In vielen Bereichen wie Materialwissenschaften, Geotechnik, Ölgewinnung und Biomedizin hängen die Eigenschaften von Materialien oft nicht nur von ihrer chemischen Zusammensetzung ab, sondern auch von ihrer internen Mikrostruktur. Und die Porosität, also der Prozentsatz des inneren Porenvolumens des Materials zum Gesamtvolumen, ist genau der Kernparameter, der diese Mikrostruktur beschreibt. Es ist wie ein Schlüssel, der viele Geheimnisse des Materials über Festigkeit, Durchdringbarkeit, Adsorption und Wärmedämmung enthüllt. Die Porositätsanalyse, das „perspektivische Auge“, das den Einblick in die innere Welt eines Materials bietet, bietet uns die wissenschaftliche Grundlage, um die Materialeigenschaften zu verstehen und zu optimieren.
Die Poren sind nicht immer ein Mangel des Materials, und in vielen Fällen sind sie sogar der Schlüssel zu einer bestimmten Funktion des Materials. In der Ölgeologie bestimmt die Porosität des Felses direkt seine Ölspeicherkapazität und ist ein zentraler Indikator für die Bewertung der Fülle an Öl und Gas. Im Bereich der Katalysatoren ist die große Vergleichsfläche des porösen Materials (durch die Poren bereitgestellt) der Ort, an dem die katalytische Reaktion effizient durchgeführt wird. In Bauisolationsmaterialien ist ein geschlossenes Porennetzwerk der Schlüssel zur Blockierung der Wärmeleitung und zur Erreichung der Wärmeisolierung. In biomedizinischen Materialien wie künstlichen Knochen fördert eine geeignete Porenstruktur das Zellwachsen und die Geweberegeneration. Daher ist die genaue Messung der Porosität und das Verständnis der Größenverteilung, der Form und der Konnektivität von entscheidender Bedeutung für die Konstruktion, Herstellung und Anwendung von Materialien.
PorositätsanalyseEine Vielzahl von bewährten Technologien wurde entwickelt, um den Messanforderungen unterschiedlicher Materialien und Skalen gerecht zu werden.
Gasadsorptionsmethode (BET): Dies ist der "Goldstandard" für die Messung von Mikroporen und Interporen (Durchmesser < 50 nm). Durch die Absorption von Gasmolekülen (z. B. Stickstoff) auf einer oder mehreren Schichten an der Oberfläche des Materials bei niedrigen Temperaturen (in der Regel bei flüssigem Stickstoff) kann die Vergleichsfläche und die Durchmesserverteilung des Materials basierend auf dem Verhältnis zwischen der Absorptionsmenge und dem Druck berechnet werden. Diese Methode ist von entscheidender Bedeutung für die Charakterisierung von porösen Materialien wie Aktivkohle und molekularen Sieben.
Quecksilberdruckmethode: Diese Methode nutzt die Eigenschaften, dass Quecksilber die meisten festen Oberflächen nicht befeuchtet, um Quecksilber unter zusätzlichem Druck in die Materialporen zu drücken. Auf der Grundlage des Verhältnisses zwischen dem eingedrückten Quecksilbervolumen und dem Druck (Washburn-Gleichung) kann die Durchgangsverteilung berechnet werden, die sich insbesondere für die Messung großer Löcher (Durchmesser > 50 nm) und der Gesamtporosität eignet. Aufgrund der Verwendung von giftigem Quecksilber ist der Betrieb jedoch besonders vorsichtig.
Gasausdehnungsmethode (Heliumverhältnis): Mit den Eigenschaften von Heliummolekulen, die sehr klein sind und fast alle verbindenden Poren durchdringen können, kann das Volumen des Heliumschlusses durch die Messung des Volumens der Probe genau ermittelt werden, um das Skelettvolumen des Materials zu ermitteln und die Gesamtporosität einschließlich offener und geschlossener Poren zu berechnen. Diese Methode ist hochgenau und wird weit verbreitet bei der Porositätsmessung dichter Materialien wie Stein, Keramik und Metalle.
Mikrobildgebung: Mit dem Scan-Elektronenmikroskop (SEM), dem Fokussierten Ionenstrahl (FIB) oder der Mikron-/Nano-CT-Scan-Technologie können Sie die zweidimensionalen oder dreidimensionalen Profile der Poren direkt beobachten und die Größe, Form und räumliche Verteilung der Poren intuitiv analysieren. Diese Methode liefert visualisierte Informationen über die Porenstruktur und ist eine leistungsstarke Ergänzung zu anderen Messmethoden.
Die Anwendung der Porositätsanalyse umfasst den gesamten Prozess der Materialentwicklung und der technischen Praxis. In der Ölindustrie ist es die Grundlage für die Berechnung von Reserven und die Entwicklung von Bergbauprogrammen; Im Bereich der neuen Energien ist es der Schlüssel zur Optimierung der Batterielektrodenmaterialien und zur Verbesserung der Energiespeichereffizienz; In der Umweltindustrie ist es die Grundlage für die Bewertung der Adsorptionseigenschaften und die Entwicklung effizienter Wasseraufbereitungsmaterialien; In der fortgeschrittenen Fertigung leitet es die Herstellung von leichten, hochfesten porösen Metallen und Keramiken. Durch die Porositätsanalyse können Forscher die innere Struktur des Materials "sehen" und quantifizieren, um die Prozessparameter gezielt anzupassen und eine genaue Regelung der Materialeigenschaften zu erreichen.