颗粒堆积多孔刚玉的孔结构调控及其对渗透率的影响机制研究

为解决冶金用多孔材料孔结构调控困难、渗透机理不明的问题，研究人员通过调控粗骨料/基体比和临界粒径制备颗粒堆积多孔刚玉，发现孔结构参数（表观孔隙率、表面分形维数）分别主导Darcian渗透率和非Darcian渗透率，为工业级多孔介质渗透性能精准调控提供理论依据。

　　

在冶金工业中，多孔材料作为气体吹入熔体的关键功能部件，其渗透性能直接影响金属熔体的成分均匀性、杂质去除效率和产品纯度。然而，传统制备方法如烧失法、模板法等存在产物强度低、工艺污染大等问题，而颗粒堆积法（particle-packing method）虽能兼顾高机械强度与优异渗透性，却因孔结构复杂（孔径范围横跨纳米至毫米级）、参数调控机制不明，严重制约其工业化应用。

针对这一难题，湖南理工学院（Hunan Institute of Technology）Hu Chen团队在《Powder Technology》发表研究，采用近等粒板状刚玉骨料（2-1/1-0.5/0.5-0 mm）与细粉（d₅₀=0.045 mm），以活化Al₂O₃微粉为添加剂、麦芽糖溶液为粘结剂，通过压缩成型-高温烧结工艺制备颗粒堆积多孔刚玉。研究创新性地通过调控粗骨料/基体比（7:3至2:8）和骨料临界粒径（2 mm至0.5 mm），系统考察了孔结构参数与气体渗流行为的关联机制。

关键技术包括：（1）采用分级粒径的板状刚玉构建多级孔结构；（2）通过压汞法测定孔径分布与表面分形维数；（3）基于Forchheimer方程解析Darcian（粘性流主导）与非Darcian（惯性流主导）渗透率；（4）结合CT扫描与分形理论量化孔结构复杂性。

【物理和机械性能】发现当粗骨料占比70%时，样品呈现最大抗压强度（48.6 MPa）和最优渗透性能；骨料粒径从2 mm降至0.5 mm会导致表观孔隙率下降12.3%，但表面分形维数（D_s）从2.14增至2.47，表明孔道曲折度显著增加。

【孔结构调控机制】粗骨料/基体比降低会减少大孔（>50 μm）比例，而骨料粒径减小会提高微孔（<10 μm）占比。当骨料占比<50%时，基体相形成连续网络，导致渗透率骤降80%。

【气体渗流特性】高速气流（>3 m/s）下压力降呈现显著非线性，Forchheimer方程拟合优度R²>0.99。Darcian渗透率（K₁）与表观孔隙率呈指数关系（R²=0.93），而非Darcian渗透率（K₂）主要受D_s控制，证实孔道表面粗糙度对惯性流阻力起主导作用。

该研究首次阐明颗粒堆积多孔介质中孔结构参数与渗透性能的定量关系：粗骨料占比>50%时可维持高渗透通道，而D_s>2.3将显著增强湍流效应。这一发现为冶金用透气砖、高温过滤器等产品的性能优化提供了可量化的设计准则，推动多孔材料从经验制备向理论指导的跨越。研究建立的"孔隙率-分形维数"双参数调控模型，对化工、环保等领域的多孔介质设计具有普适参考价值。