材料孔隙結構表征：氣孔率測定方法與分析

引言
氣孔率是表征多孔材料內部孔隙體積占材料總體積比例的關鍵物理參數，對于陶瓷、耐火材料、粉末冶金制品、建筑材料、催化劑載體等諸多領域的產品性能（如強度、導熱性、滲透性、吸附性、聲學性能等）具有決定性影響。準確測定氣孔率是材料研發、質量控制和工藝優化不可或缺的環節。阿基米德排水法因其原理清晰、操作相對簡便、結果可靠，成為應用最廣泛的氣孔率測定方法之一。

一、 測定原理：阿基米德定律的應用

本方法的核心依據是阿基米德原理：浸入液體中的物體所受的浮力等于其排開液體的重量。對于多孔材料，其孔隙狀態（開孔、閉孔）會影響其在液體中的行為。

1. 開孔： 指與材料表面連通，液體可以浸入的孔隙。
2. 閉孔： 指封閉在材料內部，液體無法浸入的孔隙。

通過精確測量材料在空氣中的干重、完全浸漬飽和后在液體中的表觀重量（即飽和懸浮重）以及飽和后在空氣中的濕重，結合已知浸漬液體的密度，即可計算出材料的體積密度、表觀密度，進而求得總氣孔率、開孔率和閉孔率。

二、 試驗設備與材料

• 精密電子天平： 感量至少為0.001g，量程滿足試樣要求。
• 真空浸漬裝置： 包含真空泵、真空干燥器（或專用浸漬容器）、壓力表。用于在負壓下排除孔隙中的空氣，使浸漬液充分填充開孔孔隙。
• 浸漬液體： 需滿足以下條件：
  • 對試樣無溶解、溶脹或化學反應。
  • 表面張力低，易于潤濕試樣并滲入微小開孔（常用蒸餾水、去離子水，有時使用無水乙醇、煤油等有機溶劑）。
  • 密度已知且穩定（需定期校準或使用前測量）。
• 飽和試樣懸掛裝置： 如細金屬絲（直徑<0.5mm）、尼龍絲或專用吊籃，用于稱量飽和試樣在液體中的重量。需確保懸掛裝置在液體中重量穩定且可精確稱量。
• 恒溫設備： 用于控制浸漬液和測試環境的溫度（若需高精度）。
• 烘箱： 用于干燥試樣至恒重。
• 干燥器： 內置干燥劑（如硅膠），用于冷卻干燥后的試樣。
• 輔助工具： 燒杯、鑷子、軟毛刷、吸水紙（或無絨布）等。

三、 試驗步驟詳解

1. 試樣制備：

   • 選取具有代表性的樣品。
   • 加工成規則幾何形狀（如立方體、圓柱體）或保持原始形態（需確保表面無附著物）。體積通常不小于1 cm³，以減少邊緣效應誤差。
   • 若試樣表面有粉塵或碎屑，用軟毛刷或壓縮空氣清理干凈。
   • 對于易吸水或含揮發性物質的試樣，需根據材料特性進行特殊預處理。

2. 干燥至恒重 (md)：

   • 將試樣放入烘箱，在特定溫度（通常為110±5°C，或根據材料標準）下干燥至恒重。恒重判定：連續兩次干燥間隔一定時間（如2小時）后稱重，質量變化不超過0.1%。
   • 將干燥后的試樣移入干燥器中冷卻至室溫（通常30分鐘以上）。

3. 稱量干重 (md)：

   • 從干燥器中取出試樣，迅速用天平稱量其在空氣中的質量，精確記錄為 md (g)。

4. 真空浸漬飽和：

   • 將試樣放入真空浸漬容器中，注入足量浸漬液（液面需完全淹沒試樣）。
   • 密封容器，啟動真空泵，緩慢抽真空至規定的真空度（如<2.5 kPa 或按標準要求），并保持一定時間（如15-60分鐘，或直至無氣泡逸出）。
   • 緩慢釋放真空，使大氣壓將浸漬液壓入試樣的開孔孔隙中。
   • 繼續將試樣浸泡在液體中足夠長時間（如數小時或過夜），確保開孔完全飽和。

5. 稱量飽和試樣濕重 (mssd)：

   • 將飽和試樣從浸漬液中取出。
   • 用吸水紙或無絨布非常輕柔且快速地擦去試樣表面附著的液膜（僅去除表面自由液滴，避免吸出孔隙中的液體）。此步驟需迅速一致，是誤差主要來源之一。
   • 立即稱量飽和試樣在空氣中的質量，精確記錄為 mssd (g)。

6. 稱量飽和試樣懸浮重 (msw)：

   • 將飽和試樣放入懸掛裝置（如吊籃）。
   • 將懸掛裝置和試樣完全浸沒在裝有同種浸漬液的燒杯中（燒杯置于天平上或懸掛于天平下方）。確保試樣完全浸沒且不與燒杯壁或底接觸，懸掛裝置浸入液體的深度保持一致。
   • 稱量飽和試樣在浸漬液中的表觀質量（即懸浮重），精確記錄為 msw (g)。記錄此時浸漬液的溫度。

