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新型多孔材料——泡沫金属!
更新时间:2017.05.11 新闻来源:

 泡沫金属是指含有泡沫气孔的特种金属材料。通过其独特的结构特点,泡沫金属拥有密度小、隔热性能好、隔音性能好以及能够吸收电磁波等一系列良好优点,是随着人类科技逐步发展起来的一类新型材料常用于航空航天、石油化工等一系列工业开发上。

    无处不在的多孔介质

    多孔介质,由包含相通的、不规则的孔的固体骨架和流体组成的一类复合介质,它构成了地球生物圈的物质基础。
 
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    人类从很早就开始认识多孔介质内的物理过程。例如,土壤中水、肥、污染物的吸收、保持和迁移过程;动植物中的生命过程,如植物根、茎、叶中水分和养分的传递过程、动物机体内的新陈代谢;与生活密切相关的农副产品、食品、木材和纺织品的干燥;地下岩层中石油、天然气和地下水的开采;地热资源的开发及利用土壤岩层的蓄热蓄冷过程;建筑物的隔热保温;现代铸造技术、燃烧技术、冶炼技术、催化反应技术和纺织、造纸技术的发展等。

    那么,多孔介质的特性有哪些呢?

    研究人员主要关注结构特性、流动特性、传热特性与传质特性四个方面。
 
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    表征多孔介质结构特性的参数主要有四个:一是孔大小,可以小到几微米,乃至几纳米,例如热障涂层、催化剂涂层等。也可大到几米(例如一栋大楼),甚至更大;二是孔隙率,即多孔介质内空隙体积占总体积的比例,其值在0到1之间; 三是孔的形状,即孔的结构形态。不同种类多孔介质的孔形状差别较大;四是比表面积,即单位体积内固体骨架与流体接触面面积的大小,可以较小,亦可以很大,可达到上万。其值由多孔介质的结构特性决定。

    表征多孔介质流动特性的参数主要是压降或者渗透系数,即流体(液体、气体)流过多孔介质的流动阻力损失。

    多孔介质的传热特性,一般热传导、热对流及热辐射均会遇到,有时还涉及相变换热。

    多孔介质的传质特性,即物质在不同尺度多孔结构内的迁移特性。

    工业中常见的多孔介质

    工业中的多孔介质按尺寸可分为微纳尺度多孔介质与大孔尺度多孔介质,它们特性迥异,适用的研究理论也不同。

    大孔尺度多孔介质基本有四种:不同形状颗粒的、不同通道形状蜂窝的、不同编织方式丝网的与不同材料泡沫的。
 
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    上述四种大孔尺度多孔介质的孔大小在毫米量级,其孔形状、孔隙率、比表面积、流动特性及传热传质特性存在较大差别。
 
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    多种多孔结构特性的比较

    泡沫金属及其应用

    作为泡沫类的大孔尺寸多孔介质,泡沫金属是一种的新型金属材料,它具有优于其它三种多孔结构的特性,已被广泛地应用于航天、航空、运输、环保、能源、生物等各种高科技领域及一般工业领域。
 
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    泡沫铁铬铝
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    泡沫铝

    泡沫金属的结构可以看成由无数开孔单元胞以无规则方式构成的金属支架。每个单元胞(Cell)中间是空心的,外形近似球形,然后边界上开了十四个小孔,很像十四扇窗户(Window)。
 
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    泡沫金属单元胞

    金属支柱的截面形状,随泡沫金属孔隙率的不同而异:孔隙率小于0.9时,金属支柱截面为圆形;孔隙率大于0.95时,金属支柱截面变成凹三角形。
 
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    金属支柱横截面

    作为结构材料, 它具有质轻、高比强度和高比表面积等特点, 在航空、航天领域应用中表现出极大的优越性。例如, 泡沫铝已用于飞机机翼复合材料的芯片, 并成为加热器、热交换器和电池极板的优良材料。

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