1.多孔材料的構成和類別 

多孔材料的構成較為特殊，它的內部結構表現為相互連通或者閉塞的孔洞，并且排列成網格狀，孔洞的界面則由柱狀物或板狀物構成。這些柱狀物或板狀物通常被稱為固定相，起到支撐整個材料的作用，材料的力學性能主要取決于固定相的性能，孔洞中填充的物質稱之為流動相，根據填充物物理狀態的不同，又可以細分為氣相和液相，氣相的較為常見，整個多孔材料就是由固定相和流動相構成。常見的孔結構包括:一部分是二維結構，這些結構是由非常多的多邊形孔在平面上匯聚而成的; 因為其形狀跟蜂房的六邊形結構非常相近而被稱為“蜂窩” 材料；另一部分是三維結構，這些結構是由非常多的多面體孔在空間內匯聚而成的，通常稱之為“泡沫”材料，這類材料相對來說是更多的。多孔材料是功能材料的一種，根據其要求，多孔材料應滿足以下兩個要求:

一是在結構中需具有大量的孔隙; 

二是具有一定的實用性，其被設計出來的多孔結構可滿足 使用者的期望或可達到所要求的性能指標，對材料的性能起到優化的作用。

多孔材料在自然界中很常見，而且具有一些優良的力學性能，被人們廣泛利用。最為常見的就是木材，木材中間有很多細小的空洞，在多年前的古埃及金字塔中就已經使用了這些基本的多孔材料，古羅馬時代還被用于酒瓶的瓶塞。而人類的骨骼，也可以稱得上是多孔材料，具有低密度和高的機械強度的特點。傳統的多孔材料，孔隙直徑相對而言很大，達到了毫米級別，而現代制備的多孔材料，不僅包含了大孔徑的，還有孔徑達到了幾十納米的，獲得了在性能上與傳統材料有差別的新型多孔材料。在目前常用的多孔材料中，形狀跟蜂房的六邊形結構非常相近的“蜂窩”材料是相對來說較為簡單的，常用于一些輕質構件。

此外，像一些由高分子做成的泡沫材料，可起到緩沖和減少器件碰撞的作用，也是目前來說應用非常廣泛的。根據多孔材料孔徑大小的不同，可以將多孔材料分為微孔 材料( microporous materials，孔徑＜2 nm)、介孔材料( mesoporous materials，2nm＜孔徑＜50nm) 以及大孔材料( macroporous materials，孔徑＞50 nm)；根據其化學組成的不同，可將多孔材 料分為無機多孔材料和有機多孔材料，常見的無機多孔材料有金屬多孔材料以及非金屬多孔材料；常見的有機多孔材料有生物材料以及非生物有機多孔材料。

2.多孔材料的性能

相較于致密材料，多孔材料在力學性能及耐腐蝕性能方面 相對較差一些，但因其孔隙多，比表面大等原因，在熱交換性能、催化性能、電化學活性等方面具有更大的優勢。除此之外，多孔材料的緩沖性能、能量吸收性能、透氣性、透液性等，都是致密材料所不具備的。根據多孔材料的用途不同，對其性能的要求也不同。比如過濾材料，要求該多孔材料應具有高的過濾精度、好的透過性及再生性;用于熱交換的材料應具有高的熱交換效率;用于吸收聲音的材料應具有好的聲阻性;此外還有電化學活性、電子發射能力等等。總體來說，多孔材料具有較多優異性能，可總結如下: 

2.1 化學性能

由于隙的存在，其密度會有不同程度的降低，因此多孔材料的穩定性較其他材料會有所下降。另一方面，利用多孔材料的分子識別功能，可生產一些人造酶，這使得催化反應速度得到了很大提高。

 2.2 傳播性能

反射和折射的發生，是因為波傳播到兩種介質的界面上。多孔材料因其特殊的孔隙結構，會使得反射、折射以及衍射都有不同程度的增加，因此其在阻波方面的優勢會特別突出，利用該方面的特質，多孔材料可用于制作隔音材料。除此之外，在減振以及抗爆炸沖擊等方面的應用也是非常廣泛的。 

2.3 選擇滲透性

隨著技術的進步，目前人們已經可以控制多孔材料的孔洞尺寸以及分布方向，并能制造出孔型規則且排列規律的多孔材料。通過該技術制成的分子篩，能進行高效的氣體分離;還有一些由此制成的特殊過濾裝置，可以多次重復使用。 

