粉末冶金中孔隙的功能特征

粉末冶金多孔材料Powder Metallurgy Porous Materials供稿|贾成厂1，金成海2/ JIA Cheng-chang 1，JIN Cheng-hai 2作者单位：1. 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083；2. 钢铁研究总院，北京 100088概 述多孔材料，顾名思义就是有很多孔的材料，是由材料实体与孔隙构成的相互贯通或封闭的网络结构。

如果孔隙之间是相互相通的，则称为开孔；如果孔隙与孔隙之间是完全隔开的，则称为闭孔；也有些孔隙则是半开半闭的。

粉末冶金多孔材料，又称多孔烧结材料，由金属或合金粉末 (球状或不规则形状)，或短纤维，经成形、烧结制成。

材料内部孔道纵横交错、互相贯通，一般有 30%~60% 的孔隙度，孔径 1~100 μm 。

常用的金属或合金粉末冶金多孔材料，也称多孔烧结材料，由金属或合金粉末经成形、烧结工艺而制成。

常用的金属或合金有青铜、不锈钢、铁、镍、钛、钨、钼以及难熔金属化合物等。

粉末冶金多孔材料具有孔径和孔隙度均可控制、导热、导电、可焊接和加工、高的比强度、冲击韧性、能量吸收性能、化学活性、阻波性能、独特的光学性能、良好的透过性、选择性的渗透与吸附性、止振性能等一系列优异的性能。

在气体和液体过滤、高温燃气的净化过滤、熔融金属的过滤、固体催化、缓冲器及吸震器、电极材料、屏蔽材料、流体分布装置、热交换器、加热器、散热器、结构材料、生物材料等领域得到广泛应用。

内容导读有青铜、不锈钢、铁、镍、钛、钨、钼以及难熔金属化合物等。

做成的制品有坩埚状、碟状、管状、板状、薄膜等。

粉末冶金多孔材料导热、导电性能好，透过性能好，耐高温与低温，抗热震，抗介质腐蚀。

可用于制造过滤器、多孔电极、灭火装置、防冻装置等。

图 1 是多孔铝，图 2 是多孔镍。

多孔材料的优异性能力学性能由于粉末冶金多孔材料中存在大量的孔隙，所以其密度显著减小。

例如多孔钢的密度与致密材料相比能够减轻 34.2%。

教学的重点：强化、韧化方法
• 分类 – 通过相变（热处理）获得：析出硬化、沉淀强化或时效强化 – 通过粉末烧结或内氧化获得：弥散强化
• 强化效果 – 相粒子的强度、体积分数、间距、粒子的形状和分布等都对强化效果 有影响 – 第二相粒子强化比固溶强化的效果更为显著
弥散强化与颗粒强化－强化机理
位错绕过机制（Orowan，奥罗万机制） 不易形变的粒子，包括弥散强化的
• 多孔材料具有较大的比表面和优良的透过性能，以及易压缩变形、吸 收能量好和质量轻等特性。
孔隙度对性能的料性能的影响
• 孔隙度显著影响粉末冶金材料的机械性能 物理性能 化学性能 工艺性能。
• 粉末冶金过程中，可对孔隙度、孔径及分布进行有效控制，并且可以在相 当宽的范围内调整。
弥散强化
• 粒子增强复合材料 增强性复合材料：增强粒子的数量大于20% 弥散强化复合材料：含量较少时。
基体等，都会引起临界切应力增加 • 长程交互作用（作用距离大于10b）
– 由于粒子与基体的点阵不同（至少是点阵常数不同），导致共格界面 失配，从而造成应力场
弥散强化
影响弥散强化材料强度的因素:
• 弥散相和基体的性质 – 弥散相的性质：弥散相粒子稳定，不长大 – 弥散相的粒度、含量、粒子间距（分布均性）、形状
• 相变韧化 • 材料在外力作用时，发生相的转变，吸收能量，从而提高材料的韧性。
相变韧化和弥散韧化
• 弥散韧化 • 当裂纹扩展过程中，裂纹遇到第二相粒子时会避开粒子而偏转，在弥散粒
子之间走“之”字，裂纹形状和长度改变，新裂纹表面的形成都会吸收能 量，从而提高材料的韧性。
小结
教学要求： 了解粉末材料的孔隙度特性及其对性能的料性能的影响 理解弥散强化、颗粒强化、纤维强化、相变韧化、弥散韧化

