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【摘 要】在自然界当中，任何材料都不是绝对密实的，其内部都或多或少地存在孔隙或某些缺陷，它们的存在在某种程度上都对材料的许多性质产生着非常重要的影响，所以，从根本上认识材料内部孔隙及其特征，并弄清其形成和变化规律，对于正确控制、选择和使用材料以及按所需性能设计和制造材料都有着非常重要的意义。
【关键词】孔隙；结构特征；关系
1.材料内部孔隙的基本结构特征
1.1孔结构特征
材料内部孔隙的多少和大小反映了材料的致密程度或疏松程度。材料的许多性质，如表观密度、强度、吸水性、抗渗性、耐水性、抗冻性、导热性及耐蚀性等，都与其孔隙结构特征有密切的关系。孔隙结构特征主要是指孔隙的构造和大小。材料内部孔隙的构造，可分为连通孔隙与封闭孔隙两种。孔隙大小分可分为极微细孔隙、细小孔隙和较粗大孔隙。孔隙的结构特征对材料的性能影响很大。
1.2孔隙分布
孔隙分布表示不同尺寸的孔隙所占的比例。对于固体，给定大小孔隙所占有的容积分数要比总孔容积更为重要。目前习惯将多孔物质的内孔粗略地分为三大类，即极微细孔隙、细小孔隙和较粗大孔隙。很显然，将一个给定多孔固体的孔隙分成三大类本身就意味着存在孔径大小分布。
不同孔隙的尺寸及其体积可由水银压入法测出。由拉普拉斯公式可知，接触角θ大于90?的液态水银难于进入小孔（即普通的毛细管下降现象），利用外加压力可以克服表面张力带来的阻力，因此，充满孔隙所需的压力是孔径大小的函数。迫使水银进入给定大小孔隙所需的压力符合拉普拉斯（Laplace）公式：
式中 r------毛细管半径（?）；
g------水银的表面张力（N/m）；
θ------水银与被测多孔固体材料的接触角；
P------压入水银的压力（N/mm2）。
根据所施加的压力值P，便可求出相对应的孔径尺寸r，由水银压入量可求出对应尺寸的孔体积，由此可算出孔体积随孔径大小变化的曲线，即孔径分布曲线。
设孔径大小分布函数为D（r），令半径等于r和r+dr之间的总孔容积为dV，则
dV=D（r）dr （1）
由拉普拉斯公式Pr=-2rcosθ，各得：
Pdr+rdP=0
即 （2）
将（2）式代入（1）式得到：
（3）
由压汞测孔仪所得的容积是半径大于r的所有孔隙的容积，而总孔容积V0减去半径小于r的孔容积V，将实验测得（V0-V）对P作图，得到压力曲线，其斜率，这样可将（3）式重新写成：
（4）
通过图解微分，将D（r）对r绘制曲线，即得到孔径分布曲线。
2.材料内部孔隙与其基本物理性质的依存关系
2.1表观密度
表观密度是材料在自然状态下单位体积的质量，可用下式表示：
式中m------材料的质量（kg）；
Vo------材料在自然状态下的体积（m3）。
材料在自然状态下的体积是构成材料的固体物质的体积与全部孔隙体积之和。显然，材料的表观密度与其孔隙率有直接关系。随孔隙率的不同，材料的表观密度有很大的波动，例如轻砼的表观密度为400～1900kg/m3，而密实砼达2600kg/m3。
2.2吸水性
吸水性是材料吸收水分的能力，用吸水率表示。
（1）质量吸水率：
（5）
式中 m------材料在干燥状态下的质量（g）；
m1-----材料在浸水饱和状态下的质量（g）。
（2）体积吸水率：
（6）
式中 Vo------表观体积（cm3）；
------水的密度（g/cm3）。
由（5、6）式可以看出，體积吸水率就是材料的开口孔隙率。
材料的吸水性，除取决于材料本身是亲水的还是疏水的以外，主要与其孔隙率的大小及孔隙结构特征有关。一般孔隙率愈大，其吸水性也愈强。封闭孔隙，水分不易进入；粗大开口的孔隙，不易吸满水分；具有很多微小开口孔隙的材料，其吸水能力特别强。水在材料中对材料性质将产生不良的影响，它使材料的表观密度和导热性增大，强度降低，体积膨胀。
