金属丝网多孔材料研究进展

马 军，王建忠，吴 琛，李广忠，杨保军，敖庆波

西北有色金属研究院金属多孔材料国家重点实验室,西安 710016

金属丝网多孔材料是以金属丝或金属丝编织网为原料，通过编织、配网、轧制和高温处理制成的一种多孔材料。作为一种有序金属多孔材料，金属丝网多孔材料具有价格低廉、制备方便、比表面积大、强度高、孔隙度和孔径可控、可修饰性强等优点，在工业领域具有广阔的应用前景[1]。早期，由于具有可控的多孔结构以及可复合叠加制备的三维孔道优势，金属丝网多孔材料多用于过滤分离领域[2]；此后，随着科学技术的发展，金属丝网多孔材料逐步扩展到催化、换热及防护等领域。金属丝网是由专用编织机编成，由经线和纬线构成的基本单层结构。根据经线和纬线相互交织的方式和规律，金属丝网可以形成不同风格的网面，如平纹、斜纹等[1]。将多张单层金属丝网复合后，再经高温烧结可制备成复合金属丝网，烧结复合金属丝网最初用来制备微孔滤材，通常具有丝径由粗到细的多层结构，分别起到保护层、过滤层、支撑层的作用[2]。金属丝网多孔材料在传统过滤领域和许多前沿科学领域都具有重要应用前景，而且已经在部分领域实现实际应用，但是目前还缺乏金属丝网多孔材料在不同领域应用研究的报道，有必要对金属丝网多孔材料的应用领域进行梳理，总结其相应的服役性能，为相关领域研究者提供参考。本文介绍了金属丝网多孔材料在过滤分离、催化、换热、防护等领域的应用进展，并对其研究方向和发展趋势进行了展望。

1 金属丝网多孔材料的应用

1.1 过滤分离

烧结金属丝网多孔材料用做过滤材料具有显著优势[2]。首先，通过“低强度高精度+高强度低精度”金属丝网的有机组合，实现了强度、透气度和过滤精度的协同效应；其次，孔隙分布均匀，孔隙尺寸和过滤精度稳定可靠；再次，既具有其他多孔材料不具备的较高强度，又具有良好的耐高温和抗腐蚀性能；最后，再生能力强，特别适用于过滤系统连续化生产和自动化控制。基于这些优势，烧结金属丝网多孔材料自其诞生之日就在过滤分离领域得到广泛的应用。

1.1.1 传统过滤分离领域

图1 所示为西安菲尔特金属过滤材料有限公司制备的典型多层烧结金属丝网外观形貌，过滤精度在5～100 μm，其透气性随过滤精度的提高而降低。西北有色金属研究院开发的镍合金丝网烧结过滤元件成功用于核工业液体、气体净化过程，并制定了行业标准，其性能需满足《EJ/T 20248-2020 核用镍及镍合金丝网烧结过滤元件规范》的要求[3]，如表1 所示。

图1 典型多层烧结金属丝网外观形貌：（a）截面；（b）表面Fig.1 Appearance of the typical multilayer sintered metal wire mesh: (a) the cross section;(b) the surface

安泰科技股份有限公司开展310S 烧结金属丝网高温煤气除尘的试验研究，试验温度580～620 ℃，净化后煤气的含尘量达到10 mg·Nm-3以下（Nm3为标准立方米，normal cubic meter），过滤效率达到99.9%[4]。西北有色金属研究院为多晶硅生产过程中的含尘气体过滤提供了金属丝网滤芯过滤器，其拦截效果良好，粉尘拦截率达到99.8%，达到工业气体排放要求，使用寿命可以达到3 年以上，其过滤参数如表2 所示。

表2 金属丝网过滤器的气固过滤性能Table 2 Gas/solid filtration performance of the wire metal mesh filtration

