烧结金属多孔材料性能.

第二章烧结金属多孔材料性能检测烧结金属多孔材料广泛应用于过滤与分离、气体分布、消声、阻燃等领域。

使用目的不同，性能表征方法不尽相同。

即使同一种多孔材料的同一个性能，也会因为检测方法的不同产生较大的结果偏差，对使用者及设计者带来许多不便和误解。

因此，了解多孔材料性能的检测方法及性能表征方法，结合使用情况，选择适合的检测方法来评价多孔材料的性能，对多孔材料的设计、应用都会带来很大的好处。

烧结金属多孔材料的性能一般分为结构特性和应用特性。

结构特性是材料本身所固有的物理性能，主要包括孔隙度、密度、比表面积、孔径、孔径分布、流体渗透性能、强度等。

应用特性包括过滤性能、热传导性能、吸声性能等。

2.1密度、孔隙度、开孔率的测定2.1.1直接测量计算法用量具（卡尺、千分尺等）直接测量多孔材料的外形尺寸，根据形状计算出多孔材料的体积。

称量经过干燥处理后多孔材料的质量，按下式计算得到多孔材料的密度（表观密度）值。

式中ρ—多孔材料的表观密度，g/cm3；m—多孔材料的质量，g；V—多孔材料的表观体积，cm3。

依据多孔材料的表观密度，结合多孔材料基体材料的理论密度，按1.4式计算即可得到孔隙度。

此方法简便、快捷，不破坏被测试的样品。

直接测量计算法只适用于外形规整多孔材料的密度、孔隙度的测量。

2.1.2流体静力学法流体静力学法是以阿基米得原理为基础度，通过在液体（水或乙醇）中称重的办法测出试样的表观体积，从而经过计算出试样的密度，基本的计算公式为2.1式。

为了得到试样表观体积，在空气中测试完试样的质量后，需要将试样的孔隙用浸渍介质（机油等）浸润，然后在液体中称重。

浸润用油应根据多孔材料孔隙的大小选择，孔隙大油液粘度高，孔隙小油液粘度低。

孔隙浸润方法分为油浸润和表面覆盖两种。

油浸润又分为完全浸润和部分浸润两种方法，完全浸润法是测试试样开孔率所必须使用的方法。

完全浸润法是将试样放入盛油的容器内（试样浸没在油中），然后置于真空装置中进行真空处理，抽空直到油的表面不再出现气泡为止。

为了防止浸入的油液流出试样，试样需在油中保留一段时间以提高油的黏度。

部分浸润法是直接在热油中浸润试样，直到不再有气泡出现。

表面覆盖法也称为表面涂层法。

在多孔试样的表面涂上一层薄膜，依靠薄膜的表面张力防止水浸入孔中。

用于涂膜的材料有凡士林、硅液、石蜡等。

首先称量不含油试样烘干后的质量m2，然后根据试样孔隙特性选择适合的试样浸润方法，将试样的孔隙浸渍饱和，此后取出试样，去除试样表面过剩的浸润介质，注意防止将孔隙中的浸润介质吸出而造成结果偏差。

浸润试样悬吊在一根细丝上，在空气和水中称量试样和丝的总质量。

在空气中称量浸润试样的总质量m4，再将试样置于水中或其它密度已知的液体中称量得到，试验用水应进行脱气处理。

图2.1、图2.2、图2.3示出了称量试样的悬吊方法，测试中使用的金属吊丝应尽可能细，金属吊丝的最大直径参照表2.1。

图2.1图2.2图2.3测试体积减去丝的体积即为多孔试样的体积。

通过称量在空气中以及浸入相同深度的水中丝的质量得到丝的体积。

为了除去附着在试样和称样装置上的气泡，可在水中加入几滴0.05%（体积百分数）～0.10%（体积百分数）的湿润剂（推荐采用六偏磷酸钠）。

试样和水应处于相同的温度下。

通常的试验温度在18℃~22℃之间,水的密度依据表2.2查出。

试样体积V（cm3），由2.2式计算出，试样密度ρ（g/cm3），由公式2.3计算出。

式中ρw—测试用水或其它液体在测试温度下的密度， g/cm3。

多孔材料的表观密度计算出后，结合多孔材料基体材料的理论密度，按1.4式计算得到材料的孔隙度。

多孔材料开孔率的测定需要测出开孔体积，试样处理方法只能采用完全浸润法。

测试方法和步骤与密度、孔隙度的基本一致。

由于要得到开孔体积，试样浸润完成后，从油中取出试样，把油沥干并清除试样表面过量的油，称量含油试样的质量m3，然后按照密度和孔隙度的测试办法完成试样测试，由2.4式计算得到开孔率。

