馮 凌

（遼寧省盤錦市盤錦職業(yè)技術學院，遼寧 盤錦 124010）

超輕材料因其獨特的結構和性能，在各個領域得到了廣泛使用，其中以多孔金屬材料應用最為普遍。隨著時代發(fā)展與科技進步以及人們對環(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構復合材質；它在各領域中表現(xiàn)出更大效率和更好地加工性能，并能應用于多種功能范疇內。超輕材料是當今社會最流行的一種新型建筑材料，它具有密度小、質量輕等優(yōu)點，被廣泛應用于各個領域。而金屬結構作為超重多孔材料中應用最為普遍的一類。其主要由活性炭和高嶺土構成；其中活性炭又分為碳元素與無機填料兩種類型：碳元素包括二氧化硅和石墨以及氧化鋁等等物質組成了納米復合板材；石墨是最常見到的是以氧化石墨烯、氫單質體等為代表。

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，經過特殊工藝加工而成，具有比普通材料更好性能和質量分數(shù)的新型多功能復合料。由于這些物質在微觀結構方面存在較大差異導致了不同種類各具特點。一般來講有鐵基合金類與碳纖維增強鎂質合金兩大類；而根據功能性質又可以分為金屬納米顆粒（如石墨化合、氧化鋁）超細粉體與有機高分子兩類，超輕多孔材料，是利用高強度、比剛度的微細粒子作為載體以制備而成的一種新型功能復合材料。這種特殊結構使其具有許多優(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各種環(huán)境，②可塑性強，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品的用途。超輕材料作為一種新型的建筑材料，它在生產生活中具有廣泛而重要的應用。隨著社會發(fā)展，人們對物質和精神追求不斷提高。對于多孔金屬材料來說其結構特征、物理性質以及力學性能等方面都有了新要求。因此我們需要根據不同使用場合進行研究設計出新型產品以滿足市場需求；同時也要考慮到經濟性及實用性問題從而確定一種新型多功能復合材料的種類及其制備方法，并制定相應的生產工藝流程，最終使超輕產品達到高標準和高性能化。

超輕多孔材料的研究始于上個世紀三十年代，在美國，德國，英國等發(fā)達國家已經開發(fā)了大量種類不同結構和性能各異的新型高性能金屬納米顆粒。由于各國經濟發(fā)展水平、技術條件以及科研能力差異很大導致各個國家對其研究程度不一樣。我國自20世紀90年代開始就著手研制出高強度、多功能方向材料替代以往只能以單一重量進行使用的傳統(tǒng)板材產品——超輕管板材，但隨著近些年人們環(huán)保意識增強且節(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，在高壓釜內加熱，使之沸騰后取出并進行烘干處理。使用真空蒸發(fā)儀對所需要得到的溶液進行預熱浸漬。用超聲波清洗器對空腔里空化泡形成膜狀物質（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械剝離法、氣相沉積法和液相反應。其中，最重要的是氣相吸附。機械分離：將被處理的物質用高壓工具在一定壓力下進行緩慢地施加液體化操作來使其與雜質發(fā)生化學反應從而產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構上，利用三維有限元軟件進行模擬，從而獲得力學性能。將超輕金屬纖維從熔融液中取出并與基體發(fā)生化學反應生成多孔狀或塊狀的復合層板材來代替?zhèn)鹘y(tǒng)純手工制作工藝制備工藝所產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行模擬研究開發(fā)出了一個新產品。

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進行測量，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。該設備可以實現(xiàn)多種材料成分的測試與分析工作以及對所要研究目標進行測量的檢測過程。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，使得它具有體積大，重量輕，可彎曲性好以及可以進行多種形式的重復使用等特點。因此在實際生產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。為了保證其工作性能及安全要求必須要選擇合適得材質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、熱學和電化學特性方面更嚴格需求。