为了根据吸水率来判断材料的孔隙结构，可利用孔隙水饱和系数：
式中 WV------材料的体积吸水率（%）；
P------材料的孔隙率（%）。
KB可由0（材料中的孔隙全部为封闭的）到1（材料的所有孔隙全部是开口的，WV=P）。在孔隙率相同的情况下，KB小说明开口孔隙少，一般来说抗冻性能较高。
2.3抗渗性
抗渗性是材料抵抗压力水渗透的能力。材料抗渗性的好坏，与材料的孔隙率和孔隙特征有密切关系。绝对密实的材料，具有封闭孔隙或极细孔隙的材料，实际上是不透水的，毛细孔是透水的主要通道。
2.4抗冻性
抗冻性是浸水饱和的材料能够经受多次冻融的性能。材料受冻融破坏，主要是材料孔隙中的水分结冰所引起的。水结冰时体积增大约9%（ρ冰=0.918g/cm3），当材料孔隙充满水时，由于水结冰体积膨胀，孔壁表面受到很大的压力，孔壁产生拉应力。当拉应力超过材料的抗拉强度时，孔壁将发生局部开裂。随着冻融次数的增加，材料破坏愈加严重。
材料抗冻性好坏，取决于材料吸水饱和程度、孔隙结构特征和抵抗结冰应力的能力。如果孔隙充水不多，远未达到饱和，有足够的自由空间，即使受冻，也不致产生冰晶应力。极细的孔隙虽然能充满水分，可是孔壁对水的吸附力极大，冰点很低，一般负温下水不会结冰；粗大孔隙水分不能充满其中；闭口孔隙水分不能渗入，对冰冻破坏起缓冲作用。毛细管孔隙，既易充满水分，又能结冰，所以对材料的冰冻破坏作用影响很大。 2.5导热性
导热性是材料传导热量的能力，用導热系数（λ）表示。材料的导热系数在很大程度上取决于孔隙率和孔隙特征。在含孔材料中，热是通过固体骨架和孔隙中空气而传递的。空气的导热系数很小，为0.025W/m·k，而构成固体骨架的物质均具有较大的导热系数。因此，材料的孔隙率愈高，即空气愈多，导热系数愈小。由微细而封闭孔隙组成的材料，与由粗大而连通孔隙组成的材料比较，前者导热要小，这是因为粗大而连通的孔隙中的空气可能产生热对流，致使传递的热量增加。
3.材料内部孔隙与其力学性质的关系
材料的实际结构中，存在着许多缺陷，如晶格的错位、杂质、孔隙、微裂缝等。当材料受外力作用时，在缺陷端部易产生应力集中，其局部应力将大大超过平均应力，引起裂缝不断扩展、延伸以致互相连通起来，最后导致材料的破坏。
1921年，格列菲斯（Griffith）根据裂缝假说，提出了关于理想脆性材料Griffth理论，把材料的强度与表面能、裂缝尺寸联系起来。假定材料中有一长度为2c的椭圆形裂缝，当材料受拉时，裂缝扩展，材料释放的弹性能力：
裂缝扩展产生了新表面，所需表面能为S=4cg，g为材料的表面自由能，所以总能量为：
当d/dc≤0时，裂缝开展使总能量降低，于是裂缝自发开展，导致材料破坏。由此条件可得到材料的理论抗拉强度为：
上式表示材料中裂缝尺寸对抗拉强度的影响，裂缝尺寸越大，材料的强度越低。可见，决定材料强度的不是总孔隙率，而是孔隙结构特性。因此，英国学者布雷恰（Brichall）等人通过实验，提出一个观点：决定材料强度的关键在于材料中某种尺寸以上的大孔所占的比例，大孔所占的比例越少，最大尺寸孔的孔径越小，则强度越高。根据这个观点及所得实验结果，他们配制了一种被称为MDF（Macro-Defect-Free）水泥，其抗折强度在100MPa以上，总孔隙率达15%左右，并且使一般水泥系材料的脆性得到根本的改变，满足于轻质高强多功能的要求。可以认为，由于这种材料中所含的孔隙的尺寸一般小于十μm，正处于长程力的作用范围，因此，这样的孔对强度无妨碍，对改性却有益。
无机非金属材料大多数是多孔材料，因此，提高材料强度的正确途径不在于一味降低总孔隙率，而是要通过原材料选择及适当的工艺措施使孔隙细化、均匀化。
4.结论
