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無機(jī)新材料的內(nèi)容
應(yīng)用化學(xué)01班喬夢茹 41004010120 摘要：多孔材料可分為金屬和非金屬兩大類,也可細(xì)分為多孔陶瓷材料、高分子多孔材料和多孔金屬材料3 種不同的類型。多孔金屬材料又稱為泡沫金屬,作為結(jié)構(gòu)材料,它具有密度小、孔隙率高、比表面積大等特點(diǎn);作為功能材料,它具有多孔、減振、阻尼、吸音、隔音、散熱、吸收沖擊能、電磁屏蔽等多種性能。而且,多孔金屬材料往往兼有結(jié)構(gòu)材料和功能材料的雙重作用,是一類性能優(yōu)異的多用途材料。
關(guān)鍵詞：多孔材料 微孔材料 制備 應(yīng)用
近年來 ,多孔金屬材料已經(jīng)在冶金、石油、化工、紡織、醫(yī)藥、釀造等國民經(jīng)濟(jì)部門以及國防軍事等部門得到了廣泛的應(yīng)用。在材料科學(xué)研究中,永不改變的話題是探索新材料。人們注意到許多天然材料因其多孔的結(jié)構(gòu)而具備優(yōu)良的性能,因此,人們發(fā)展出了各種人造多孔材料。作為材料科學(xué)研究中較年輕的一員,多孔材料迅速成為近年來國際科學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)之一。
1、多孔材料的分類
多孔材料的重要特征是孔的種類和屬性，具體包括孔道與窗口的大小尺寸和形狀、孔道維數(shù)、孔道走向、孔壁組成等性質(zhì)，可以按照不同標(biāo)準(zhǔn)來劃分多孔材料的類型。國際純粹和應(yīng)用化學(xué)協(xié)會（IUPAC）以孔徑尺寸為標(biāo)準(zhǔn)將多孔材料定義為三類：微孔材料、介孔材料、大孔材料。此外，多級孔材料（微孔-介孔、微孔-大孔、介孔-大孔）成為多孔材料研究的又一熱點(diǎn)領(lǐng)域，是新一代材料的代表。
1、微孔材料：
微孔材料按照其結(jié)構(gòu)和組成的特點(diǎn)可以分為沸石分子篩，類分子篩空曠骨架材料以及金屬-有機(jī)骨架化合物（MOF）。
a)沸石分子篩
天然沸石是一類天然硅鋁酸鹽礦物，并且在灼燒時(shí)會產(chǎn)生氣泡膨脹的類似沸騰的現(xiàn)象，因此將其定義為沸石。二十世紀(jì)四十年代，以Barrer R.M.為首的沸
石化學(xué)家成功模仿天然沸石的生成環(huán)境，在水熱條件下加熱堿和硅酸鹽的水溶液，合成出來首批低硅鋁比的沸石分子篩。此后，大批科研工作者采用高溫水熱合成技術(shù)對新型沸石分子篩進(jìn)行了大規(guī)模，系統(tǒng)地挖掘。隨著工業(yè)化的日漸成熟和不斷發(fā)展，沸石分子篩的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，尤其在石油加工和石化工業(yè)中地位顯著。雖然許多種天然沸石被勘探出來，但是為了滿足工業(yè)上大規(guī)模的需求，人工沸石分子篩的合成顯得尤其重要。
b)類分子篩空曠骨架材料
1982年磷酸鋁分子篩被發(fā)現(xiàn)，類分子篩空曠骨架化合物出現(xiàn)，極大豐富了微孔晶體材料的組成化學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)�？諘绻羌芪⒖撞牧匣衔锏慕Y(jié)構(gòu)類型迅速增加起來，骨架元素種類豐富，已經(jīng)涉及到元素周期表上大部分主族元素和過渡金屬元素。到目前為止，已有幾百種類分子篩空曠骨架類型被報(bào)道，骨架元素組成豐富，主要有磷酸鋁系列、磷酸鹽系列、亞磷酸鹽系列、硼酸鹽系列、氧化鍺或硅鍺系列等。近幾年，類分子篩空曠骨架材料的合成發(fā)展很快，從最初的水熱合成法，發(fā)展到溶劑熱合成法、離子液熱法、微波法等等。但是，由于這類化合物的孔道通常被模板劑分子所占據(jù)，模板劑除去又極易引起骨架結(jié)構(gòu)破壞，不能成為自由孔道，所以從嚴(yán)格意義上講它們不屬于微孔化合物，想要達(dá)到實(shí)際應(yīng)用還有一段距離。
c)金屬-有機(jī)骨架化合物（MOF）
近幾年來，微孔材料的范疇被擴(kuò)展到配位聚合物，稱為是金屬-有機(jī)骨架化合物，它們通常指有機(jī)配體與金屬離子經(jīng)自組裝形成具有周期性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的金屬-有機(jī)骨架晶體材料。金屬-有機(jī)骨架化合物作為一種新型功能性晶體材料不僅具有豐富的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而且在氣體存儲和分離、光、電、磁、手性拆分以及催化方面都擁有巨大的應(yīng)用前景。這類材料結(jié)構(gòu)通常非�？諘�，這使它們在氣體存儲方面獲得巨大優(yōu)勢，但一般情況下結(jié)構(gòu)的空穴被大量有機(jī)溶劑分子所占據(jù)支撐，相對于分子篩材料非常不穩(wěn)定。
