（来源：科创中国）

生活中的孔

提到孔，脑海中会联系到什么？人在运动时，为了调节体温正常身体会通过毛孔汗腺排汗维持机能平衡。

人体健康的骨骼并非坚硬的实心，而是由蜂窝状结构组成，存在许多微小的孔，这样的骨骼既支撑身体的承重又保证了弹性。为何老年人摔跤容易骨折？因为随着年龄的增长，这些微孔会增大，导致骨密度降低，骨折的风险相应增加。

以上或许是日常生活中人们对孔的认识，而在材料领域，多孔材料的细微小孔大多是肉眼不可见的，却切实影响着大众的生活。

多孔材料是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料，天然的多孔材料早在千百年前就被人们所利用，比如罗马时代将软木用作酒瓶的瓶塞，软木塞的蜂窝状结构允许微量氧气缓慢进入瓶内，促进葡萄酒的缓慢氧化和成熟，尤其对需要陈年存放的高品质红酒至关重要。

图1  Quercus软木塞因密封性和微量透气性被称为葡萄酒的守护神

现代人们开始人工合成多孔材料，利用多孔材料相对密度低、强度高、比表面积高、隔音、隔热、渗透性好等优点广泛应用地质、工业、新材料等诸多领域。

如现代城市高楼墙体会覆盖一层隔热材料，这种采用多孔结构的保温材料因为孔隙中的气体（如空气）导热系数极低，能有效降低材料整体的导热性能，使寒冷冬季人们在屋里感到温暖。

口腔内受到创伤、颅脑外伤，眼部等敏感部位的手术想想就令人心生拒畏。今天的患者术后不用再承受二次取皮或拆线的不便。胶原蛋白免拆线、口腔修复膜、可吸收硬脑膜补片、骨修复材料等等再生医学产品减轻了医生的麻烦和患者的痛苦。

这些再生医学材料的多孔结构可以为细胞提供更多的攀附点，促进细胞迁移和增值，有效诱导骨组织生长。通过以上的举例，或许对孔有了新的概念。

图2  硬脑脊再生修复膜

研究孔的意义

在材料物理领域，孔是指什么？

材料中的孔是指材料内部与外界连通的空腔和孔道，一般称为开孔，而不与外界连通的孔称为闭孔。孔的分类主要包括微孔、中孔（介孔）和大孔，这是根据国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）的定义来区分的。

图3  孔的分类

为何要研究孔？

在我们的生产和科学研究中，会接触到各式各样的材料。实际上，绝大多数材料的内部都存在着孔道。由此便衍生出了一些重要的概念，比如孔径、孔容、孔分布以及孔体积等。

这些孔道的形态丰富多样，直径也各有差异。正是因为这些孔道的大小不一、分布各异，再加上各种各样的几何形状，才使得材料呈现出千差万别的物理性质，进而在不同的领域中发挥着各自独特的作用。也正因如此，针对材料的孔道结构进行研究显得极为重要，也是基础的材料物理研究范畴。

衡量孔的重要指标-孔隙率

衡量孔的丰富程度的指标就是孔隙率，是指块状材料中孔隙体积与材料在自然状态下总体积的百分比。

在人体骨骼中，孔隙率关系到骨骼对环境湿热的敏感度，孔隙率变大会使骨骼传递应力的能力减弱，骨强度也相应下降。

上文提到的口腔修复膜、骨修复材料等再生医学产品，涉及生物相容性、机械性能、通透性、降解性能、临床应用等多个方面。通过优化孔径、孔的形状、分布和加工工艺，可以显著提升产品的性能。骨修复材料的孔结构需要保证孔隙率在适宜的范围内，才能促进人体骨创伤的修复和整合。

