超輕多孔金屬材料的多功能特性及應(yīng)用

馮 凌

（遼寧省盤錦市盤錦職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 盤錦 124010）

超輕材料因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛使用，其中以多孔金屬材料應(yīng)用最為普遍。隨著時(shí)代發(fā)展與科技進(jìn)步以及人們對環(huán)保、節(jié)能等要求越來越高。新型高性能超輕基材被賦予新的含義：具有比傳統(tǒng)普通基材更高效、更優(yōu)良及更長效而又可用于不同用途方面所呈現(xiàn)出來優(yōu)異特性的特殊材料或結(jié)構(gòu)復(fù)合材質(zhì)；它在各領(lǐng)域中表現(xiàn)出更大效率和更好地加工性能，并能應(yīng)用于多種功能范疇內(nèi)。超輕材料是當(dāng)今社會最流行的一種新型建筑材料，它具有密度小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。而金屬結(jié)構(gòu)作為超重多孔材料中應(yīng)用最為普遍的一類。其主要由活性炭和高嶺土構(gòu)成；其中活性炭又分為碳元素與無機(jī)填料兩種類型：碳元素包括二氧化硅和石墨以及氧化鋁等等物質(zhì)組成了納米復(fù)合板材；石墨是最常見到的是以氧化石墨烯、氫單質(zhì)體等為代表。

1 超輕多孔金屬材料的發(fā)展現(xiàn)狀

超輕多孔材料是指以密度較高的石子、沙屑等為原料，經(jīng)過特殊工藝加工而成，具有比普通材料更好性能和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的新型多功能復(fù)合料。由于這些物質(zhì)在微觀結(jié)構(gòu)方面存在較大差異導(dǎo)致了不同種類各具特點(diǎn)。一般來講有鐵基合金類與碳纖維增強(qiáng)鎂質(zhì)合金兩大類；而根據(jù)功能性質(zhì)又可以分為金屬納米顆粒（如石墨化合、氧化鋁）超細(xì)粉體與有機(jī)高分子兩類，超輕多孔材料，是利用高強(qiáng)度、比剛度的微細(xì)粒子作為載體以制備而成的一種新型功能復(fù)合材料。這種特殊結(jié)構(gòu)使其具有許多優(yōu)異性能：①重量較小。一般情況下都是采用密度比較低和硬度也不高等物理特性來制造出來所以它能夠很好地適應(yīng)各種環(huán)境，②可塑性強(qiáng)，可以在多種條件下使用而不會對人體造成傷害并且能通過加工改變產(chǎn)品的用途。超輕材料作為一種新型的建筑材料，它在生產(chǎn)生活中具有廣泛而重要的應(yīng)用。隨著社會發(fā)展，人們對物質(zhì)和精神追求不斷提高。對于多孔金屬材料來說其結(jié)構(gòu)特征、物理性質(zhì)以及力學(xué)性能等方面都有了新要求。因此我們需要根據(jù)不同使用場合進(jìn)行研究設(shè)計(jì)出新型產(chǎn)品以滿足市場需求；同時(shí)也要考慮到經(jīng)濟(jì)性及實(shí)用性問題從而確定一種新型多功能復(fù)合材料的種類及其制備方法，并制定相應(yīng)的生產(chǎn)工藝流程，最終使超輕產(chǎn)品達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)和高性能化。

超輕多孔材料的研究始于上個(gè)世紀(jì)三十年代，在美國，德國，英國等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開發(fā)了大量種類不同結(jié)構(gòu)和性能各異的新型高性能金屬納米顆粒。由于各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、技術(shù)條件以及科研能力差異很大導(dǎo)致各個(gè)國家對其研究程度不一樣。我國自20世紀(jì)90年代開始就著手研制出高強(qiáng)度、多功能方向材料替代以往只能以單一重量進(jìn)行使用的傳統(tǒng)板材產(chǎn)品——超輕管板材，但隨著近些年人們環(huán)保意識增強(qiáng)且節(jié)能減排要求提高而被淘汰了。

