TRIZ试解--多孔材料原理

李正桐

    多孔材料原理是TRIZ（发明问题解决理论）40条创新原理的第31条。TRIZ对该原理的解释是：“通过增强其多孔性（产生孔穴）而改变一种气体、液体或固体的状况。”其实自然界本已存在许多种多孔材料，且表现出种种优异性能，也许正是受其启发，才会有种类繁多的人造多孔材料开发出来。

    为了认识多孔材料，我们不妨看看材料的多孔会导致哪些结果。其一，多孔使材料变“轻”了，其实是它的密度变小了。在这里有必要区分材料的密度和构成该材料的物质的密度，前者变了而后者没变。因为前者是我们对它的宏观测度，在测量密度时把微孔和实体都囊括其中。然而材料的机械性能并没有随着密度而减小同样的倍数，这一点很有意义；其二，多孔可以导致其它物理性能的改变，如隔热保温、隔音、弹性等；其三，多孔使材料的表面积扩大了。因为从微观结构来看，构成它的许多微小单元的分散度显然比密实材料大多了，这一点使它在化学或物理化学领域可以大有作为；其四，多孔材料又大致可以分为开孔型和闭孔型两类，前者可以看作是由许多微小颗粒粘结而成的，其中的孔隙是相通的；后者可以看作是由许多小气泡粘结而成的，其中的孔隙是互相隔绝的，而在实践中这两种结构各有各的用处。

    在日常生活中我们最常接触的是作为包装材料的泡沫塑料。根据其柔韧性或弹性，泡沫塑料又有软硬之分。其材质常见的有聚氨酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、丙烯酸酯等。通过化学方法在其固化前产生大量气体泡沫，固化后就成为泡沫塑料。把泡沫塑料用作包装材料首先是取其轻，即密度低。这样只需要很少的原料就可以填充很大的空间，不但制作成本低，而且包装材料分摊的运费也极少。再有就是取其良好的弹性、减震性。尤其有利的是，它可以根据被包装产品的形状任意成型。

    在没有泡沫塑料之前是如何解决这些问题的呢？要根据被包装产品的价值和减震要求填充锯末、刨花、纸条、棉絮等，无论是效果还是成本，都远不能和泡沫塑料相比。笔者曾在60年代见识过一种较讲究的包装方式，那是几件高级电子管，放在饭盒般大小的盒子里，这个盒子放在一个比它大许多倍的木箱里，小盒子的8个角与大木箱的8个内角用拉伸弹簧连缀起来，使小盒子处于悬空的位置，这样当震动撞击发生时，小盒子只可能在一定范围做低频振荡，剧烈的有害震动被缓解或吸收。而在今天要完成同等要求的包装只需填充软质泡沫塑料就足够了。由这个例子可以看出材料的革命会给我们带来多么大的便利。

    闭孔型软质泡沫塑料还大量用在家具上，因其良好的弹性常被用作沙发垫、床垫。过去这类家具都是靠弹簧来提供弹性的，结构和安装制作都很复杂，现在只需一整块泡沫塑料就解决了。不但极大简化了生产工艺，而且大幅度降低造价，使用效果优于传统方法。

    化工方面广泛使用的吸附剂，从活性炭到微孔合金几乎都是多孔材料。氢，作为一种理想的清洁能源它的储存运输一直是个难题。如用传统的钢瓶或杜瓦瓶，不但危险而且经济性差。近年来倍受重视的金属型、非金属型氢吸附剂，均属于开孔型多孔材料，它们可以在常压下储存氢气，在一定程度上可以替代高压钢瓶或杜瓦瓶。此外，微孔金属也可以作为空气电池或燃料电池的电极。

    蜂窝结构可以看作是多孔材料的一种特例。首先，多孔材料常被用作填充型的结构材料，本来它的孔隙是不规则的，大小不一、分布不均。如果让它的孔隙整齐划一会不会取得更好的效果呢？材料专家注意到蜂房的六棱柱形状，恰恰能用最少的材料取得最好的结构效果。换言之，在能取得同等结构强度的多种选项中，蜂窝结构是最轻的。基于这种新观念的蜂窝结构由连续的、等高的六边形孔格充满平面，其上下端面胶接或焊接上平面表板。众所周知，航空业对材料的比强度是最注重、最计较的。所以这种新材料一经问世，立刻成为当之无愧的航空材料。蜂窝结构可以看作是多孔理念的延伸和极致。

    在TRIZ的40条创新原理中，有几条涉及到材料。材料往往会成为创新实践的瓶颈，而新材料的开发常常会打开新的局面，使多项技术取得突破，所以我们理应对材料的创新给予高度重视。◆