例如复合磷酸钙骨作为一种骨植入材料，最佳孔隙率范围是80%-90%；多孔钽支架植入物作为一种骨修复材料，最佳孔隙率范围是70%-80%。

孔隙率对材料性能的重要性

我们再举一个孔隙率对材料性能产生重要影响的实例。

对于追求极限驾驶的驾驶者，汽车零部件供应商在满足驾驶需求的能力方面几乎是没有上限的。为了让车手不必担心赛车时速300公里/时车子刹不住，也不必担心在入弯前频繁选择延迟刹车性能热衰减，碳陶瓷刹车成为现今高性能运动车型的首选。

碳陶瓷刹车系统最初使用在F/A-18大黄蜂战机上，能让战机在航空母舰有限的甲板上停下来，后来该技术应用到民用领域。碳陶瓷更轻（比传统铸铁轻50%），更耐高温（极限温度可达1000°），且寿命更长几乎免维护（正常使用可达50万公里以上），甚至车报废了还可以把盘拆下来继续用。

碳陶瓷是碳纤维和碳化硅在1700°高温下合成的增强碳化硅基复合材料，特点是耐高温且极其坚硬耐磨。

从材料性质上如何实现的。这里面包含了诸多影响材料性能的关键参数，例如拉断伸长率、抗热冲击性、同韧性剪切断裂特性等等。其中有一项参数至关重要：孔隙率。

图4  碳陶瓷刹车盘

在刹车系统工作过程中，最关键指标之一就是导热性能。极高的温度如果超过材料的极限，会导致材料失效甚至断裂。孔隙率直接影响碳陶瓷材料的力学性能和导热性能。

(1) 力学性能

孔隙率作为衡量材料内部空洞或孔隙分布的关键指标，孔隙率的增加会导致碳陶瓷材料内部的空隙增多，韧性下降，这些会成为应力集中的源头，从而在受到外力作用时更容易引发裂纹的扩展和材料的断裂，尤其是高性能车在高速状态下需要全力制动时必须确保碳陶瓷拥有足够的强度。

(2) 导热性能

孔隙率还是影响碳陶瓷导热性能的重要因素。通常情况下，孔隙率越高，材料的导热性能就越差。因为随着材料内部孔结构的丰富意味着材料热传导路径会受到阻碍。此外，孔隙率增加会造成材料内部空气和水分进入孔道填充的可能性，也会降低热传导性。因此，在设计碳陶瓷材料时需要尽可能地减少其孔隙率，以提高其导热性能。

由此可见，孔隙率对于掌握和评价材料性能具有重要研究意义。

测试材料孔径分布及孔隙率的方法

气体吸附法和压汞法是测量材料孔隙率的两种主要技术方法。

(1) 气体吸附法

气体吸附(gas absorption operation)是利用气体分子与固体材料表面发生的吸附行为，通过计算气体吸附量与温度压力的关系得到材料比表面积和孔径分布信息的方法。

气体吸附分为以范德华力结合的物理吸附和通过化学键结合的化学吸附两种吸附方式。

通俗地讲，此方法是将吸附气体填充到材料内部孔隙中，通过投放的气体量来进一步计算孔的结构和孔隙率的方法。

(2)     压汞法

压汞法(Mercury intrusion porosimetry)是一种基于汞对固体表面不润湿的特性，通过施加外部压力使汞渗入多孔材料的孔隙中，根据汞进入孔隙的量和所需压力来计算孔隙的孔径分布和孔隙体积的方法。

气体吸附法更适合测量孔径更小的微孔和介孔样品，压汞法则更适合测量孔径较大的介孔和大孔材料。实际应用中，针对不同材料特点相应采取适合的分析方法。

图5   测量材料孔隙率的分析仪器：压汞仪(上)和气体吸附仪(下)

以上，是关于孔、孔的重要指标-孔隙率及相关检测方法的简要介绍。希望读者通过几分钟的阅读，能够增进对生活中孔的认识和从事材料性能科研工作者研究工作的了解。

（来源：北京市科学技术协会资助的“北科科普创作资源”评价专项行动项目的遴选文章  作者：北京市科学技术研究院分析测试研究所 王嘉琦）