多孔材料的應(yīng)用及發(fā)展

1、多孔材料的應(yīng)用及發(fā)展多孔材料的應(yīng)用及發(fā)展摘要:本文綜合介紹了多孔金屬材料的應(yīng)用目的在于促進(jìn)該材料性能結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步改善并獲得更好的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞:多孔金屬應(yīng)用介紹1引言多孔金屬由金屬骨架及孔隙所組成具有金屬材料的可焊性等基本的金屬屬性。相對(duì)于致密金屬材料多孔金屬的顯著特征是其內(nèi)部具有大量的孔隙。而大量的內(nèi)部孔隙又使多孔金屬材料具有諸多優(yōu)異的特性如比重小、比表面大、能量吸收性好、導(dǎo)熱率低(閉孔體)、換熱散熱能力高(通孔體)、吸聲性好(通孔

2、體)、滲透性優(yōu)(通孔體)、電磁波吸收性好(通孔體)、阻焰、耐熱耐火、抗熱震、氣敏(一些多孔金屬對(duì)某些氣體十分敏感)、能再生、加工性好等等。多孔有機(jī)高分子材料強(qiáng)度低且不耐高溫多孔陶瓷則質(zhì)脆且不抗熱震因此多孔金屬材料被廣泛應(yīng)用于航空航天、原子能、電化學(xué)、石油化工、冶金、機(jī)械、醫(yī)藥、環(huán)保、建筑等行業(yè)的分離、過濾、布?xì)狻⒋呋?、電化學(xué)過程、消音、吸震、屏蔽、熱交換等工藝過程中制作過濾器、催化劑及催化劑載體、多孔電極、能量吸收器、消音器、減震緩沖器

3、、電磁屏蔽器件、電磁兼容器件、換熱器和阻燃器等等[1~7]。另外還可制作多種的復(fù)合材料和填充材料。多孔金屬既可作為許多場合的功能材料也可作為一些場合的結(jié)構(gòu)材料而一般情況下它兼有功能和結(jié)構(gòu)雙重作用是一種性能優(yōu)異的多用工程材料。本文以文獻(xiàn)[1~7]為基礎(chǔ)分別介紹該材料的不同用途。2過濾與分離多孔金屬具有優(yōu)良的滲透性是適合于制備多種過濾器的理想材料。利用多孔金屬的孔道對(duì)流體介質(zhì)中固體粒子的阻留和捕集作用將氣體或液體進(jìn)行過濾與分離從而達(dá)到介質(zhì)的

4、凈化或分離作用。多孔金屬過濾器可用于從液體(如石油、汽油、致冷劑、聚合物熔體和懸浮液等)或空氣和其它氣流中濾掉固體顆粒。使用最廣的金屬過濾器材料是多孔青銅和多孔不銹鋼。多孔金屬材料用作分離媒介如從水中分離出油、從冷凍劑中分離水。還可作充氣液體或液體分布CO2等的擴(kuò)散媒介。在生物化學(xué)領(lǐng)域金屬泡沫用作腎器中滲透膜的支撐體。該原理也能擴(kuò)展到那些取決于滲透或反向滲透作用的過程如流出物處理中的脫鹽和脫氫。日本住友電氣工業(yè)公司在世界上首次開發(fā)出能容

5、易凈化柴油機(jī)廢氣的、并且實(shí)用而廉價(jià)的柴油機(jī)微粒過濾器(DPF)系統(tǒng)采用的過濾材料是孔率為85%的三維網(wǎng)狀NiCrAl合金多孔體從而通過了1997年以后的排放煙灰量限制值[8]。在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管道上安裝DPF的方法在十幾年前就已研究過采用陶瓷作為過濾器材料來捕集廢氣中煙灰的系統(tǒng)。若煙灰的捕集量過多則燃燒部分會(huì)發(fā)生局部溫升由于陶瓷熱導(dǎo)率較低而產(chǎn)生過度的溫差過濾器就會(huì)發(fā)生破裂而熔化的現(xiàn)象。Ban等[9]發(fā)明的Ni20Cr和Ni33Cr1.8Al

6、合金多孔體可以抵抗柴油機(jī)廢氣的高溫腐蝕且無多孔陶瓷的開裂問題同樣適于柴油機(jī)的排氣過濾材料大大減少環(huán)境污染。經(jīng)過青銅、不銹鋼、鎳等多孔金屬過濾器凈化的空氣已廣泛用于各種厭氧細(xì)菌的生長它幾乎取代了原用的活性炭加脫脂棉的空氣過濾器。大輸液制取中的脫炭采用多孔不銹鋼或鈦過濾效果提高數(shù)倍而且降低了維護(hù)費(fèi)用它已基本取動(dòng)。由于運(yùn)載工具安全性的要求不斷提高(特別是在汽車工業(yè)中)使得其質(zhì)量增加。這又和進(jìn)一步的要求相矛盾如降低燃料消耗。因此低比重和高能量吸