2.4 光電性能

目前多孔硅材料已經成為新型光電子元件的寵兒。當用激光照射多孔硅材料時，這些具有微孔的多孔材料會發射出可見光，利用該特殊的光學性能和電學性能，多孔硅材料可被用于制作燃料電池的多孔電極，而燃料電池因其優異性能，也被認為是未來汽車最具期待性的能源裝置。 

2.5 選擇吸附性 

選擇吸附性是指不同孔徑的多孔材料對不同氣體或液體的吸附能力是不同的，造成該現象的根本原因是每種氣體或液體分子的直徑不同，導致被吸附的情況不同。利用該特性，可制作高溫煙氣處理器、空氣凈化器、水凈化器、氣液分離器等。

綜上所述，多孔材料存在的這些優異性能，符合當今社會對工業發展高效益、低能耗、少排放和環保的目的要求，可以在人體骨骼、隔音、耐火防火、催化劑載體、過濾以及分離等方面發揮重要作用。隨著多孔材料在諸多領域中的廣泛應用，制備具有高強度、耐高溫、高透氣性及良好的冷熱沖擊的多孔材料，成為目前研究需要突破的重難點。同時，相當一部分學者已經在開發研究新的多孔材料體系，相信在不久將來將會得到令人驚喜的結果。 

3.多孔材料的制備和表征 

3.1 多孔材料的制備 

根據孔洞的有序性，可將多孔材料分為有序多孔材料和無序多孔材料。其中無序多孔材料相對來說制備比較簡單，且成本不高，適合進行大量推廣和應用，泡沫金屬就是實例。根據 使用和制造多孔材料性能的不同要求，在選擇合適的原材料方面，一些球形或不規則形狀的粉末以及金屬纖維可列入選取范圍。制備多孔材料的方法多種多樣，其中溶膠凝膠法、有機泡 沫浸漬法、發泡法是比較成熟和常用的方法。溶膠凝膠法是將一些具有高化學活性組分的化合物通過溶液、溶膠、凝膠，繼而固化，再經熱處理將其制成氧化物固體或別的化合物固體的技術，可通過改變溶膠的pH值，來控制孔洞的大小及孔隙率的高低，這是其他方法很難做到的。Cho Ｒong Kim就是用溶膠凝膠法制備了納米尺寸的多孔氧化鈦聚合物材料。有機泡沫浸漬法具有工藝簡單，易于工業化等優點，成品可具有高孔隙率。發泡法是通過成型過程中材料的揮發分或分散在材料中 的揮發分使材料產生泡孔的方法，適合制取閉氣孔制品。除此之外，還有一些新的制備方法開始得到應用，如離子交換法、 PCVI( Pressure－pulse Chemical Vapor Infiltration) 等。 

3.2 多孔材料的表征 

關于多孔材料的研究一般都伴隨著其多孔結構的表征，多孔材料包括多孔形貌、孔徑大小和分布、孔隙特征等結構特性。根據其檢測多孔材料表征的不同可分為壓汞法，氣泡法，離心 法，核磁共振光譜，小角X射線衍射法，氣體吸附法和電子顯微鏡觀察。

4.多孔材料的應用 

4.1 過濾與分離

目前，制作過濾器的主要材料就是多孔材料。多孔材料具有優異的滲透性，在滲透過程中，多孔材料中的孔道可對流體 介質中的固體粒子起到阻礙和收集的作用，由此把液體和固體進行分離，起到凈化和過濾的作用，比如使用該類型的多孔材料過濾器，可過濾汽油、石油中的固體顆粒。目前用于制作過濾器材料的主要是多孔金屬材料，常見的有多孔青銅和多孔不銹鋼，進行油水分離或從冷凍劑中分離水的分離媒介，用的就是多孔金屬材料。多孔金屬材料在生物領域的應用也很多，金屬泡沫常用作腎器官中滲透膜的支撐體，也可用于人體體液的脫鹽和脫氫處理。除此之外，由青銅、不銹鋼、鎳等多種多孔金屬材料制作而成的空氣凈化器，能夠抑制厭氧菌的生長，被人們看作是未來活性炭和脫脂棉的替代材料。 