式中ρ2 —为浸润用油在测试温度下的密度，单位为g/cm3。

2.1.3简化流体静力学法简化流体静力学法是一种简便测量多孔材料密度的方法，测试选用浸润性较好的液体，在液体中直接测试多孔材料的体积，计算出多孔材料的密度。

首先称量经过干燥处理后多孔材料的质量m2（g），然后与流体静力学法相同，在空气和液体中分别称量试样的重量m4（g）、m´4（g），则试样体积V（cm3）及试样密度分别由2.2、2.3式计算得到。

简化流体静力学法得到的密度值介于表观密度与有效密度之间，主要反映多孔材料的闭孔隙情况。

为了有别与流体静力学法，可以将简化流体静力学法称为“排液法”或“直接排液法”[1]。

在常压下，浸润性较好的液体很容易浸入多孔材料的开孔中，但是，受孔道阻力及孔道中封入气体压力的影响，较细开孔中不可能完全被液体浸透，这样排液法测量的体积包含了全部闭孔体积和稳定状态时孔道中不能排出的气体体积。

采用排液法测量了不同孔隙结构的等静压成型的烧结不锈钢多孔材料、轧制成型的烧结钛多孔材料、挤压成型的多孔钨的密度（ρ1），测试完成后按流体静力学法测试了相同试样的试样密度ρ（即表观密度），结果见表2.3、表2.4、表2.5。

2.1.4显微镜分析法显微镜分析法是通过在显微镜下观察孔隙部分的截面积A p（mm2），以及观测部分的总截面积A（mm2），按2.5式计算出孔隙部分截面积占总截面积的百分数来求出多孔材料的孔隙度。