7、收能力的材料倍受青睞。有機(jī)泡沫體的比重小但可轉(zhuǎn)換成變形能的能量也少強(qiáng)度又低。使用金屬泡沫即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的高能量吸收。Baumeister等[12]運(yùn)用粉末冶金技術(shù)制備了孔率達(dá)90%的結(jié)構(gòu)均勻泡沫鋁產(chǎn)品通過充模加熱法可造成具有復(fù)雜形狀的部件從而滿足上述要求。消音材料是多孔金屬在能量吸收方面的又一重大應(yīng)用。泡沫金屬具有與可得最好的聲控材料)))聚合物泡沫媲美的聲性能并能在高溫下加以保持。吸聲材料需要同時(shí)具有優(yōu)良的吸聲效率、透聲損失、透氣性、耐

8、火性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[13]。玻璃毛織品等纖維材料變形性差且吸聲效率在雨水條件下易于變壞而陶瓷等燒結(jié)材料則沖擊強(qiáng)度低。因此多孔金屬被廣泛用于建筑和自動(dòng)辦公設(shè)備、無線電錄音室等既作外表裝飾又作吸聲材料。在燃?xì)廨啓C(jī)排氣系統(tǒng)等一些特殊的工作條件下其排氣消聲裝置要滿足高效、長壽和輕型化的要求。一般常規(guī)的吸聲構(gòu)件和材料不能適用而具有耐高溫高速氣流沖刷和抗腐蝕性能優(yōu)越的輕質(zhì)多孔鈦可滿足其要求可應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)、排氣躁聲控制[14]。十多年來日本一直在發(fā)展

9、火車的加速和減重技術(shù)但有軌車輛的加速減重帶來了震動(dòng)和噪音的增加故控制汽車和火車發(fā)出的噪音的要求也隨之不斷提高成為發(fā)展這項(xiàng)技術(shù)的重要課題。直江正久[15]開發(fā)的泡沫鋁合金具有良好的消音吸震效果可作汽車火車等減震、消聲的阻尼材料從而解決上述問題。在超聲檢測方面因泡沫金屬的超聲阻抗處于合適的范圍[11]可用作接收器。此外在長距離高壓管道送氣時(shí)會(huì)產(chǎn)生高密噪音并可沿管道傳播換用泡沫金屬進(jìn)行擴(kuò)散氣體方式的送氣即幾乎可完全消除噪音。泡沫金屬也可用于其

10、它減壓場合如蒸汽發(fā)電站和氣動(dòng)工具等的消聲器(如用密度為5%的泡沫銅作氣動(dòng)工具的消聲器)。用作消聲器時(shí)必須在獲得消音效果的同時(shí)保證足夠的空氣流通量。4電極材料多孔金屬材料的另一類用途是作電極材料。各種蓄電池、燃料電池、空氣電池中都用多孔鎳作電極并要求孔率盡可能高。氫鎳、鎘鎳等二次堿性電池在高技術(shù)和普通民用領(lǐng)域中不斷提出高能量密度、長壽命和低成本的要求致使傳統(tǒng)的燒結(jié)鎳基板受到挑戰(zhàn)。輕質(zhì)高孔率的發(fā)泡沫基板和纖維基板等多孔金屬材料與傳統(tǒng)燒結(jié)基板

11、材料相比可使鎳材消耗降低約一半極板質(zhì)量減少12%左右并大大提高能量密度[16]。利用有機(jī)泡沫電沉積法制備的泡沫銅可作電解銅還原的陰極以及電有機(jī)合成電極泡沫鎳則被用作化學(xué)反應(yīng)工程中的流通性和流經(jīng)性多孔電極具有良好的電解質(zhì)擴(kuò)散、遷移和物質(zhì)交換性能[17~19]。泡沫鎳用于電化學(xué)反應(yīng)器由于增加了電極表面積從而提高了電化學(xué)單元的性能且在一些工業(yè)應(yīng)用中可無膜使用[20]。泡沫鎳適合于作有機(jī)化合物電氧化的多孔三維陽極如苯甲基乙醇的多相電催化氧化促進(jìn)