粉末冶金中孔隙的功能特征
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%。
粉末材料的孔隙性能与复合材料的强韧化
• 分类 – 通过相变（热处理）获得：析出硬化、沉淀强化或时效强化 – 通过粉末烧结或内氧化获得：弥散强化
• 强化效果 – 相粒子的强度、体积分数、间距、粒子的形状和分布等都对强化效果 有影响 – 第二相粒子强化比固溶强化的效果更为显著
弥散强化与颗粒强化－强化机理
位错绕过机制（Orowan，奥罗万机制） 不易形变的粒子，包括弥散强化的
• 多孔材料具有较大的比表面和优良的透过性能，以及易压缩变形、吸 收能量好和质量轻等特性。
孔隙度对性能的料性能的影响
• 孔隙度显著影响粉末冶金材料的机械性能 物理性能 化学性能 工艺性能。
• 粉末冶金过程中，可对孔隙度、孔径及分布进行有效控制，并且可以在相 当宽的范围内调整。
弥散强化
• 粒子增强复合材料 增强性复合材料：增强粒子的数量大于20% 弥散强化复合材料：含量较少时。
基体等，都会引起临界切应力增加 • 长程交互作用（作用距离大于10b）
– 由于粒子与基体的点阵不同（至少是点阵常数不同），导致共格界面 失配，从而造成应力场
弥散强化
影响弥散强化材料强度的因素:
• 弥散相和基体的性质 – 弥散相的性质：弥散相粒子稳定，不长大 – 弥散相的粒度、含量、粒子间距（分布均性）、形状
• 相变韧化 • 材料在外力作用时，发生相的转变，吸收能量，从而提高材料的韧性。
相变韧化和弥散韧化
• 弥散韧化 • 当裂纹扩展过程中，裂纹遇到第二相粒子时会避开粒子而偏转，在弥散粒
子之间走“之”字，裂纹形状和长度改变，新裂纹表面的形成都会吸收能 量，从而提高材料的韧性。
小结
教学要求： 了解粉末材料的孔隙度特性及其对性能的料性能的影响 理解弥散强化、颗粒强化、纤维强化、相变韧化、弥散韧化
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%。
粉末材料的孔隙度特性知识讲解
多孔体止火的原理，是根据火焰通过毛细孔时产 生热交换，使燃烧物的热量通过孔壁而散失，从 而阻止燃烧过程的进行，使火焰熄灭。换句话说， 火焰在管道中传播的速度和孔隙大小是有一定关 系的，当孔径减小到某一临界尺寸时，可燃气体 将不可能着火。孔径的这一极限值称为临界熄火 孔径。粉末多孔材料孔径小、透气性好、强度高， 最适于作高速火焰的止火器。粉末多孔电极具有 大的比表面和晶体缺陷，可以有效地降低氢的超 电压。
一、粉末材料孔隙度和孔径的测定
• 孔隙度和密度是粉末冶金材料的基本特性，孔 隙度和密度的测定是控制粉末冶金材料质量的 主要方法之一。
• 对于致密材料，可直接将试样放在水中称重， 其残留孔隙度也可以采用显微镜法进行定量估 算。
• 对于具有开孔隙的材料，用液体静力学法称量 时，为了不让液体介质进入孔隙，可浸渍熔融 石蜡、石蜡泵油、无水乙醇液体石蜡、油、二 甲苯和苯甲醇等物质，或者涂覆硅树脂汽油溶 液、透明胶溶液和凡士林等物质，使烧结体的 开孔隙饱和或堵塞。
粉末材料的孔隙度特性
粉末冶金多孔材料的基本特性：由于孔隙的 存在，多孔材料具有大的比表面和优良的透过性 能，以及易压缩变形、吸收能量好和质量轻等特 性。
在普通铸件中，气孔和缺陷是常见的缺 陷，也是熔铸法难以克服的问题；而用粉末冶金 法制取的材料，其孔隙度、孔径及分布可以有效 地控制，并且可在相当宽的范围内调整。
孔隙直径：
汞压入法测定多孔材料孔径分布的方法如下：将 试样置于膨胀计中，并放入充汞装置内，在真空 条件下下，向膨胀计充汞，浸没试样。压入多孔 体的汞量是以与试样部分相联结的膨胀计毛细管 内汞柱的高度变化来表示的。当对汞所施的附加 压强低于大气压强时，向充汞装置中导入大气， 从而使膨胀计中的汞，对于多孔镍来说，获得可 测大于1.22μm以上的孔径所需的压强。