材料内部孔隙及其结构特征是影响材料基本物理力学性质的主要因素。因此，研究建立材料内部孔隙及结构特征与其基本物理力学性质之间的变化规律或依存关系，在设计和制造材料时只要合理控制材料内部的孔隙率和孔隙结构特征，就可以获得指定性能的材料。
【关键词】孔隙；结构特征；关系
1.材料内部孔隙的基本结构特征
1.1孔结构特征
材料内部孔隙的多少和大小反映了材料的致密程度或疏松程度。材料的许多性质，如表观密度、强度、吸水性、抗渗性、耐水性、抗冻性、导热性及耐蚀性等，都与其孔隙结构特征有密切的关系。孔隙结构特征主要是指孔隙的构造和大小。材料内部孔隙的构造，可分为连通孔隙与封闭孔隙两种。孔隙大小分可分为极微细孔隙、细小孔隙和较粗大孔隙。孔隙的结构特征对材料的性能影响很大。
1.2孔隙分布
孔隙分布表示不同尺寸的孔隙所占的比例。对于固体，给定大小孔隙所占有的容积分数要比总孔容积更为重要。目前习惯将多孔物质的内孔粗略地分为三大类，即极微细孔隙、细小孔隙和较粗大孔隙。很显然，将一个给定多孔固体的孔隙分成三大类本身就意味着存在孔径大小分布。
不同孔隙的尺寸及其体积可由水银压入法测出。由拉普拉斯公式可知，接触角θ大于90?的液态水银难于进入小孔（即普通的毛细管下降现象），利用外加压力可以克服表面张力带来的阻力，因此，充满孔隙所需的压力是孔径大小的函数。迫使水银进入给定大小孔隙所需的压力符合拉普拉斯（Laplace）公式：
式中 r------毛细管半径（?）；
g------水银的表面张力（N/m）；
θ------水银与被测多孔固体材料的接触角；
P------压入水银的压力（N/mm2）。
根据所施加的压力值P，便可求出相对应的孔径尺寸r，由水银压入量可求出对应尺寸的孔体积，由此可算出孔体积随孔径大小变化的曲线，即孔径分布曲线。
设孔径大小分布函数为D（r），令半径等于r和r+dr之间的总孔容积为dV，则
dV=D（r）dr （1）
由拉普拉斯公式Pr=-2rcosθ，各得：
Pdr+rdP=0
即 （2）
将（2）式代入（1）式得到：
（3）
由压汞测孔仪所得的容积是半径大于r的所有孔隙的容积，而总孔容积V0减去半径小于r的孔容积V，将实验测得（V0-V）对P作图，得到压力曲线，其斜率，这样可将（3）式重新写成：
（4）
通过图解微分，将D（r）对r绘制曲线，即得到孔径分布曲线。
2.材料内部孔隙与其基本物理性质的依存关系
2.1表观密度
表观密度是材料在自然状态下单位体积的质量，可用下式表示：
式中m------材料的质量（kg）；
Vo------材料在自然状态下的体积（m3）。
材料在自然状态下的体积是构成材料的固体物质的体积与全部孔隙体积之和。显然，材料的表观密度与其孔隙率有直接关系。随孔隙率的不同，材料的表观密度有很大的波动，例如轻砼的表观密度为400～1900kg/m3，而密实砼达2600kg/m3。
2.2吸水性
吸水性是材料吸收水分的能力，用吸水率表示。
（1）质量吸水率：
（5）
式中 m------材料在干燥状态下的质量（g）；
m1-----材料在浸水饱和状态下的质量（g）。
（2）体积吸水率：
（6）
式中 Vo------表观体积（cm3）；
------水的密度（g/cm3）。
由（5、6）式可以看出，體积吸水率就是材料的开口孔隙率。
材料的吸水性，除取决于材料本身是亲水的还是疏水的以外，主要与其孔隙率的大小及孔隙结构特征有关。一般孔隙率愈大，其吸水性也愈强。封闭孔隙，水分不易进入；粗大开口的孔隙，不易吸满水分；具有很多微小开口孔隙的材料，其吸水能力特别强。水在材料中对材料性质将产生不良的影响，它使材料的表观密度和导热性增大，强度降低，体积膨胀。
为了根据吸水率来判断材料的孔隙结构，可利用孔隙水饱和系数：
式中 WV------材料的体积吸水率（%）；
P------材料的孔隙率（%）。
