超轻多孔金属材料的多功能特性及应用

冯 凌

（辽宁省盘锦市盘锦职业技术学院，辽宁 盘锦 124010）

超轻材料因其独特的结构和性能，在各个领域得到了广泛使用，其中以多孔金属材料应用最为普遍。随着时代发展与科技进步以及人们对环保、节能等要求越来越高。新型高性能超轻基材被赋予新的含义：具有比传统普通基材更高效、更优良及更长效而又可用于不同用途方面所呈现出来优异特性的特殊材料或结构复合材质；它在各领域中表现出更大效率和更好地加工性能，并能应用于多种功能范畴内。超轻材料是当今社会最流行的一种新型建筑材料，它具有密度小、质量轻等优点，被广泛应用于各个领域。而金属结构作为超重多孔材料中应用最为普遍的一类。其主要由活性炭和高岭土构成；其中活性炭又分为碳元素与无机填料两种类型：碳元素包括二氧化硅和石墨以及氧化铝等等物质组成了纳米复合板材；石墨是最常见到的是以氧化石墨烯、氢单质体等为代表。

1 超轻多孔金属材料的发展现状

超轻多孔材料是指以密度较高的石子、沙屑等为原料，经过特殊工艺加工而成，具有比普通材料更好性能和质量分数的新型多功能复合料。由于这些物质在微观结构方面存在较大差异导致了不同种类各具特点。一般来讲有铁基合金类与碳纤维增强镁质合金两大类；而根据功能性质又可以分为金属纳米颗粒（如石墨化合、氧化铝）超细粉体与有机高分子两类，超轻多孔材料，是利用高强度、比刚度的微细粒子作为载体以制备而成的一种新型功能复合材料。这种特殊结构使其具有许多优异性能：①重量较小。一般情况下都是采用密度比较低和硬度也不高等物理特性来制造出来所以它能够很好地适应各种环境，②可塑性强，可以在多种条件下使用而不会对人体造成伤害并且能通过加工改变产品的用途。超轻材料作为一种新型的建筑材料，它在生产生活中具有广泛而重要的应用。随着社会发展，人们对物质和精神追求不断提高。对于多孔金属材料来说其结构特征、物理性质以及力学性能等方面都有了新要求。因此我们需要根据不同使用场合进行研究设计出新型产品以满足市场需求；同时也要考虑到经济性及实用性问题从而确定一种新型多功能复合材料的种类及其制备方法，并制定相应的生产工艺流程，最终使超轻产品达到高标准和高性能化。

超轻多孔材料的研究始于上个世纪三十年代，在美国，德国，英国等发达国家已经开发了大量种类不同结构和性能各异的新型高性能金属纳米颗粒。由于各国经济发展水平、技术条件以及科研能力差异很大导致各个国家对其研究程度不一样。我国自20世纪90年代开始就着手研制出高强度、多功能方向材料替代以往只能以单一重量进行使用的传统板材产品——超轻管板材，但随着近些年人们环保意识增强且节能减排要求提高而被淘汰了。

2 超轻多孔材料的制备及测量

将制备好的超轻多孔材料放入到烧杯中，在高压釜内加热，使之沸腾后取出并进行烘干处理。使用真空蒸发仪对所需要得到的溶液进行预热浸渍。用超声波清洗器对空腔里空化泡形成膜状物质（一般为Ti-、Al203）和粉末颗粒物通过高温高压水蒸气蒸出后就可以获得了纯度很高并且粒径较大的纳米多孔材料。超轻多孔材料的制备方法主要有机械剥离法、气相沉积法和液相反应。其中，最重要的是气相吸附。机械分离：将被处理的物质用高压工具在一定压力下进行缓慢地施加液体化操作来使其与杂质发生化学反应从而产生流体或者气体分子；然后再加入合适比例好比的惰性剂去除去这些固体颗粒物或部分有机物以及一些其他成分如苯类、蒽醌等。超轻材料的研究主要是在微观结构上，利用三维有限元软件进行模拟，从而获得力学性能。将超轻金属纤维从熔融液中取出并与基体发生化学反应生成多孔状或块状的复合层板材来代替传统纯手工制作工艺制备工艺所产生出来得一种新型材料，碳化管（PIR）和其他一些类似于普通碳化物生长的方法，是利用三维有限元软件进行模拟研究开发出了一个新产品。

