多孔材料基础与应用

在一些重要的领域或行业，比如航空航天、交通运输、能源等，不但希望有能够承受一定载荷的轻质结构，同时希望这种轻质结构可以有缓冲、降噪等功能。泡沫金属等多孔材料可以满足这样的综合要求。因此，近些年来随着相关行业发展的需要，多孔材料的开发研究得到了持续推进。在这种形势下，涉及其研究的科研院所、高等院校以及生产企业也在不断增加，相关领域的从业人数则有较大幅度的上升。所以，对于多孔材料方面的书籍也不断提出新的需求。本书作者在该领域耕耘多年，收集了不少文献资料，也积累了一定的工作经验；根据自身的需求体会，先后写作、编译和出版了一系列多孔材料方面的著作，方便了研究工作的开展。这次根据新形势的需要，又编写了这本《多孔材料基础与应用》。
在本书编写过程中，作者以前期发表的相关论文和出版的若干著作为基础，汲取相关内容进行修订、整理和编纂，力图对多孔材料基础知识和多孔材料的主要应用进行更为系统和完整的介绍。全书共分9章，主要内容如下：第1章首先提出多孔固体的概念并对其进行一个简单的概述，使读者对该类结构体有一个基本的了解；第2章介绍一些天然多孔结构，包括木材、网状骨质和软木等，以加强读者对多孔固体结构的认识；第3章概述了多孔材料的主要制备工艺方法，包括泡沫金属的制备、泡沫陶瓷的制备和泡沫塑料的制备等；第4章介绍多孔材料的几个基本参量表征，主要涉及孔率、孔径及其分布、孔隙形貌等孔隙因素以及比表面积指标；第5章则介绍多孔材料的基本物理性能表征，包括其电阻率、吸声系数和热导率等参量的表征和检测；第6章～第8章分别介绍泡沫金属、泡沫陶瓷和泡沫塑料三大类多孔材料的主要应用，涵盖结构方面的用途和功能方面的用途，但主要还是功能用途和功能结构一体化用途，如使用多孔材料作为一种重要的消声降噪方式等；第9章对该类材料的吸声性能进行了一个比较简单的专题介绍，以突出其在该方面的应用。
在本书的编写和形成过程中，李信、申奇、宋帅和陈靖鹤等对全书的资料整理、图表处理和文稿内容核查校订等付出了大量的辛勤劳动。本书的出版还要感谢一直以来大力支持和热情鼓励本人的多孔界同仁，以及相关领域广大读者对本人作品长期以来持有的兴趣和给予的肯定。这些都是弥足珍贵的。
由于作者本身学术水平和时间、精力有限，书中难免存在不妥之处，还望读者批评、指正。

作者
Liu996@263.net
2023年3月

刘培生，北京师范大学核科学与技术学院教授，博士生导师。曾任射线束技术与材料改性教育部重点实验室学术委员会委员、北师大材料物理教研室主任，原任核物理研究所(现核科学与技术学院前身)副所长。

刘教授多年从事多孔材料和材料表面改性等方面的研究，独立发表SCI论文近60篇，EI收录40余篇；出版学术著作多部；独立发明获国家发明专利授权8项。参加包括国家重大攻关项目、国家科技支撑计划项目在内的合作研究多项，主持承担完成国家自然基金、北京市自然基金等科研项目6项。中国能源学会常务理事，中国材料研讨会首届多孔材料分会发起人，曾长期担任多孔材料分会主席。

