走近前沿新材料II：多孔材料——能够浮在水面上的金属
王 建
西北有色金属研究院金属多孔材料国家重点实验室
金属材料大家都并不陌生，但假如说金属材料可以浮在水上，甚至能够站立在蒲公英上，想必大家都不太相信。二十世纪八十年代末，德国电视台的“Knoff-Hoff Show”节目中展示了可漂浮的铝合金，颠覆了人们长期以来对金属材料密度大于水的感性认知[1]。2011年，科学杂志上报道了世界上最轻的金属材料[2]，这种材料为镍基合金，其密度仅为水的1/100，轻到甚至可以悬放在蒲公英上。在美国波音公司所公布的影片中，可看到科学家能轻松地吹起这种材料，就像羽毛般轻盈地飘浮在空中接着落地。
大部分金属材料的密度都大于1g/cm3，降低其密度的奥秘就在于将其制成内部含有大量孔隙的多孔材料。那么，是否含有孔隙的材料就能称为多孔材料呢？回答是否定的。比如在材料使用过程中经常遇到的孔洞、裂纹等以缺陷形式存在的孔隙，它们的出现会降低材料的使用性能，这是设计者所不希望的，因而这些材料就不能叫做多孔材料。所谓多孔材料，须具备如下两个因素：一是材料中包含大量的孔隙；二是所含孔隙被用来满足某种或某些设计要求以达到所期待的使用性能指标[3]。
大自然广泛存在着形态各异的多孔材料。天上飞的鸟的翅膀和喙，生活在深海的维纳斯花篮，宁折不弯的毛竹，甚至连我们自身的骨骼等均由多孔材料组成。这些带孔的材料不仅能够承受一定的载荷，起到支撑躯体的作用，而且相互连通的孔隙还可以起到输送营养、减轻重量、保温透气等作用。
受大自然的启发，人们逐渐认识到多孔化会给原来的材料赋予崭新的优异性能，开发了粉末烧结、熔体发泡、模板沉积、3D打印等制备技术，研制出了金属、陶瓷、高分子、碳材料、玻璃等各种材质的多孔材料。孔隙的存在，使多孔材料呈现出一系列与致密材料不同的优良特性，在现代工业多个领域中已经获得广泛的应用。让我们来看看什么地方用到了多孔材料呢。
多孔含油轴承。轴承是许多机器上不可缺少的零件，机器上大大小小的轴承比比皆是。飞奔的火车和各种车辆上有笨重的轴承，手表和电子产品中需要小巧轻质的轴承。
苹果iPhone智能手机是许多年轻朋友的最爱。每部iPhone手机里都有两个震动马达，用作静音模式下的来电提示。马达传动就需要用到轴承，图3显示的只有在放大镜下才能看清的极微细轴承就是由多孔材料制成，此类轴承含有大量的孔隙，可存储润滑油。当轴旋转时，润滑油渗出于含油轴承的的摩擦表面；当轴停止转动时，润滑油就回流于含油轴承孔隙内部。因此，润滑油的消耗量是非常小的，可在不从外部供给润滑油的情况下，长期运转使用，对于那些不能外置供油系统，且润滑油不能产生污染的精密器件是多么的适用！
早在1870年，美国就发明了铜基含油轴承。目前全球多孔含油轴承年产量超过20亿个，在小型机械中得到了广泛应用。除了iPhone 手机外，一台液晶电视要用到二、三十个小电扇，每个小电扇里有两个马达，每个马达都要用到轴承。此外，冰箱的压缩机、电脑的散热马达、让汽车电动后视镜能够收放和左右上下调整的马达，也全都必须用到含油轴承。我国含油轴承的生产起步于20世纪50年代初，经过多年的发展，已经发展成为世界上最大的多孔含油轴承生产国。
液体和气体净化。多孔材料含有大量连通的孔隙，在一定压力下，液体和气体能够透过多孔材料，同时微孔可起到类似筛网的作用，能够将流体中含有的尺寸大于微孔的颗粒拦截，从而起到对流体进行净化和分离的效果。正是基于这一特性，金属多孔材料在国防高科技领域率先得到大量应用。例如，美国以及前苏联在原子弹研制早期均是采用多孔金属材料，通过气体扩散法制备了原子弹用的高纯度核燃料。上世纪五六十年代，中国老一辈科学家突破国外技术封锁和限制，研制出了核燃料分离用的多孔金属材料，为我国原子弹的研制作出了重要贡献。
近年来，多孔金属材料在现代工业过滤与分离领域的应用也越来越广泛。图4是西北有色金属研究院金属多孔材料国家重点实验室自主研发的多孔金属微滤膜材料，它由大孔支撑体和微孔膜层两部分组成，可实现0.3μm以上固体颗粒的高效拦截，现已在核工业、煤化工、多晶硅等多个领域获得规模应用。
