多孔材料的案例
吸聲降噪技術：多孔性吸聲材料的流阻
多孔性吸聲材料的吸聲性能與空氣通過多孔材料阻力密切相關，有經驗的聲學工程師通過向多孔材料吹氣就能像中醫“搭脈”一樣判斷出多孔材料的吸聲性能好壞。
空氣通過多孔材料阻力用流阻這一物理量來表述，流阻在描述多孔性吸聲材料聲學性能中有著巨大的影響力，包括著名的Biot[1]多孔性吸聲材料理論以及著名的Delany-Bazley[2]經驗模型都是用流阻來描述多孔吸聲材料特性的。因此，如果對流阻這樣霸氣的物理量不了解的話，你都沒有與別人討論多孔性材料聲學性能的勇氣和自信。所以，我們把流阻專門拿出來，細細地跟大家吹一吹，有助于更加深刻地理解多孔材料的吸聲性能。
什么？吸聲性能是吹出來的？
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流阻的定義
流阻定義為，當穩定氣流通過多孔材料時，材料兩面的靜壓差和氣流線速度之比，用公式可表示為：
式中，△P 為材料兩面的靜壓差， Pa；u 為氣流線速度， m/s。流阻的單位為：Pa·s/m。
展開 發現控制氣體在多孔材料擴散的“局域柔性”材料
多孔材料在氣體存儲和分離方面已經取得了突飛猛進的發展，然而如何控制氣體在多孔材料中的擴散一直是難以解決的問題。1月25日，一項發表于《科學》雜志的研究利用金屬—有機框架（MOF）材料這一設計性極高的結構平臺，在剛性骨架的MOF的籠狀孔壁上編入溫度響應的動態“開關”，通過控制孔壁微擾來控制氣體分子在多孔材料中的擴散。
論文第一作者、華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室研究員顧成告訴《中國科學報》記者：“新材料具有溫度控制的吸附特性，這種獨特的吸附性質不僅能讓材料在較高溫度下進行相似氣體的動態篩分，也可以實現常溫常壓下氣體的物理存儲。”
圖片說明：(A)通過動態孔道控制氣體擴散的原理示意圖。(B) 1a的晶體結構。 (C) 1a的孔道結構。(D) 溫度響應的層內擴散控制示意圖；低溫下OPTz單元形成的“門”關閉，氣體分子無法擴散，高溫下通過熱振動打開“門”，氣體分子進行層內擴散。
根據熱力學定律，隨著溫度升高，多孔材料對氣體的吸附量會降低。但是MOF材料表觀上違反熱力學吸附法則，它在各種氣體的沸點溫度附近幾乎沒有任何吸附，但隨著溫度升高氣體吸附量逐漸升高并達到最大值，之后隨溫度升高氣體吸附量又逐漸降低。研究人員發現，這是熱力學控制的骨架—氣體相互作用力和動力學控制的擴散限制相互作用的結果。
為何MOF材料會出現這樣的結果？顧成表示，研究人員設計了一種蝴蝶型的配體，在間苯二甲酸的5-位上引入氧化吩噻嗪，這是一種可以有效發生熱振動的單元。“這像蝴蝶扇動翅膀一樣，溫度越高，振動幅度越強。”顧成說。
氧化吩噻嗪的熱振動引起了微擾，而這一微擾已足夠為氣體分子擴散打開“大門”。由于MOF材料引入了動力學控制，在不同的溫度下，“大門”打開的幅度也不相同。
該材料特殊的吸附特性使之有可能在較高溫度下進行相似氣體的高效篩分。
展開 陳書明教授：多孔材料在汽車輕量化及NVH上的應用
以下是吉林大學教授陳書明的發言：
吉林大學教授 陳書明