2、介孔材料：
1992年，美國Mobil公司報(bào)道了首例有序介孔二氧化硅M41s系列材料的合成，開啟了介孔材料研究的大門，被認(rèn)為是分子篩發(fā)展史上又一新的里程碑。隨后，通過調(diào)節(jié)表面活性劑的濃度，他們又得到了不同結(jié)構(gòu)的有序介孔二氧化硅材料，除了二維p6mm六方結(jié)構(gòu)的MCM-41，還有Ia3d立方結(jié)構(gòu)的MCM-48和層狀介孔材料MCM-50，構(gòu)成MCM系列介孔分子篩。介孔分子篩的誘人之處在于它具有許多優(yōu)良特性：高比表面、高孔容；基于納米尺度上高度有序的孔道、孔徑單一分布，并且孔徑尺寸可以在很寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；具有不同的孔道形狀、結(jié)構(gòu)、孔壁組成；在催化、吸附、生物等方面有廣泛應(yīng)用前景。
3、大孔材料：
在發(fā)現(xiàn)了微孔和介孔材料之后，基于對多層次結(jié)構(gòu)的更高追求，人們開始探索更大孔的材料的合成。當(dāng)孔徑增大到一定尺寸時(shí)，會出現(xiàn)許多獨(dú)特的性質(zhì)，比如當(dāng)孔徑達(dá)到光波長范圍內(nèi)，有序的大孔材料會出現(xiàn)意想不到的光學(xué)性質(zhì)；在孔徑可以調(diào)控的情況下，可以作為催化劑載體或藥物載體，尤其是多級結(jié)構(gòu)（介孔-大孔、微孔-大孔）有利于物質(zhì)的擴(kuò)散和傳輸。受仿生材料為模板的合成技術(shù)的啟示，研究者們采用單分散膠體顆粒（如聚乙烯小球、SiO2微球、碳微球）作為超大模板，通過納米級鑄造合成法，合成出不同尺寸分布的均一有序的大孔材料�？梢姡罂撞牧显趯�(shí)踐工業(yè)生產(chǎn)中有很好的應(yīng)用前景。
2、多孔材料的制備：
從20 世紀(jì)中葉開始,世界各國競相投入到多孔金屬材料的研究與開發(fā)之中,并相繼提出了各種不同的制備工藝。多孔金屬材料作為多孔材料的重要組成部分,在材料學(xué)領(lǐng)域具有不可取代的地位。根據(jù)制備過程中金屬所處的狀態(tài)可以將這些制備方法劃分為以下幾種: (1) 液相法, (2) 固相法, (3) 金屬沉積法。 液相法
a ) 直接發(fā)泡法
(1) 直接吹氣法發(fā)泡法
對于制備泡沫金屬,直接吹氣法是一種簡便、快速且低耗能的金屬發(fā)泡方法。該方法的工藝是首先向金屬液中加入SiC、Al2O3等以提高金屬液的粘度,然后使用特制的旋轉(zhuǎn)噴頭向熔體中吹入氣體(如空氣、氬氣、氮?dú)? 。該方法主要應(yīng)用于泡沫鋁的生產(chǎn)中。用這種工藝來生產(chǎn)泡沫鋁,首先應(yīng)在熔融鋁液中加入一種高熔點(diǎn)材料的細(xì)小顆粒,這種難熔顆粒在鋁液中既可以增加鋁液粘度,又可以在氣體和金屬的界面上形成一層表面活性劑,從而保證氣體能穩(wěn)定地滯留在鋁液中,并在凝固過程中不會導(dǎo)致泡沫塌陷。
(2)金屬氫化物分解發(fā)泡法
這種方法是在熔融的金屬液中加入發(fā)泡劑(金屬氫化物粉末) ,氫化物被加熱后分解出H2 ,并且發(fā)生體積膨脹,使得液體金屬發(fā)泡,冷卻后得到泡沫金屬材料。在制備過程中,為了防止不均勻現(xiàn)象的發(fā)生,也可以加入固體Ca來增加粘度,以避免氣泡逸出。
b)鑄造法
滲流鑄造法的原理是先把填料放于鑄模之內(nèi),在其周圍澆鑄金屬,然后把填料去除掉,得到泡沫金屬材料。高壓滲流法是將填料和調(diào)節(jié)性載體(均可燃) 按一定的比例混合均勻,把這種混合物在模子內(nèi)壓實(shí),烘干后得到一定尺寸的預(yù)制塊,將預(yù)制塊放入高壓滲流模內(nèi),加入熔融金屬液,在一定的高壓下,金屬液體快速滲入預(yù)制塊的孔隙之中,冷卻后將可燃性預(yù)制塊在一定溫度下燃燒去除,就得到了三維網(wǎng)絡(luò)狀的金屬泡沫金屬。
C)濺射法
濺射法可以制備多孔金屬(合金) 材料。該方法的原理是在反應(yīng)器內(nèi)維持可控的惰性氣體壓力,在等離子的作用下,通過電場的作用將金屬沉積在基體上,與此同時(shí),惰性氣體的原子也一并沉積,升高溫度,金屬熔化時(shí)惰性氣體發(fā)生膨脹形成一個(gè)個(gè)的空穴,冷卻后即為泡沫金屬 。
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