粉末材料的孔隙度特
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粉末材料的孔隙度特 性
• 引言 • 粉末材料的孔隙度对性能的影响 • 粉末材料孔隙度的测量方法 • 粉末材料孔隙度的控制与优化 • 粉末材料孔隙度的应用实例 • 结论与展望
目录
01
引言
孔隙度的定义与重要性
孔隙度的定义
孔隙度是描述粉末材料内部孔洞 和气孔体积占总体积的百分比， 是评估粉末材料质量、性能和应 用的关键参数。
详细描述
表面处理与改性技术包括涂层、包覆、化学反应等。通过在粉末颗粒表面涂覆一层致密的涂层或包覆 一层与基体相容性好、具有优异性能的物质，可以有效降低粉末材料的孔隙度，提高其物理和化学性 能。此外，采用表面改性技术还可以改善粉末材料的润湿性、流变性等加工性能。
05
粉末材料孔隙度的应用实例
在陶瓷材料中的应用
详细描述
在烧结过程中，应合理控制烧结温度、时间和气氛，以促进粉末颗粒间的有效 融合和致密化。同时，可以采用热等静压、微波烧结等先进的烧结技术，进一 步提高粉末材料的致密度和降低孔隙度。
表面处理与改性
总结词
表面处理与改性是优化粉末材料孔隙度的有效手段，通过表面涂层、包覆、化学反应等方法降低孔隙 度、提高材料性能。
这可能导致材料在潮湿环境下性能下降，如强度和电性 能的降低。
孔隙度较高的材料更容易吸收水分，因为它们提供了更 多的空间供水分子进入。
因此，对于需要在潮湿环境下使用的粉末材料，应尽量 降低其孔隙度以保持性能稳定。
电学性能
粉末材料的孔隙度对其电学性 能具有一定影响。
在某些情况下，孔隙中的空气 或残留气体可能引起电绝缘性
在原料选择方面，应优先选用具有低孔隙度、高纯度、高结晶度的原材料，以确保制备出的粉末材料具有优良的 物理和化学性能。在制备过程中，应采用先进的工艺技术，如化学气相沉积、物理气相沉积等，以获得致密、均 匀的粉末颗粒，降低孔隙度。
粉末冶金基础教程之多孔性材料
粉末冶金基础教程之多孔性材料1145562129 张杰冶金一班前言在大多数粉末冶金应用中，由金属粉末冶金通过压制与烧结的材料都是多孔性的。
作为结构零件，要求孔隙度低，但在其他应用中，对于有特殊功能需要的产品则要求孔隙度可控。
粉末冶金多孔性材料中应用最广泛的是自润滑轴承、金属过滤器及金属电极。
多孔性材料的材质种类繁多，应用范围及其广泛，结构和使用特性涉及到很多方面，并且由于使用目的不同对材料的性能要求及其表征形式也各异，因此，在研究多孔性材料时，了解其检测方法就显得很有必要。
一般多孔性材料系是指孔隙度在15% 以上的材料。
由于大量空隙的存在，使得它在性能方面与材质相同的致密材料有着很大的差别。
比如较高的孔隙度将导致机械强度、导热、导电与耐腐蚀等性能的下降。
但是，多孔性材料的广泛应用也正是由于空隙的存在。
孔隙特性是多孔材料的基本特性之一。
多孔隙材料的的其他一些重要性能都能直接或者间接的与其孔隙特性相关。
因此正确地测定孔隙度是分析多孔材料性能的重要手段之一。
①孔隙度的表征粉末冶金产品孔隙度的重要特性包括：总孔隙容积、连通孔隙的数量、空隙大小和孔径分布。
A连通空隙度对于连通孔隙数量，已经有标准的方法。
这些测量方法基本上是测量联通孔隙的体积，用前者的测量值除以后者的测量值就得到了连通孔的体积分数。
1润滑剂的体积可以通过用空气中称量含润滑剂处理过的轴承质量B减去经过烧结和精整后的轴承的质量A，在除以润滑剂的密度可以算出，即（B-A）/S。
2轴承的总体积可以通过阿基米德法测出。
3两者相除即可得出连通孔的体积分数。
