(1)
n = 6 (1 -
2 ) (三维) f
(2)
n 与 f 取决于泡沫材料的制备方法 ,同时也依赖于其孔穴
的成形力 。根据 Aboav2Weaire 定律 :
m
=5+
6 n
(二维)
(3)
g
=
13
+
14 f
(三维)
(4)
式中 : m 为其相邻 n 个孔穴的平均棱数 , f 为一个孔穴的面数 ,
面积 ; V ( f ) 、V ( f ) 分别为具有 f 个面和平均面数 f 的多面体
孔穴的体积 。
棱边数多于平均值的孔穴一般都被棱边数少于平均值的
相邻孔穴所包围 。孔穴的形状受到材料须承受载荷的影响 ,力 的方向决定了孔穴的取向和孔穴格局 ,即力学效应是孔穴结构 形成的作用因素 。蜂窝多孔陶瓷和泡沫多孔陶瓷的性能主要
多孔陶瓷已经成为各经济发达国家新材料研究的重点 ,在 环境保护 、化学化工等领域已成为重要的研究方向[9 - 11] 。特别 是汽车尾气处理 、水净化等方面 ,多孔陶瓷的低流阻 、高透过性 可用于工业水处理 、废气处理装置 ,具有明显的技术 、经济 、环保 意义[12 - 14] 。另外 ,轻质多孔陶瓷具有声阻尼特性 ,可用作吸声 、 隔声材料 。这种材料与有机高分子泡沫材料相比 ,具有耐高温 、 不燃烧 、无毒性 、安全性和耐久性好等无法替代的优点[15] 。多 孔陶瓷的有效使用需要对其显微结构作详细了解和深入研究 , 通过研究多孔陶瓷的微观组织和结构 ,可为其提供充分的理论 依据 。
国外已报道了一种采用微机控制的数字图像系统 ,即通过对网 眼多孔陶瓷的图像进行傅立叶变换来定量表征网眼多孔陶瓷
结构[20 ] 。
2 多孔陶瓷的性能
2. 1 多孔陶瓷的力学性能
多孔陶瓷的性能取决于两组独立的参数 。第一组是描述 几何体结构的孔穴的大小和形状 、物质在孔棱和孔面之间的分 配方式以及其相对密度和孔率 ;第二组是描述孔壁构成材料的 内在性质的参数 。分析多孔陶瓷的显微结构 ,并与其力学行为 结合起来 ,有利于预测材料性能 ,也有利于发现其形变过程 。研 究方法之一就是建立单一孔穴模型 。Gibson 等将复杂的泡沫 多孔结构简化成如图 1 所示的结构形式 。通过简化的几何结 构 ,可推导出相关的力学表达式 ,如表 1 。
关键词 多孔陶瓷 显微结构 性能 应用 中图分类号 : TQ 165 文献标识码 :A
Micro st ruct ure and Properties of Po ro us Ceramics
C HU Yajie1 , WU Shenqing2
(1 Depart ment of Material Engineering , Nanjing Instit ute of Technology , Nanjing 211167 ;2 Depart ment of Material Science and Engineering , Sout h East U niversity , Nanjing 211189)
Abstract The t hesis summarizes t he micro st ruct ure and p roperties of poro us ceramics. All p roperties of po rous ceramics such as mechanical , t hermal , and elect rical p roperties rely on t he dist ribution met hods of solid on pore wall and edge. The micro2st ruct ure of porous ceramics influences t he p hysical and chemical p roperties of poro us ceramics and t hus f urt her impact s o n it s application. By st udying t he micro2st ruct ure of po rous ceramics , t he manufact uring technol2 ogy and st ruct ure parameter can be enhanced and optimized. Therefore , poro us ceramics can be applied more efficiently in many fields such as chemical enginneering , energy and enviro nmental p rotectio n.
