均可控制、导热、导电、可焊接和加工、电磁波吸收特性良好、对气体敏感等特性，所以粉末冶金多孔材料在通讯工程，环保工程等领域有广泛的应用前景。

利用仿真技术开发的粉末冶金多孔材料人工骨骼，具有生物材料的特性，所以可以作为人体理想的骨骼材料。

多孔材料的性能参数表征多孔材料的最大特点是“多孔”。

孔的物理结构有三种：(1) 孔全部被封，孔与孔之间由材料实体隔开；(2) 孔与孔被“半封住”，即相邻的孔之间的固体墙壁内部，藏有狭小的通道，气体或液体分子可以经过这些小管子在孔之间通过，但是比较费劲；(3) 孔与孔之间有很宽敞的通道，气体或液体分子可以在整个孔隙中自由流通。

为了保证多孔材料的性能，需要对其结构进行表征。

其主要参数有孔隙度、最大孔径、平均孔径、孔径分布、孔隙形状和比表面。

对材料的力学性能和各种使用性能有决定性影响的因素当然首先是材质，但材料的多孔结构也是重要的参数。

孔隙是由粉末颗粒性状与工艺条件所决定的，所以原料粉末的物理和化学性能，尤其是粉末颗粒的尺寸、尺寸分布和形状，是决定多孔结构以及最终使用性能的主要因素。

对于多孔结构参数，有多种测定方法。

孔隙度。

是指孔隙的含量，一般使用体积分数。

是由 1 减去相对密度而得，相对密度则是实际密度(包含孔隙) 与理论密度的比值。

孔径。

是指孔隙的尺寸大小。

常用的测量方法有气泡法、气体透过法、吸附法和汞压法等。

选择测定方法时应尽量与使用条件相接近。

流体透过多孔体的运动在层流条件下流速与压力梯度成正比，与流体黏度成反比，其比例常数就是透过系数，该系数反映了多孔材料透过能力。

烧结多孔材料的透过能力随贯通孔隙度的增大、孔径的增大、多孔体厚度的减小、以及流体黏度的减小而增大。

烧结金属多孔材料的力学性能随孔隙度的增大及孔径的增大而下降，而且，力学性能对孔的形状非常敏感，这是由应力集中所造成的。

孔隙度一定时，孔径小的多孔材料透过性小，但强度大。

过滤精度也称为阻截能力，是指透过多孔体的流体中的最小固体颗粒尺寸。

孔径分布是描述不同尺寸孔隙的存在状况的参数，也是判断多孔结构是否均匀的依据。

对于过滤材料，要求在有足够强度的前提下，尽可能增大透过性与过滤精度。

根据这些原理，可以采用分级的球形粉末为原料，制成均匀的多孔结构，用粉末轧制法制造多孔的薄带与焊接薄壁管，还有粗孔层与细孔层组合的双层多孔材料。

比表面。

是指材料的表面积与质量或体积的比值。

常用低温氮吸附法和流体透过法来测定。

粉末冶金多孔材料的制备工艺一般说来，可以选用球形和不规则形状的粉末或金属纤维，作为制造多孔材料的粉末原料。

采用球形粉末作为原料时，获得的多孔材料流体阻力小、结构均匀、再生性好；而采用不规则形状粉末或纤维作为原料时，能够制造孔隙度更高的材料，且力学性能较好。

制造多孔材料的成形压力和烧结温度一般会略低于制造烧结致密材料，这是为了获得具有理想结构的多孔结构。

所选用粉末的平均粒度、粒度分布、颗粒形状等对于所制备多孔材料的孔径、强度等性能起着很大的作用。

对原料粉末进行预处理是为了获得预定的微观组织结构与性能，预处理包括退火、粒度分级、球化与球选、加入各种造孔剂、润滑剂、增塑剂等。

成形固结工艺可以采用模压–烧结工艺；如果是简单异形制品，则可以选用松装烧结工艺进行成形；对于厚度为 0.1~3 mm 的板、带、管，可以采用粉末轧制工艺；对于异形长制品，可以采用粉末挤压工艺；对于异形大制品，可以采用等静压制工艺；对于复杂异形制品，可以采用粉浆浇注工艺。

如果是金属纤维作原料，可以使其在液体中沉积，得到均匀分布的纤维毡，然后压制、烧结成金属纤维多孔材料。

制造泡沫金属(孔隙度更大的材料) 时，是将原料粉末、发泡剂、固化剂等一起均匀混合成形，固化和烧结。

由于在加热过程中发泡，所以可获得理想的组织与性能。

泡沫金属的孔隙度可高达 90% 以上。

可以选用不同粒度的粉末制作不同孔径的双层或多层结构的材料，还可以将粉末与金属网或纤维一起成形，制成纤维增强材料，能够改善多孔材料的综合性能。

粉末冶金多孔材料的应用粉末冶金多孔材料中的孔隙，是一种有用的结构。

当孔隙为连通开孔时，孔隙可以作为“仓库”或“通道”。

前者的典型应用例子为烧结金属含油轴承[1]，后者的典型应用例子为过滤器。

当孔隙为闭孔时，孔隙内充满了空气，多孔材料主要用于隔热、隔音材料。

气体和液体过滤粉末冶金多孔材料中的孔隙允许流体(气体或液体) 以及小于一定尺寸的固体颗粒通过，将大于该尺寸的固体颗粒截留，就是说，能够利用其多孔的过滤分离作用净化液体和气体。

例如用来净化飞机和汽车上的燃料油和空气；化学工业上各种液体和气体的过滤；原子能工业上排出气体中放射性微粒的过滤等。

粉末冶金多孔材料作为过滤器，具有以下优点：优良的透过性能，过滤速度大；孔径与孔隙度可以控制，过滤精度高、分离效果好，用于仪器、仪表可以精确地控制流体的流动；强度高、韧性好，适用于高压环境；抗腐蚀性能好，适用于多种酸、碱等腐蚀性介质；再生性能好，再生后过滤性能恢复 90% 以上，可重复多次使用；使用寿命长。

除了可以对一般的气体和液体过滤之外，还可以进行高温燃气的净化过滤。

如果多孔材料的材质是高熔点金属或陶瓷，还可以用于冶炼铸造时熔融金属的过滤。

当多孔材料的孔隙小到介孔尺度时，还可以作为分子筛来分离气体。

表 1 是一些多孔材料过滤器的使用温度范围与适用环境。

图3 是多孔材料过滤器的实例。

图 4 是分子筛制氧设备。

固体催化剂利用粉末冶金多孔材料的比表面大且具有支撑强度等特点，可以制作高效催化剂或催化剂载体，应用于化学工业。

发生在两相界面上的催化作用。

通常催化剂为多孔固体材料，反应物为液体或气体。

在多相催化反应中，固体催化剂对反应物分子发生化学吸附作用，使反应物分子得到活化，降低了化学反应的活化能，而使反应速率加快。