超輕材料的多功能化應用，主要是利用其優(yōu)異的物理、化學特性，在高溫高壓下發(fā)生形變。而金屬本身具有密度小和比強度高等特點。因此對于這些優(yōu)點可以通過對樣品進行破碎來實現(xiàn)。粗細孔材料：超輕板材中所含雜質較多且性質復雜多變；同時由于不同種類物質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械設備將它們研磨成粉末顆粒。將經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部缺陷是不一樣。因此我們需要對這些進行粗略得處理。粗多孔金屬材料樣品前處理：首先用旋轉蒸發(fā)儀來除去雜質，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，所以要保證其工作時對環(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)生結焦以及熱疲勞裂解；低溫和的室溫下會維持較長而長時間的循環(huán)次數(shù)為3次以上。③溫度對其性能影響：當溫度達到200℃時，由于分子鏈中的自由電子被重新排列，使內部原子相互間距離增大而失去平衡狀態(tài)；同時又因為晶體之，間有位電荷作用導致晶格發(fā)生改變從而產生了新裂紋等缺陷。在超輕多孔材料中，由于存在著大量的小分子、大的尺寸和復雜結構，使其性能變得相當不穩(wěn)定。為了解決這一問題科學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性質

在金屬納米顆粒和非晶界之間存在著許多特殊性質，比如共價相互作用、離子交換等。當這些特定物質通過了一定條件下就會形成三維網絡。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特功能；同時它還是一種復雜多孔材料結構形式。金屬材料的多孔結構是指由不同尺寸、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)生相對于其內部或外部性質而彼此影響并產生交互作用，進而使該體系成為一個整體。超輕納米復合材料就是在微觀層面上使用了超重來增強或者減弱這種物質對宏觀物理性能所造成改變。由于超輕金屬材料的特殊性，它在實際應用中存在許多問題。比如：重量較大，加工工藝復雜。因此對其性能要求也較高。目前國內外對于多孔結構材料的研究較少且缺乏理論與實踐經驗以及相關數(shù)據資料等方面原因導致了該領域仍有大量需要解決和完善之處；如新型高性能復合石墨化板材、多功能陶瓷基體材料、納米技術復合薄膜及功能型碳纖維等等一系列新產品應用于實際中，但是這些新產物還存在一些問題有待進一步探究。

3.3 多孔金屬材料疲勞強度

材料的疲勞壽命是指材料在各種條件下達到所需最大程度的使用極限，而金屬疲勞強度則為一個相對值。超輕多孔金屬結構具有高模量、較好地延性和良好耐腐蝕性能等優(yōu)點。因此它被大量應用于工業(yè)領域中，比如：航天航空飛行器表面處理技術（如涂覆納米Ti/10Si-204基）；電子器件制造加工（打印機壓鑄工藝）；航空航天系統(tǒng)的零部件裝配與調試等等。在多孔材料中，由于不同的表面結構和微缺陷，其內部形成的宏觀形態(tài)具有較大差異。當外部環(huán)境條件發(fā)生變化時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性能與物理性質之間關系；而對于疲勞強度而言就是指的是試件發(fā)生了最大應力作用時所產生單位時間內材料所能承受載荷量大小以及所需加載次數(shù)，通常是由其內部的結構參數(shù)決定的。超輕材料的疲勞壽命隨著金屬疲勞強度增加而越來越短，因此，對于超輕結構來說多孔材料就是提高其耐機械性能和延長使用期限。在實際生產中我們可以通過多種途徑來保證力學性能。比如說采用化學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，使超輕制品產生塑形變形從而獲得疲勞強度更高的多孔金屬材料。

3.4 超輕多孔材料的多功能計算

超輕多孔金屬材料在不斷的發(fā)展過程中，其應用領域也越來越廣，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)技術的飛速提高而產生了很多新工藝方法。其中最為主要的是氣相沉積（CVD）法和電化學沉積（MCN電池研究方向主要是利用氣體與電極反應形成固態(tài)金屬薄膜材料來制備超輕多孔結構納米顆粒材料，超輕材料的多功能計算主要是指：在多孔結構體系中，以滿足不同尺寸、形狀和性能要求為前提下所進行對其進行各種力學特性參數(shù)優(yōu)化設計。將超重作為一種物理量來測量，而不是用重量來衡量；通過改變結構內部性質從而達到提高強度與硬度等其他方面性能指標的目的；同時還可以根據需要增加材料在各個領域中的使用壽命及應用范圍、減少能源消耗和降低成本等特點對多孔結構進行多功能計算。超輕多孔材料的多功能計算主要是指利用多種技術手段，如物理吸附、化學合成等方法，來實現(xiàn)對納米結構和功能單元之間進行三維空間上的高精度尺寸優(yōu)化。機械法：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生不同性質介電常數(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、化學合成等技術。

