段亮亮
（陕西能源职业技术学院 继续教育学院，陕西省咸阳市 712000）
摘要：梯度多孔金属材料是一种在内部空间沿一定方向变化的金属多孔材料上开发的功能材料。它具有多孔金属材料的优点，并已广泛应用于许多领域，特别是在过滤行业和生物医学领域，因此，研究梯度多孔金属材料具有十分重要的意义。本文重点阐述了梯度多孔金属材料在制备技术上的国内外研究现状和应用现状以及发展趋势。
关键词：梯度多孔金属材料；制备技术；应用
1 引言
梯度多孔复合金属材料是其内部分子孔径沿梯度方向不断变化的一种金属多孔复合材料上进行开发的一种特殊功能金属材料。它完全延续了传统金属材料的具有高强度，高韧性，高分子孔隙率，高磁导率，耐极度高温，耐化学腐蚀等诸多优点，可用于高温烟气除尘、食品行业、医用生物、燃料电池、气体净化、吸声降噪、催化等领域[1]。常用的梯度多孔金属材料有不锈钢、钛粉、Ti合金、Al合金、Mg合金等。
目前，国内对于梯度多孔金属材料还处于基础性研究，在市场上占有份额很低，而无论是在过滤行业还是在生物医用领域需求量都极大，因此梯度多孔金属材料的发展潜力很大，梯度多孔金属材料的研究与开发对国民经济和社会的发展具有非常重要的意义。
2 梯度多孔金属材料国内外研究现状
在传统梯度多孔金属陶瓷的技术基础上，发展了多种梯度多孔陶瓷金属材料的生产制备加工技术。目前，用于加工制备新型梯度多孔复合金属材料的主要技术包括喷涂或离心泡沫喷涂，有机溶胶泡沫和水浸渍，离心泡沫沉积和有机溶胶-凝固粘胶等等法、分层堆积热压成型技术、粉末注射成型技术、等离子电火花烧结技术、选区激光烧结技术等[1]。
这些先进技术已在国内外广泛地应用于加工制备分级金属多孔复合材料。德国的新型GKN采用高压湿式喷涂冲压成型一系列梯度金属多孔材料产品进行分层过滤，过滤精度最高可达0.2m，渗透率是传统对称金属多孔过滤的3-4倍[2]。Myung-jinsuk等[3]使用这种等离子体和电火花复合烧结材料技术可以制备出的具有多种横向或纵向孔隙结构梯度的多孔W-Cu型过滤流体材料德国Dresden大学M. THIEME[4]等人研究了粉末冶金制备钛合金，试验表明梯度多孔Ti合金的抗弯性能也从55 MPa到190 MPa，弹性模量从5~80 GPa调控到10~29 GPa，表明梯度多孔Ti合金的生物适配性比均质多孔Ti合金更好。
西北有色金属研究所[5]研究了一种孔径为300nm的梯度多孔不锈钢复合材料和多孔钛的离心空气沉积复合成型，不锈钢的多孔过滤精度可以达到0.5m，而多孔钛的孔隙过滤率精度可以达到50%以上，相对透气系数大于100m3/m2·kPa·h；中南大学陈刚[6]采用粉末湿法喷涂技术压制、烧结出具有梯度孔径的FeAl多孔材料，并且研究了压制压力与梯度孔的最大孔径和透气系数之间的关系；天津大学哈岸晖[7]采用元素粉末冶金法，通过添加NH4HCO3造孔剂真空烧结制备出具有三维连通网状开孔结构的梯度多孔TiNi合金，实验证明梯度多孔TiNi合金表面孔隙率可达60%，大孔径尺寸可达200μm，双层梯度结构结合紧密，生物相容性好，力学性能接近人体致密骨；陕西科技大学陈巧富[8]进行了HA/Ti仿生人工骨选区激光烧结成型工艺的研究，实验证明HA/Ti仿生人工骨具有优异力学性能与HA 的良好生物活性，以期运用于承重部位的骨替代材料和植入体。
3 梯度多孔金属材料应用现状
