多孔材料性能与设计

　　多孔材料的主要特点是利用内部的孔隙结构达到预期性能，这是多孔材料设计的根本所在。物理性能、化学性能与力学性能的综合优化，可使该类材料在能源工程、生物工程、航空航天、环境保护、交通运输等诸多领域，都能够拥有其他材料难以或不可替代的应用优势。本书介绍多孔材料设计所需制备工艺、产品结构和性能应用方面的知识，特别是作者近些年来在多孔材料制备工艺、产品结构和性能研究方面开展的一些实践工作。通过对若干多孔材料的实例描述，呈现其结构状态和对应性能指标，可为该类材料的选材设计、孔隙结构设计、制备工艺优化设计以及最终的使用性能设计提供一定的参考。 本书可作为多孔材料领域科研人员和工程技术人员在围绕多孔产品性能设计而开展的有关多孔结构设计和工艺方法设计过程中的素材，也可供广大材料工作者以及高等院校材料类及相关专业（如物理、化学化工、生物、医学、机械、冶金、建筑、环保等）师生参考。

　　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，第二、三、四届多孔材料分会主席。

第1章绪论
1.1引言001
1.2多孔材料结构001
1.3泡沫金属003
1.3.1粉末烧结型003
1.3.2纤维烧结型004
1.3.3熔体铸造型004
1.3.4金属沉积型004
1.3.5复合型004
1.4泡沫陶瓷005
1.4.1泡沫陶瓷分类005
1.4.2泡沫陶瓷特点006
1.5泡沫塑料006
1.5.1泡沫塑料分类007
1.5.2泡沫塑料特点007
1.6结束语008

第2章孔隙结构与其工艺
2.1引言009
2.2泡沫金属制备工艺009
2.2.1粉末冶金法009
2.2.2金属沉积法010
2.2.3熔体发泡法011
2.2.4熔体吹气发泡法011
2.2.5熔模铸造法012
2.2.6渗流铸造法012
2.2.7纤维烧结法013
2.2.8粉体熔化发泡法013
2.2.9泡沫金属制备实践举例014
2.3泡沫陶瓷制备工艺016
2.3.1颗粒堆积烧结法016
2.3.2添加造孔剂法017
2.3.3有机泡沫浸浆法018
2.3.4发泡法018
2.3.5其他制备工艺019
2.4泡沫塑料制备工艺021
2.4.1泡沫塑料发泡021
2.4.2泡沫塑料成型024
2.4.3阻燃型泡沫塑料026
2.4.4生物降解泡沫塑料027
2.4.5增强泡沫塑料027
2.5结束语027

第3章材料性能与其用途
3.1引言029
3.2泡沫金属性能应用029
3.2.1力学性能应用030
3.2.2导电性能应用036
3.2.3能量吸收性能应用038
3.2.4电磁屏蔽性能应用039
3.2.5孔隙表面应用039
3.2.6高熔点泡沫金属040
3.3泡沫陶瓷性能应用043
3.3.1孔隙尺寸因素应用044
3.3.2孔隙表面因素应用048
3.3.3生物相容性应用050
3.3.4热性能应用051
3.3.5能量吸收性能应用052
3.3.6性能应用总体评述052
3.4泡沫塑料性能应用053
3.4.1能量吸收性能应用053
3.4.2热性能应用056
3.4.3力学性能应用058
3.4.4不同品种的用途059
3.4.5性能应用总体评述059
3.5结束语059

第4章孔隙因素基本参量
4.1引言061
4.2孔隙率061
4.2.1基本数学关系062
4.2.2常用检测方法062
4.3孔径及其分布065
4.3.1显微分析法065
4.3.2气泡法066
4.3.3气体渗透法072
4.3.4气体吸附法075
4.4孔隙形貌077
4.4.1显微观测法078
4.4.2X射线断层扫描法078
4.5孔隙因素综合检测083
4.5.1压汞法的基本原理084
4.5.2孔径及其分布的测定084
4.5.3表观密度和孔隙率的测定086
4.5.4测试误差分析和处理087
4.5.5测定方法适用范围089
4.5.6几种测定方法的比较090
4.6结束语091

第5章多孔材料吸声性能
5.1引言092
5.2多孔材料吸声原理及应用093
5.2.1多孔材料吸声机理093
5.2.2多孔材料吸声应用095
5.2.3影响吸声性能的因素099
5.3吸声性能表征和测试101
5.3.1吸声性能的表征102
5.3.2吸声系数的检测103
5.4多孔材料吸声系数的计算模型109
5.4.1实验材料和检测结果109
5.4.2吸声系数理论模型110
5.4.3模型计算和相关分析111
5.5泡沫金属吸声性能数学拟合115
5.5.1吸声系数与声波频率的关系115
5.5.2最大吸声系数与孔隙因素的关系119
5.5.3本节工作总结121
5.6泡沫镍复层结构的中频吸声性能122
5.6.1实验材料和检测方法122
5.6.2实验结果与分析讨论123
5.6.3本节工作总结128
5.7泡沫镍复层结构的低频吸声性能129
5.7.1实验材料和检测方法129
5.7.2实验结果与分析讨论130
5.7.3本节工作总结136
5.8结束语137