B总孔隙度通过测定粉末冶金的质量和体积，并且把所测定的密度和化学组成相同的材料的理论密度进行比较，就可以确定其总孔隙度。
C孔隙的形状、大小和孔径分布可以通过1,显微镜法，2冒泡法，3汞压入法来测定观察。
②产品、生产工艺以及性能多孔性材料的用途有：自润滑轴承，金属过滤器，电极，截至分离器，控制气体的流动和声控的装置。
粉末材料的孔隙度特性
为了使汞进入孔径小于1.22μm，必须对汞 施加高压。随着对汞所施压强的增加，汞逐渐地 充满到小孔隙中，直到开孔隙为汞所填满为止。 从而得到汞压入量与压强的关系曲线，并由此可 求得其开孔孔径分布。 汞压入法可测定的最小孔径为2μm左右。但 由于装置结构必然具有一定的泵头压力，所以最 大孔径的测量是有限的。
四、粉末多孔材料的其他特性
粉末多孔材料易压缩变形的特性，是通过各种变 形方式使多孔体致密化的基础。在工业技术上也 常利用这一特性来制取密封材料。 高孔隙度的多孔铁的柔软性和易压缩变形特性接 近于铅。粉末多孔材料除了可作通常的管接头、 套管和凸缘的密封垫以外，还用于航空燃气轮机 转动部分的密封，可承受高温、高压、高速气流 的作用。
“假合金”和成分之间相互作用很弱的合金， 可采用加和法求其理论密度；否则，需要采用与测 定粉末真密度相同的方法进行测定。求加和密度的 公式为：
据资料介绍，使用具有低蒸汽压和稳定密度的 苯甲醇浸渍试样，可以获得良好的结果；使用无水 乙醇液体石蜡浸渍试样，精度也较高。但是浸渍介 质不可能浸渍到所有孔隙中去，特别是不易填满窄 缝，结果开孔隙度的测量值偏低。
二、粉末多孔材料的透过性能
对于过滤器、含油轴承和其他多孔材料来说，透 过性能是一种很重要的孔隙度特性。研究流体通 过多孔材料的透过性能，可为设计、工艺和应用 提供参考数据。在多孔体中，当作用在流体上的 压差较小，流速较低，流体的雷诺数时，则为层 流。对于多孔材料来说，临界雷诺数与孔中流体 的雷诺数、孔道表面的相对粗糙度，以及孔道长 度上孔截面的变化程度有关。在多孔材料中，层 流时比能损失较小（和流速的一次方成正比）， 而且在流体流过很细的孔道时，流速一般不会很 高。下面着重研究在层流条件下流体的透过规律。
多孔材料的耐腐蚀性比相应的致密材料差，多 孔材料的表面非常发达，所以与周围介质反应 的能力显著增强。致密材料的腐蚀常常发生在 表面，多孔材料的腐蚀不仅发生在表面，而且 发生在基体内部，并且腐蚀介质（特别是液态 介质）进入孔隙后，就很难清除掉。因此，由 易腐蚀材料制取的多孔产品，常常需要进行防 腐处理。
粉末冶金知识讲座(2)
2.1.1.5孔隙在粉末冶金材料中 的某些特殊作用：贮油、过滤、 消音止火等
综上所述，孔隙对烧结体力学行为、断 裂过程及磨损过程大多是负面影响。但 有的时候，孔隙的特殊功能作用却是难 以替代的，例如：
贮油 象含油轴承，湿式摩擦材料等。 这类产品，由于材料内部贮有油类物质 并与表面相连，工作时它们或通过泵吸 作用或是通过挤出使材料工作表面产生 一层油膜，从而达到独特的自润滑和冷 却作用。
烧结钢的断裂机理：新的微裂纹萌生于 内孔隙，通过孔隙合并机理发生裂纹的 扩展与长大，这种合并可以是孔隙通过 粉末颗粒间的桥接发生，也可以是晶间 或穿晶断裂而发生。 致密钢的断裂的一般断裂机理简述。
2.1.1.3孔隙对粉末冶金结构材 料力学行为的影响
几乎所有的力学行为都随孔隙度的降低 而得到改善。 在孔隙度变化的很大范围内，强度、塑 性和韧性与孔隙度存在非线性关系。 一般可锻致密材料，当强度提高时，塑 性通常变坏，而对于粉末冶金材料来说， 却可能出现刚好相反的关系。
原料粉末粒度、孔隙长度、孔隙曲率、 孔隙间距等与疲劳强度的关系（对于孔 隙度大于8%的烧结钢）： σc＝g(H4/V2θβ)1/6 式中，g――常数； H――孔隙曲率； Vθ――孔隙度体积分数； β――孔隙间距。