4 超輕多孔金屬材料的應用研究

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是其發(fā)展過程中最重要也最為關鍵性和最具代表性的環(huán)節(jié)。而在這其中，化學合成就是指以氯氣、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特性能結構（如：氫鍵、羥基/位錯核或者離子-羧基）納米顆粒。這些物質都有一種特殊的物理性質孔隙率比普通材料更高；同時由于其優(yōu)異的催化性和選擇性超輕多孔材料在各個領域都有著重要應用，如：航天、軍事偵察等。隨著社會不斷進步與發(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成為世界各國關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方面方面能達到國際領先水平因此如何實現(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、截面大小和形狀結構，使得材料內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。當被測元素在這些區(qū)域中進行吸附時它們會發(fā)生晶格振動而產生共振現(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”。而這兩種不同的應用領域，其最大特點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行設計、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品；同時它也能通過對這些新型技術工藝加以改進得到更多.功能化與模塊化結構可循環(huán)使用或者說可大規(guī)模生產出來。作為一種綠色、高效且安全可靠地新能源材料，超輕金屬材料已經成為目前研究開發(fā)和應用領域中一個重要方向。而在實際生產生活中我們發(fā)現(xiàn)：由于超輕電極板具有良好導電性以及較高比表面積等優(yōu)點所以常被用于鋰離子電池充電電路及充放電裝置上；另外因為近年來對鋰離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)價值并且有應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用于不同領域。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生大量與電流有關電荷，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合成法兩種。其中力學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合材質來取代目前所采用的上述制備方法；另外它對環(huán)境有污染并且其結構組成和性質都存在缺陷。利用高壓電場產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生成氧化物結合而破壞了原有結構使其性能降低或喪失效率；同時還會導致電極腐蝕以及產生環(huán)境污染問題，所以一般采用真空吸附、超聲化學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構尺寸和表面質量。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用有直接影響。超細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；可加工成各種形狀、不同大小規(guī)格且均勻分布于體系中；同時在多分散相和微納米復合系統(tǒng)方面也有著獨特優(yōu)越性能。超輕材料的多功能化是指通過采用新工藝、新技術和新型方法，在保證產品質量無缺陷，性能穩(wěn)定不變的前提下提高其工作效率。多孔結構就是一種將不同性質物質按照一定比例配成若干個尺寸可分別由單個或多個小規(guī)格單元組成而形成具有三維空間組織結構。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現(xiàn)多功能材料功能。超輕材料結構是由多孔性的多個單元組成，這些多孔金屬層具有不同的性質，比如：介電性能、耐腐蝕和高比強度等。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生大量缺陷或者造成巨大浪費資源；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用領域不斷開發(fā)的需求，所以超輕多孔金屬結構具有非常廣闊的前景發(fā)展空間。

5 總結與展望

超輕金屬材料的多功能化是目前研究領域內新發(fā)展方向，其主要表現(xiàn)在：一方面，在材料結構上，由于以往使用的傳統(tǒng)技術存在著局限性、安全性無法得到有效保證以及生產成本昂貴等問題；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)保能源與多孔結構結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有了廣泛的應用，它是由許多不同尺寸和形狀各異的特殊結構所組成（如石墨、陶瓷等）。隨著科學技術發(fā)展與社會進步，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)技術落后而造成大量生產資源浪費嚴重以及環(huán)境污染問題成為制約我國經濟快速穩(wěn)定可持續(xù)健康發(fā)展進程之一；同時因為目前超輕機械加工工藝水平不高導致在實際應用中存在許多缺點：例如：加工效率低和能耗大且質量難以保證等。