我今天跟大家分享的是多孔材料在汽車輕量化及NVH中的應用。多孔材料無論在我們日常生活中還是在汽車上用的非常多，比如汽車的內飾，不管是軟內飾還是硬內飾基本上都是在多孔材料材料范疇內。多孔材料顧名思義就是孔多，這是它的特點，這個孔通常我們可以按照孔徑的大小進行區分，基本上多孔材料屬于納米級的，一般小于2個納米的材料我們把它稱為微孔材料，2個納米到50納米之間我們稱為介孔材料，大于50納米我們稱為大孔材料。我們研究的多孔材料基本上是大孔材料，甚至可以說是超大孔材料。上午馬老師也介紹了，馬老師現在主編一本微結構材料方面的書，我也有幸參加到這個書的編寫過程當中。多孔材料上午我們也提到微結構材料有可能是輕量化最終解決方案，這個還有待進一步的研究和考證。我們今天圍繞的主題是輕量化，這是我們四化當中最重要的一化，輕量化、智能化、網聯化、電動化，還有現在的共享化等等，甚至可能以后還會出來更多的化。
下面我主要從以下這幾個方面介紹一下，首先是對多孔材料做一個簡單的介紹。其次是聚氨酯組份的優化以及聲學性能分析，還有植物纖維復合材料制備及性能分析，多孔材料參數測試設備開發，最后我們簡單的介紹一下它在汽車聲學包裝上的應用。
多孔材料有非常多的優點，輕質，密度低是其中一個非常重要的優點，質量小、密度低而且還能夠吸收很多的能量，尤其用在吸聲材料的時候，顯現出的優勢非常明顯。多孔材料大概有這么幾大類，一個是纖維類、泡沫類、顆粒類。纖維和泡沫在我們車上用的非常多，纖維包括有機的纖維和無機的纖維，泡沫有開孔的和閉孔的，有機纖維有動物纖維、化學纖維、植物纖維，無機纖維，比如說玻璃、礦渣棉、金屬等等。開孔的有金屬、塑料還有其它的一些復合材料。閉孔的有塑料、玻璃、鋁。
展開 孔尺寸的不均勻性顯著降低多孔絕熱材料的熱導率
【引言】
已有研究證明在均勻孔徑的多孔材料體系中，材料的密度或孔隙率會對材料的熱輸運能力發揮關鍵作用。為了生產超級絕熱材料，研究人員已經追求材料的高孔隙度長達數十年。最近有研究闡明了如何通過引入不均勻的孔洞進一步降低材料熱運輸。報道指出，由于多尺度孔徑引起熱傳播路徑曲折導致熱輸運性能劣化，因此與具有均勻孔隙度的對照物相比，非均勻孔徑和低孔隙分布會導致多孔介質的晶格熱導率顯著降低。此外，對垂直排列的碳納米管陣列的研究顯示出不均勻直徑和長度的分布會誘導聲子散射概率增加及不匹配，能有效降低熱導率。從微觀角度來看，多孔陶瓷材料結構可以簡化為三維立方細胞晶格，微晶界面間的導熱系數會對整體的熱傳輸起主導作用。通過實驗可以進一步證實界面導熱系數較高的青銅顆粒會顯著提高燒結多孔青銅材料的導熱性。不均勻的孔徑會大幅限制材料系統中的熱傳遞，因此相關研究人員正努力揭示孔徑不均勻性對熱量傳輸產生影響的機制，并設計導熱系數較低的通用多孔材料。
【成果簡介】
北京科技大學邱琳副教授（第一作者），馮妍卉教授（通訊作者）團隊研究了不均勻孔徑對多孔絕熱材料的影響，在Applied Thermal Engineering上發表了題為“Inhomogeneity in pore size appreciably lowering thermal conductivity for porous thermal insulator ”的文章。該工作定量評估了孔徑的不均勻性，以解釋多孔材料體系中導熱系數的減小。通過自行開發的適應性界面熱傳感器技術，準確表征了一系列孔隙均勻的微孔泡沫的熱導率，研究表明孔隙率的演化趨勢與典型的均相模型吻合較好。為了與均勻材料進行比較，邱等人通過耦合三維層析成像和有限元方法計算了非均質多孔材料的導熱系數。
展開 
Deform多孔材料的滾珠軸承環成形 ￥2.99
多孔材料與塑性材料（可壓縮的剛性-粘塑性材料）的處理方式本質上相同，只是多了一個密度的設置。多孔材料應該設置為Porous類型，而不是我們通常計算的Plastic類型。另外，密度的設置可以對整個工件進行統一設置也可以通過Element data來對單獨的區域進行設置。