多孔材料是一种综合性能优异的功能结构一体化材料，用途涉及航空、航天、能源、交通、电子、通信、冶金、机械、化工、生物、医学、环保、建筑等诸多领域。全书内容分为多孔材料基础部分和多孔材料应用部分两个主题。其中，第1章至第5章为多孔材料基础部分，主要介绍多孔材料的有关概念、基本结构和常用制备方法等基础知识，以及其基本参量和性能的表征和检测方法；第6章至第8章为多孔材料应用部分，主要介绍泡沫金属、泡沫陶瓷和泡沫塑料三大类多孔材料的具体应用；第9章则对多孔材料重要应用之一的吸声性能进行了专题介绍。
本书内容系统、全面，突出科学性和前瞻性，兼顾实用性。本书可作为多孔材料的入门读物或导读资料，既可作为高等院校材料类和相关专业（如物理、化工、生物、医学、机械、冶金、建筑、环保等专业）师生的教学参考书，也可供有关多孔材料的科研人员、工程技术人员以及广大材料工作者参考。

第1章多孔固体的概念01
1.1引言001
1.2何谓多孔固体001
1.3多孔固体的形式001
1.3.1天然多孔固体002
1.3.2人造多孔材料003
1.4人造多孔产品004
1.4.1泡沫金属004
1.4.2泡沫陶瓷005
1.4.3泡沫塑料007
1.5多孔固体结构008
1.5.1孔隙结构008
1.5.2孔隙形状009
1.5.3相对密度012
1.6结语014

第2章天然多孔固体015
2.1引言0152.2木材015
2.2.1木材结构015
2.2.2木材性能017
2.2.3木材用途019
2.3网状骨质021
2.3.1网状骨质结构022
2.3.2网状骨质力学性能022
2.4软木024
2.4.1软木结构024
2.4.2软木力学性能025
2.4.3软木用途026
2.5结语027

第3章多孔材料制备方法029
3.1引言029
3.2泡沫金属制备029
3.2.1粉末冶金法029
3.2.2金属沉积法031
3.2.3熔体发泡法032
3.2.4熔体吹气发泡法033
3.2.5熔模铸造法033
3.2.6渗流铸造法034
3.2.7粉体熔化发泡法034
3.2.8有机泡沫浸浆法（泡沫塑料挂浆法）035
3.2.9泡沫金属夹层结构038
3.2.10泡沫金属制备实践举例038
3.3泡沫陶瓷制备042
3.3.1颗粒堆积烧结法043
3.3.2添加造孔剂法043
3.3.3有机泡沫浸浆法045
3.3.4发泡法046
3.3.5中空球烧结法047
3.3.6其他制备工艺049
3.4泡沫塑料制备051
3.4.1泡沫塑料发泡051
3.4.2泡沫塑料成型054
3.4.3阻燃型泡沫塑料056
3.4.4生物降解泡沫塑料057
3.4.5增强型泡沫塑料057
3.5结语057

第4章多孔材料基本参量表征059
4.1引言059
4.2孔率的表征和检测059
4.2.1基本数学关系060
4.2.2显微分析法060
4.2.3质量体积直接计算法061
4.2.4浸泡介质法061
4.2.5真空浸渍法063
4.2.6漂浮法064
4.3孔径及其分布的表征和检测065
4.3.1显微分析法065
4.3.2气泡法066
4.3.3透过法073
4.3.4气体渗透法073
4.3.5液液法076
4.3.6气体吸附法078
4.4孔隙形貌的表征和检测081
4.4.1显微观测法081
4.4.2X射线断层扫描法082
4.4.3直流电位法检测孔隙缺陷089
4.4.4其他方法091
4.5比表面积（比表面）的表征和检测091
4.5.1气体吸附法091
4.5.2流体透过法096
4.6孔隙因素的综合检测：压汞法097
4.6.1压汞法的基本原理097
4.6.2孔径及其分布的测定098
4.6.3比表面积的测定099
4.6.4表观密度和孔率的测定100
4.6.5压汞法的实验装置101
4.6.6测试误差分析和处理101
4.6.7方法的适用范围103
4.6.8几种测定方法的比较104
4.7结语105