2 超輕多孔材料的制備及測量

將制備好的超輕多孔材料放入到燒杯中，在高壓釜內(nèi)加熱，使之沸騰后取出并進(jìn)行烘干處理。使用真空蒸發(fā)儀對所需要得到的溶液進(jìn)行預(yù)熱浸漬。用超聲波清洗器對空腔里空化泡形成膜狀物質(zhì)（一般為Ti-、Al203）和粉末顆粒物通過高溫高壓水蒸氣蒸出后就可以獲得了純度很高并且粒徑較大的納米多孔材料。超輕多孔材料的制備方法主要有機(jī)械剝離法、氣相沉積法和液相反應(yīng)。其中，最重要的是氣相吸附。機(jī)械分離：將被處理的物質(zhì)用高壓工具在一定壓力下進(jìn)行緩慢地施加液體化操作來使其與雜質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)從而產(chǎn)生流體或者氣體分子；然后再加入合適比例好比的惰性劑去除去這些固體顆粒物或部分有機(jī)物以及一些其他成分如苯類、蒽醌等。超輕材料的研究主要是在微觀結(jié)構(gòu)上，利用三維有限元軟件進(jìn)行模擬，從而獲得力學(xué)性能。將超輕金屬纖維從熔融液中取出并與基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成多孔狀或塊狀的復(fù)合層板材來代替?zhèn)鹘y(tǒng)純手工制作工藝制備工藝所產(chǎn)生出來得一種新型材料，碳化管（PIR）和其他一些類似于普通碳化物生長的方法，是利用三維有限元軟件進(jìn)行模擬研究開發(fā)出了一個(gè)新產(chǎn)品。

在超輕多孔材料的多功能制備中，我們需要對所要研究的目標(biāo)進(jìn)行測量，而對于這一過程，就必須借助儀器來完成。因此樣品采集即是指利用專門裝置將被測樣壓平后形成具有一定厚度、形狀和大小不同尺寸規(guī)格（直徑D=2或mmx5μm）均勻分布在各種工具上。該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)多種材料成分的測試與分析工作以及對所要研究目標(biāo)進(jìn)行測量的檢測過程。超輕多孔材料的多功能特性，由于超重、高比塊體和密度小等諸多優(yōu)點(diǎn)，使得它具有體積大，重量輕，可彎曲性好以及可以進(jìn)行多種形式的重復(fù)使用等特點(diǎn)。因此在實(shí)際生產(chǎn)中被廣泛用于各種工程所需。而金屬基板是一種耐腐蝕介質(zhì)。為了保證其工作性能及安全要求必須要選擇合適得材質(zhì)來制造出不同種類規(guī)格的超重多孔材料用來滿足對力學(xué)、熱學(xué)和電化學(xué)特性方面更嚴(yán)格需求。

超輕材料的多功能化應(yīng)用，主要是利用其優(yōu)異的物理、化學(xué)特性，在高溫高壓下發(fā)生形變。而金屬本身具有密度小和比強(qiáng)度高等特點(diǎn)。因此對于這些優(yōu)點(diǎn)可以通過對樣品進(jìn)行破碎來實(shí)現(xiàn)。粗細(xì)孔材料：超輕板材中所含雜質(zhì)較多且性質(zhì)復(fù)雜多變；同時(shí)由于不同種類物質(zhì)之間存在著吸附或者溶解作用等因素影響其性能的發(fā)揮，所以我們一般使用粉碎后再利用機(jī)械設(shè)備將它們研磨成粉末顆粒。將經(jīng)過超輕粉碎的樣品放在燒杯中，在一定程度上可以提高材料表面活性。而對于不同尺寸、形狀和大小的試樣來說其內(nèi)部缺陷是不一樣。因此我們需要對這些進(jìn)行粗略得處理。粗多孔金屬材料樣品前處理：首先用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀來除去雜質(zhì)，然后再使用真空脫氣器將粉末蒸下；最后要把粉末放入烘箱中干燥至恒重約50℃，之后再用蒸餾水清洗干凈后在放在烘干的容器內(nèi)存放備用。

3 新型多功能多孔金屬材料的性能分析

3.1 新型多功能多孔金屬材料的熱穩(wěn)定性

超輕多孔材料的熱穩(wěn)定性與它本身具有的性能有關(guān)，所以要保證其工作時(shí)對環(huán)境溫度和濕度等因素有合適要求。①對于耐輻射、抗氧化及自潤滑性好且不吸水（如苯乙烯）或含氧聚合物。②在高溫高濕狀態(tài)下也能保持較穩(wěn)定甚至更好地循環(huán)使用壽命，比如：低溫常溫下不會發(fā)生結(jié)焦以及熱疲勞裂解；低溫和的室溫下會維持較長而長時(shí)間的循環(huán)次數(shù)為3次以上。③溫度對其性能影響：當(dāng)溫度達(dá)到200℃時(shí)，由于分子鏈中的自由電子被重新排列，使內(nèi)部原子相互間距離增大而失去平衡狀態(tài)；同時(shí)又因?yàn)榫w之，間有位電荷作用導(dǎo)致晶格發(fā)生改變從而產(chǎn)生了新裂紋等缺陷。在超輕多孔材料中，由于存在著大量的小分子、大的尺寸和復(fù)雜結(jié)構(gòu)，使其性能變得相當(dāng)不穩(wěn)定。為了解決這一問題科學(xué)家們嘗試用不同方法來制備出具有多功能特性新型高性能金屬基介電體。而這種新材料又有許多與眾不同的是：介電常數(shù)高；熱穩(wěn)定性好；與普通導(dǎo)磁材料相比，它不僅在頻率方面擁有了明顯的優(yōu)勢而且還可以提高其工作效率和使用壽命。

