1、多孔材料的應用及發(fā)展摘 要:本文綜合介紹了多孔金屬材料的應用,目的在于促進該材料性能結構的進一步改善,并獲得更好的應用前景。關鍵詞: 多孔金屬;應用;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。相對于致密金屬材料,多孔金屬的顯著特征是其內部具有大量的孔隙。而大量的內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、導熱率低(閉孔體)、換熱散熱能力高(通孔體)、吸聲性好(通孔體)、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(一些多孔金屬對某些氣體十分敏感)、能再生、加工性好,等等。多孔有機高分子材料

2、強度低且不耐高溫,多孔陶瓷則質脆且不抗熱震,因此,多孔金屬材料被廣泛應用于航空航天、原子能、電化學、石油化工、冶金、機械、醫(yī)藥、環(huán)保、建筑等行業(yè)的分離、過濾、布氣、催化、電化學過程、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、電磁屏蔽器件、電磁兼容器件、換熱器和阻燃器,等等 17 。另外,還可制作多種的復合材料和填充材料。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構材料,而一般情況下它兼有功能和結構雙重作用,是一種性能優(yōu)異的多用工程材料。本文以文獻17為基礎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)

3、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流體介質中固體粒子的阻留和捕集作用,將氣體或液體進行過濾與分離,從而達到介質的凈化或分離作用。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CO 2 等的擴散媒介。在生物化學領域,金屬泡沫用作腎器中滲透膜的支撐體。該原理也能擴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)出能容易凈

4、化柴油機廢氣的、并且實用而廉價的柴油機微粒過濾器(DPF)系統(tǒng), 采用的過濾材料是孔率為85%的三維網狀Ni-Cr-Al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)動機排氣管道上安裝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,則燃燒部分會發(fā)生局部溫升,由于陶瓷熱導率較低而產生過度的溫差,過濾器就會發(fā)生破裂而熔化的現(xiàn)象。Ban等 9 發(fā)明的Ni-20Cr和Ni-33Cr-1.8Al合金多孔體,可以抵抗柴油機廢氣的高溫腐蝕且無多孔陶瓷的開裂問題,同樣適于柴油機的排氣過濾材料,大大減少環(huán)境污染。經過青銅、不銹鋼、鎳等多孔金屬

5、過濾器凈化的空氣,已廣泛用于各種厭氧細菌的生長,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,而且降低了維護費用,它已基本取代原用的砂濾棒。在冶金工業(yè)濕法冶煉鉭粉生產中,熔融金屬鈉采用鎳過濾器。鋅冶煉中硫酸鋅溶液的過濾采用多孔鈦,鋼鐵廠中高爐煤氣的凈化采用不銹鋼過濾器。 在原子能工業(yè)中,用鎳、蒙乃爾、不銹鋼過濾器對UF6提煉及氧鈾基硝酸鹽脫硝中硫化床尾氣過濾。低碳鋼、滲鉻多孔鐵、不銹鋼以及鉬過濾器,用于原子能電站中二氧化碳冷卻氣體的過濾,還用于反應堆凈化液中細小放射線污染物的去除。在宇航工業(yè)中,多孔不銹鋼用于航空器及制導舵螺中液壓油的凈

6、化,在自動燃料管路中凈化氣體及在碳氫化合工藝中回收催化劑。80年代以后,石化、紡織、造紙等行業(yè)的發(fā)展,對耐高溫、高壓和腐蝕多孔材料的需求不斷擴大,要求不斷提高,并促進了多孔材料的規(guī)模生產。如在紡織業(yè),粉末燒結多孔不銹鋼管用于噴絲頭的前級過濾和分散及紡織廠熱洗水中去除染料顆粒。在造紙業(yè),316L、317LN鎳及鎳合金、鈦多孔材料用于紙漿漂洗和污水處理。在石化行業(yè),石油鉆井中泥砂的排除是用低碳鋼和不銹鋼多孔材料;石油提煉中油蠟分離是用鐵過濾器;天然氣過濾用低碳滲鉻鋼和多層金屬網;聚丙烯生產中的液體過濾、聚脂薄膜等高分子聚合物的過濾用不銹鋼粉末或纖維多孔材料;鄰苯二甲酐、己內酚胺生產中催化劑粉塵收集