将孔隙等效为圆形孔，根据视场内孔尺寸的平均值及总孔隙的个数计算出孔隙部分的截面积A p，也可以根据孔径分布及各孔径孔隙的个数计算。

受方法限制，显微镜分析法无法观测到闭孔，所以其测试结果不能完全反映多孔材料的实际孔隙状况。

显微镜分析法只适合于只有少量闭孔的多孔材料。

由于观察到的是试样表面部分的形貌，样品应尽可能保持试样原有形貌，以免造成结果的偏差。

由于孔隙形状不规则，截面积的统计计算有一定的困难。

由球形粉末加工的烧结金属多孔材料、金属膜、烧结金属丝网采用显微镜分析法效果要好一些。

2.1.5漂浮法漂浮法是以物体在水中的漂浮现象为原理而形成的测试方法 [2]。

放入液体中的物体，其密度如果大于液体密度，物体会下沉；如果密度小于液体密度，物体将漂浮于液面上；如果密度刚好等于液体密度，物体会在液体中静止不动。

所以，可根据物体在液体中的漂浮现象，测试出物体静止时液体的温度，此温度下液体密度即为物体的密度。

将一个已知密度的基准样与浮体组成漂浮体，使之产生漂浮，然后用测试试样代替基准试样，调整试样质量，同时调节水温，使之产生漂浮。

可按2.6、2.7式式分别计算出试样的密度ρ与孔隙度ε。

式中m—多孔试样质量，g；m j—基准试样质量，g；ρw—水的密度，g/cm3；ρj—基准样的密度，g/cm3。

2.1.6小结流体静力学法能够准确测量多孔材料的密度、孔隙度、开孔率，在试样基体材料理论密度已知的情况下，还能够计算出孔隙度，从而得到闭孔率。

多孔试样需经过浸渍和覆盖处理，试样体积要求不能小于0.5c m3，否则，测试结果的误差较大。

直接测量法对外形规整的试样比较适合，但无法得到开孔率，在试样基体材料理论密度已知的情况下可以计算出试样的总孔隙度。

显微镜分析法对孔隙形状规则，孔隙均匀的多孔材料比较适合，只能测量试样的孔隙度。

简化流体静力学法可以在不污染试样的条件下完成测试，是一种新的测试方法。

2.2比表面积比表面积从另外一个角度反映多孔材料的开孔状况，与材料的密度、开孔率有直接关系。

比表面积越大，材料的开孔率越高，密度越低。

在多孔材料的应用中，如消声、催化反应、热交换、生物材料以及用量广泛的过滤系统等，都需要利用并了解材料的内部表面积。

表面积大消声以及隔热效果好、催化反应的速度快、有利于生物材料与接受物的融合与生长、过滤材料的纳污容量（容尘量）高。

多孔材料比表面积的表征方式有两种：体积比表面积和质量比表面积。

体积比表面积是单位体积内含有的总表面积；质量比表面积是单位质量材料中含有的总表面积。

其测试方法主要有B•E•T法（气体吸附法）、气体透过法、汞压法。

2.2.1 B•E•T法B•E•T理论是1938年布鲁纳尔（Brunauer）、艾美特（Emtett）、泰勒（Teller）将兰格缪尔（Langnuir）的单分子层吸附理论加以推广，并考虑到在吸附分子上的继续吸附而得出的多分子层吸附理论，简称B•E•T理论[2.3.4]。

它不仅有理论上的意义，而且提出了测定固体表面积的方法。

为了避免化学吸附的干扰，目前广泛采用在液氮或液态空气温度下进行吸附。

B•E•T法测定比表面，最常用的吸附质是氮气，也称为氮吸附法。

氮吸附法测定比表面的依据是气体在固体表面的吸附理论。

在恒定温度下，平衡吸附量随压力而变化的曲线称为吸附等温线，对吸附等温线的研究与测定不仅可以获取有关吸附剂和吸附质性质的信息，还可以计算出多孔试样的比表面和孔径分布。

单层吸附法假定多孔试样表面通过吸附被单层氮分子全部覆盖，只要把被吸附的氮量准确测定出来，那么就可以按2.8式求得比表面积。

式中S g —多孔试样的质量比表面积，㎡/g；V m —气体单层饱和吸附量，ml；V o —气体的摩尔体积，22414ml；N—阿弗加德罗常数即一克分子气体的分子数，6.023×1023个/mol；S o—一个氮分子所占的表面积，1.62×10-15cm2；W —试样重量，g。

把以上常数代入2.8式后,得到下面的简化方程:假设吸附剂表面是均匀的,吸附粒子间的相互作用可以忽略,吸附是单分子层。

由此推出单分子层吸附等温方程(Langmuir方程):式中V—气体吸附量，kg（或m3）；V m—单层饱和吸附量，kg（或m3）；P—吸附质（气体）压力，Pa；b—常数。

以vp对p作图，为一直线，根据斜率或截距可求出V m，只要得到单分子层饱和吸附量V m,代入公式2.9即可求出比表面积。

一般情况,物理吸附是按多层方式进行的，不等第一层吸满就可有第二层吸附，第二层上又可能产生第三层吸附，吸附平衡时，各层达到各层的吸附平衡。

由此推出B•E•T多层吸附等温方程：式中V—气体吸附量，ml；V m—单分子层饱和吸附量，ml；P—吸附质压力，Pa；P0—吸附质饱和蒸气压，Pa；C—常数。

将P/V(P-P)对P/P作图线性回归，得到一直线，且1/（截距＋斜率）＝V m，其中截距为1/V m C，斜率为（C-1）/ V m C。

代入2.9式，即求得比表面积。

B•E•T吸附等温线法,目前被公认为测量比表面的标准方法。

用B•E•T法测定比表面，吸附温度在氮气液化点（－195℃）附近,低温可以避免化学吸附,相对压力控制在0.05 Pa～0.35 Pa之间，低于0.05 Pa时，不易建立多层吸附平衡，高于0.35 Pa 时，发生毛细凝聚作用，吸附等温线将偏离直线。