西北有色金属研究院李广忠等[5]以超细粉末浆料技术为基础，在气固过滤精度约20 μm 的不锈钢丝网管外表面制备了厚度在20～300 μm 的不锈钢粉末膜层，该丝网复合膜管的气固过滤精度可达1 μm 以下，透气系数≥75 m3·h-1·kPa-1·m-2。这种丝网复合膜管在同等过滤精度条件下的透气系数远高于传统金属粉末复合膜管，并且其最大尺寸远大于粉末复合膜管，已经应用在西门子高纯晶硅生产的冷氢化、尾气还原等工艺环节，为相关企业及行业带来了极大的环保和经济效益。

煤泥水处理是影响选煤厂生产和实现洗水闭路循环的决定性环节。王晓强[6]考察了15μm 和45 μm两种孔径的金属丝网对煤泥水的过滤效果，结果如表3 所示。可以看出，两种孔径的金属丝网均对煤泥水料液中的悬浮物有很好的拦截作用，滤出液中悬浮物含量均达到选煤厂循环水的标准，即0.5 g·L-1以下。

表3 丝网孔径对滤出液的影响[6]Table 3 Effect of mesh pore size on the cleaned water[6]

此外，金属丝网过滤器已成功应用于保护固定床催化反应器以及改善加氢裂化反应等炼化过程和催化裂化过程。该过滤器孔结构稳定，滤孔分布均匀，可以形成较均匀的滤饼，分离效果良好，催化剂脱除率可达到97%以上[7]。

1.1.2 新型过滤分离领域

除了应用于传统过滤领域外，还可通过对丝网进行表面修饰，使金属丝网多孔材料对油、水具备不同的浸润性，从而应用于油水分离等新型过滤领域。张宏杰[8]通过层层枝接法在不锈钢丝网表面涂覆硅烷偶联剂，随后再在其表面接枝一层硅烷化有机物，形成超疏水层，显微形貌如图2 所示。改性后的金属丝网对水的接触角为159º，对油的接触角为0°，油可以顺利透过丝网，而水被拦截，实现了油水分离。

图2 表面改性前后不锈钢丝网表面（（a）～（c））及截面（d）显微形貌（框内小图是未修饰金属丝网表面形貌）[8]Fig.2 Scanning electron microscope (SEM) images of the stainless steel wire mesh in the surface ((a)～(c)) and cross-sectional (d)view before and after surface modification (the insets illustrate the original mesh before surface modification)[8]

本课题组采用溶胶-凝胶法在钛丝网表面构建了TiO2纳米线（厚度约0.6 μm），形成了超亲水/水下超疏油分离膜，如图3 所示。构建TiO2纳米线后，水下油接触角（二氯甲烷为例）从114°提升至(156±0.5)°，油滴滚动角约8°～10°，油水分离效率（以环己烷为例）大于99%。此外，TiO2修饰的钛丝网对强酸、强碱、高盐、高温环境具有较好耐受性，在上述环境下水下油接触角均未发生显著变化。

图3 金属丝网表面的水下油接触角（a）和滚动角（b）Fig.3 Under-water oil contact angle (a) and oil sliding angle (b) of the mesh

1.2 催化

金属丝网的高比表面积、良好的可修饰性和高导电性使其非常适于用作催化剂载体，通过在其表面沉积不同形貌的催化剂，可以制成催化效率高、再生能力强的催化材料，目前已成为催化领域的研究热点。

1.2.1 光催化领域

光催化领域存在光催化剂再循环过程分离困难问题，具有高比表面积和高导电性的金属丝网多孔材料可以解决此难题。Chang 等[9-10]采用电沉积法在不锈钢丝网表面制备花状Bi2WO6和BiOBr 纳米催化剂结构，再在纳米结构表面沉积纳米Ag 颗粒。结果表明，在催化反应过程中产生的光致电荷从Bi2WO6-Ag 纳米催化剂表面顺利进入与纳米结构紧密接触的不锈钢丝网，从而与催化剂分离，促进了催化剂再循环。不锈钢丝网基体上的三维纳米结构增大了催化剂与染料分子的接触面积，Ag 纳米颗粒可将光吸收谱从紫外线扩展到可见光，显著改善了光吸收-催化性能。