KB可由0（材料中的孔隙全部为封闭的）到1（材料的所有孔隙全部是开口的，WV=P）。在孔隙率相同的情况下，KB小说明开口孔隙少，一般来说抗冻性能较高。
2.3抗渗性
抗渗性是材料抵抗压力水渗透的能力。材料抗渗性的好坏，与材料的孔隙率和孔隙特征有密切关系。绝对密实的材料，具有封闭孔隙或极细孔隙的材料，实际上是不透水的，毛细孔是透水的主要通道。
2.4抗冻性
抗冻性是浸水饱和的材料能够经受多次冻融的性能。材料受冻融破坏，主要是材料孔隙中的水分结冰所引起的。水结冰时体积增大约9%（ρ冰=0.918g/cm3），当材料孔隙充满水时，由于水结冰体积膨胀，孔壁表面受到很大的压力，孔壁产生拉应力。当拉应力超过材料的抗拉强度时，孔壁将发生局部开裂。随着冻融次数的增加，材料破坏愈加严重。
材料抗冻性好坏，取决于材料吸水饱和程度、孔隙结构特征和抵抗结冰应力的能力。如果孔隙充水不多，远未达到饱和，有足够的自由空间，即使受冻，也不致产生冰晶应力。极细的孔隙虽然能充满水分，可是孔壁对水的吸附力极大，冰点很低，一般负温下水不会结冰；粗大孔隙水分不能充满其中；闭口孔隙水分不能渗入，对冰冻破坏起缓冲作用。毛细管孔隙，既易充满水分，又能结冰，所以对材料的冰冻破坏作用影响很大。 2.5导热性
导热性是材料传导热量的能力，用導热系数（λ）表示。材料的导热系数在很大程度上取决于孔隙率和孔隙特征。在含孔材料中，热是通过固体骨架和孔隙中空气而传递的。空气的导热系数很小，为0.025W/m·k，而构成固体骨架的物质均具有较大的导热系数。因此，材料的孔隙率愈高，即空气愈多，导热系数愈小。由微细而封闭孔隙组成的材料，与由粗大而连通孔隙组成的材料比较，前者导热要小，这是因为粗大而连通的孔隙中的空气可能产生热对流，致使传递的热量增加。
3.材料内部孔隙与其力学性质的关系
材料的实际结构中，存在着许多缺陷，如晶格的错位、杂质、孔隙、微裂缝等。当材料受外力作用时，在缺陷端部易产生应力集中，其局部应力将大大超过平均应力，引起裂缝不断扩展、延伸以致互相连通起来，最后导致材料的破坏。
1921年，格列菲斯（Griffith）根据裂缝假说，提出了关于理想脆性材料Griffth理论，把材料的强度与表面能、裂缝尺寸联系起来。假定材料中有一长度为2c的椭圆形裂缝，当材料受拉时，裂缝扩展，材料释放的弹性能力：
裂缝扩展产生了新表面，所需表面能为S=4cg，g为材料的表面自由能，所以总能量为：
当d/dc≤0时，裂缝开展使总能量降低，于是裂缝自发开展，导致材料破坏。由此条件可得到材料的理论抗拉强度为：
上式表示材料中裂缝尺寸对抗拉强度的影响，裂缝尺寸越大，材料的强度越低。可见，决定材料强度的不是总孔隙率，而是孔隙结构特性。因此，英国学者布雷恰（Brichall）等人通过实验，提出一个观点：决定材料强度的关键在于材料中某种尺寸以上的大孔所占的比例，大孔所占的比例越少，最大尺寸孔的孔径越小，则强度越高。根据这个观点及所得实验结果，他们配制了一种被称为MDF（Macro-Defect-Free）水泥，其抗折强度在100MPa以上，总孔隙率达15%左右，并且使一般水泥系材料的脆性得到根本的改变，满足于轻质高强多功能的要求。可以认为，由于这种材料中所含的孔隙的尺寸一般小于十μm，正处于长程力的作用范围，因此，这样的孔对强度无妨碍，对改性却有益。
无机非金属材料大多数是多孔材料，因此，提高材料强度的正确途径不在于一味降低总孔隙率，而是要通过原材料选择及适当的工艺措施使孔隙细化、均匀化。
4.结论
材料内部孔隙及其结构特征是影响材料基本物理力学性质的主要因素。因此，研究建立材料内部孔隙及结构特征与其基本物理力学性质之间的变化规律或依存关系，在设计和制造材料时只要合理控制材料内部的孔隙率和孔隙结构特征，就可以获得指定性能的材料。