第5章多孔材料基本物理性能检测106
5.1引言106
5.2电阻率的表征和检测106
5.2.1四电极法107
5.2.2双电桥法107
5.2.3电位差计法109
5.2.4涡流法110
5.3吸声系数的表征和检测112
5.3.1吸声性能的表征112
5.3.2吸声系数的检测113
5.3.3分析和讨论119
5.4热导率的表征和检测120
5.4.1热导率和热扩散率的表征121
5.4.2热导率的测量方法121
5.4.3多孔材料热导率的测试124
5.4.4性能评析129
5.5结语130

第6章泡沫金属的应用131
6.1引言131
6.2功能用途131
6.2.1过滤与分离132
6.2.2流体分布与控制134
6.2.3热交换136
6.2.4多孔电极142
6.2.5催化反应145
6.2.6吸能减振147
6.2.7消声降噪149
6.2.8其他应用150
6.2.9难熔金属制品举例153
6.3结构用途156
6.3.1汽车工业157
6.3.2非车类运载业159
6.3.3建筑业160
6.3.4机械部件161
6.3.5夹层结构162
6.4生物医学用途163
6.4.1材料的适用性163
6.4.2力学要求165
6.4.3泡沫钛166
6.4.4泡沫钽168
6.4.5泡沫不锈钢168
6.4.6梯度结构与复合体169
6.4.7成骨机制170
6.5商业应用172
6.5.1泡沫铝172
6.5.2开孔泡沫产品173
6.6结语173

第7章泡沫陶瓷的应用174
7.1引言174
7.2过滤与分离174
7.2.1熔融金属过滤175
7.2.2热气体过滤178
7.2.3微过滤179
7.2.4流体分离179
7.2.5分离过滤参量181
7.3功能材料181
7.3.1生物材料181
7.3.2环境材料184
7.3.3隔热和热交换185
7.3.4吸声和阻尼186
7.3.5传感器件190
7.4化学工程192
7.4.1催化剂载体192
7.4.2多孔电极和多孔膜材料192
7.4.3离子交换和干燥剂195
7.4.4布气195
7.4.5燃烧和阻火196
7.5多孔陶瓷应用总体评述196
7.6结语198

第8章泡沫塑料的应用199
8.1引言199
8.2隔热保温与包装199
8.2.1隔热性能的影响因素199
8.2.2隔热保温与建筑节能200
8.2.3包装材料201
8.3吸声材料202
8.3.1制品特点202
8.3.2吸声原理203
8.3.3聚氨酯泡沫塑料204
8.4分离富集204
8.4.1工作原理204
8.4.2改性应用205
8.4.3有机毒性物质富集205
8.5其他用途206
8.5.1灰尘捕集206
8.5.2结构材料206
8.5.3防火抑爆207
8.5.4漂浮性207
8.5.5其他208
8.6不同品种泡沫塑料的用途208
8.6.1热固性泡沫塑料208
8.6.2热塑性通用泡沫塑料209
8.6.3热塑性工程泡沫塑料210
8.6.4耐高温泡沫塑料211
8.6.5功能泡沫塑料211
8.6.6其他泡沫塑料212
8.7新型功能泡沫塑料212
8.7.1微孔泡沫塑料212
8.7.2磁性泡沫塑料213
8.7.3多孔自润滑塑料213
8.8泡沫塑料应用总体评述213
8.9结语214

第9章多孔材料吸声性能215
9.1引言215
9.2吸声原理及其应用216
9.2.1多孔材料吸声机理216
9.2.2多孔材料吸声应用218
9.2.3吸声性能的影响因素222
9.3多孔材料吸声系数的计算模型224
9.3.1实验材料和检测结果224
9.3.2吸声系数理论模型226
9.3.3模型计算和相关分析227
9.4泡沫金属吸声性能数学拟合230
9.4.1吸声系数与声波频率的关系231
9.4.2最大吸声系数与孔隙因素的关系234
9.4.3分析总结236
9.5复合型多孔结构吸声性能研究举例237
9.5.1泡沫镍复层结构的中频吸声性能237
9.5.2泡沫镍复层结构的低频吸声性能243
9.6结语252

参考文献254