生物医用多孔材料。生物相容性好、无毒的材料如钛合金、钽等常被用作骨科植入材料。然而，致密材料的力学性能特别是弹性模量与人体骨骼不匹配，临床应用过程中普遍存在应力屏蔽现象。如若将上述材料制成多孔材料，不仅能够使其力学性能与人体更为接近，并且三维贯通的结构有利于组织细胞在植入体内粘附、分化和生长及水分和养料的传输，从而使外科植入物和骨组织有良好的相容性，增加了外科植入体的长期稳定和有效性。
早期的多孔金属植入物采用等离子喷涂或粉末冶金技术制备。近年来，3D打印的多孔金属植入物在临床的应用日益广泛。据报道，仅采用粉末床电子束3D打印技术制备的多孔钛合金髋臼杯（如图5所示）临床应用已经超过20万例。
流体的分布与控制在化学工业中存在大量的液-固、气-液、气-固反应，多孔材料具有大量良好渗透性的微孔，可以实现对气体或液体的分散利用以增加反应的界面，提高反应效率。图6是白俄罗斯粉末冶金研究所研制的多孔钛布气元件，该元件已经在俄罗斯、白俄罗斯和乌克兰等国家的工业废水臭氧处理装置中使用，寿命超过15年。此外，流体通过多孔材料均匀分布的特点，还可实现固态物料的连续输送。目前，我国煤化工行业粉煤的流态化输送全部采用的是我国自主研制开发的多孔不锈钢通气锥和通气管。
多孔材料作为结构功能一体化材料，以它轻质、吸音降噪、能量缓冲、电极、催化材料、高效换热、表面燃烧等优点，将在化工、冶金、能源、电子和生物医用等领域具有更加广泛的应用前景。
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[4] T. A.Schaedler and W. B. Carter，ArchitectedCellular Materials [J], Annual Review of Materials Research, 2016, 46:187-210
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[6] X. Wang, S.Xu, S. Zhou, W. Xu, M. Leary, P. Choong, M. Qian, M. Brandt, Y.M.Xie,Topological design and additive manufacturing of porous metals for bonescaffoldsand orthopaedic implants: a review [J], Biomaterials ,2016,83:127–141
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[8] Savich V.,Taraykovich A. and Bedenko S. Improved porous sponge titanium aerators forwaste treatment [J]. Powder Metallurgy, 2013, 56: 272-275.
内容简介
我国高新技术产业发展面临的“卡脖子”问题，很多就卡在材料方面。新材料产业是制造强国的基础，是高新技术产业发展的基石和先导。为了普及材料知识，吸引青少年投身于材料研究，促使我国关键材料“卡脖子”问题尽快解决，中国材料研究学会特意组织了一批院士和材料专家，甄选部分对我国发展至关重要的前沿新材料进行介绍。本书涵盖了18种最新的前沿新材料，主要包括信息智能仿生材料、纳米材料、医用材料以及新能源和环境材料。所选内容既有我国已经取得的一批革命性技术成果，也有国际前沿材料、先进材料的研究成果，助力推动我国材料研究和产业快速发展。每一种材料的科普内容独立成文，深入浅出地阐释了新材料的源起、范畴、定义和应用领域，并配有引人入胜的小故事和原创图片，让广大读者特别是本硕博研究生更好地学习和了解前沿新材料。
目 录
锑化物超晶格——黑暗中的捕光者
隐身材料——让“隐身”不再局限于科幻
液晶——物质存在的第四态
有机光电器件——导电塑料
神奇的缓释控释材料
抗菌纤维
气凝胶——“冻结的烟雾”