材料密度變化的對象（例如粉末成型中使用的材料）應建模為多孔對象。
當前可用于多孔材料的唯一迭代方法是直接求解方法。該方法不具有快速收斂能力，因此，多孔材料模擬可能比可比較的塑性材料模擬花費更長的時間。
下面是一個滾珠軸承環（如下圖）壓縮成形的實例，這里只取一個其橫截面進行分析。
1 新建一個問題，并命名為Porous_race。然后進入前處理，打開2D模塊。
2 模擬控制部分只考慮變形不考慮傳熱。依次導入工件幾何體PM_pre.igs，上下模幾何體PM_top.igs和PM_btm.igs。
3 設置坯料基本性質。溫度2000F，密度0.9，材料AISI-4340[1550-2200F ( 850-1200C)]。
這里的密度是相對密度，不是絕對密度，取值為0-1。這個值最好設置成0.7及以上，因為DEFORM不能對散粉壓縮進行計算，即需要一定密實的材料。
設置材料密度除了這樣統一設置之外，還可以通過Advanced中的Element data設置。這兩種方法的區別是，后者能設置局部的密度信息，見下圖。
展開 案例4：多孔吸聲材料的吸聲效果比較
案例4：多孔吸聲材料的吸聲效果比較一個長方體盒子，內部是空氣，在盒子側面給定單位激振力，空氣中某點的聲壓作為響應。
多孔材料參數設置：
多孔材料屬性設置：
單層吸聲材料，厚度分別為1mm，2mm，3mm
無多孔吸聲材料的計算結果
有多孔吸聲材料的計算結果（1mm）
有多孔吸聲材料的計算結果（2mm）
有多孔吸聲材料的計算結果（1mm）
吸聲材料的吸聲效果一般在中高頻比較明顯。另外隨著吸聲材料厚度的增加，吸聲效果越來越明顯。
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展開 Mater.綜述: 多孔高分子–以解決重大需求為導向的多功能材料平臺
因而開發以解決重大需求為導向的新型材料對經濟和社會的可持續性發展具有非常重要的意義。納米材料的飛速發展表明孔隙率是決定材料性能的關鍵因素之一。多孔材料憑借其較大的表面積、開放的孔道結構和可調的孔環境，在很多領域都具有令人矚目的應用。多孔材料按照孔尺寸可分為三種類型：孔徑小于2 nm的微孔材料，2-50 nm的中孔材料，大于50 nm的大孔材料。多孔材料的孔骨架包括有機骨架（例如，多孔高分子、有機多孔分子籠和超分子有機框架）、無機骨架（例如，沸石、多孔炭和中孔二氧化硅）以及雜化骨架（例如，金屬有機框架）。
在諸多已發展的多孔材料中，多孔高分子由于兼具多孔材料和高分子材料的雙重優勢，因而獲得越來越多領域研究者的關注。多孔高分子與沸石、多孔炭和金屬有機框架等其它多孔材料一樣，也具有永久的高孔隙度、較大的表面積和可設計的孔道結構等特點。但是，它們在許多方面依然存在差異。多孔高分子最主要的優點是化學多樣性和易加工性。例如，相對于沸石和多孔炭，多孔高分子具有更為多樣的合成方式，并可按照設計思路進行合理調控。多孔高分子具有與金屬有機框架相類似的出色化學和物理可調性，還可通過直接功能化合成和后合成改性等方法簡便引入活性功能組分。得益于高分子自身的屬性，多孔高分子也具備了較好的延展性和可塑性，可以根據用途加工成各種形狀。此外，與對酸堿環境敏感的沸石材料以及由配位鍵連接的金屬有機框架相比，由共價鍵連接的多孔高分子具有較高的化學穩定性。
【成果簡介】
中山大學吳丁財教授課題組應邀在Adv.
