中國報告大廳網訊，在 2025 年，鎢行業(yè)發(fā)展迎來新的機遇與挑戰(zhàn)，其中多孔鎢材料憑借其獨特性能成為行業(yè)焦點。金屬鎢作為熔點高達 3410±20℃的難熔金屬，具備高比重、高硬度等一系列優(yōu)異特性。在此基礎上發(fā)展而來的多孔鎢，不僅保留了鎢的優(yōu)良特質，還融合了多孔材料的優(yōu)勢，在多個領域展現出巨大的應用潛力，推動著鎢行業(yè)朝著多元化、高端化方向邁進。
(一)航天領域的關鍵支撐
《2025-2030年全球及中國鎢行業(yè)市場現狀調研及發(fā)展前景分析報告》指出，在航天推進器方面，多孔鎢發(fā)揮著不可替代的作用。場發(fā)射電推進器因具有推力小、大范圍精確可調、比沖高和重量輕等特點，被 “天琴計劃” 列為調節(jié)編隊衛(wèi)星相對位置的首選推進器。多孔鎢憑借耐高溫、耐腐蝕以及與推進劑良好的潤濕性且不互溶等特性，成為場發(fā)射電推進器發(fā)射極的理想材料。其內部孔隙承擔著存儲、輸送推進劑以及發(fā)射離子的重任，直接影響推進器的啟動電壓、推力大小和發(fā)射穩(wěn)定性等關鍵性能。例如，在實際應用中，穩(wěn)定可控的孔隙結構能夠確保推進器高效、穩(wěn)定地工作，為航天任務的順利開展提供堅實保障。
(二)電子器件的核心材料
在真空電子器件領域，多孔鎢同樣占據重要地位。真空電子器件通過真空中電子的運動特性實現信號處理、轉換和放大等功能，而陰極作為發(fā)射源，對器件的功率、頻率、壽命和穩(wěn)定性起著決定性作用。擴散式鋇鎢陰極是高功率微波真空器件的主要陰極，多孔鎢作為其發(fā)射體的骨架材料，內部孔隙為活性物質提供儲存場所、反應接觸表面以及原子遷移通道。孔隙率和孔徑大小對陰極發(fā)射性能影響復雜，孔隙率過小會導致活性物質儲量不足，縮短陰極使用壽命;孔隙率過大則會降低骨架強度，無法滿足使用要求。合適的孔隙特性設計和控制是制備高性能真空電子器件的核心要點，對提升電子器件的性能和可靠性至關重要。
(三)高溫領域的散熱先鋒
在高溫領域，以鎢為骨架的金屬發(fā)汗材料表現卓越。這類材料具有優(yōu)異的耐高溫性和散熱性，被廣泛應用于電子、航天和軍工等高溫場景，如電觸頭、電極、導彈喉襯、偏濾器以及飛行器的鼻錐等。鎢骨架的孔隙特性直接決定了低熔點相分布的均勻性和連通性，進而影響材料表面散熱的均勻性以及抗燒蝕、抗熱震和抗熱負載等性能。若孔隙分布不均、孔徑大小不一或存在閉孔，會顯著惡化材料的這些性能。例如，在導彈喉襯的應用中，均勻的孔隙結構能夠有效提高材料的散熱效率，增強其抗燒蝕能力，確保導彈在高溫環(huán)境下穩(wěn)定運行。
此外，多孔鎢在高溫流體過濾器中作為重要過濾介質，具備優(yōu)異的高溫過濾效率和精度;在汞離子推進器中用作實現液相分離的汽化器材料。這些應用充分利用了多孔鎢基于金屬鎢本征特性的孔隙連通、儲存、填充和過濾等功能，進一步拓展了其應用領域。
(一)粉末特性的基礎作用
在多孔鎢的制備過程中，鎢粉的特性對其孔隙特性有著基礎性的影響。粉末粒徑方面，理想情況下等徑球體堆積時，球形粉末成形后的初始孔隙率與粒徑無關，但實際情況受多種機制影響。通常，相同成形壓力下，粗粒徑粉末的初始孔隙率小于細粒徑粉末。細粒徑粉末松裝密度小、流動性差，施壓時模具運動距離和粉末間摩擦力增大，粉末架橋效應增強，導致體積壓縮量減小，初始孔隙率較高。而且，細粒徑粉末比表面積大、活性高，在后續(xù)燒結過程中表面擴散作用顯著，孔隙率下降更快。因此，在實際應用中，選擇粉末粒徑需要綜合考慮骨架強度與孔徑大小的平衡關系，若期望獲得較大孔徑，一般選擇粒度較大的粉末。