2.1.1.4孔隙在粉末冶金材料磨 损过程中的作用
在铁基粉末冶金材料作为结构件应用时，大多 情况下都被用作耐磨件。 除自润滑型减磨材料外，在无润滑磨损条件下， 孔隙在磨损过程中的作用，至今还未得出一致 的结论。但有一点比较一致，即孔隙是材料磨 损过程中产生磨屑的源之一。硬度较高的材料， 在对偶微凸体压应力的作用下，孔隙会以边缘 碎裂并在剪切应力作用下裂纹扩展而产生磨屑， 对象烧结铁这类塑性较好的材料，孔隙将更容 易产生犁削作用而产生磨屑，使磨损加大。同 时，孔隙也起留集磨屑的作用，这使得磨耗减 小。
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粉末冶金多孔材料的特点
①孔径和孔隙度均可控制 ②优良的透过性能，且在使用后可以再生，因 而使用寿命长 ③导热、导电 ④耐高温、耐低温、抗热震 ⑤抗介质腐蚀 ⑥比表面积大 ⑦可焊接和加工
多空金属材料的功能
1、机械性能的改变 应用多孔材料能提高强度和刚度等机械性能, 同时降 低密度, 这样应用在航天、航空业就有一定的优势。 2、对机械波及机械振动的传播性能的改变 波传播至两种介质的界面上时, 会发生反射和折射。 3、对光电性能改变 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。
针对高孔隙率通孔铁基(或镍基) 泡沫耐高温的优点，西安交通 大学和英国剑桥大学、Rolls Royce公司联合开展了将此材料 用于(航空发动机)稀预混合燃烧 室降噪的研究：与传统的燃烧 室相比，稀预混合燃烧室的 C02排放量有很大减少(因而为 各生产厂商所亲睐)，但其噪音 则有显著增加．为保护稀预混 合燃烧室内部结构的安全运作 和减少环境污染，必须采取适 当措施降噪．此外，常用的木 质或化学纤维虽然具有很好的 空气吸声效果，但其在水下时 由于阻抗不匹配以及水压水温 的影响而不具有实用性．
多孔金属介质在解决 阻抗匹配以及水温水 压影响方面则具有不 可多得的优势，同时 还避免了化学纤维的 易污染性．因为轻质 高强的特点，在汽车、 船舶以及航空飞行结 构中的阻尼减震方面， 多孔金属也具有相当 的应用前景．
谢谢！
4、选择渗透性 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。 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。 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。
多孔金属降噪材料
作为一种有效的吸音材 料，多孔材料已广泛应用 于噪声管理．虽然木质纤 维板、微穿孔板等也具有 较好的降噪功能，但其应 用范围经常受到强度和刚 度不够高的限制．多孔金 属降噪材料具有高比强度、 高比刚度、耐腐蚀、防火、 防潮、无毒、美观等良好 特性，在欧美已被用于大 城市高架桥吸声底衬、高 速公路隔声屏障、隧道壁 墙、室内天花板等
粉末冶金中孔隙的功能特征
材料工程 吴浩波 103312072
粉末冶金多孔材料 粉末冶金多孔材料是用粉末冶金的方法制造 的、内部结构为多孔的材料（或制品），一般 由球状或不规则形状的金属或合金粉末经成形 和烧结制成，又称烧结多孔材料。
这种材料为孔道纵横交错、 互相贯通的多孔体，通常 具有30～60％体积的孔 隙度，孔径1～100微米。 多孔材料的孔隙度一般粗 分为低孔隙度(＜30％)、 中孔隙度(30～60％)、高 孔隙度(＞60％)三类，孔 径分为粗孔(＞50µm)、 中等孔（2～50µm）和 微孔(＜2µm)三种