Во многих областях, таких как материаловедение, геоинженерия, добыча нефти и биомедицина, свойства материала часто зависят не только от его химического состава, но и от его внутренней микроструктуры. Пористость - то есть процент объема внутренней пористости материала от общего объема - является основным параметром, описывающим эту микроструктуру. Это как ключ, который разблокирует многие секреты материала о прочности, проницаемости, адсорбции и теплоизоляции. Анализ пористости - это пара « перспективных» глаз, которые проникают во внутренний мир материала, обеспечивая научную основу для нашего понимания и оптимизации свойств материала.
Пористость не всегда является дефектом материала, и во многих случаях она даже является ключом к достижению конкретной функции материала. В нефтяной геологии пористость горных пород непосредственно определяет их способность к хранению нефти и является основным показателем для оценки плотности залежей нефти и газа. В области катализаторов огромная удельная площадь поверхности пористого материала (обеспечиваемая пористостью) является местом, где каталитическая реакция осуществляется эффективно. В строительных изоляционных материалах закрытая поровая сеть является ключом к блокированию теплопроводности и достижению теплоизоляции. В биомедицинских материалах, таких как искусственные кости, соответствующая структура пористости способствует росту клеток и регенерации тканей. Поэтому точное определение пористости, понимание распределения размеров, формы и связности пористости имеет решающее руководящее значение для проектирования, подготовки и применения материала.
Анализ пористостиДля удовлетворения потребностей в измерениях в различных материалах и масштабах было разработано множество зрелых технологий.
Метод адсорбции газов (BET): это « золотой стандарт» для измерения микроотверстий и диффузных отверстий (диаметр < 50 нм). При низких температурах (обычно при температуре жидкого азота) молекулы газа (например, азот) подвергаются однослойной или даже многослойной адсорбции на поверхности материала, и распределение удельной площади поверхности и апертуры материала может быть рассчитано в зависимости от соотношения адсорбции и давления. Этот метод имеет решающее значение для характеристики пористых материалов, таких как активированный уголь и молекулярное сито.
Ртуть под давлением: Этот метод использует свойства ртути, которая не смачивает большинство твердых поверхностей, и при дополнительном давлении ртуть попадает в поры материала. Распределение отверстий может быть рассчитано на основе соотношения между объемом поступающей ртути и давлением (уравнение Washburn), особенно для измерения больших отверстий (диаметр > 50 нм) и общей пористости. Однако из - за использования токсичной ртути операции требуют особой осторожности.
Метод газового расширения (гелиевый гравиметр): Используя свойства молекул гелия, которые являются минимальными и проникают почти во все соединенные поры, объем скелета материала может быть точно получен путем измерения объема образца, что позволяет рассчитать общую пористость, включая отверстия и замкнутые отверстия. Этот метод имеет высокую точность и широко используется для определения пористости плотных материалов, таких как скалы, керамика и металлы.
Микроскопическая визуализация: с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM), сфокусированного ионного пучка (FIB) или технологии КТ - сканирования на микрон / наноуровне можно непосредственно наблюдать двумерную или трехмерную форму пористости и визуально анализировать ее размер, форму и пространственное распределение. Этот метод обеспечивает визуальную информацию о структуре пористости и является мощным дополнением к другим методам измерения.
Применение анализа пористости проходит через весь процесс разработки материалов и инженерной практики. В нефтяной промышленности это основа расчета запасов и разработки схем добычи; В области новых источников энергии это ключ к оптимизации материалов для электродов батарей и повышению эффективности хранения энергии; В природоохранной промышленности это основа для оценки характеристик сорбента и проектирования высокоэффективных материалов для очистки воды; В передовом производстве он направляет подготовку легких высокопрочных пористых металлов и керамики. Благодаря анализу пористости исследователи могут « видеть » и количественно оценивать внутреннюю структуру материала, тем самым целенаправленно корректируя технологические параметры для достижения точного регулирования свойств материала.