3.2 多孔金屬材料的力學(xué)性質(zhì)

在金屬納米顆粒和非晶界之間存在著許多特殊性質(zhì)，比如共價(jià)相互作用、離子交換等。當(dāng)這些特定物質(zhì)通過了一定條件下就會形成三維網(wǎng)絡(luò)。由于它們具有不同于宏觀物理狀態(tài)或微觀原子水平上的特性從而使其具備獨(dú)特功能；同時(shí)它還是一種復(fù)雜多孔材料結(jié)構(gòu)形式。金屬材料的多孔結(jié)構(gòu)是指由不同尺寸、形狀和相對密度的三維空間形成具有相互連通性，且各部分之間能夠發(fā)生相對于其內(nèi)部或外部性質(zhì)而彼此影響并產(chǎn)生交互作用，進(jìn)而使該體系成為一個(gè)整體。超輕納米復(fù)合材料就是在微觀層面上使用了超重來增強(qiáng)或者減弱這種物質(zhì)對宏觀物理性能所造成改變。由于超輕金屬材料的特殊性，它在實(shí)際應(yīng)用中存在許多問題。比如：重量較大，加工工藝復(fù)雜。因此對其性能要求也較高。目前國內(nèi)外對于多孔結(jié)構(gòu)材料的研究較少且缺乏理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)數(shù)據(jù)資料等方面原因?qū)е铝嗽擃I(lǐng)域仍有大量需要解決和完善之處；如新型高性能復(fù)合石墨化板材、多功能陶瓷基體材料、納米技術(shù)復(fù)合薄膜及功能型碳纖維等等一系列新產(chǎn)品應(yīng)用于實(shí)際中，但是這些新產(chǎn)物還存在一些問題有待進(jìn)一步探究。

3.3 多孔金屬材料疲勞強(qiáng)度

材料的疲勞壽命是指材料在各種條件下達(dá)到所需最大程度的使用極限，而金屬疲勞強(qiáng)度則為一個(gè)相對值。超輕多孔金屬結(jié)構(gòu)具有高模量、較好地延性和良好耐腐蝕性能等優(yōu)點(diǎn)。因此它被大量應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域中，比如：航天航空飛行器表面處理技術(shù)（如涂覆納米Ti/10Si-204基）；電子器件制造加工（打印機(jī)壓鑄工藝）；航空航天系統(tǒng)的零部件裝配與調(diào)試等等。在多孔材料中，由于不同的表面結(jié)構(gòu)和微缺陷，其內(nèi)部形成的宏觀形態(tài)具有較大差異。當(dāng)外部環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)就會對微觀組織造成一定程度上改變。因此我們需要研究在不同形狀、尺寸以及超輕比等情況下力學(xué)性能與物理性質(zhì)之間關(guān)系；而對于疲勞強(qiáng)度而言就是指的是試件發(fā)生了最大應(yīng)力作用時(shí)所產(chǎn)生單位時(shí)間內(nèi)材料所能承受載荷量大小以及所需加載次數(shù)，通常是由其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定的。超輕材料的疲勞壽命隨著金屬疲勞強(qiáng)度增加而越來越短，因此，對于超輕結(jié)構(gòu)來說多孔材料就是提高其耐機(jī)械性能和延長使用期限。在實(shí)際生產(chǎn)中我們可以通過多種途徑來保證力學(xué)性能。比如說采用化學(xué)方法或物理方法制造出不同種類、尺寸、硬度以及抗腐蝕性等要求較高且具有一定特殊工藝條件下的材料；還可采取外加電火花放電或者激光脈沖激發(fā)技術(shù)，使超輕制品產(chǎn)生塑形變形從而獲得疲勞強(qiáng)度更高的多孔金屬材料。

