金屬絲網多孔材料研究進展

馬 軍，王建忠，吳 琛，李廣忠，楊保軍，敖慶波

西北有色金屬研究院金屬多孔材料國家重點實驗室,西安 710016

金屬絲網多孔材料是以金屬絲或金屬絲編織網為原料，通過編織、配網、軋制和高溫處理制成的一種多孔材料。作為一種有序金屬多孔材料，金屬絲網多孔材料具有價格低廉、制備方便、比表面積大、強度高、孔隙度和孔徑可控、可修飾性強等優點，在工業領域具有廣闊的應用前景[1]。早期，由于具有可控的多孔結構以及可復合疊加制備的三維孔道優勢，金屬絲網多孔材料多用于過濾分離領域[2]；此后，隨著科學技術的發展，金屬絲網多孔材料逐步擴展到催化、換熱及防護等領域。金屬絲網是由專用編織機編成，由經線和緯線構成的基本單層結構。根據經線和緯線相互交織的方式和規律，金屬絲網可以形成不同風格的網面，如平紋、斜紋等[1]。將多張單層金屬絲網復合后，再經高溫燒結可制備成復合金屬絲網，燒結復合金屬絲網最初用來制備微孔濾材，通常具有絲徑由粗到細的多層結構，分別起到保護層、過濾層、支撐層的作用[2]。金屬絲網多孔材料在傳統過濾領域和許多前沿科學領域都具有重要應用前景，而且已經在部分領域實現實際應用，但是目前還缺乏金屬絲網多孔材料在不同領域應用研究的報道，有必要對金屬絲網多孔材料的應用領域進行梳理，總結其相應的服役性能，為相關領域研究者提供參考。本文介紹了金屬絲網多孔材料在過濾分離、催化、換熱、防護等領域的應用進展，并對其研究方向和發展趨勢進行了展望。

1 金屬絲網多孔材料的應用

1.1 過濾分離

燒結金屬絲網多孔材料用做過濾材料具有顯著優勢[2]。首先，通過“低強度高精度+高強度低精度”金屬絲網的有機組合，實現了強度、透氣度和過濾精度的協同效應；其次，孔隙分布均勻，孔隙尺寸和過濾精度穩定可靠；再次，既具有其他多孔材料不具備的較高強度，又具有良好的耐高溫和抗腐蝕性能；最后，再生能力強，特別適用于過濾系統連續化生產和自動化控制?；谶@些優勢，燒結金屬絲網多孔材料自其誕生之日就在過濾分離領域得到廣泛的應用。

1.1.1 傳統過濾分離領域

圖1 所示為西安菲爾特金屬過濾材料有限公司制備的典型多層燒結金屬絲網外觀形貌，過濾精度在5～100 μm，其透氣性隨過濾精度的提高而降低。西北有色金屬研究院開發的鎳合金絲網燒結過濾元件成功用于核工業液體、氣體凈化過程，并制定了行業標準，其性能需滿足《EJ/T 20248-2020 核用鎳及鎳合金絲網燒結過濾元件規范》的要求[3]，如表1 所示。

圖1 典型多層燒結金屬絲網外觀形貌：（a）截面；（b）表面Fig.1 Appearance of the typical multilayer sintered metal wire mesh: (a) the cross section;(b) the surface

安泰科技股份有限公司開展310S 燒結金屬絲網高溫煤氣除塵的試驗研究，試驗溫度580～620 ℃，凈化后煤氣的含塵量達到10 mg?Nm-3以下（Nm3為標準立方米，normal cubic meter），過濾效率達到99.9%[4]。西北有色金屬研究院為多晶硅生產過程中的含塵氣體過濾提供了金屬絲網濾芯過濾器，其攔截效果良好，粉塵攔截率達到99.8%，達到工業氣體排放要求，使用壽命可以達到3 年以上，其過濾參數如表2 所示。

表2 金屬絲網過濾器的氣固過濾性能Table 2 Gas/solid filtration performance of the wire metal mesh filtration