粉末冶金多孔材料Powder Metallurgy Porous Materials供稿|贾成厂1，金成海2/ JIA Cheng-chang 1，JIN Cheng-hai 2作者单位：1. 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083；2. 钢铁研究总院，北京 100088概 述多孔材料，顾名思义就是有很多孔的材料，是由材料实体与孔隙构成的相互贯通或封闭的网络结构。

如果孔隙之间是相互相通的，则称为开孔；如果孔隙与孔隙之间是完全隔开的，则称为闭孔；也有些孔隙则是半开半闭的。

粉末冶金多孔材料，又称多孔烧结材料，由金属或合金粉末 (球状或不规则形状)，或短纤维，经成形、烧结制成。

材料内部孔道纵横交错、互相贯通，一般有 30%~60% 的孔隙度，孔径 1~100 μm 。

常用的金属或合金粉末冶金多孔材料，也称多孔烧结材料，由金属或合金粉末经成形、烧结工艺而制成。

常用的金属或合金有青铜、不锈钢、铁、镍、钛、钨、钼以及难熔金属化合物等。

粉末冶金多孔材料具有孔径和孔隙度均可控制、导热、导电、可焊接和加工、高的比强度、冲击韧性、能量吸收性能、化学活性、阻波性能、独特的光学性能、良好的透过性、选择性的渗透与吸附性、止振性能等一系列优异的性能。

在气体和液体过滤、高温燃气的净化过滤、熔融金属的过滤、固体催化、缓冲器及吸震器、电极材料、屏蔽材料、流体分布装置、热交换器、加热器、散热器、结构材料、生物材料等领域得到广泛应用。

内容导读有青铜、不锈钢、铁、镍、钛、钨、钼以及难熔金属化合物等。

做成的制品有坩埚状、碟状、管状、板状、薄膜等。

粉末冶金多孔材料导热、导电性能好，透过性能好，耐高温与低温，抗热震，抗介质腐蚀。

可用于制造过滤器、多孔电极、灭火装置、防冻装置等。

图 1 是多孔铝，图 2 是多孔镍。

多孔材料的优异性能力学性能由于粉末冶金多孔材料中存在大量的孔隙，所以其密度显著减小。

例如多孔钢的密度与致密材料相比能够减轻 34.2%。

现：利用冷却介质和热流的逆向冷却；冷却剂发生 物态变化以吸收大量热量；喷射冷却改变附面层状 态，以隔绝壁表面与高热气流。
多孔体止火的原理，是根据火焰通过毛细孔时产 生热交换，使燃烧物的热量通过孔壁而散失，从 而阻止燃烧过程的进行，使火焰熄灭。换句话说， 火焰在管道中传播的速度和孔隙大小是有一定关 系的，当孔径减小到某一临界尺寸时，可燃气体 将不可能着火。孔径的这一极限值称为临界熄火 孔径。粉末多孔材料孔径小、透气性好、强度高， 最适于作高速火焰的止火器。粉末多孔电极具有 大的比表面和晶体缺陷，可以有效地降低氢的超 电压。
一、粉末材料孔隙度和孔径的测定
• 孔隙度和密度是粉末冶金材料的基本特性，孔 隙度和密度的测定是控制粉末冶金材料质量的 主要方法之一。
• 对于致密材料，可直接将试样放在水中称重， 其残留孔隙度也可以采用显微镜法进行定量估 算。
• 对于具有开孔隙的材料，用液体静力学法称量 时，为了不让液体介质进入孔隙，可浸渍熔融 石蜡、石蜡泵油、无水乙醇液体石蜡、油、二 甲苯和苯甲醇等物质，或者涂覆硅树脂汽油溶 液、透明胶溶液和凡士林等物质，使烧结体的 开孔隙饱和或堵塞。
粉末材料的孔隙度特性
粉末冶金多孔材料的基本特性：由于孔隙的 存在，多孔材料具有大的比表面和优良的透过性 能，以及易压缩变形、吸收能量好和质量轻等特 性。
在普通铸件中，气孔和缺陷是常见的缺 陷，也是熔铸法难以克服的问题；而用粉末冶金 法制取的材料，其孔隙度、孔径及分布可以有效 地控制，并且可在相当宽的范围内调整。
孔隙直径：
汞压入法测定多孔材料孔径分布的方法如下：将 试样置于膨胀计中，并放入充汞装置内，在真空 条件下下，向膨胀计充汞，浸没试样。压入多孔 体的汞量是以与试样部分相联结的膨胀计毛细管 内汞柱的高度变化来表示的。当对汞所施的附加 压强低于大气压强时，向充汞装置中导入大气， 从而使膨胀计中的汞，对于多孔镍来说，获得可 测大于1.22μm以上的孔径所需的压强。