Hsu 和Chang[11]利用金属丝网多孔材料制备具有良好浸润性和导电性的多级孔结构催化剂。将孔径为400 μm 的不锈钢丝网浸入硝酸锌和硝酸银的水合物溶液中，经95 ℃干燥后生长出掺杂Ag 的ZnO 纳米棒，形成丝网-纳米棒多级孔结构，显微形貌如图4 所示。该结构具有良好的亲水性，接触角接近于0°，而且对Food Black 2 dye 染料溶液具有良好的降解能力，图5（a）为染料降解脱色至化学需氧量（COD）为0 所需要的时间。该多级孔结构催化剂降解机制如图5（b）所示，在可见光辐照下，催化剂会俘获能量等于或高于催化剂能隙的电子，从而产生电子-空穴对；光致电子与O2反应产生超氧阴离子自由基（O2-），而光致空穴与水分子反应产生羟基（OH-），这些自由基可以分解诸如FB2 染料之类的有机大分子。如果电子-空穴对不能顺利被分离，催化效率将会降低，而高导电性金属丝网促进了电子的分离输运。Li 等[12]采用水热法和光致还原方法在Ti 丝网表面制备N 掺杂的TiO2薄膜（厚度增加到40 nm），并沉积纳米Ag 颗粒，其对双酚-A（BPA）的光催化降解效率达到每小时90.5%，这主要归结于其较高的光能利用率和物质传输率。

图4 不锈钢丝网显微形貌（a）及其表面掺杂Ag-ZnO 纳米棒光催化结构（b）[11]Fig.4 SEM image of the stainless steel wire mesh (a) and the catalyzing structure of ZnO nano-rads doped with Ag (b)[11]

图5 Ag 掺杂ZnO 纳米棒修饰不锈钢丝网对染料溶液的催化效果（a）和催化机理（b）[11]；（C/C0 为降解前后化学需氧量（COD）的比值，（a）中图标M 后数字代表丝网目数，T6P、T6PS1、T6PS2、T6PS3 代表硝酸银溶液浓度为0、0.01、0.015 和0.02 mol·L-1）Fig.5 Catalytic effect (a) and catalytic mechanism (b) of the Ag-doped and ZnO nano-rods modified stainless steel wire mesh[11]

1.2.2 污染物检测

经过表面修饰的金属丝网催化结构也可用于有机污染物探测。5-硝基愈创木酚是一种污染自然水源的有害物质，为了快速检测其浓度，Hao 等[13]在Ti 丝网表面电沉积一层树枝状Ag 涂层，如图6所示，将Ti-树枝状Ag 丝网作为阴极，检测其对水溶液的电化学响应。研究表明，当5-硝基愈创木酚存在时，Ti-树枝状Ag 丝网阴极出现了明显的阴极电流峰，从而实现了污染物的快速检测。这是因为Ti 丝网上的树枝状Ag 对5-硝基愈创木酚起到了催化还原作用，同时具有高长径比和纳米尖端的树枝Ag 相较于纳米颗粒Ag 可以更有效地将电子传导到电极表面，显著提高了电化学响应效率。

图6 Ti 丝网原始表面（a）及电沉积Ag 后表面形貌（（b）～（d））[13]Fig.6 SEM images of the original (a) and Ag-deposited ((b)～(d)) Ti mesh[13]

1.2.3 汽车尾气净化领域

金属丝网多孔材料也被广泛用于汽车尾气净化过程中的过滤器兼催化剂载体。相较于陶瓷过滤器，金属过滤器具有更好的塑性和热稳定性。由于过滤器中的油烟堵塞会引起压降上升，降低内燃机效率，因此过滤器需要具备再生能力。含钾催化剂具有高活性，可以低温氧化油烟。Su 等[14]使用聚乙烯醇醛树脂（PVB）并通过溶胶凝胶法在316 不锈钢丝网表面制备较厚的含钾玻璃催化剂层。研究表明，相较无催化层的丝网样品，含催化层丝网对烟气颗粒的氧化温度下降了约200 ℃。Banús 等[15]将多层304 不锈钢丝网作为柴油机尾气净化器的催化剂载体，表面附着预合成的Co、Ba、K/CeO2催化剂（图7（a）），含催化剂丝网在接近400 ℃时对1 mg/cm2浓度油烟颗粒的催化效率达到100%（图7（b）），同时对油烟的降解效果优于其他类型的内燃机油烟过滤器。