粉末的粒度分布也不容忽視，其反映了粉末顆粒尺寸的均勻性。一般來說，粒度分布越窄，多孔鎢的孔隙分布和孔徑大小越均勻，孔隙連通性越高。窄粒度粉末能夠減弱填充孔隙和架橋效應的影響，改善成形后粉末的分散性和接觸狀態(tài)，使初始孔隙更加均勻。同時，均勻的粉末在后續(xù)燒結中孔隙收縮更一致。常用的粒度分布控制方法包括篩選法、懸浮法、氣流磨分級法等。
粉末形狀同樣是影響多孔鎢孔隙特性的關鍵因素。形狀規(guī)則、表面光滑的粉末堆積密度高、粉末間摩擦力小，更容易獲得高的初始孔隙率，且能使初始孔隙分布更加均勻。然而，過于規(guī)則和光滑的粉末可能會導致粉末間咬合不足，降低生坯強度。目前，許多研究采用球形或類球形的鎢粉制備多孔鎢，取得了良好效果。球形鎢粉具有更好的分散性、流動性和各向同性，有利于制備均勻孔隙的多孔鎢生坯，并在燒結過程中保持孔隙結構。常用的鎢粉球化技術有等離子球化法、氣流磨球化法和噴霧干燥球化法等。
(二)成形方法的關鍵影響
隨著多孔鎢應用領域的不斷拓展，對其形狀結構的要求日益提高，不同的成形方法對多孔鎢孔隙特性有著關鍵影響。
壓制法是常用的多孔鎢成形方法之一，在成形過程中，壓力的大小、方向和施加時間等因素會改變粉末的接觸狀態(tài)及空間位置，進而影響多孔鎢的初始孔隙率和孔隙分布等特性。一般而言，壓制壓力越大，孔隙率越小，孔徑越小，但壓力過大易造成孔隙分布不均勻和閉孔增多，因此在壓制過程中常添加助劑(如硬脂酸和橡膠樹脂等)來改善材料的成形性。不同的壓制方式適用于不同形狀的多孔鎢制備，如模壓成形適用于厚度較小且形狀簡單的塊體，擠壓成形適用于不同直徑和形狀細長的棒狀結構，冷等靜壓成形則可使成形坯的孔隙率較低且各方向孔隙分布較為均勻，而對于形狀復雜的多孔鎢，滲銅機械加工是常用方法，但滲銅的溫度和時間會影響其孔隙結構。
流延成形法是制備大型平薄材料的重要技術，也可用于多孔鎢的成形。該方法通過調整漿料的成分和比例、流延的條件以及刮刀的速度和壓力等參數，實現對初始孔隙結構的調控。例如，通過控制漿料成分影響其流變行為，進而改變薄膜的厚度和孔隙的分布。
冰模板法適用于制備尺寸較小且形狀復雜的多孔鎢，通過控制溶質懸浮液冷凍時冰晶的生長過程，能夠精準控制多孔鎢初始孔隙結構、形狀和尺寸。調節(jié)冷卻速率和冷卻條件可以改變冰晶尺寸，從而調控孔隙大小;改變溶質參數則可以調控孔隙數量。
注射成形可用于復雜形狀多孔鎢的制備，具有成本低、效率高和適用于小批量生產等特點。在注射成形過程中，粘結劑、裝載量和注射參數等因素都會影響多孔鎢的孔隙結構。粘結劑和注射參數可以改變喂料的流變性能，從而改變粉末間的相對位置，影響孔隙的大小及分布;裝載量的不同也會改變粉末的堆積狀態(tài)，進而影響燒結后多孔鎢的孔隙特性。
選擇性激光熔化技術以其可控性強、精度高和材料利用率高等優(yōu)點，在復雜結構多孔鎢的制備中得到應用。通過調節(jié)激光束的功率、掃描速度、掃描模式和粉層厚度等參數，可以精確控制多孔鎢孔隙形狀、尺寸和分布。但掃描速度過快會引起鎢粉的濺射，導致孔隙堵塞。
(三)燒結制度的重要影響
燒結制度對多孔鎢孔隙特性的影響至關重要，不同的燒結技術、溫度、時間和氣氛都會改變孔隙的收縮狀態(tài)，進而影響多孔鎢的孔隙特性。
