图3.9　液体润湿毛细孔产生的附加压力

多孔材料是指内部结构含有很多孔隙，且其用途又与这些孔隙密切相关的材料。金属多孔材料是多孔材料的一个重要组成部分。此外，还有非金属的和有机物质的多孔材料。大体说来，金属多孔材料在强度、抗冲击能力，耐高温、耐低温、耐温度变化、导电性、导热性，耐腐蚀等方面优于其他材料。

多孔材料的孔隙既包括材料本身自然存在的孔隙，又包括工艺过程引入的孔隙。

金属多孔材料的孔是由粉末颗粒、纤维或其它基本结构物之间构成的孔隙，一般呈不规则形状，可以分为贯通孔和非贯通孔。描述孔隙状况的主要参数有孔隙度和孔径或孔径分布。气泡法是测量孔径用得最多的方法，其基本原理是利用毛细管现象，如图3.9所示。

常用的金属多孔材料质有青铜、镍、钛、不锈钢，也可以采用其他金属和合金。

按制造方法分，金属多孔材料主要有四类。

1.粉末冶金多孔材料

此类材料是以金属粉末为原料，经过成形、烧结等过程制成的多孔材料。它有工艺简单易行，适用范围广，孔隙状态容易控制，制品性能容易调节等优点。其产品一般尺寸较小，多数具有最终零件的形状，例如片状、管状、杯状、碟状、盒状等。但有些产品是尺寸较大的板材，这些板材可以剪切、弯曲、焊接，经过加工制成管子或其他形状的过滤元件。

图3.10　孔径与粒径的关系

粉末冶金多孔材料的孔径S所用粉末颗粒大小有密切关系。图3.10中（a）和（b）是球形颗粒分别以正三角形和正方形排列时的情形。

制造粉末冶金多孔材料的成形方法主要有模压法，松装烧结法，粉浆浇注法，冷等静压法和粉末轧制法。制造粉末冶金多孔材料的金属粉末可以用不规则形状的粉末，也可以用近似球形的粉末，不规则粉末容易成形，压坯或烧成产品的强度较高。球状粉末较难成形，压坯强度较差，但制成的多孔材料孔径容易控制，孔径大小较均匀，对流体的阻力小，透过性好。

粉末冶金多孔材料几乎可用于多孔材料的所有用途，用得较多的是各种油类、饮料、药品的过滤，各种可燃气体的检测器或警报器用的隔焰防爆透气材料，浓缩或分离气体的微孔分离膜等。

铀同位素分离膜是扩散法生产核燃料的关键元件，也是粉末冶金多孔材料高技术产品之一。根据作用原理，分离膜要求有数量极多，孔径极小（小达0.01微米数量级），大小均匀的孔隙，必须严格控制可能出现的偏大孔隙的数量，因为少量过大孔隙的存在便会大大降低分离效果。粉末冶金分离膜的技术难度表现在粒度均匀的超细金属粉末的制造，以及适应这些粉末的特殊成形、烧结和表面处理技术。

2.烧结金属纤维多孔材料

烧结金属纤维多孔材料是用金属纤维经过成形、烧结等工艺制成的多孔材料。它的特点是纤维间形成三维无序的交错结构，每根纤维都与其他纤维形成很多接触点，这些接触点经过烧结后形成金属性结合，因此结合强度高，纤维不易脱落。这种材料可制成不同的孔隙度，最高可达98%。

烧结金属纤维材料虽有较长的研究历史，但因过去没有良好的纤维制造技术，故长期没有在工业上推广应用。约在20世纪70年代末，国外开始出现用集束拉拔法生产的各种金属纤维。这种方法不仅可以生产直径很小的纤维（例如小至1μm），并且可以采用不同的金属和合金，其中包括不锈钢、镍、Inconel，Monel等性能优越的金属和合金。这种方法成本较低，适于大量生产，为大力发展烧结金属纤维多孔材料奠定了基础。

烧结不锈钢纤维过滤材料是当前工业上用得较多的产品。它有耐高温、耐低温、耐温度变化、耐腐蚀、强度高、孔径稳定，流体阻力小，容纳滤渣的能力大，使用周期长，易清洗再生等优点，并可进行剪切，弯折，粘接或焊接等加工，制成管状，波纹管状，或僵状过滤元件，这些元件有体积小，过滤面积大等优点，是目前工业用过滤元件的一种主要形式。