图7 金属丝网油烟过滤器外观（a）及油烟降解率和反应温度关系（b）[15]Fig.7 Appearance of the wire-mesh structured substrate (a) and the relationship between soot conversion and temperature (b)[15]

Sanz 等[16]用浸渍-烧结法在多层304 不锈钢丝网基体表面获得了Pt/Mn 基八面体分子筛多功能催化剂，测试了其对甲苯和甲醇气体的催化氧化效果。结果表明，由于比表面积更大，丝网基体相较于蜂窝基体可以承载更多的催化剂，因此丝网基体催化剂的催化效率高于蜂窝基体催化剂。

1.2.4 石化领域

金属丝网作为催化剂载体也被用于石化领域，通过甲烷催化不完全氧化反应制备一氧化碳和氢气混合气体。Rogozhnikov 等[17]在FeCrAl 丝网表面涂覆高结合力θ-Al2O3涂层，然后将丝网浸入含有金属元素铑（Rh）的氯盐溶液中，最后经850 ℃烧结制备Rh/θ-Al2O3/FeCrAl 丝网复合催化材料，如图8（a）所示。在高温反应过程中，FeCrAl 基体可以将反应热迅速散发出去，因此除了在反应初始阶段以外，复合催化材料温度都保持在800～850 ℃之间，且经20 h 运行以及4 次开关循环后，丝网表面的Rh/θ-Al2O3纳米结构保持完整，颗粒未长大，如图8（b）所示，显示出了良好的热稳定性。

图8 Rh/θ-Al2O3/FeCrAl 丝网复合催化材料外观（a）和高温运行后丝网表面催化剂微观结构（b）[17]Fig.8 Appearance of the Rh/θ-Al2O3/FeCrAl composite catalyst (a) and SEM image of the Rh/θ-Al2O3/FeCrAl composite catalyst after high-temperature reaction (b)[17]

石化运行过程中产生的酚类污染物对生物健康产生极大危害，催化湿空气氧化工艺可以有效降低这类污染物的降解温度和压力，缩短反应时间，达到对其完全降解的效果。Brussino 等[18]将CuO/TiO2-ZrO2催化剂通过浸渍、干燥、高温氧化烧结工艺固定于304 不锈钢丝网表面，形成丝网基体催化剂，与颗粒状CuO/TiO2-ZrO2催化剂对比发现，两者在降解酚类污染物能力上没有区别，但是经过900 ℃烧结处理的丝网基体CuO/TiO2-ZrO2催化剂中Cu损失率仅为1.2%，远低于颗粒状催化剂的68%。

1.3 高效换热

为了提高换热器的换热效率，经常采用金属丝网与换热表面相结合的方式制备换热器。Fu 等[19]用热喷涂法在铝丝网和铝管的接触部位涂覆了铝涂层，以此将二者紧密连接在一起，形成具有良好热导率的丝网-U 型管液/气换热器，用于回收天然气炉的废热，如图9（a）所示。丝网和U 型管（管中通冷却水）垂直于热空气流入方向，与之发生充分热交换，实现换热目的。测量流经换热器的热空气前后温度，结果图9（b）所示。由图可知，丝网-U 型管换热器能使热空气温度降低更多，可高效回收热空气的废热，其中采用20 PPI（pores per inch）丝网制成的“丝网-U 型管”换热器比光管换热器的换热系数提高25.9%。

