多孔材料

　　用粉末冶金方法製造的內部存在大量孔隙的材料。這類材料通常包括具有過濾分離、流體控制、熱交換、電化學反應、聲阻、緩衝等特殊功能的多孔材料，這些功能都是利用孔隙的物理特性獲得的（見圖）。廣義地說，這類材料還包括含油軸承（見減摩材料）和用粉末冶金方法製造的密封材料、泡沫金屬等。

粉末冶金多孔材材料產品

　　1923年，美國克勞斯（C.Claus）用粉末冶金法制成過濾器獲得美國專利權。30年代開始用青銅、鎳、鐵等多孔材料生產過濾器，用於過濾空氣、燃料、潤滑油等。第二次世界大戰期間，多孔材料的應用范圍擴大瞭，如用於流體的壓力、流量控制、預防機翼結冰、水銀浸滲開關、氣體擴散分離等。戰後，不銹鋼多孔材料實現瞭工業生產，並得到廣泛應用。60年代以來，隨著應用領域的不斷擴大，粉末制造方法及其成形技術的不斷發展，粉末冶金多孔材料得到瞭全面的發展。如在材質方面，有鎢、鈦等多孔新材料的出現；在結構方面，有多層和纖維增強等多孔復合結構的產生；在工藝方面，有粉末軋制、擠壓和等靜壓制等新工藝的研制成功；在產品方面，有纖維多孔材料和泡沫金屬等新的類型的問世等等。中國在50年代開始生產青銅過濾器；60年代開始生產不銹鋼多孔材料和高孔隙、超微孔多孔材料；70年代研制成鈦多孔材料、纖維增強多孔材料、多孔動密封材料和泡沫金屬等。

　　燒結多孔材料除具有優異可控的多孔結構特性外，還保持一定的金屬和合金特性，如耐高溫、耐低溫、耐壓、抗介質腐蝕、抗熱震、導熱、導電、可焊接、可加工等等；它的綜合性能高於傳統的紙制的、棉和化纖織品的、陶瓷的、玻璃的、金屬絲、金屬網的過濾材料，因而應用日益廣泛。

　　材料的構成和性能　燒結多孔材料雖然力學性能和耐腐蝕性能等因存在孔隙而不如致密金屬，但有些性能如熱交換能力、電化學活性、催化作用等卻因比表面增大而比致密金屬好得多。多孔材料還具有一系列致密金屬所沒有的功能，如孔隙能透過氣、液介質，能吸收能量，或起緩沖作用。燒結多孔材料因用途不同而各具特殊性能，如對過濾材料要求過濾精度、透過性和再生性；對某些多孔材料要求熱交換效率、電化學活性、聲阻性、電子發射能力等。

　　表征多孔結構的主要參數是：孔隙度、平均孔徑、最大孔徑、孔徑分佈、孔形和比表面。除材質外，材料的多孔結構參數對材料的力學性能和各種使用性能有決定性的影響。由於孔隙是由粉末顆粒堆積、壓緊、燒結形成的；因此，原料粉末的物理和化學性能，尤其是粉末顆粒的大小、分佈和形狀，是決定多孔結構乃至最終使用性能的主要因素。多孔結構參數和某些使用性能（如透過性等）都有多種測定原理和方法。孔徑常用氣泡法、氣體透過法、吸附法和汞壓法等來測定，比表面常用低溫氮吸附法和流體透過法來測定。選擇測定方法時應盡量選用與使用條件相近的方法。流體透過多孔體的運動在層流條件下服從達西公式，即流速與壓力梯度成正比，與流體粘度成反比，其比例常數即透過系數為反映材料透過能力的特征參數。當貫通孔隙度、孔徑增大時，或多孔體厚度、流體粘度減小時，燒結多孔材料的透過能力隨之增大。燒結多孔材料的力學性能不僅隨孔隙度、孔徑的增大而下降，還對孔形非常敏感，即與“缺口”效應有關。孔隙度不變時，孔徑小的材料透過性小，但因顆粒間接觸點多，故強度大。過濾精度即阻截能力是指透過多孔體的流體中的最大粒子尺寸，一般與最大孔徑值有關。孔徑分佈是多孔結構均勻性的判據。對於過濾材料要求在有足夠強度的前提下，盡可能增大透過性與過濾精度的比值。根據這些原理，發展出用分級的球形粉末為原料，制成均勻的多孔結構，用粉末軋制法制造多孔的薄帶和焊接薄壁管，發展出粗孔層與細孔層復合的雙層多孔材料。

　　多孔材料可由多種金屬和合金以及難熔金屬的碳化物、氮化物、硼化物和矽化物等制成，但常用的是青銅、不銹鋼、鎳及鈦等。多孔材料的孔隙度一般在15％以上，最高可達90％以上，孔徑從幾百埃到毫米級。多孔材料的孔隙度一般粗分為低孔隙度(＜30％)、中孔隙度(30～60％)、高孔隙度(＞60％)三類，孔徑分為粗孔(＞50μm)、中等孔（2～50μm）和微孔(＜2μm)三種。低孔隙度的多孔材料主要是含油軸承，高孔隙度的還包括金屬纖維多孔材料和泡沫金屬，主要用於電池極板、絕熱、消音、防震等。大量使用的過濾材料和發汗冷卻材料（見金屬發汗材料）多為中等孔隙度。過濾用的多孔材料可按過濾精度和流量分成等級系列。

　　制造工藝　制造多孔材料的粉末原料，可根據用途和性能要求，選用球形和不規則形狀的粉末或金屬纖維。用球形粉末易於獲得流體阻力小、結構均勻、再生性好的過濾和流態控制用的多孔材料，但這種粉末制品的力學性能不如不規則形狀粉末的制品。不規則形狀粉末或纖維用於制造孔隙度高的材料。為瞭獲得由粉末顆粒疊排造成的多孔結構，制造多孔材料的成形壓力和燒結溫度一般低於制造燒結致密材料。多孔材料的孔徑、強度等性能在很大程度上取決於所選用粉末的平均粒度、粒度分佈、顆粒形狀等；為瞭制出預定性能的材料，通常要對粉末進行預處理，如退火、粒度分級、球化和球選以及加入各種添加劑(造孔劑、潤滑劑、增塑劑)等。成形工藝除一般的冷模壓-燒結工藝外，還可根據制品的形狀尺寸等，選用松裝燒結(簡單異形制品)、粉末軋制(厚度0.1～3mm的板、帶、管)、擠壓(異形長制品)、等靜壓制（異形大制品）和粉漿澆註（復雜異形制品）等工藝（見粉末冶金燒結，粉末冶金成形）。如以金屬纖維作原料，常用在液體中沉積的方法制備均勻分佈的纖維氈，然後再壓制、燒結成金屬纖維多孔材料。用粉末制造泡沫金屬，要將發泡劑和固化劑同粉末均勻混合成形，並在加熱過程中經發泡固化和燒結。這類泡沫金屬的孔隙度可高達90％以上。為改善綜合性能，還可用不同粒度的粉末制作不同孔徑的雙層或多層結構的材料，或將粉末與金屬網或纖維一起成形，制成纖維增強材料。

　　

參考書目

　寶雞有色金屬研究所編著：《粉末冶金多孔材料》，冶金工業出版社，北京，1978。

　W.D.Jones，Fundamental Principles of Powder Metallurgy，Edward Arnold Ltd.，London，1960.