西北有色金屬研究院李廣忠等[5]以超細粉末漿料技術為基礎，在氣固過濾精度約20 μm 的不銹鋼絲網管外表面制備了厚度在20～300 μm 的不銹鋼粉末膜層，該絲網復合膜管的氣固過濾精度可達1 μm 以下，透氣系數≥75 m3·h-1·kPa-1·m-2。這種絲網復合膜管在同等過濾精度條件下的透氣系數遠高于傳統金屬粉末復合膜管，并且其最大尺寸遠大于粉末復合膜管，已經應用在西門子高純晶硅生產的冷氫化、尾氣還原等工藝環節，為相關企業及行業帶來了極大的環保和經濟效益。

煤泥水處理是影響選煤廠生產和實現洗水閉路循環的決定性環節。王曉強[6]考察了15μm 和45 μm兩種孔徑的金屬絲網對煤泥水的過濾效果，結果如表3 所示?？梢钥闯?，兩種孔徑的金屬絲網均對煤泥水料液中的懸浮物有很好的攔截作用，濾出液中懸浮物含量均達到選煤廠循環水的標準，即0.5 g?L-1以下。

表3 絲網孔徑對濾出液的影響[6]Table 3 Effect of mesh pore size on the cleaned water[6]

此外，金屬絲網過濾器已成功應用于保護固定床催化反應器以及改善加氫裂化反應等煉化過程和催化裂化過程。該過濾器孔結構穩定，濾孔分布均勻，可以形成較均勻的濾餅，分離效果良好，催化劑脫除率可達到97%以上[7]。

1.1.2 新型過濾分離領域

除了應用于傳統過濾領域外，還可通過對絲網進行表面修飾，使金屬絲網多孔材料對油、水具備不同的浸潤性，從而應用于油水分離等新型過濾領域。張宏杰[8]通過層層枝接法在不銹鋼絲網表面涂覆硅烷偶聯劑，隨后再在其表面接枝一層硅烷化有機物，形成超疏水層，顯微形貌如圖2 所示。改性后的金屬絲網對水的接觸角為159o，對油的接觸角為0°，油可以順利透過絲網，而水被攔截，實現了油水分離。

圖2 表面改性前后不銹鋼絲網表面（（a）～（c））及截面（d）顯微形貌（框內小圖是未修飾金屬絲網表面形貌）[8]Fig.2 Scanning electron microscope (SEM) images of the stainless steel wire mesh in the surface ((a)～(c)) and cross-sectional (d)view before and after surface modification (the insets illustrate the original mesh before surface modification)[8]

本課題組采用溶膠-凝膠法在鈦絲網表面構建了TiO2納米線（厚度約0.6 μm），形成了超親水/水下超疏油分離膜，如圖3 所示。構建TiO2納米線后，水下油接觸角（二氯甲烷為例）從114°提升至(156±0.5)°，油滴滾動角約8°～10°，油水分離效率（以環己烷為例）大于99%。此外，TiO2修飾的鈦絲網對強酸、強堿、高鹽、高溫環境具有較好耐受性，在上述環境下水下油接觸角均未發生顯著變化。

圖3 金屬絲網表面的水下油接觸角（a）和滾動角（b）Fig.3 Under-water oil contact angle (a) and oil sliding angle (b) of the mesh

1.2 催化

金屬絲網的高比表面積、良好的可修飾性和高導電性使其非常適于用作催化劑載體，通過在其表面沉積不同形貌的催化劑，可以制成催化效率高、再生能力強的催化材料，目前已成為催化領域的研究熱點。

1.2.1 光催化領域

光催化領域存在光催化劑再循環過程分離困難問題，具有高比表面積和高導電性的金屬絲網多孔材料可以解決此難題。Chang 等[9-10]采用電沉積法在不銹鋼絲網表面制備花狀Bi2WO6和BiOBr 納米催化劑結構，再在納米結構表面沉積納米Ag 顆粒。結果表明，在催化反應過程中產生的光致電荷從Bi2WO6-Ag 納米催化劑表面順利進入與納米結構緊密接觸的不銹鋼絲網，從而與催化劑分離，促進了催化劑再循環。不銹鋼絲網基體上的三維納米結構增大了催化劑與染料分子的接觸面積，Ag 納米顆?？蓪⒐馕兆V從紫外線擴展到可見光，顯著改善了光吸收-催化性能。