7、,液氮、氣氨過濾等,均用粉末燒結多孔不銹鋼;液體硫磺及丁酸制取工藝的過濾用多孔鈦。在化工行業(yè),硝酸、96%硫酸、醋酸、硼酸、亞硝酸、草酸、堿、硫化氫、乙炔、蒸汽、海水、熔融鹽、氫氧化鈉、氣態(tài)氟化氫等,均用不銹鋼、鈦等耐蝕多孔金屬材料進行過濾,以達到凈化或回收的目的。利用孔的大小及表面張力作用,可獲得介質的分離效果。具有0.010.02Lm孔徑的多孔鎳,可將U235 與U 238 同位素進行氣體擴散分離?？傊?只要涉及固-液、液-液、氣-液過濾與分離的場合,基本上均可采用金屬多孔材料。多孔鈦是一種新型的、更新?lián)Q代的過濾凈化材料,也是具有 10高彌散度的化工反應、節(jié)氣新材料 。其特點是耐蝕性強,能

8、過濾多種介質如海水、氯化物、次氯酸鹽、濕氯氣、氧化性酸、堿及多種有機酸、多種強氧化劑及各種高低溫介質;具有良好的物理機械性能,可以滿足過濾工程對力學性能的需要;過濾精度高,適于從除菌/精濾0到一般/粗過濾0,如采油防砂過濾,使用精濾多孔鈦材則可極有保證地除掉空氣中的桿菌、噬菌體等細菌;強度高、剛度大,可以自支撐,能承受任意方向加壓;可適應多種再生方法,如酸洗、堿洗和其它化學清洗,也可以進行超聲波、高壓氣、水反沖和溶劑清洗,在各種應用環(huán)境中很容易選擇到極為有效的再生的方法;使用壽命極長。3 能量吸收能量吸收是多孔金屬材料的重要用途,其中緩沖器及吸震器是典型的能量吸收裝置,其應用從汽車的防沖擋直至

9、宇宙飛船的起落架,以及升降機、傳送器安全墊和高速磨床防護罩吸能內襯。在汽車沖擊區(qū)使用泡沫鋁制成的合適元件,可控制最大能耗的變形,對側面沖擊保護同樣如此 11 。例如,在中空鋼材或鋁材外殼中充入泡沫鋁,可使這些部件在負載期間具備良好的變形行為。車體或發(fā)動機的另外一些部件可用泡沫金屬制造或增強,以同時獲得較高的剛性和較輕的質量。因為通過泡沫金屬密度的選擇可得到很大范圍的彈性模量,故可匹配泡沫部件的共振頻率,由此抑制有害振動。 由于運載工具安全性的要求不斷提高(特別是在汽車工業(yè)中),使得其質量增加。這又和進一步的要求相矛盾,如降低燃料消耗。因此,低比重和高能量吸收能力的材料倍受青睞。有機泡沫體的比重

10、小,但可轉換成變形能的能量也少,強度又低。使用金屬泡沫,即可實現(xiàn)相應的高能量吸收。Baumeister等 12運用粉末冶金技術制備了孔率達90%的結構均勻泡沫鋁產品,通過充模加熱法可造成具有復雜形狀的部件,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。吸聲材料需要同時具有優(yōu)良的吸聲效率、透聲損失、透氣性、耐火性和結構強度 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,而陶瓷等燒結材料則沖擊強度低。因此,多孔金屬被廣泛用于建筑和自動辦公設備、無線電錄音室等,既作外表裝飾,又

11、作吸聲材料。 在燃氣輪機排氣系統(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)越的輕質多孔鈦可滿足其要求,可應用于燃氣輪機進、排氣躁聲控制 14 。十多年來,日本一直在發(fā)展火車的加速和減重技術,但有軌車輛的加速減重帶來了震動和噪音的增加,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)展這項技術的重要課題。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,