常用的燒結技術包括無壓燒結、熱壓燒結、放電等離子燒結以及微波燒結等。熱壓燒結中，壓力會使孔隙率下降較快，孔徑減小，但過大壓力可能導致坯體非均勻燒結，降低孔隙尺寸的一致性和分布的均勻性;放電等離子燒結可以保留原始顆粒結構，但孔隙收縮過快，易導致孔隙大小不一致和孔隙連通性下降;目前，多孔鎢的制備普遍采用無壓燒結方式，因為在無壓環(huán)境下，致密化過程相對緩慢，有助于保持孔隙收縮的均勻性。
燒結溫度是多孔鎢燒結過程中的關鍵參數，通過改變原子的擴散速率影響孔隙特性。在相同制備條件下，隨著溫度升高，多孔鎢的孔隙率降低，孔徑逐漸減小。然而，過高的燒結溫度會使多孔鎢體積收縮過快，導致孔隙率急劇下降，孔徑快速減小，引起孔隙分布不均勻以及連通性降低;過低的燒結溫度雖能減緩孔隙收縮速度，有利于孔隙結構的保持，但難以達到目標孔隙率，還可能導致骨架強度不足。
燒結時間與燒結溫度密切相關，對于固定目標孔隙率，燒結溫度越高，所需燒結時間越短;反之則越長。短的燒結時間意味著高的孔隙收縮速率，可能會引起孔隙尺寸不一致以及孔隙分布不均勻;長的燒結時間有助于孔隙的均勻收縮，增加孔隙的連通性和均勻性，但會增加能源消耗和生產周期。
常用的多孔鎢燒結氣氛包括氫氣、氬氣和真空氣氛。研究表明，氫氣氣氛能夠顯著提高零件的相對密度，在 1000℃的燒結溫度下，相較于氬氣氣氛，采用氫氣氣氛燒結的多孔鎢具有更低的孔隙率、更小的孔徑以及更均勻的孔隙分布。目前，多孔鎢的制備主要采用氫氣氣氛，不僅因為其孔隙收縮速率低，還因為氫氣的還原性能夠保證高比表面孔隙的潔凈度。此外，燒結速率和冷卻速率也會對孔隙特性產生影響，綜合考慮這些因素之間的相互關系，有助于優(yōu)化多孔鎢的制備工藝。
(一)空間填充劑調控孔隙
為了更精準地調控多孔鎢的孔隙特性，一些研究嘗試引入空間填充劑。該方法是在鎢粉中添加某種固態(tài)材料占據成形后生坯的內部空間，在燒結前后將填充劑去除，留下的空間即為多孔鎢的孔隙。通過調整填充劑的大小和含量，可以實現對多孔鎢孔隙率和孔徑分布的精確調節(jié)。目前，有機泡沫、固態(tài)潤滑劑、鐵粉和氯化鈉等多種材料已被用作多孔鎢的填充劑。例如，采用球形鐵粉作為空間保持器，成功制備了具有超高孔隙率的多孔鎢骨架，為多孔鎢孔隙特性的調控提供了新的途徑。
(二)梯度多孔鎢的發(fā)展
隨著技術的進步和需求的增加，對多孔鎢的要求逐漸從單一孔隙結構向梯度多孔結構轉變。梯度多孔鎢的孔隙結構和孔隙大小隨著深度或距離變化，在多種應用領域具有廣泛的應用前景。鎢行業(yè)前景分析指出，通過控制制備過程中的燒結工藝、填充劑含量及大小、粉末粒度和層數等條件，可以實現對孔隙率和孔徑分布、大小和位置的調節(jié)，從而得到滿足不同應用需求的梯度結構。例如，采用不同粒度粉末熱壓燒結的方式，可以實現對所需梯度多孔鎢各層孔隙率和孔徑的有效控制，為其在更多領域的應用奠定基礎。
2025 年，鎢行業(yè)中多孔鎢材料的發(fā)展呈現出蓬勃態(tài)勢。多孔鎢憑借其獨特的性能在航天、電子、高溫等多個領域發(fā)揮著關鍵作用，成為推動鎢行業(yè)發(fā)展的重要力量。在其制備過程中，粉末特性、成形方法和燒結制度等因素對孔隙特性有著重要影響，通過優(yōu)化這些因素可以有效調控多孔鎢的孔隙結構，提升其性能。同時，空間填充劑的引入和梯度多孔鎢的發(fā)展為多孔鎢的研究和應用開辟了新方向。未來，隨著技術的不斷創(chuàng)新和研究的深入，多孔鎢有望在更多領域實現突破，進一步拓展其應用范圍，推動鎢行業(yè)持續(xù)發(fā)展，為相關產業(yè)的進步提供強有力的材料支持。
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