3.4 超輕多孔材料的多功能計(jì)算

超輕多孔金屬材料在不斷的發(fā)展過程中，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣，比如：電子通訊、國防科研、精密制造業(yè)等。但是隨著科技水平和工業(yè)技術(shù)的飛速提高而產(chǎn)生了很多新工藝方法。其中最為主要的是氣相沉積（CVD）法和電化學(xué)沉積（MCN電池研究方向主要是利用氣體與電極反應(yīng)形成固態(tài)金屬薄膜材料來制備超輕多孔結(jié)構(gòu)納米顆粒材料，超輕材料的多功能計(jì)算主要是指：在多孔結(jié)構(gòu)體系中，以滿足不同尺寸、形狀和性能要求為前提下所進(jìn)行對其進(jìn)行各種力學(xué)特性參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。將超重作為一種物理量來測量，而不是用重量來衡量；通過改變結(jié)構(gòu)內(nèi)部性質(zhì)從而達(dá)到提高強(qiáng)度與硬度等其他方面性能指標(biāo)的目的；同時(shí)還可以根據(jù)需要增加材料在各個(gè)領(lǐng)域中的使用壽命及應(yīng)用范圍、減少能源消耗和降低成本等特點(diǎn)對多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行多功能計(jì)算。超輕多孔材料的多功能計(jì)算主要是指利用多種技術(shù)手段，如物理吸附、化學(xué)合成等方法，來實(shí)現(xiàn)對納米結(jié)構(gòu)和功能單元之間進(jìn)行三維空間上的高精度尺寸優(yōu)化。機(jī)械法：通過改變金屬納米顆粒間作用力及與表面活性劑相互作用從而產(chǎn)生不同性質(zhì)介電常數(shù)或幾何形狀。這種方法可用于制備新型超輕多孔材料（如石墨烯基體）；也可以用物理吸附、化學(xué)合成等技術(shù)。

4 超輕多孔金屬材料的應(yīng)用研究

4.1 超輕多孔金屬材料的多樣功能

超輕多孔材料的制備與催化反應(yīng)是其發(fā)展過程中最重要也最為關(guān)鍵性和最具代表性的環(huán)節(jié)。而在這其中，化學(xué)合成就是指以氯氣、氫氣等為原料，采用水溶液或酸堿溶液作為催化劑來生成活性較高且具有獨(dú)特性能結(jié)構(gòu)（如：氫鍵、羥基/位錯核或者離子-羧基）納米顆粒。這些物質(zhì)都有一種特殊的物理性質(zhì)孔隙率比普通材料更高；同時(shí)由于其優(yōu)異的催化性和選擇性超輕多孔材料在各個(gè)領(lǐng)域都有著重要應(yīng)用，如：航天、軍事偵察等。隨著社會不斷進(jìn)步與發(fā)展人們對超重和多孔金屬耐腐蝕性有了更高的要求。近年來新能源汽車已經(jīng)成為世界各國關(guān)注的話題并且受到廣泛重視但是目前我國還沒有這方面技術(shù)方面方面能達(dá)到國際領(lǐng)先水平因此如何實(shí)現(xiàn)高性能抗腐劑研究是擺在世界前沿人士共同努力解決的難題。超輕多孔金屬材料吸收光譜的原理是由于不同尺寸、截面大小和形狀結(jié)構(gòu)，使得材料內(nèi)部各成分之間存在著相互滲透作用，從而形成了具有一定強(qiáng)度與含量的吸收組分。對于一般金屬來說其原子組成主要有：單分子層電子云母及層間距為0.75nm。當(dāng)被測元素在這些區(qū)域中進(jìn)行吸附時(shí)它們會發(fā)生晶格振動而產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

4.2 超輕多孔金屬材料在鋰離子電池中的應(yīng)用

目前，鋰離子電池主要分為“嵌入式”和“疊加耦合型”。而這兩種不同的應(yīng)用領(lǐng)域，其最大特點(diǎn)是都有一種或多種材料存在。在這種場合下我們可以利用超輕這一特性來進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工制造出很多種類多樣且性能優(yōu)良的多孔金屬材料產(chǎn)品；同時(shí)它也能通過對這些新型技術(shù)工藝加以改進(jìn)得到更多.功能化與模塊化結(jié)構(gòu)可循環(huán)使用或者說可大規(guī)模生產(chǎn)出來。作為一種綠色、高效且安全可靠地新能源材料，超輕金屬材料已經(jīng)成為目前研究開發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域中一個(gè)重要方向。而在實(shí)際生產(chǎn)生活中我們發(fā)現(xiàn)：由于超輕電極板具有良好導(dǎo)電性以及較高比表面積等優(yōu)點(diǎn)所以常被用于鋰離子電池充電電路及充放電裝置上；另外因?yàn)榻陙韺︿囯x子電池的制備成本越來越低、重量更加輕型化。目前，鋰離子電池的發(fā)展前景廣闊，其中超輕材料是最具有研究意義和開發(fā)價(jià)值并且有應(yīng)用潛力的一種新型高能電源。它在能量密度高、功率比較大等方面有著極其廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域。作為儲能系統(tǒng)中重要部分之一：用作儲能單元；它在充放電過程中會產(chǎn)生大量與電流有關(guān)電荷，從而對電池起到緩沖作用。