展開 廈門大學汪騁教授課題組在多孔材料中的三維打印領域取得新進展
在激光束的焦點處，高場強下的非線性雙光子吸收驅動材料發生包括光聚合的光化學反應。而在光束路徑上的其他位置，由于光密度太低，不能實現有效的雙光子吸收，使得光誘導的聚合反應僅限于激光束的焦點處。此前的研究者在多孔基質如金屬-有機骨架(MOFs)和聚合物薄膜中進行的光誘導還原銀的工作表明，多孔材料可以作為復雜納米結構的三維支撐基底。多孔載體和雙光子光刻技術的結合可以創造出不能單獨存在的結構，實現復雜的功能。近日，汪騁教授團隊以水凝膠高分子型多孔材料為基底，用755nm飛秒脈沖激光，在高分子薄膜中聚合單體，形成多層圖案。由于光敏劑分子熒光被納米結構散射，打印的圖像可以在共聚焦顯微鏡下顯示。
圖1. 以聚合物薄膜為基底的三維打印示意圖
高分子薄膜是將2-（2-甲氧基乙氧基）甲基丙烯酸乙酯(DGMEMA)和聚甲基丙烯酸乙二醇(PEGDMA，Mn=550) 共聚形成的納米球通過溶劑蒸發自組裝而成。選擇4,4',4'-三甲酸三苯胺(NTB)作為光敏劑，六氟磷酸二苯基碘鎓鹽(HIP)為引發劑，三乙二醇二乙烯基醚(TEGDVE)為雙光子聚合的單體。將薄膜浸入到前體溶液中，使聚合前體負載于膜中。然后，激光直寫技術將激光焦點聚焦于薄膜內部，實現雙光子聚合，在共聚焦熒光顯微鏡下可觀察三維打印的圖案。
圖2. a-c）在聚合物薄膜上打印不同的圖案（比例尺=100μm）；d）在聚合物膜上進行兩層光刻：第一層是“苯”，第二層是“萘”
通過雙光子聚合可在薄膜內產生的不同圖案，例如“苯”結構和“廈門大學成立一百周年”的徽標等。
展開 哈工大邵路教授團隊Materials Today：特異不對稱性和功能性的多孔Janus材料
Janus材料是根據古羅馬神話中的雙面神Janus命名的，兩面具有不對稱的性質，包括潤濕性、電荷、孔徑或結構、熱/電導率、化學活性等。自然界中的Janus材料，比如荷葉，具有典型的不對稱潤濕性，它的上表面的是超疏水的，下表面是親水/水下超疏油的，使其在空氣中具有自清潔性，在水中具有防油污染的特性。多孔的Janus材料憑借不對稱性質的協同或獨立效應在液體、離子或氣泡的定向運輸以及材料的多功能集成中展現出巨大的潛力，使霧收集、個人濕熱和健康管理、能量轉換、水凈化、傳感器設備和生物醫學應用等多個領域取得極大進展，引起人們的廣泛關注。
近日，哈爾濱工業大學、英國皇家化學會會士邵路教授團隊與美國阿貢國家實驗室Seth B. Darling團隊合作在頂級期刊Materials Today（影響因子31.04）上發表了題為“Porous Janus materials with unique asymmetries and functionality”的綜述，主要總結了近年來多孔Janus材料的相關研究進展，重點介紹了多孔Janus材料的制備策略、協同/獨立工作機制以及新興的先進應用。最后，提出了多孔Janus材料研究面臨的挑戰以及對未來發展進行了展望。
多孔Janus材料的各種不對稱性及其應用
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702121002248?via%3Dihub
展開 在 COMSOL 中分析特殊的多孔彈性超材料
多孔彈性超材料結構的多角度視圖。圖片來自 Jingyuan Qu。