Hsu 和Chang[11]利用金屬絲網多孔材料制備具有良好浸潤性和導電性的多級孔結構催化劑。將孔徑為400 μm 的不銹鋼絲網浸入硝酸鋅和硝酸銀的水合物溶液中，經95 ℃干燥后生長出摻雜Ag 的ZnO 納米棒，形成絲網-納米棒多級孔結構，顯微形貌如圖4 所示。該結構具有良好的親水性，接觸角接近于0°，而且對Food Black 2 dye 染料溶液具有良好的降解能力，圖5（a）為染料降解脫色至化學需氧量（COD）為0 所需要的時間。該多級孔結構催化劑降解機制如圖5（b）所示，在可見光輻照下，催化劑會俘獲能量等于或高于催化劑能隙的電子，從而產生電子-空穴對；光致電子與O2反應產生超氧陰離子自由基（O2-），而光致空穴與水分子反應產生羥基（OH-），這些自由基可以分解諸如FB2 染料之類的有機大分子。如果電子-空穴對不能順利被分離，催化效率將會降低，而高導電性金屬絲網促進了電子的分離輸運。Li 等[12]采用水熱法和光致還原方法在Ti 絲網表面制備N 摻雜的TiO2薄膜（厚度增加到40 nm），并沉積納米Ag 顆粒，其對雙酚-A（BPA）的光催化降解效率達到每小時90.5%，這主要歸結于其較高的光能利用率和物質傳輸率。

圖4 不銹鋼絲網顯微形貌（a）及其表面摻雜Ag-ZnO 納米棒光催化結構（b）[11]Fig.4 SEM image of the stainless steel wire mesh (a) and the catalyzing structure of ZnO nano-rads doped with Ag (b)[11]

圖5 Ag 摻雜ZnO 納米棒修飾不銹鋼絲網對染料溶液的催化效果（a）和催化機理（b）[11]；（C/C0 為降解前后化學需氧量（COD）的比值，（a）中圖標M 后數字代表絲網目數，T6P、T6PS1、T6PS2、T6PS3 代表硝酸銀溶液濃度為0、0.01、0.015 和0.02 mol·L-1）Fig.5 Catalytic effect (a) and catalytic mechanism (b) of the Ag-doped and ZnO nano-rods modified stainless steel wire mesh[11]

1.2.2 污染物檢測

經過表面修飾的金屬絲網催化結構也可用于有機污染物探測。5-硝基愈創木酚是一種污染自然水源的有害物質，為了快速檢測其濃度，Hao 等[13]在Ti 絲網表面電沉積一層樹枝狀Ag 涂層，如圖6所示，將Ti-樹枝狀Ag 絲網作為陰極，檢測其對水溶液的電化學響應。研究表明，當5-硝基愈創木酚存在時，Ti-樹枝狀Ag 絲網陰極出現了明顯的陰極電流峰，從而實現了污染物的快速檢測。這是因為Ti 絲網上的樹枝狀Ag 對5-硝基愈創木酚起到了催化還原作用，同時具有高長徑比和納米尖端的樹枝Ag 相較于納米顆粒Ag 可以更有效地將電子傳導到電極表面，顯著提高了電化學響應效率。

圖6 Ti 絲網原始表面（a）及電沉積Ag 后表面形貌（（b）～（d））[13]Fig.6 SEM images of the original (a) and Ag-deposited ((b)～(d)) Ti mesh[13]

1.2.3 汽車尾氣凈化領域

金屬絲網多孔材料也被廣泛用于汽車尾氣凈化過程中的過濾器兼催化劑載體。相較于陶瓷過濾器，金屬過濾器具有更好的塑性和熱穩定性。由于過濾器中的油煙堵塞會引起壓降上升，降低內燃機效率，因此過濾器需要具備再生能力。含鉀催化劑具有高活性，可以低溫氧化油煙。Su 等[14]使用聚乙烯醇醛樹脂（PVB）并通過溶膠凝膠法在316 不銹鋼絲網表面制備較厚的含鉀玻璃催化劑層。研究表明，相較無催化層的絲網樣品，含催化層絲網對煙氣顆粒的氧化溫度下降了約200 ℃。Banús 等[15]將多層304 不銹鋼絲網作為柴油機尾氣凈化器的催化劑載體，表面附著預合成的Co、Ba、K/CeO2催化劑（圖7（a）），含催化劑絲網在接近400 ℃時對1 mg/cm2濃度油煙顆粒的催化效率達到100%（圖7（b）），同時對油煙的降解效果優于其他類型的內燃機油煙過濾器。