12、在長距離高壓管道送氣時會產生高密噪音,并可沿管道傳播,換用泡沫金屬進行擴散氣體方式的送氣,即幾乎可完全消除噪音。泡沫金屬也可用于其它減壓場合,如蒸汽發(fā)電站和氣動工具等的消聲器(如用密度為5%的泡沫銅作氣動工具的消聲器)。用作消聲器時必須在獲得消音效果的同時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和普通民用領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)的燒結鎳基板受到挑戰(zhàn)。輕質高孔率的發(fā)泡沫基板和纖維基板等多孔金屬材料與傳統(tǒng)燒結基板材料相比,可使鎳材消耗

13、降低約一半,極板質量減少12%左右,并大大提高能量密度 16 。 利用有機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合成電極,泡沫鎳則被用作化學反應工程中的流通性和流經性多孔電極,具有良好的電解質擴散、遷移和物質交換性能 1719 。泡沫鎳用于電化學反應器,由于增加了電極表面積,從而提高了電化學單元的性能,且在一些工業(yè)應用中可無膜使用 20 。泡沫鎳適合于作有機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了乙醛的生成,泡沫鎳電極提高電解電流和乙醇轉換達30% 21 。另外,泡沫鉛作為鉛酸電池的活性物質支撐體時,也使電極結構大大減輕 22 。5流體分布與控制多孔金屬作

14、為一種流體分布裝置也得到廣泛應用。如用多孔不銹鋼控制火箭鼻錐體偏航指示儀外殼的冷卻氣體或液體;多孔粉末冶金材料則大量使用于磁帶處理設備中的漂浮塑性膜的氣浮輥筒中。另外一些布氣元件用于液體中分布入氣體,如用多孔鈦管給啤酒充氣,不銹鋼或多孔鈦板在醫(yī)用氧合器中將氧氣均勻充入血液中等等。在石油化工、冶金等工業(yè)中,廣泛采用流態(tài)化床技術。已廣泛采用的流體分布板有青銅、鎳、蒙乃爾合金、不銹鋼等粉末燒結多孔板。多孔金屬材料還用于流體控制。如用于氣體或液體的計量器、自動化系統(tǒng)中的信號控制延時器等。 6 熱交換多孔金屬具有很大的比表面積,是熱交換和加熱的有效材料,通孔體適作熱交換器、加熱器和散熱器,其中循環(huán)空氣加

15、熱器和電阻水加熱器都表現(xiàn)了很高的效率和優(yōu)良的使用性能?？筛鶕?jù)需要制成管狀或平面狀金屬與多孔金屬的組合件,在強迫對流條件下使用有利于利用三維復雜流動,克服邊界層的不利影響。閉孔多孔金屬可作絕熱材料,其強度及耐溫性優(yōu)于相應傳統(tǒng)材料。 泡沫鋼可應用的溫度區(qū)間很寬,如可制作汽車發(fā)動機的排氣歧管。因為歧管傳熱率的大大減小,達到排氣催化的正常操作溫度所需時間也隨之減少。 此外,多孔金屬耐火且具有與阻火能力協(xié)調的高滲透性,可作為防止火焰沿管道蔓延的優(yōu)質材料,故可制成滅火器。7反應材料在化學工業(yè)中,可利用多孔金屬比表面大并具有支撐強度等特點,制作高效催化劑或催化劑載體。本身即可作某些反應催化體的多孔金屬如多孔

16、拉內銅(RaneyCopper) 23 、多孔鎳 24等,作催化劑載體的如多孔Cr-Ni不銹鋼 25 等?；诙嗫捉饘俚拇呋瘎┛捎糜谔細浠锏纳疃妊趸⒁掖嫉倪x擇性氧化 26 、石油化工中的己烷重組 27 等反應工程。將泡沫金屬制作汽車所排有毒廢氣的催化中和器,可減少排放的CO為23倍,毒性減小達90% 28 。環(huán)保方面還用泡沫鎳對水溶液中的6價Cr離子(劇毒)進行氧化還原反應29 ,用材質均勻的多孔鈦作工業(yè)廢水處理裝置 30 。據(jù)日刊5工業(yè)材料6(Vol.38,No.12)報道,新日本鋼鐵公司和松下電器工業(yè)公司共同開發(fā)出性能好、壽命長的新型去臭材料,是在三維網狀鐵系多孔體上復合鐵系金屬微細粉