作為比對點，研究人員還研究了一個普通的多孔結構和一個由連續各向同性材料制成的立方體。當周圍的靜水壓力增大時，兩個結構的體積都會縮小。在相同的條件下，多孔超材料則會膨脹，突出了自身的等效壓縮性特征。
后續步驟
通過大量的研究，該小組能夠捕獲超材料的行為，改進設計，并利用這些信息加快進入制造階段。雖然利用傳統的加工技術來制造這類材料并非不可能，但是 3D 打印可以作為制造負壓縮性超材料的替代選擇。3D 打印機可以使用在靜水壓力下收縮的普通材料來制成這種超材料。
Qu 指出，因為即使在高壓環境中，超材料也能夠保持恒定不變的等效體積，或許可以在高壓應用中發揮特殊作用。
本文來自 ：COMSOL 博客
展開 在 COMSOL 中分析特殊的多孔彈性超材料
多孔彈性超材料結構的多角度視圖。圖片來自 Jingyuan Qu。
作為比對點，研究人員還研究了一個普通的多孔結構和一個由連續各向同性材料制成的立方體。當周圍的靜水壓力增大時，兩個結構的體積都會縮小。在相同的條件下，多孔超材料則會膨脹，突出了自身的等效壓縮性特征。
后續步驟
通過大量的研究，該小組能夠捕獲超材料的行為，改進設計，并利用這些信息加快進入制造階段。雖然利用傳統的加工技術來制造這類材料并非不可能，但是 3D 打印可以作為制造負壓縮性超材料的替代選擇。3D 打印機可以使用在靜水壓力下收縮的普通材料來制成這種超材料。
Qu 指出，因為即使在高壓環境中，超材料也能夠保持恒定不變的等效體積，或許可以在高壓應用中發揮特殊作用。
本文來自 ：COMSOL 博客
展開 
特殊多孔彈性超材料的仿真分析
多孔彈性超材料結構的多角度視圖。圖片來自 Jingyuan Qu。
作為比對點，研究人員還研究了一個普通的多孔結構和一個由連續各向同性材料制成的立方體。當周圍的靜水壓力增大時，兩個結構的體積都會縮小。在相同的條件下，多孔超材料則會膨脹，突出了自身的等效壓縮性特征。
后續步驟
通過大量的研究，該小組能夠捕獲超材料的行為，改進設計，并利用這些信息加快進入制造階段。雖然利用傳統的加工技術來制造這類材料并非不可能，但是 3D 打印可以作為制造負壓縮性超材料的替代選擇。3D 打印機可以使用在靜水壓力下收縮的普通材料來制成這種超材料。
Qu 指出，因為即使在高壓環境中，超材料也能夠保持恒定不變的等效體積，或許可以在高壓應用中發揮特殊作用。
來源：COMSOL
展開 利用棉花短絨：制備出超高比表面積氮摻雜多孔碳材料
實驗結果表明，所制備的氮摻雜多孔碳具有優異的染料吸附性能，對亞甲基藍的吸附容量達到1551mg/g。
相關研究成果已申報中國發明專利，并于近期發表在國際刊物《材料化學雜志A》（Journal of Materials Chemistry A）上。這種以植物基可再生資源為原料、工藝簡單、結構可控、超高比表面積的氮摻雜多孔碳材料在能源和環境領域有著較好的應用前景，同時也為新型功能性碳材料的設計提供了一種新的設計思路。
來源：中國科學院 。編輯：SARS
【科普系列】基于多孔MOF材料的氨基酸熒光探針