烧结不锈钢纤维过滤元件适用于在石油、化工、化纤、机械、食品等工业中高压下过滤高温、高粘度、腐蚀性的液体或气体，特别是油类和熔融聚合物的过滤。

3.烧结金属丝网多孔材料

烧结金属丝网多孔材料是用单层或多层金属丝网，通过轧制、烧结（真空或气氛）或热压等工艺方法制备出的整体多孔材料。

金属丝网是烧结金属丝网多孔材料的原材料，它本身就是一类具有优良性能可直接用作滤材的多孔材料。控制织网丝的拉丝精度和丝网的编织精度，可以得到孔径尺寸准确，孔隙分布均匀，流通阻力小，透过量大的高精度丝网。根据使功能和结构性能的不同要求，金属丝网可以编织成平纹方孔网（Plain Weave）、斜纹方孔网（Twill Weave）、平纹席型网（Plain Dutch Weave）、斜纹席型网（Dutch Twill Weave）等。金属丝网越精细，单位面积上的网孔数目越多网孔孔径越小。目前最精细的平纹席型丝网为1250#丝网，其径丝密度为317目/英寸、纬丝密度为2300目/英寸，等效孔径可小于5μm。

烧结金属丝网多孔材料在具备多孔材料功能的同时，具备结构材料的性能。这些特点和材料的可设计性，使它成为高技术产品如燃气轮机和火箭发动机等部件的优选材料。(www.daowen.com)

烧结金属丝网多孔材料已形成商品，如美国的RIGIMESH和日本的FUJIPLATE。我国所研制的烧结金属丝网多孔材料成功地应用在发射试验通信卫星的运载火箭的液氢—液氧发动机推力室，用作发散冷却喷注器面板。

这类材料还在气—固或液—固的分离、特殊条件下的过滤（高温、高压等）、气体样品采集、流态化床的气体分布、气流传输、高速离心收集、气体搅动、无接触物料导向等方面广泛应用于冶金、石油、能源、化工、轻纺、食品、医药等工业。

4.泡沫金属材料

泡沫金属是一种孔隙度很高的金属材料，孔隙度可高达98%。有些泡沫金属是骨架状结构，有些是呈薄膜组成的蜂窝状结构。多种金属及合金均可用于制作泡沫金属材料。

制造泡沫金属有很多方法，主要方法有；①熔融金属发泡法；在熔融金属中加入发泡剂，利用冷凝过程析出的气体产生气泡，这方法主要用于低熔点金属如铝、锡等。②金属粉浆发泡法；将金属粉末与发泡剂和定形剂一起调成粉浆，在加温状态下发泡并固结成泡沫物质，然后烧结制成泡沫金属。例如用氢氧化铝加正磷酸或用聚胺脂发泡制取多孔铝。③浸渗粉浆烧结法；把金属粉浆浸渗到泡沫塑料或有机物质制成的多孔坯块中，所得坯块经干燥后，再在保护气氛中加热除去非金属组分和进行烧结。此法可制镍、铁、镍铬合金等高孔隙度金属材料。④电铸法；这是70年代发展起来的新方法，可以制造很多其它方法难以制造的金属或合金的泡沫材料，例如Ni、Cu、Fe、Ag等纯金属以及Ni—Cr、Ni—Cu、Ni—Fe、Ni—Co等二元合金；Ni—Cr—Fe、Ni—Cr—Mo、Ni—Co—W等三元合金。制得的泡沫材料是连续性很好的骨架结构，有强度高、透过性好，导电性和导热性好等优点，可用作设备仪器上的隔焰防爆透气材料、隔音隔热材料、燃料电池或碱性电池的电极、电解电极、催化剂或催化剂载体。

5.用途和作用原理

无论何种用途，金属多孔材料所起的作用都是基于一些普遍的基本的作用原理。高技术的特殊要求往往表现在要求一些超出现有水平的性能参数。此外更多的是需要使用者对种种金属多孔材料的特点和作用有所了解，在设计使用上进行合理的选择和巧妙的安排，就有可能实现一些特殊的功能，达到预期的目的。因此这里简要介绍金属多孔材料各种用途的作用原理：

（1）自润滑轴承　利用多孔轴承材料的孔隙贮存润滑油或固体润滑剂。由于当轴转动时，摩擦发热及接触区局部产生的负压，使油溢流到接触面上形成一层油膜。或使磨下的固体润滑剂形成膜层而自动提供润滑。