圖7 金屬絲網油煙過濾器外觀（a）及油煙降解率和反應溫度關系（b）[15]Fig.7 Appearance of the wire-mesh structured substrate (a) and the relationship between soot conversion and temperature (b)[15]

Sanz 等[16]用浸漬-燒結法在多層304 不銹鋼絲網基體表面獲得了Pt/Mn 基八面體分子篩多功能催化劑，測試了其對甲苯和甲醇氣體的催化氧化效果。結果表明，由于比表面積更大，絲網基體相較于蜂窩基體可以承載更多的催化劑，因此絲網基體催化劑的催化效率高于蜂窩基體催化劑。

1.2.4 石化領域

金屬絲網作為催化劑載體也被用于石化領域，通過甲烷催化不完全氧化反應制備一氧化碳和氫氣混合氣體。Rogozhnikov 等[17]在FeCrAl 絲網表面涂覆高結合力θ-Al2O3涂層，然后將絲網浸入含有金屬元素銠（Rh）的氯鹽溶液中，最后經850 ℃燒結制備Rh/θ-Al2O3/FeCrAl 絲網復合催化材料，如圖8（a）所示。在高溫反應過程中，FeCrAl 基體可以將反應熱迅速散發出去，因此除了在反應初始階段以外，復合催化材料溫度都保持在800～850 ℃之間，且經20 h 運行以及4 次開關循環后，絲網表面的Rh/θ-Al2O3納米結構保持完整，顆粒未長大，如圖8（b）所示，顯示出了良好的熱穩定性。

圖8 Rh/θ-Al2O3/FeCrAl 絲網復合催化材料外觀（a）和高溫運行后絲網表面催化劑微觀結構（b）[17]Fig.8 Appearance of the Rh/θ-Al2O3/FeCrAl composite catalyst (a) and SEM image of the Rh/θ-Al2O3/FeCrAl composite catalyst after high-temperature reaction (b)[17]

石化運行過程中產生的酚類污染物對生物健康產生極大危害，催化濕空氣氧化工藝可以有效降低這類污染物的降解溫度和壓力，縮短反應時間，達到對其完全降解的效果。Brussino 等[18]將CuO/TiO2-ZrO2催化劑通過浸漬、干燥、高溫氧化燒結工藝固定于304 不銹鋼絲網表面，形成絲網基體催化劑，與顆粒狀CuO/TiO2-ZrO2催化劑對比發現，兩者在降解酚類污染物能力上沒有區別，但是經過900 ℃燒結處理的絲網基體CuO/TiO2-ZrO2催化劑中Cu損失率僅為1.2%，遠低于顆粒狀催化劑的68%。

1.3 高效換熱

為了提高換熱器的換熱效率，經常采用金屬絲網與換熱表面相結合的方式制備換熱器。Fu 等[19]用熱噴涂法在鋁絲網和鋁管的接觸部位涂覆了鋁涂層，以此將二者緊密連接在一起，形成具有良好熱導率的絲網-U 型管液/氣換熱器，用于回收天然氣爐的廢熱，如圖9（a）所示。絲網和U 型管（管中通冷卻水）垂直于熱空氣流入方向，與之發生充分熱交換，實現換熱目的。測量流經換熱器的熱空氣前后溫度，結果圖9（b）所示。由圖可知，絲網-U 型管換熱器能使熱空氣溫度降低更多，可高效回收熱空氣的廢熱，其中采用20 PPI（pores per inch）絲網制成的“絲網-U 型管”換熱器比光管換熱器的換熱系數提高25.9%。