4.2 能量吸收

多孔材料的重要特性之一，就是能夠吸收大量能量，利用該特性，人們制作了緩沖器和吸振器等能量吸收裝置，其在汽車的沖撞擋板、航天飛機的起落架、生產生活中的升降機和傳送器安全墊、機床吸能防護罩內襯等方面都有廣泛應用。除此之外，利用多孔材料在能量吸收方面的特性，還可將其制作成消音材料，其中泡沫金屬就是應用之一。由多孔金屬制作而成的消音材料，具有非常好的吸聲性能，其效果甚至可以與聚合物泡沫相媲美，此外，在耐火性、透氣性、結構強度以及吸音效率等方面的表現也非常優異，因此多孔金屬吸聲材料憑其優異性能及美觀的外表裝飾應用越來越廣泛。比如長距離高壓管道的噪音消除、蒸汽發電站和氣動工具的消聲器等等，都是使用的泡沫金屬。 

4.3 電極材料 

電極材料也是多孔材料的重要用途之一。其中多孔鎳常被用作蓄電池、空氣電池以及燃料電池的電極，同時要求其孔隙率越高越好。此外，泡沫鉛常被用作鉛酸電池的活性物質支 撐體，其泡沫結構將大大降低整體重量。 

4.4 熱交換 

用于熱交換和加熱的材料，必須要有足夠大的比表面積，多孔材料剛好可以滿足這一要求。尤其是具有通體孔的多孔材料，因其超高加熱效率以及優異的使用性能，是制作熱交換 器、加熱器以及散熱器的理想材料。在一些復雜結構中，多孔材料可與管狀或平面狀材料配合使用，能克服在三維復雜流動和強對流條件下，對邊界層的有害影響。此外，閉孔的多孔材料可用于制作絕熱材料，相對于傳統絕熱材料來說，其強度和耐溫性都更優異一些。 

4.5 結構材料 

在輕質結構材料中，多孔金屬因其優異的強度、延展性以及工藝性能，一直具有廣泛的應用;為增強多孔金屬材料的實用性，通常將其與致密基體相結合，以此來提高性能。多孔材料用作結構材料的實例很多。在航空及國防軍事工業中，多孔網狀金屬材料常被焊接、電鍍或者粘貼在結構體上，將其制作成夾層構件，用作輕質并能傳熱的支撐材料。常見的應用有機翼金屬外殼的支撐體;用于防止外殼因高溫而倒坍的導彈鼻錐支撐體;雷達鏡的反射材料等。在建筑行業，一些欄桿、建筑元件或其支撐體需滿足質輕、硬且耐火等特點，而多孔金屬材料可滿足其要求。在電梯行業，因電梯需要高頻高 速的不斷加速和減速，為降低能耗，人們希望能使用輕質結構，但傳統的輕質結構材料又不滿足安全性的要求，因此，同時具備吸能及強度的多孔金屬材料在這類情景中的應用越來越廣泛。 

4.6 生物材料

多孔材料作為生物材料被用于醫療衛生行業已經非常常見了，比如鈦可制作成用于矯形術的髖關節，也可制作成種植在牙根用于牙齒修復的多孔鈦牙齒;除此之外，鎢鉻鎳合金也是常見的多孔生物材料，常用于制作多孔復合心瓣體。這些材料之所以能用作生物材料，究其原因是由于其對人體無害且有較好的生物相容性。

4.7 多孔材料的展望 

多孔材料在實際應用中面臨著較多的問題。首先，多孔材料的孔結構會使其機械強度有所降低，實際應用中非常易產生斷裂，使用壽命降低，從而在工業生產中存在很大的安全隱患以及經濟負擔;其次，傳統制備工藝的很大問題在于實現多孔材料特別是微孔級多孔材料的大規模生產;再者，在實現多孔材料的孔徑尺寸以及分布的連續可控性方面還存在一定難度; 另外，在多孔復合材料層間親和力的研究方面仍存在很大空白。這在一定程度上限制了多孔材料作為結構和功能材料的大規模生產及應用，因此需更多的科研工作者致力于多孔材料制備工藝的創新。 

5.結束語

隨著多孔材料在各行各業日益受到重視，它的應用也越來越廣泛，特別是在能源、環保、化學工業等行業已經顯示出獨優勢，經過進一步的研發、應用及推廣將必定帶來無盡的經濟和社會效益。

來源：新疆工業職業技術學院，邁愛德編輯整理