（2）过滤材料　利用孔隙对粒子的截留作用，从气流或液流中滤出固体粒子。经憎水处理的多孔材料可从空气中滤出水的雾滴。

（3）气体浓缩　用于把混合气体分为浓度相对富集和稀释的两部分，包括分离不同同位素的气体，原理为：气体分子热运动的平均速度与分子量的平方根成反比例，当多孔膜的孔径小到可与分子的平均自由程相比拟时，气体便以分子流形式透过膜孔，分子量小的气体透过几率大，分子量大的气体透过的几率小。因此，先透过的那部分气体比还未透过的那部分气体富集更多较轻的分子。主要使用微孔金属膜。

（4）均匀透气材料　孔隙分布均匀的多孔板上各处都有大致相同的流体阻力，利用这点可以实现在一定面积上均匀的透气。应用场合如：产生均匀的气体浮力（如气浮轴承和气浮辊筒）；往粉料底部均匀地送入气体，实现流态化输送或沸腾层反应；使气体在水中分散成微小气泡，加速反应或溶解。

（5）透过性结构材料　用作兼有透过性的结构件，例如可透气的模具和可透水的支撑材料等。

（6）透水性隔气材料　吸满浸润性液体的多孔材料可在一定的气体压力范围内实现既阻隔气体又让该液体渗透通过的目的。

（7）隔焰防爆材料　火焰中高温气体或微粒透过多孔金属材料时，由于发生迅速的热交换，热量被吸收和散失，致使透过的气体或微粒温度降到外界易燃易爆物质的引燃点以下。

（8）热交换装置　在热交换器管壁上烧结附上一层多孔金属后，可以大大增加管道与换热介质的接触面积，从而大大提高热交换效率。

（9）自发汗冷却材料把固体冷却剂熔化渗入由耐热金属制成的多孔骨架中。这种材料在经受突然高温时内部冷却剂会发生熔化和气化，两者要吸收大量的热能，结果使材料在一定时间内保持在冷却剂气体温度的水平。逸出的液体和气体会在材料表面形成一层液膜或气膜，它们能把材料与外界高温环境隔离的作用。这过程进行到冷却剂耗尽为止。

（10）发散冷却材料发散冷却是一种先进的冷却技术，它是迫使气态或液态的冷却介质通过多孔材料，使之在材料表面建立起一层连续、稳定和隔热良好的气体附面层，将材料与热流隔开，得到卓越的冷却效果。发散冷却的传热过程由两部分组成：其一为热流和冷却介质在多孔材料内部进行热交换，若采用液态冷却介质，将产生液态转变为气态的相变吸热过程；其二为储有一定动有的气体通过多孔材料注入到热流和多孔材料之间的边界层，使边界层加厚，在冷却介质不断补充的情况下在多孔材料表面形成连续的附面层，起隔热作用。二者中附面层起了主要作用，它挡回的热量占总热量的60～70%。以液氢—液氧火箭发动机推力室喷注器面板为例，采用发散冷却后，它的一面为-150℃的氢气，另一面为3500℃的燃气，材料的热面温度仅为80～200℃之间。用于发散冷却的多孔材料，渗透量必须能够准确地控制在合理的范围内，透气均匀，孔道曲折小，介质流动通畅。并且要满足作为防热结构材料的基本要求，具有一定的强度、刚度和韧性，选用抗氧化性能好的材质，以防意外氧化堵孔。烧结金属丝网多孔材料是最优的选择。

（11）催化剂　把金属催化剂做成多孔体形式，利于装填并减少飞扬损失。也可把粉状催化剂填入多孔材料载体的孔隙中，使用时能减少损失并提高催化效果。

（12）流体压力缓冲材料　装在气体或液体管道中的多孔材料，当其一侧的流体压力发生强烈波动时，多孔材料可以通过吸收流体的部分动能和阻缓流体透过的作用，从而使多孔材料另一侧的压力波动大大减小，该效应可用来保护精密仪表。

（13）机械振动缓冲材料　垫在传递振动的接合部，利用多孔材料的变形减少机械冲击能，用以保护重要部位不受振动损坏。

（14）吸液导液材料　利用孔隙的毛细现象吸收液体，并可往一定距离或高度自动传送液体。

（15）消音材料　声音透过多孔材料时，声波在材料内发生散射、干涉，声能被材料吸收。

（16）电极材料　用作碱性蓄电池电极；利用金属多孔材料的孔隙，在其中浸渍贮存一定的化学活性物质后作为电极，使用时活性物质与电解质溶液发生电极反应提供电流，金属多孔材料作为不参加化学反应的支承体和导体。用作燃料电池电极；以多孔金属板作电池的两电极，实现气、液、固三相大面积接触，利于气、液两相发生电化学反应。反应产生的电流由金属多孔材料导走。金属多孔材料不参加电极反应。