在超轻多孔材料的多功能制备中，我们需要对所要研究的目标进行测量，而对于这一过程，就必须借助仪器来完成。因此样品采集即是指利用专门装置将被测样压平后形成具有一定厚度、形状和大小不同尺寸规格（直径D=2或mmx5μm）均匀分布在各种工具上。该设备可以实现多种材料成分的测试与分析工作以及对所要研究目标进行测量的检测过程。超轻多孔材料的多功能特性，由于超重、高比块体和密度小等诸多优点，使得它具有体积大，重量轻，可弯曲性好以及可以进行多种形式的重复使用等特点。因此在实际生产中被广泛用于各种工程所需。而金属基板是一种耐腐蚀介质。为了保证其工作性能及安全要求必须要选择合适得材质来制造出不同种类规格的超重多孔材料用来满足对力学、热学和电化学特性方面更严格需求。

超轻材料的多功能化应用，主要是利用其优异的物理、化学特性，在高温高压下发生形变。而金属本身具有密度小和比强度高等特点。因此对于这些优点可以通过对样品进行破碎来实现。粗细孔材料：超轻板材中所含杂质较多且性质复杂多变；同时由于不同种类物质之间存在着吸附或者溶解作用等因素影响其性能的发挥，所以我们一般使用粉碎后再利用机械设备将它们研磨成粉末颗粒。将经过超轻粉碎的样品放在烧杯中，在一定程度上可以提高材料表面活性。而对于不同尺寸、形状和大小的试样来说其内部缺陷是不一样。因此我们需要对这些进行粗略得处理。粗多孔金属材料样品前处理：首先用旋转蒸发仪来除去杂质，然后再使用真空脱气器将粉末蒸下；最后要把粉末放入烘箱中干燥至恒重约50℃，之后再用蒸馏水清洗干净后在放在烘干的容器内存放备用。

3 新型多功能多孔金属材料的性能分析

3.1 新型多功能多孔金属材料的热稳定性

超轻多孔材料的热稳定性与它本身具有的性能有关，所以要保证其工作时对环境温度和湿度等因素有合适要求。①对于耐辐射、抗氧化及自润滑性好且不吸水（如苯乙烯）或含氧聚合物。②在高温高湿状态下也能保持较稳定甚至更好地循环使用寿命，比如：低温常温下不会发生结焦以及热疲劳裂解；低温和的室温下会维持较长而长时间的循环次数为3次以上。③温度对其性能影响：当温度达到200℃时，由于分子链中的自由电子被重新排列，使内部原子相互间距离增大而失去平衡状态；同时又因为晶体之，间有位电荷作用导致晶格发生改变从而产生了新裂纹等缺陷。在超轻多孔材料中，由于存在着大量的小分子、大的尺寸和复杂结构，使其性能变得相当不稳定。为了解决这一问题科学家们尝试用不同方法来制备出具有多功能特性新型高性能金属基介电体。而这种新材料又有许多与众不同的是：介电常数高；热稳定性好；与普通导磁材料相比，它不仅在频率方面拥有了明显的优势而且还可以提高其工作效率和使用寿命。

3.2 多孔金属材料的力学性质

在金属纳米颗粒和非晶界之间存在着许多特殊性质，比如共价相互作用、离子交换等。当这些特定物质通过了一定条件下就会形成三维网络。由于它们具有不同于宏观物理状态或微观原子水平上的特性从而使其具备独特功能；同时它还是一种复杂多孔材料结构形式。金属材料的多孔结构是指由不同尺寸、形状和相对密度的三维空间形成具有相互连通性，且各部分之间能够发生相对于其内部或外部性质而彼此影响并产生交互作用，进而使该体系成为一个整体。超轻纳米复合材料就是在微观层面上使用了超重来增强或者减弱这种物质对宏观物理性能所造成改变。由于超轻金属材料的特殊性，它在实际应用中存在许多问题。比如：重量较大，加工工艺复杂。因此对其性能要求也较高。目前国内外对于多孔结构材料的研究较少且缺乏理论与实践经验以及相关数据资料等方面原因导致了该领域仍有大量需要解决和完善之处；如新型高性能复合石墨化板材、多功能陶瓷基体材料、纳米技术复合薄膜及功能型碳纤维等等一系列新产品应用于实际中，但是这些新产物还存在一些问题有待进一步探究。