第6章多孔材料热导性能
6.1引言139
6.2多孔材料的热性能应用139
6.2.1热量交换139
6.2.2热管140
6.2.3其他具体应用141
6.3热性能的表征和检测方法142
6.3.1热导率和热扩散率的表征142
6.3.2热导率的测量方法143
6.4多孔材料热导率的测试146
6.4.1稳态平板测量法146
6.4.2有效热导率和接触热阻148
6.4.3热导率测试实例150
6.5影响热导率的因素151
6.5.1影响热导率的其他因素151
6.5.2值得研究的相关工作152
6.6结束语152

第7章不同结构的泡沫钛
7.1引言153
7.2胞状泡沫钛合金153
7.2.1胞状泡沫钛的制备154
7.2.2胞状泡沫钛的压缩行为155
7.2.3胞状泡沫钛的吸声性能158
7.2.4本节工作总结160
7.3网状泡沫钛合金160
7.3.1网状泡沫钛的制备161
7.3.2网状泡沫钛的压缩行为163
7.3.3网状泡沫钛的导热性能164
7.3.4网状泡沫钛的吸声性能166
7.3.5本节工作总结167
7.4泡沫钛电磁屏蔽性能168
7.4.1电磁屏蔽原理简介168
7.4.2电磁屏蔽实验方法169
7.4.3胞孔泡沫钛的电磁屏蔽效能170
7.4.4网孔泡沫钛的电磁屏蔽效能171
7.4.5总体性讨论172
7.4.6本节工作总结173
7.5结束语173

第8章非铝钛质泡沫金属
8.1引言175
8.2泡沫不锈钢175
8.2.1网状泡沫不锈钢及其吸声性能176
8.2.2泡沫不锈钢与泡沫聚合物的中低频吸声效果比较181
8.2.3泡沫不锈钢加穿孔板叠层结构的低频吸声效果185
8.2.4高孔隙率胞状泡沫不锈钢及其压缩行为189
8.3泡沫铁及夹层结构190
8.3.1泡沫铁的制备及工艺分析191
8.3.2泡沫铁夹层制品及其结合强度193
8.3.3本节工作总结195
8.4微孔泡沫钼196
8.4.1泡沫钼的制备方法196
8.4.2泡沫钼的检测与分析196
8.4.3本节工作总结199
8.5结束语199

第9章泡沫陶瓷性能研究
9.1引言201
9.2泡沫陶瓷吸声性能202
9.2.1泡沫陶瓷块体的制备202
9.2.2本多孔制品的吸声性能202
9.2.3常见吸声材料性能比较204
9.3泡沫陶瓷表面负载活性层207
9.3.1多孔泡沫瓷球的制备208
9.3.2表面负载活性氧化铝211
9.3.3负载体系的As吸附性能212
9.4泡沫陶瓷表面脱硅活化214
9.4.1脱硅方法及分析214
9.4.2脱硅机制分析216
9.4.3脱硅体系的As吸附性能217
9.5泡沫陶瓷表面生长活性层218
9.5.1负载普鲁士蓝的研究意义218
9.5.2类网状多孔陶瓷的制备219
9.5.3表面负载普鲁士蓝类似物220
9.5.4普鲁士蓝类似物的形成机制222
9.5.5负载体系的吸附性能226
9.6结束语228

第10章二氧化钛光活性膜研究
10.1引言230
10.2多孔结构的TiO2薄膜231
10.2.1多孔TiO2膜层的制备231
10.2.2膜层孔隙结构的形成机制分析233
10.2.3TiO2膜层的光催化实验237
10.2.4Fe掺杂改性TiO2光催化膜238
10.3泡沫钛生长TiO2纳米线242
10.3.1泡沫钛基体的制备243
10.3.2TiO2纳米线的生长244
10.3.3复合结构用于甲基橙溶液的电解245
10.3.4复合结构用于太阳能电池247
10.4泡沫钛生长TiO2纳米管251
10.4.1泡沫钛基体的制备252
10.4.2TiO2纳米管的制备252
10.4.3TiO2纳米管生长机理257
10.5多孔材料负载TiO2薄膜257
10.5.1泡沫金属负载TiO2薄膜258
10.5.2泡沫陶瓷负载TiO2薄膜261
10.6结束语265

附录本书作者实验室研制的部分多孔产品示例

参考文献271