金屬-有機骨架材料（MOF）是一種由金屬和有機配體組裝而成的三維多孔骨架材料，與其他無機多孔材料相比，具有結構穩定、比表面積大、結構可設計性強等優點，因此被廣泛應用于熒光傳感、吸附分離、催化、藥物傳遞等領域。目前，MOF材料已被應用于多種氨基酸的熒光識別，包括半胱氨酸（Cys）、高半胱氨酸（GSH）、組氨酸（His）、谷氨酸（Glu）、天冬氨酸（Asp）等。另外，在熒光MOFs方面，鑭系MOFs因其優異的光學性質如大Stoke位移、高色純度以及相對較長的熒光壽命而受到了廣泛的關注。其中，利用后合成修飾法在一些MOF材料上負載鑭系金屬元素已成為近年來在鑭系MOF制備方面的重要途徑之一，而MOF材料中的螯合基團如羧基、吡啶、氨基等為具有發光特性的鑭系離子提供了有效的負載位點。
通過后合成修飾法在UiO-66-(COOH)2上負載Tb3+可成功制備綠色熒光材料，且仍能維持原骨架材料的結構，如圖1所示，改材料的熒光發射光譜與Tb的發射光譜基本一致。其中，488，544 ，585 ，621 nm等四處的峰均為分別歸屬Tb3+的不同電子能級躍遷，即5d4→7f6，5d4→7f5，5d4→7f4，5d4→7f3躍遷。
圖1 UiO-66-(COOH)2的激發和發射熒光光譜
該材料可用于選擇性識別色氨酸，如圖2所示，這是由于色氨酸與該MOF材料對于紫外光的競爭作用。從色氨酸對于紫外的吸收光譜中可以看出，與其它氨基酸不同的是，色氨酸除了對225 nm左右的紫外光有吸收作用，還對280 nm左右的紫外光有一個較強的吸收作用。
展開 西南大學黃進教授和甘霖副教授提出負泊松比結構力學強化輕質化生物基材料的普適性方法：軸向/徑向控比粘彈性壓縮多孔材料負泊松比結構化
PBS超臨界發泡材料和PBS-NPR負泊松比結構材料的胞元設計、制備流程、產品及微觀結構：PBS超臨界發泡材料在軸向（a）、徑向（b）上的孔隙；PBS-NPR材料在軸向（c）、徑向（d）上的孔隙；PBS超臨界發泡材料和PBS-NPR材料在壓縮過程中的應力-應變曲線，軸向部分（e），徑向部分（f）。
如圖1a ~ d，經軸向與徑向控比粘彈壓縮制備的PBS-NPR材料的微觀結構表征結果表明，多孔PBS發泡材料的胞元結構由正泊松比的凸多面體轉變成負泊松比的內凹多面體。正是這種密布的負泊松比胞元陣列賦予了PBS-NPR材料宏觀負泊松比特性。此外，調控軸向與徑向的不同壓縮比例可獲得不同負泊松比特性的PBS-NPR材料，從而可以根據現實應用需求滿足不同力學性能的輕質化PBS-NPR材料針對性制造。如圖1e-f，輕質化PBS-NPR材料在壓縮過程中的軸向和徑向應力—應變曲線分別表現出兩種典型的聚合物材料應力-應變行為：硬且韌、軟且韌。PBS-NPR材料內部的取向胞元結構導致了PBS-NPR壓縮性能均呈現各向異性，可以滿足不同應用領域對于材料力學性能的個性化需求。相對于PBS超臨界發泡材料, PBS-NPR材料的軸向壓縮模量增加了359%，徑向壓縮模量增加了68%，軸向部分壓縮模量比徑向部分壓縮模量高904%；同時，軸向部分屈服強度比PBS超臨界發泡材料高840%，徑向部分屈服強度比PBS超臨界發泡材料高191%。該結果表明，軸向與徑向控比粘彈性壓縮引起的負泊松比結構化實現了輕質化PBS多孔材料的高力學性能。
這種軸向與徑向控比粘彈壓縮負使輕質化生物基材料高性能化的方法，不僅大幅提升了輕質化生物基材料的力學性能，同時避免了傳統化學或物理改性手段的帶來的制造成本與技術難度增加及相關不可控因素。
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