3.3 多孔金属材料疲劳强度

材料的疲劳寿命是指材料在各种条件下达到所需最大程度的使用极限，而金属疲劳强度则为一个相对值。超轻多孔金属结构具有高模量、较好地延性和良好耐腐蚀性能等优点。因此它被大量应用于工业领域中，比如：航天航空飞行器表面处理技术（如涂覆纳米Ti/10Si-204基）；电子器件制造加工（打印机压铸工艺）；航空航天系统的零部件装配与调试等等。在多孔材料中，由于不同的表面结构和微缺陷，其内部形成的宏观形态具有较大差异。当外部环境条件发生变化时就会对微观组织造成一定程度上改变。因此我们需要研究在不同形状、尺寸以及超轻比等情况下力学性能与物理性质之间关系；而对于疲劳强度而言就是指的是试件发生了最大应力作用时所产生单位时间内材料所能承受载荷量大小以及所需加载次数，通常是由其内部的结构参数决定的。超轻材料的疲劳寿命随着金属疲劳强度增加而越来越短，因此，对于超轻结构来说多孔材料就是提高其耐机械性能和延长使用期限。在实际生产中我们可以通过多种途径来保证力学性能。比如说采用化学方法或物理方法制造出不同种类、尺寸、硬度以及抗腐蚀性等要求较高且具有一定特殊工艺条件下的材料；还可采取外加电火花放电或者激光脉冲激发技术，使超轻制品产生塑形变形从而获得疲劳强度更高的多孔金属材料。

3.4 超轻多孔材料的多功能计算

超轻多孔金属材料在不断的发展过程中，其应用领域也越来越广，比如：电子通讯、国防科研、精密制造业等。但是随着科技水平和工业技术的飞速提高而产生了很多新工艺方法。其中最为主要的是气相沉积（CVD）法和电化学沉积（MCN电池研究方向主要是利用气体与电极反应形成固态金属薄膜材料来制备超轻多孔结构纳米颗粒材料，超轻材料的多功能计算主要是指：在多孔结构体系中，以满足不同尺寸、形状和性能要求为前提下所进行对其进行各种力学特性参数优化设计。将超重作为一种物理量来测量，而不是用重量来衡量；通过改变结构内部性质从而达到提高强度与硬度等其他方面性能指标的目的；同时还可以根据需要增加材料在各个领域中的使用寿命及应用范围、减少能源消耗和降低成本等特点对多孔结构进行多功能计算。超轻多孔材料的多功能计算主要是指利用多种技术手段，如物理吸附、化学合成等方法，来实现对纳米结构和功能单元之间进行三维空间上的高精度尺寸优化。机械法：通过改变金属纳米颗粒间作用力及与表面活性剂相互作用从而产生不同性质介电常数或几何形状。这种方法可用于制备新型超轻多孔材料（如石墨烯基体）；也可以用物理吸附、化学合成等技术。

4 超轻多孔金属材料的应用研究

4.1 超轻多孔金属材料的多样功能

超轻多孔材料的制备与催化反应是其发展过程中最重要也最为关键性和最具代表性的环节。而在这其中，化学合成就是指以氯气、氢气等为原料，采用水溶液或酸碱溶液作为催化剂来生成活性较高且具有独特性能结构（如：氢键、羟基/位错核或者离子-羧基）纳米颗粒。这些物质都有一种特殊的物理性质孔隙率比普通材料更高；同时由于其优异的催化性和选择性超轻多孔材料在各个领域都有着重要应用，如：航天、军事侦察等。随着社会不断进步与发展人们对超重和多孔金属耐腐蚀性有了更高的要求。近年来新能源汽车已经成为世界各国关注的话题并且受到广泛重视但是目前我国还没有这方面技术方面方面能达到国际领先水平因此如何实现高性能抗腐剂研究是摆在世界前沿人士共同努力解决的难题。超轻多孔金属材料吸收光谱的原理是由于不同尺寸、截面大小和形状结构，使得材料内部各成分之间存在着相互渗透作用，从而形成了具有一定强度与含量的吸收组分。对于一般金属来说其原子组成主要有：单分子层电子云母及层间距为0.75nm。当被测元素在这些区域中进行吸附时它们会发生晶格振动而产生共振现象。