7. 浸漬液體密度測定 (ρl)：

   • 使用比重瓶法或精密密度計，在與步驟6相同溫度下測量浸漬液體的密度 ρl (g/cm³)。

四、 結果計算與報告

根據測得的三個質量值 (md, mssd, msw) 和浸漬液密度 (ρl)，計算以下關鍵參數：

1. 體積密度 (ρb, g/cm³): 單位體積（包含孔隙）材料的質量。
   ρb = md / Vt
   其中，總體積 Vt = (mssd - msw) / ρl

2. 表觀密度 (ρa, g/cm³): 單位體積（僅包含閉孔，開孔被液體填充視為實體）材料的質量。
   ρa = md / (md - msw) * ρl
   或 ρa = md / [md - (msw - Ws)] (Ws為懸掛裝置在液體中的重量，若懸掛裝置參與稱重需扣除)

3. 真密度 (ρt, g/cm³): 材料本身（不含任何孔隙）的密度。通常需用更細的粉末（磨碎至閉孔打開）通過比重瓶法單獨測定。若無此值，有時近似用理論密度或廠商提供值。

4. 總氣孔率 (Pt, %): 材料中所有孔隙（開孔+閉孔）體積占總體積的百分比。
   Pt = (1 - ρb / ρt) * 100% (最常用，需已知ρt)
   或 Pt = [(mssd - md) / (mssd - msw)] * 100% (此公式基于阿基米德原理，計算的是開孔體積占總體積的百分比，當材料無閉孔或閉孔率極低時，此值近似等于總氣孔率)

5. 開孔率 (Popen, %): 開孔體積占總體積的百分比。
   Popen = [(mssd - md) / (mssd - msw)] * 100%

6. 閉孔率 (Pclosed, %): 閉孔體積占總體積的百分比。
   Pclosed = Pt - Popen (當已知ρt時)
   或 Pclosed = [(ρa - ρb) / ρa] * 100% (此公式直接計算閉孔率)

示例計算 (假設 ρt 已知為 3.25 g/cm³, ρl = 0.998 g/cm³):

試驗報告應包含：

• 試樣標識及描述
• 依據的標準或方法
• 使用的浸漬液體及其密度和溫度
• 測得的 md, mssd, msw 值
• 計算得到的體積密度 (ρb)、表觀密度 (ρa，若計算)、真密度 (ρt，來源說明)、總氣孔率 (Pt)、開孔率 (Popen)、閉孔率 (Pclosed)
• 試驗日期、人員
• 任何偏離標準步驟的情況說明

五、 關鍵影響因素與注意事項

1. 試樣代表性： 樣品必須能代表被測材料的整體特性。
2. 干燥徹底性： 干燥不徹底會導致 md 偏大，使密度計算值偏高，氣孔率偏低。
3. 浸漬完全性： 真空度不足、保壓時間不夠或液體潤濕性差會導致開孔未完全飽和，使 mssd 偏小，導致開孔率 Popen 和總氣孔率 Pt (按阿基米德公式) 計算值偏低，體積密度 ρb 偏高。這是最主要的誤差來源。
4. 表面液膜處理： 擦拭 mssd 時操作必須快速、輕柔、一致。過度擦拭會吸出孔隙液體，使 mssd 偏小；擦拭不足會使表面殘留液膜過厚，使 mssd 偏大。兩者都會顯著影響 Popen 和 ρa。
5. 懸浮稱量： 確保試樣完全浸沒、無氣泡附著、不碰壁。懸掛裝置自身在液體中的重量 (Ws) 必須穩定且準確扣除（通常通過單獨稱量懸掛裝置在液體中的重量實現）。
6. 溫度控制： 液體密度對溫度敏感。msw 稱量和 ρl 測量必須在相同溫度下進行。
7. 液體選擇： 確保液體不溶解、不溶脹試樣。對于超疏水材料或微孔材料，需選擇表面張力更低的液體（如乙醇）或采用特殊浸潤技術。
8. 真密度準確性： 使用 Pt = (1 - ρb / ρt) * 100% 計算總氣孔率時，ρt 的準確性至關重要。應明確 ρt 的來源和測定方法。

氣孔率試驗是評估多孔材料微觀結構特征的基礎手段。嚴格遵循標準化的阿基米德排水法操作流程，并深刻理解其物理原理及潛在誤差來源，是獲得準確、可靠氣孔率數據的關鍵。這些數據為理解材料性能、優化生產工藝、進行質量控制以及滿足特定應用要求提供了重要的科學依據。在實際操作中，應結合材料特性和具體標準要求，對試驗細節進行嚴格把控。