Kurian 等[20]为了促进液/气换热器气体端的热交换，在铜管外表面铺设了多层不锈钢丝网，如图10 所示。将丝网叠成和铜管高度一样的厚度，然后在丝网中切出和铜管外径一样大小的圆孔，将铜管塞入孔中，便制成了具有丝网多孔换热表面的液/气换热器。将换热器垂直放置于风道中，其换热性能远高于光表面和泡沫金属表面换热器。丝网表面换热器优良的换热性能主要来源于其高效气流分散效应，由于多层丝网孔道曲折复杂，且具有合适的孔径，气体在丝网内部产生乱流，并与丝网发生较长时间接触，实现了充分的热交换。这种气流分散效应仅与孔隙度有关，而与材料热导率关系不大。因此金属丝网表面换热器是一种高性价比的换热材料。

图10 具有丝网多孔换热表面的液/气换热器外观[20]Fig.10 Appearance of the wire mesh heat exchanger[20]

金属丝网多孔材料的高比表面积和低流阻特性使其成为一种良好的强化沸腾传热基材。Kim 等[21]采用王水溶液对单层304 不锈钢丝网表面进行电化学腐蚀，制备了具有高亲水性（湿表面条件下水接触角为23°）的微纳多孔表面，显微结构如图11所示。池沸腾强化换热性能的研究表明，与光面SiO2基体相比，当工质为水时，微纳多孔表面结构的临界热流密度（critical heat flux density，CHF）提高了84%。丝网表面由于过热已形成干点时，液相会在毛细力作用下吸入丝网结点处，并沿着具有微纳孔结构亲水表面的金属丝向干点中心扩展，从而抑制干点的扩大，降低了干点温度，延迟了表面整体蒸汽膜的出现，并且使得加热壁面热量分布更加均匀，从而显著提高了临界热流密度。

图11 304 不锈钢丝网表面多孔结构[21]Fig.11 Porous structure on the 304 stainless steel wire mesh surface[21]

Pastuszko[22]将铜丝网覆盖在铜翅片上端制成复合多孔表面，如图12（a）所示，其池沸腾强化传热系数相较于光表面提高了6.5 倍。在沸腾过程中，液相从丝网孔中吸入翅片通道中，形核点出现在翅片通道中，然后气泡上升到丝网表面长大、脱离，如图12（b）所示。综上所述，金属丝网多孔材料由于其高比表面积和良好的可加工性，使其在气相和液相换热领域显示出明显优势，而且经过对其表面进行修饰并和其他多孔表面（如翅片）组合可以显著提升沸腾传热性能，可作为一类价格低廉且适用性广的换热材料推广应用。

图12 铜丝网-铜翅片沸腾换热器表面相貌（a）和换热机理（b）[22]（a—孔径，Pp—节距，∆t0-1—等待期，∆t1-2—生长期，∆t2-3—摄入期，db—逸出气泡的直径）Fig.12 Surface appearance of the copper wire mesh-copper fin boiling heat exchanger (a) and heat transfer mechanism (b)[22]

1.4 防护

金属丝网特有的多孔网格可以有效地吸收爆炸能量或抑制火焰传播，在爆燃和冲击防护领域具有广阔应用前景。面密度为4.3 kg·m-2的不锈钢编织网可以将爆炸冲击波峰值压力降低6.6%[23]，虽然降低幅度并不高，但是丝网的重量远小于致密材料，部署方便。Dai 等[24]研究了30～80 目双层不锈钢丝网对面粉爆炸火焰的阻燃效果，其阻燃机理是：当火焰穿透丝网时，一部分热被吸收，同时火焰扩展过程也被墙效应所阻挡，由于丝网表面积大，火焰通过丝网时其反应热辐射与结构表面作用，大部分辐射被丝网吸收，因此火焰燃烧强度降低，扩展被抑制。Cui 等[25]研究表明，随着丝网目数的提高，通过第二层丝网的火焰减弱，且目数为80 时，火焰熄灭；第一层放置低目数丝网，第二层放置高目数丝网，更有利于抑制火焰传播，熄灭火焰。如图13 所示，当火焰遇到第一层丝网时，其扩展速度较快，丝网打断了燃烧的链式反应，减弱了火焰，同时丝网吸收燃烧热，降低火焰扩展速度；当残留火焰到达第二层丝网时，高目数丝网吸收了更多的火焰，抑制效应更明显。当火焰通过第一层后被分割为小块并继续前进，如果丝网间距增加，小块火焰就不断聚合直到遇到第二层丝网，因此促进了燃烧强度。如果丝网间距减小，被分割的小块火焰难以快速聚合，随即被第二层丝网阻挡。甲烷爆炸的抑制效果表明，与单层丝网相比，双层丝网的防护效果更好，显著降低了爆炸压力峰值和压力波动；同时，双层丝网也破坏了甲烷爆炸的链式反应，可有效保证工业管线在爆炸事故中的安全性。提高第二层丝网的目数或增加丝网层数均可提高防护效果。