17、末和有機酸絡合物而形成的產物,應用于多功能脫臭、自動空氣凈化器和去臭建材等方面 31 。這種去臭材料的制造方法是,將10Lm以下的鐵系金屬細粉的粉漿浸滲到氨基甲酸乙酯泡沫中,經燒結,在微觀上形成具有多孔質結構的三維網狀鐵系多孔體。然后,用有機酸(抗壞血酸系)對其進行表面處理,形成金屬絡合物后,再進行特殊的化學處理(堿處理),在鐵系多孔體微觀表面生成的金屬絡合物可吸附并貯存臭氣成分。由金屬鐵供給必須的電子來維持金屬絡合物的活性,去臭效果可持續(xù)很長時間。與活性炭的性能相比,其去臭速度高,可作為家庭、大廈、商店用空氣凈化器、汽車用去臭器等。8結構材料多孔金屬具有一定的強度、延展性和可加工性,可作輕質

18、結構材料,尤其是溫度超過200e的場合。泡沫鋁很早就用于飛機夾合件的芯材 32 。將多孔金屬與致密基體連結在一起,可提高其作為結構材料的使用性。在飛機和導彈工業(yè)中,多孔網狀金屬被用作輕質、傳熱的支撐結構 33 。因其能焊接、膠粘或電鍍到結構體上,故可做成夾層構件。如作機翼金屬外殼的支撐體、導彈鼻錐的防外殼高溫倒坍支撐體(因其良好的導熱性)、雷達鏡的反射材料等。在建筑上,需要多孔金屬制作輕、硬、耐火的元件、欄桿或這些東西的支撐體?，F(xiàn)代化電梯高頻高速的加速和減速,特別需要輕質結構(如泡沫鋁或泡沫鑲板)來降低能耗。而安全規(guī)則常常排除傳統(tǒng)的輕質結構技術,故泡沫鋁以其同時具備吸能和剛硬的特性,在這些應用

19、中充滿前景 22 。 圓柱形殼體廣泛存在于工程結構中,如遠離岸邊的油井平臺和飛機機身。薄壁圓柱殼在軸向壓縮或彎曲時易于彎折損壞,但若外殼由連續(xù)的低密多孔芯支持,作抵御彎折的彈性基襯,則該結構比同樣直徑和大小的未加強中心殼體具有較大的彈性彎折抗力 34,35 。泡沫銅較易制得,且便于變形,故適合作緊固器 。36泡沫金屬還可作許多有機和無機材料的增強材料。如在泡沫鎳中充入熔融鋁凝固后制成泡沫鎳增強的鋁合金(NFRA)材料)鋁合金基復合材料 37 ?？茁蕿?%30%的鋁合金基復合材料(如Fe或Ni泡沫等增強)可用于內燃機引擎 38 。此外,多孔金屬還可作鑲板、殼體和管體的輕質芯,制成多種層壓復合材料 39 。9電磁屏蔽 多孔金屬的電磁波吸收性能可用于電磁屏蔽、電磁兼容器件?，F(xiàn)代電子工業(yè)的高速發(fā)展和電子電器的普遍使用。使電磁波輻射日益嚴重,不僅干擾其它電子儀器設備,而且造成信息泄漏,因此屏蔽措施十分重要。多孔金屬在這方面應用的主要是孔隙相互之間全部連通的三維網狀銅或鎳,這種結構透氣散熱性好,比重輕,比金屬網的屏蔽性能高得多,可達到波導窗的屏蔽效果,但體積比波導窗小、輕便,更適合于移動的儀器設備使用 40 。10生物材料 鈦等多孔材料對人體無害且有較好的相容性而被大量用于醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè),如多孔