Kurian 等[20]為了促進液/氣換熱器氣體端的熱交換，在銅管外表面鋪設了多層不銹鋼絲網，如圖10 所示。將絲網疊成和銅管高度一樣的厚度，然后在絲網中切出和銅管外徑一樣大小的圓孔，將銅管塞入孔中，便制成了具有絲網多孔換熱表面的液/氣換熱器。將換熱器垂直放置于風道中，其換熱性能遠高于光表面和泡沫金屬表面換熱器。絲網表面換熱器優良的換熱性能主要來源于其高效氣流分散效應，由于多層絲網孔道曲折復雜，且具有合適的孔徑，氣體在絲網內部產生亂流，并與絲網發生較長時間接觸，實現了充分的熱交換。這種氣流分散效應僅與孔隙度有關，而與材料熱導率關系不大。因此金屬絲網表面換熱器是一種高性價比的換熱材料。

圖10 具有絲網多孔換熱表面的液/氣換熱器外觀[20]Fig.10 Appearance of the wire mesh heat exchanger[20]

金屬絲網多孔材料的高比表面積和低流阻特性使其成為一種良好的強化沸騰傳熱基材。Kim 等[21]采用王水溶液對單層304 不銹鋼絲網表面進行電化學腐蝕，制備了具有高親水性（濕表面條件下水接觸角為23°）的微納多孔表面，顯微結構如圖11所示。池沸騰強化換熱性能的研究表明，與光面SiO2基體相比，當工質為水時，微納多孔表面結構的臨界熱流密度（critical heat flux density，CHF）提高了84%。絲網表面由于過熱已形成干點時，液相會在毛細力作用下吸入絲網結點處，并沿著具有微納孔結構親水表面的金屬絲向干點中心擴展，從而抑制干點的擴大，降低了干點溫度，延遲了表面整體蒸汽膜的出現，并且使得加熱壁面熱量分布更加均勻，從而顯著提高了臨界熱流密度。

圖11 304 不銹鋼絲網表面多孔結構[21]Fig.11 Porous structure on the 304 stainless steel wire mesh surface[21]

Pastuszko[22]將銅絲網覆蓋在銅翅片上端制成復合多孔表面，如圖12（a）所示，其池沸騰強化傳熱系數相較于光表面提高了6.5 倍。在沸騰過程中，液相從絲網孔中吸入翅片通道中，形核點出現在翅片通道中，然后氣泡上升到絲網表面長大、脫離，如圖12（b）所示。綜上所述，金屬絲網多孔材料由于其高比表面積和良好的可加工性，使其在氣相和液相換熱領域顯示出明顯優勢，而且經過對其表面進行修飾并和其他多孔表面（如翅片）組合可以顯著提升沸騰傳熱性能，可作為一類價格低廉且適用性廣的換熱材料推廣應用。

圖12 銅絲網-銅翅片沸騰換熱器表面相貌（a）和換熱機理（b）[22]（a—孔徑，Pp—節距，?t0-1—等待期，?t1-2—生長期，?t2-3—攝入期，db—逸出氣泡的直徑）Fig.12 Surface appearance of the copper wire mesh-copper fin boiling heat exchanger (a) and heat transfer mechanism (b)[22]

1.4 防護

金屬絲網特有的多孔網格可以有效地吸收爆炸能量或抑制火焰傳播，在爆燃和沖擊防護領域具有廣闊應用前景。面密度為4.3 kg·m-2的不銹鋼編織網可以將爆炸沖擊波峰值壓力降低6.6%[23]，雖然降低幅度并不高，但是絲網的重量遠小于致密材料，部署方便。Dai 等[24]研究了30～80 目雙層不銹鋼絲網對面粉爆炸火焰的阻燃效果，其阻燃機理是：當火焰穿透絲網時，一部分熱被吸收，同時火焰擴展過程也被墻效應所阻擋，由于絲網表面積大，火焰通過絲網時其反應熱輻射與結構表面作用，大部分輻射被絲網吸收，因此火焰燃燒強度降低，擴展被抑制。Cui 等[25]研究表明，隨著絲網目數的提高，通過第二層絲網的火焰減弱，且目數為80 時，火焰熄滅；第一層放置低目數絲網，第二層放置高目數絲網，更有利于抑制火焰傳播，熄滅火焰。如圖13 所示，當火焰遇到第一層絲網時，其擴展速度較快，絲網打斷了燃燒的鏈式反應，減弱了火焰，同時絲網吸收燃燒熱，降低火焰擴展速度；當殘留火焰到達第二層絲網時，高目數絲網吸收了更多的火焰，抑制效應更明顯。當火焰通過第一層后被分割為小塊并繼續前進，如果絲網間距增加，小塊火焰就不斷聚合直到遇到第二層絲網，因此促進了燃燒強度。如果絲網間距減小，被分割的小塊火焰難以快速聚合，隨即被第二層絲網阻擋。甲烷爆炸的抑制效果表明，與單層絲網相比，雙層絲網的防護效果更好，顯著降低了爆炸壓力峰值和壓力波動；同時，雙層絲網也破壞了甲烷爆炸的鏈式反應，可有效保證工業管線在爆炸事故中的安全性。提高第二層絲網的目數或增加絲網層數均可提高防護效果。