研究表明[21 - 23] ,对于任何脆性固体 ,在拉伸时的断裂场都
是由主要的缺陷控制 。这种缺陷的扩展方式可由断裂机制的方
法进行计算 ,剔除显微缺陷如气孔 、裂纹和夹杂物等可使孔筋强
度明显提高 ,增加相对密度也可提高压缩 、拉伸时的弹性模量 ,
脆性断裂应力等 。
2. 2 多孔陶瓷的热性能
在所有传统的非真空隔热体中 ,闭孔陶瓷材料的热导率是
多孔陶瓷的显微结构与性能/ 初雅杰等
·47 ·
多孔陶瓷的显微结构与性能 3
初雅杰1 , 吴申庆2
(1 南京工程学院材料工程学院 ,南京 211167 ;2 东南大学材料科学与工程学院 ,南京 211189)
摘要 综述了多孔陶瓷的显微结构及其性能 。多孔陶瓷的力学性能 、热性能和电性能等均依赖于固体在孔壁 和孔棱的分布方式 ,其微观组织结构直接影响着多孔陶瓷的物理及化学性能 ,进而影响到它的应用场合 。通过研究 多孔陶瓷的显微结构 ,可以改善其制造工艺 、优化结构参数 ,使其更好地在化工 、能源 、环保等多个领域得到广泛应 用。
= 4βσT3 t exp ( -
ρ es ρs t)
(12)
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
最低的 。大多数泡沫多孔陶瓷材料的热膨胀系数与制备它们所
用的固体材料近似相等 ,但泡沫体的模量更小 ,温度梯度产生的
热应力也要小得多 ,这使其具有良好的抗热震性[24 - 26] 。这一点
为陶瓷泡沫材料所利用 ,可作为热屏蔽材料和烧蚀涂层 ,泡沫材
料的热导率 :
λ3 = λs3 +λg3 +λc3 +λr3
G3 Es
=
C2
ρ3 (ρs
)
2
G3
=
C2Φ2
ρ3 (ρs
)
2
+
C‘2 (1
-
Φ)
ρ3 ρs
σ3 σs
=
C4
ρ3 (ρs
)
3/
2
σ3 σs
=
C4 (Φρρ3s ) 3/ 2
+
C‘4 (1
-
Φ)
ρ3 ρs
注 : C1 、C2 和 C3 为常数
图 1 泡沫多孔陶瓷的理想孔模型
Fig. 1 Unit mode of ideal pore structure of pore ceramic
(10)
式中 :λs3 、λg3 分别为固体和气体的传导 ,λc3 为孔穴内的对流 ,
λr3 为孔壁和孔隙的辐射 。固体部分对热传导的影响与其相对
密度有关 ,如式 (11) :
λs3
=
λsolid
ρ (ρs )
e
(11)
式中 :λsolid为固体材料的热导率 , e 为效率因子 。
λr3
我们能对其结构进行量化分析 ,推演联系相对密度与孔壁
3 南京工程学院资助项目 ( KXJ 07031) 初雅杰 :男 ,1979 年生 ,博士研究生 ,主要从事材料加工 、制备和性能研究 Tel :025286118278 E2mail :chuyajie @njit . edu. cn
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
Key words poro us ceramics , micro st ruct ure , p roperties , application
0 前言
近年来多孔陶瓷的研制受到国内外的高度重视 。多孔陶 瓷是一种含有较多孔隙的无机功能材料 ,是根据材料中孔隙的 大小 、形状 、数量以及分布等参数 ,结合材料本身的性质 ,以达到 所需热 、电 、磁 、光等物理及化学性能的功能材料[1 - 3] 。多孔陶 瓷具有高比表面积 、低热导率 、能量吸收性好 、渗透性优等诸多 优异特性[4 - 6] ,在过滤 、分离 、分散 、渗透 、隔热 、换热 、吸声 、载 体 、反应 、传感及生物等众多领域有着广泛的应用[7 ,8] 。
1 多孔陶瓷的结构
多孔陶瓷的结构就是表征其尺寸 、形状和拓扑结构的特
性 ,即其孔壁 、孔隙空间的联系及其分属的几何类型[16] 。多孔 陶瓷是一种由孔穴棱边和壁面所构成的相互联结的网络体 。大 致分为两种结构 :蜂窝多孔陶瓷和泡沫多孔陶瓷 。泡沫多孔陶 瓷分为开孔陶瓷材料和闭孔陶瓷材料 。如果其组成仅仅是孔穴 的棱边 ,则称该陶瓷材料为开孔陶瓷材料 ;如果其组成是壁面 , 以至于每个孔穴都与其相邻的孔穴相互封闭隔离 ,则称该陶瓷 材料为闭孔陶瓷材料 。但实际情况 ,许多泡沫多孔陶瓷材料都 含有一部分开孔和一部分闭孔 。
g 为其相邻孔穴的平均面数 。
Lewis 发现孔穴的表面积随其棱边数而呈线性变化 :
A ( n) A ( n)
=
nn-
n0 n0
(二维)
(5)