4.2 超轻多孔金属材料在锂离子电池中的应用

目前，锂离子电池主要分为“嵌入式”和“叠加耦合型”。而这两种不同的应用领域，其最大特点是都有一种或多种材料存在。在这种场合下我们可以利用超轻这一特性来进行设计、加工制造出很多种类多样且性能优良的多孔金属材料产品；同时它也能通过对这些新型技术工艺加以改进得到更多.功能化与模块化结构可循环使用或者说可大规模生产出来。作为一种绿色、高效且安全可靠地新能源材料，超轻金属材料已经成为目前研究开发和应用领域中一个重要方向。而在实际生产生活中我们发现：由于超轻电极板具有良好导电性以及较高比表面积等优点所以常被用于锂离子电池充电电路及充放电装置上；另外因为近年来对锂离子电池的制备成本越来越低、重量更加轻型化。目前，锂离子电池的发展前景广阔，其中超轻材料是最具有研究意义和开发价值并且有应用潜力的一种新型高能电源。它在能量密度高、功率比较大等方面有着极其广泛应用于不同领域。作为储能系统中重要部分之一：用作储能单元；它在充放电过程中会产生大量与电流有关电荷，从而对电池起到缓冲作用。

4.3 多功能超轻多孔材料的优化

超轻多孔材料的制备方法有很多种，主要分为物理法和化学合成法两种。其中力学性能较好的是电聚合、热还原以及熔融共混等物理方式。而传统使用单一金属或非金属合金制成多功能材料是相对而言较为麻烦而且工艺要求高且成本也比较高昂，所以现在还没有一种有效的新型高效低成本复合材质来取代目前所采用的上述制备方法；另外它对环境有污染并且其结构组成和性质都存在缺陷。利用高压电场产生激雷脉冲来提高金属的击穿电压。由于金属离子容易与空气中氧反应生成氧化物结合而破坏了原有结构使其性能降低或丧失效率；同时还会导致电极腐蚀以及产生环境污染问题，所以一般采用真空吸附、超声化学气相沉积法等方法制备多孔材料。超轻材料的性能主要取决于其结构尺寸和表面质量。而其中最重要的是孔径，孔隙率，比表面积等因素对多孔金属材料多功能应用有直接影响。超细磨粒与聚合物颗粒相比具有良好的磨耗性、高硬度以及耐腐蚀能力强；可加工成各种形状、不同大小规格且均匀分布于体系中；同时在多分散相和微纳米复合系统方面也有着独特优越性能。超轻材料的多功能化是指通过采用新工艺、新技术和新型方法，在保证产品质量无缺陷，性能稳定不变的前提下提高其工作效率。多孔结构就是一种将不同性质物质按照一定比例配成若干个尺寸可分别由单个或多个小规格单元组成而形成具有三维空间组织结构。这种大尺度单元组成为了超轻材料中最重要的功能之一，可以改变分子链排列方式来实现多功能材料功能。超轻材料结构是由多孔性的多个单元组成，这些多孔金属层具有不同的性质，比如：介电性能、耐腐蚀和高比强度等。影响超重单晶生长和缺陷分布。在制备过程中如果不考虑这些因素会使得其尺寸变大并且产生大量缺陷或者造成巨大浪费资源；而纳米级、亚微米级材料则可以改善这种特性来满足人们对它应用领域不断开发的需求，所以超轻多孔金属结构具有非常广阔的前景发展空间。

5 总结与展望

超轻金属材料的多功能化是目前研究领域内新发展方向，其主要表现在：一方面，在材料结构上，由于以往使用的传统技术存在着局限性、安全性无法得到有效保证以及生产成本昂贵等问题；另一方面则是对环境可持续利用方面做出了很大程度优化。而其中最重要的是将新型环保能源与多孔结构结合起来从而使其具有一定多功能特性。超轻材料在我们生活中已经有了广泛的应用，它是由许多不同尺寸和形状各异的特殊结构所组成（如石墨、陶瓷等）。随着科学技术发展与社会进步，人们对金属材料多功能化要求越来越高。近年来由于传统工业技术落后而造成大量生产资源浪费严重以及环境污染问题成为制约我国经济快速稳定可持续健康发展进程之一；同时因为目前超轻机械加工工艺水平不高导致在实际应用中存在许多缺点：例如：加工效率低和能耗大且质量难以保证等。