圖13 雙層絲網火焰抑制機理[24]：（a）絲網間隔5 cm；（b）絲網間隔1 cmFig.13 Flame suppression mechanism of the double wire mesh[24]: (a) separation distance 5 cm;(b) separation distance 1 cm

上述研究充分證實了金屬絲網對爆燃沖擊防護的效果，對其進一步優化有望同時提高其火焰熄滅和沖擊波防護性能，在需要考慮爆炸沖擊防護的場合，將重量輕且部署方便的金屬絲網作為第一道防護措施可以有效降低爆燃火焰和沖擊波強度，為后續防護措施提供支持。

2 金屬絲網材料的應用改進方向

除了傳統過濾領域外，金屬絲網已在多種不同領域得到應用，主要通過對絲網進行修飾改性或與其他材料復合，使其具有更高和更新穎的性能。目前這些改性金屬絲網材料還未實現深入的商業化應用。為此可以借鑒在過濾分離領域的應用經驗，利用金屬絲網廉價、尺寸外形可靈活控制的優勢，制備大規格的過濾、催化、換熱、爆燃防護材料，推進其大規模工程應用。西北有色金屬研究院已實現長度＞1800 mm、直徑≥30 mm 的粉末-絲網復合膜管的大規模生產，為國內眾多多晶硅生產廠家供貨10000 多支，產生直接經濟效益3000 多萬元。近年來對金屬絲網的修飾改性主要局限于不銹鋼、銅合金等絲網材料，可進一步研究鈦合金、鎳基超合金、高熵合金材質的絲網修飾改性，拓展其在生物、高溫、核工業等領域的應用。目前，對金屬絲網的表面修飾研究集中于單一性能的優化，如催化、油水分離、耐腐蝕等，而實際應用場合中可能同時存在多種需求，比如核工業廢液的過濾既要濾材具有油水分離性能又具有耐腐蝕性能等，為此需要開發面向多目標優化的金屬絲網表面修飾技術，以拓展其應用領域。

3 結論與展望

金屬絲網多孔材料由于其獨特的孔隙結構，在過濾分離、催化、高效換熱、沖擊防護等領域具有巨大的應用前景。在過濾分離領域，金屬絲網除了發揮高穩定性、高通量、高精度的優勢外，還可通過“修飾”金屬絲表面以改善其油/水浸潤特性，將其用于油水分離行業；在金屬絲網表面制備一層亞微米級甚至納米級孔徑的金屬膜，可應用于核工業、水處理等高精度過濾分離行業。在催化領域，將金屬絲網的材質與催化劑匹配并細化絲徑，通過調整孔壁形貌可進一步優化催化性能。在換熱領域，將金屬絲網與泡沫金屬或燒結金屬粉末多孔材料以及翅片材料等結合，可以發揮各自孔結構和高比表面積等優勢，促進金屬絲網多孔材料的沸騰強化傳熱性能。在沖擊防護領域，通過調整金屬絲網的孔隙結構，與復網組合，可進一步優化其抑爆抗沖擊性能。作為一種傳統的低成本多孔金屬功能材料，金屬絲網多孔材料并未隨著技術進步而落后，反而由于其廣泛的適用性在不同的工業領域得到越來越多的關注和應用。