梯度多孔复合金属材料在高温烟气除尘领域广泛应用，其主要应用功能之一是将室外灰尘与室内空气直接分离，达到有效净化室内空气，保护环境，节约能源的根本目的。一些国外知名公司已经开发了这种新型陶瓷玻璃过滤器，例如德国的舒马赫，美国的西屋，日本的德国建筑材料和玻璃公司[9]等。实验结果发现，其有效除尘率甚至可以达到99%以上。山西煤炭化学工程研究所杨金权[10]开发了一种用于高温不锈钢烧结材料的气体等效烧结直径控
制为40微米的新型高温气体烧结颗粒金属丝网烧结过滤器，并将其主要用于粉尘气体烧结温度控制为460-638℃，进口粉尘气体进行了1.0-25.0g/m
3的高温气体烧结过滤实验，实验结果表明，过滤效果明显，对于20微米以上的烧结颗粒去除率可以达到100%。
梯度多孔金属材料在食品工业中的应用主要用于过滤和灭菌。Li
[11]等人研究了选区激光熔化成型梯度多孔316L不锈钢，它的过滤性能优于多孔316L不锈钢，过滤孔径可达3μm，相对透气系数大于100m
3/(m
2·kPa·h)；刘勤生等
[12]研究了用金属膜过滤食品炸油的实验，并在过滤前后对油进行了处理。结果表明，过滤后的油的脂质指数高于未过滤的油，表明金属膜的过滤效果非常明显。
梯度多孔金属材料在生物医用领域的应用，其主要用途是过滤、除菌和硬组织修复与替代材料。李维英等
[13]研究了一种类似于寄生孢子寄吸虫的静电梯度法和金属管过滤膜的微粒子杂质去除法的实验，深入研究了其对于过滤电子系统的应用性能。结果表明：5m以下的粉尘微粒臭氧去除率平均可达100%；南京航空航天大学张金龙
[14]用碳酸氢铵为造孔剂通过粉末冶金工艺制备出了与人体骨骼结构相似且力学性能相近的梯度多孔Ti-Mg基复合材料，研究表明梯度试样心部孔隙的平均直径超过了300µm，孔隙率可达到60%，弯曲强度和模量等力学性能也接近人体骨骼的强度，满足人体植入孔隙率和力学性能要求。
梯度多孔金属材料在吸音、传热、降噪领域的应用。Huang Ke
[15]等人研究了熔渗法制备梯度多孔铝合金的方法，试验表明梯度多孔铝合金的吸声效率明显优于均质多孔铝合金；西安石油大学刘卓萌
[16]以Ti粉和高纯石英管为原料，采用Ti-Ti
5Si
3复合梯度多孔材料，最大孔径可达7.3µm，最小透气系数可达35.83m
3/h·kPa·m
2。
4 梯度多孔金属材料发展前景
总之，一些梯度多孔金属材料的开发，还停留在实验室阶段，距工业中大规模生产和应用还存在着很多距离。因此，对梯度多孔金属材料的结构设计、制备方法、性能评价以及在实际中的应用的研究是当前研究的主要方向。
近些年来主要研究的梯度多孔金属材料有不锈钢、钛粉、Ti合金、Al合金、Mg合金等，在材料的研究应用上要进一步扩大范围，进一步向高性能化、复合化、功能化和低成本方向发展，将梯度的概念推广到其他研究领域；开发更加适合梯度多孔金属材料工业推广应用的制备技术，深入研究材料的成型机制，深入研究制备技术工艺机理；进一步研究孔结构设计，探索高精度、高孔隙率的梯度结构多孔金属材料；在先进的制备工艺机理上，积累较为系统的实验数据及规律，来研究确定评价指标及方法，提高成型件的表面质量、尺寸精度和性能要求，不断优化后处理工艺，防止零件变形、开裂，保证成型精度。
参考文献
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