無機新材料的內容

應用化學01班喬夢茹 41004010120 摘要：多孔材料可分爲金屬和非金屬兩大類,也可細分爲多孔陶瓷材料、高分子多孔材料和多孔金屬材料3 種不同的類型。多孔金屬材料又稱爲泡沫金屬,作爲結構材料,它具有密度小、孔隙率高、比表面積大等特點;作爲功能材料,它具有多孔、減振、阻尼、吸音、隔音、散熱、吸收衝擊能、電磁屏蔽等多種性能。而且,多孔金屬材料往往兼有結構材料和功能材料的雙重作用,是一類性能優異的多用途材料。

關鍵詞：多孔材料 微孔材料 製備 應用

近年來 ,多孔金屬材料已經在冶金、石油、化工、紡織、醫藥、釀造等國民經濟部門以及國防軍事等部門得到了廣泛的應用。在材料科學研究中,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構而具備優良的性能,因此,人們發展出了各種人造多孔材料。作爲材料科學研究中較年輕的一員,多孔材料迅速成爲近年來國際科學界關注的熱點之一。

　　1、多孔材料的分類

多孔材料的重要特徵是孔的種類和屬性，具體包括孔道與窗口的大小尺寸和形狀、孔道維數、孔道走向、孔壁組成等性質，可以按照不同標準來劃分多孔材料的類型。國際純粹和應用化學協會（IUPAC）以孔徑尺寸爲標準將多孔材料定義爲三類：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）成爲多孔材料研究的又一熱點領域，是新一代材料的代表。

　　1、微孔材料：

微孔材料按照其結構和組成的特點可以分爲沸石分子篩，類分子篩空曠骨架材料以及金屬-有機骨架化合物（MOF）。

a)沸石分子篩

天然沸石是一類天然硅鋁酸鹽礦物，並且在灼燒時會產生氣泡膨脹的類似沸騰的現象，因此將其定義爲沸石。二十世紀四十年代，以Barrer R.M.爲首的沸

石化學家成功模仿天然沸石的生成環境，在水熱條件下加熱鹼和硅酸鹽的水溶液，合成出來首批低硅鋁比的沸石分子篩。此後，大批科研工作者採用高溫水熱合成技術對新型沸石分子篩進行了大規模，系統地挖掘。隨着工業化的日漸成熟和不斷髮展，沸石分子篩的應用領域越來越廣，尤其在石油加工和石化工業中地位顯著。雖然許多種天然沸石被勘探出來，但是爲了滿足工業上大規模的需求，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現，類分子篩空曠骨架化合物出現，極大豐富了微孔晶體材料的組成化學和結構化學。空曠骨架微孔材料化合物的結構類型迅速增加起來，骨架元素種類豐富，已經涉及到元素週期表上大部分主族元素和過渡金屬元素。到目前爲止，已有幾百種類分子篩空曠骨架類型被報道，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展很快，從最初的水熱合成法，發展到溶劑熱合成法、離子液熱法、微波法等等。但是，由於這類化合物的孔道通常被模板劑分子所佔據，模板劑除去又極易引起骨架結構破壞，不能成爲自由孔道，所以從嚴格意義上講它們不屬於微孔化合物，想要達到實際應用還有一段距離。

c)金屬-有機骨架化合物（MOF）

近幾年來，微孔材料的範疇被擴展到配位聚合物，稱爲是金屬-有機骨架化合物，它們通常指有機配體與金屬離子經自組裝形成具有周期性網絡結構的金屬-有機骨架晶體材料。金屬-有機骨架化合物作爲一種新型功能性晶體材料不僅具有豐富的空間拓撲結構，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用前景。這類材料結構通常非常空曠，這使它們在氣體存儲方面獲得巨大優勢，但一般情況下結構的空穴被大量有機溶劑分子所佔據支撐，相對於分子篩材料非常不穩定。

　　2、介孔材料：

1992年，美國Mobil公司報道了首例有序介孔二氧化硅M41s系列材料的合成，開啓了介孔材料研究的大門，被認爲是分子篩發展史上又一新的里程碑。隨後，通過調節表面活性劑的`濃度，他們又得到了不同結構的有序介孔二氧化硅材料，除了二維p6mm六方結構的MCM-41，還有Ia3d立方結構的MCM-48和層狀介孔材料MCM-50，構成MCM系列介孔分子篩。介孔分子篩的誘人之處在於它具有許多優良特性：高比表面、高孔容；基於納米尺度上高度有序的孔道、孔徑單一分佈，並且孔徑尺寸可以在很寬範圍內調節；具有不同的孔道形狀、結構、孔壁組成；在催化、吸附、生物等方面有廣泛應用前景。

　　3、大孔材料：

在發現了微孔和介孔材料之後，基於對多層次結構的更高追求，人們開始探索更大孔的材料的合成。當孔徑增大到一定尺寸時，會出現許多獨特的性質，比如當孔徑達到光波長範圍內，有序的大孔材料會出現意想不到的光學性質；在孔徑可以調控的情況下，可以作爲催化劑載體或藥物載體，尤其是多級結構（介孔-大孔、微孔-大孔）有利於物質的擴散和傳輸。受仿生材料爲模板的合成技術的啓示，研究者們採用單分散膠體顆粒（如聚乙烯小球、SiO2微球、碳微球）作爲超大模板，通過納米級鑄造合成法，合成出不同尺寸分佈的均一有序的大孔材料。可見，大孔材料在實踐工業生產中有很好的應用前景。

　　2、多孔材料的製備：

從20 世紀中葉開始,世界各國競相投入到多孔金屬材料的研究與開發之中,並相繼提出了各種不同的製備工藝。多孔金屬材料作爲多孔材料的重要組成部分,在材料學領域具有不可取代的地位。根據製備過程中金屬所處的狀態可以將這些製備方法劃分爲以下幾種: (1) 液相法, (2) 固相法, (3) 金屬沉積法。 液相法

a ) 直接發泡法

(1) 直接吹氣法發泡法

對於製備泡沫金屬,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,然後使用特製的旋轉噴頭向熔體中吹入氣體(如空氣、氬氣、氮氣) 。該方法主要應用於泡沫鋁的生產中。用這種工藝來生產泡沫鋁,首先應在熔融鋁液中加入一種高熔點材料的細小顆粒,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,從而保證氣體能穩定地滯留在鋁液中,並在凝固過程中不會導致泡沫塌陷。

(2)金屬氫化物分解發泡法

這種方法是在熔融的金屬液中加入發泡劑(金屬氫化物粉末) ,氫化物被加熱後分解出H2 ,並且發生體積膨脹,使得液體金屬發泡,冷卻後得到泡沫金屬材料。在製備過程中,爲了防止不均勻現象的發生,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於鑄模之內,在其周圍澆鑄金屬,然後把填料去除掉,得到泡沫金屬材料。高壓滲流法是將填料和調節性載體(均可燃) 按一定的比例混合均勻,把這種混合物在模子內壓實,烘乾後得到一定尺寸的預製塊,將預製塊放入高壓滲流模內,加入熔融金屬液,在一定的高壓下,金屬液體快速滲入預製塊的孔隙之中,冷卻後將可燃性預製塊在一定溫度下燃燒去除,就得到了三維網絡狀的金屬泡沫金屬。

C)濺射法

濺射法可以製備多孔金屬(合金) 材料。該方法的原理是在反應器內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,惰性氣體的原子也一併沉積,升高溫度,金屬熔化時惰性氣體發生膨脹形成一個個的空穴,冷卻後即爲泡沫金屬 。