4.3 多功能超輕多孔材料的優(yōu)化

超輕多孔材料的制備方法有很多種，主要分為物理法和化學(xué)合成法兩種。其中力學(xué)性能較好的是電聚合、熱還原以及熔融共混等物理方式。而傳統(tǒng)使用單一金屬或非金屬合金制成多功能材料是相對而言較為麻煩而且工藝要求高且成本也比較高昂，所以現(xiàn)在還沒有一種有效的新型高效低成本復(fù)合材質(zhì)來取代目前所采用的上述制備方法；另外它對環(huán)境有污染并且其結(jié)構(gòu)組成和性質(zhì)都存在缺陷。利用高壓電場產(chǎn)生激雷脈沖來提高金屬的擊穿電壓。由于金屬離子容易與空氣中氧反應(yīng)生成氧化物結(jié)合而破壞了原有結(jié)構(gòu)使其性能降低或喪失效率；同時(shí)還會導(dǎo)致電極腐蝕以及產(chǎn)生環(huán)境污染問題，所以一般采用真空吸附、超聲化學(xué)氣相沉積法等方法制備多孔材料。超輕材料的性能主要取決于其結(jié)構(gòu)尺寸和表面質(zhì)量。而其中最重要的是孔徑，孔隙率，比表面積等因素對多孔金屬材料多功能應(yīng)用有直接影響。超細(xì)磨粒與聚合物顆粒相比具有良好的磨耗性、高硬度以及耐腐蝕能力強(qiáng)；可加工成各種形狀、不同大小規(guī)格且均勻分布于體系中；同時(shí)在多分散相和微納米復(fù)合系統(tǒng)方面也有著獨(dú)特優(yōu)越性能。超輕材料的多功能化是指通過采用新工藝、新技術(shù)和新型方法，在保證產(chǎn)品質(zhì)量無缺陷，性能穩(wěn)定不變的前提下提高其工作效率。多孔結(jié)構(gòu)就是一種將不同性質(zhì)物質(zhì)按照一定比例配成若干個(gè)尺寸可分別由單個(gè)或多個(gè)小規(guī)格單元組成而形成具有三維空間組織結(jié)構(gòu)。這種大尺度單元組成為了超輕材料中最重要的功能之一，可以改變分子鏈排列方式來實(shí)現(xiàn)多功能材料功能。超輕材料結(jié)構(gòu)是由多孔性的多個(gè)單元組成，這些多孔金屬層具有不同的性質(zhì)，比如：介電性能、耐腐蝕和高比強(qiáng)度等。影響超重單晶生長和缺陷分布。在制備過程中如果不考慮這些因素會使得其尺寸變大并且產(chǎn)生大量缺陷或者造成巨大浪費(fèi)資源；而納米級、亞微米級材料則可以改善這種特性來滿足人們對它應(yīng)用領(lǐng)域不斷開發(fā)的需求，所以超輕多孔金屬結(jié)構(gòu)具有非常廣闊的前景發(fā)展空間。

5 總結(jié)與展望

超輕金屬材料的多功能化是目前研究領(lǐng)域內(nèi)新發(fā)展方向，其主要表現(xiàn)在：一方面，在材料結(jié)構(gòu)上，由于以往使用的傳統(tǒng)技術(shù)存在著局限性、安全性無法得到有效保證以及生產(chǎn)成本昂貴等問題；另一方面則是對環(huán)境可持續(xù)利用方面做出了很大程度優(yōu)化。而其中最重要的是將新型環(huán)保能源與多孔結(jié)構(gòu)結(jié)合起來從而使其具有一定多功能特性。超輕材料在我們生活中已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，它是由許多不同尺寸和形狀各異的特殊結(jié)構(gòu)所組成（如石墨、陶瓷等）。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展與社會進(jìn)步，人們對金屬材料多功能化要求越來越高。近年來由于傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)落后而造成大量生產(chǎn)資源浪費(fèi)嚴(yán)重以及環(huán)境污染問題成為制約我國經(jīng)濟(jì)快速穩(wěn)定可持續(xù)健康發(fā)展進(jìn)程之一；同時(shí)因?yàn)槟壳俺p機(jī)械加工工藝水平不高導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用中存在許多缺點(diǎn)：例如：加工效率低和能耗大且質(zhì)量難以保證等。