图13 双层丝网火焰抑制机理[24]：（a）丝网间隔5 cm；（b）丝网间隔1 cmFig.13 Flame suppression mechanism of the double wire mesh[24]: (a) separation distance 5 cm;(b) separation distance 1 cm

上述研究充分证实了金属丝网对爆燃冲击防护的效果，对其进一步优化有望同时提高其火焰熄灭和冲击波防护性能，在需要考虑爆炸冲击防护的场合，将重量轻且部署方便的金属丝网作为第一道防护措施可以有效降低爆燃火焰和冲击波强度，为后续防护措施提供支持。

2 金属丝网材料的应用改进方向

除了传统过滤领域外，金属丝网已在多种不同领域得到应用，主要通过对丝网进行修饰改性或与其他材料复合，使其具有更高和更新颖的性能。目前这些改性金属丝网材料还未实现深入的商业化应用。为此可以借鉴在过滤分离领域的应用经验，利用金属丝网廉价、尺寸外形可灵活控制的优势，制备大规格的过滤、催化、换热、爆燃防护材料，推进其大规模工程应用。西北有色金属研究院已实现长度＞1800 mm、直径≥30 mm 的粉末-丝网复合膜管的大规模生产，为国内众多多晶硅生产厂家供货10000 多支，产生直接经济效益3000 多万元。近年来对金属丝网的修饰改性主要局限于不锈钢、铜合金等丝网材料，可进一步研究钛合金、镍基超合金、高熵合金材质的丝网修饰改性，拓展其在生物、高温、核工业等领域的应用。目前，对金属丝网的表面修饰研究集中于单一性能的优化，如催化、油水分离、耐腐蚀等，而实际应用场合中可能同时存在多种需求，比如核工业废液的过滤既要滤材具有油水分离性能又具有耐腐蚀性能等，为此需要开发面向多目标优化的金属丝网表面修饰技术，以拓展其应用领域。

3 结论与展望

金属丝网多孔材料由于其独特的孔隙结构，在过滤分离、催化、高效换热、冲击防护等领域具有巨大的应用前景。在过滤分离领域，金属丝网除了发挥高稳定性、高通量、高精度的优势外，还可通过“修饰”金属丝表面以改善其油/水浸润特性，将其用于油水分离行业；在金属丝网表面制备一层亚微米级甚至纳米级孔径的金属膜，可应用于核工业、水处理等高精度过滤分离行业。在催化领域，将金属丝网的材质与催化剂匹配并细化丝径，通过调整孔壁形貌可进一步优化催化性能。在换热领域，将金属丝网与泡沫金属或烧结金属粉末多孔材料以及翅片材料等结合，可以发挥各自孔结构和高比表面积等优势，促进金属丝网多孔材料的沸腾强化传热性能。在冲击防护领域，通过调整金属丝网的孔隙结构，与复网组合，可进一步优化其抑爆抗冲击性能。作为一种传统的低成本多孔金属功能材料，金属丝网多孔材料并未随着技术进步而落后，反而由于其广泛的适用性在不同的工业领域得到越来越多的关注和应用。