功能复合材料ppt课件

1 第九章功能复合材料 2 复合材料按使用目的可分为两类 结构复合材料和功能复合材料 3 功能复合材料是指除机械性能以外而提供其他物理性能的复合材料 如导电 超导 半导 磁性 压电 阻尼 吸声 摩擦 吸波 屏蔽 阻燃 防热 隔热等功能复合材料 4 功能复合材料主要由功能体和基体组成 或由两种 或两种以上 功能体组成 5 在单一功能体的复合材料中 其功能性质虽然由功能体提供 但基体不仅起到粘结和赋形作用 同时也会对复合材料整体的物理性能有影响 6 多元功能体的复合材料可以具有多种功能 同时还有可能由于产生复合效应而出现新的功能 因此 多功能复合材料成为功能复合材料的发展方向 7 1 功能复合材料的复合效应 材料在复合后所得的复合材料 依据其产生复合效应的特征 可分为两大类 一类复合效应为线性效应 另一类则为非线性效应 在这两类复合效应中 又可以显示出不同的特征 8 不同复合效应的类别 下表列出了不同复合效应的类别 9 平均效应是复合材料所显示的最典型的一种复合效应 它可以表示为 式中 为材料性能 为材料体积含量 角标c m f分别表示复合材料 基体和增强体 或功能体 10 复合材料的某些功能性质 例如电导 热导 密度和弹性模量等服从平均效应这一规律 例如 复合材料的弹性模量 若用混合率来表示 则为 11 平行效应显示这一效应的复合材料 它的各组分材料在复合材料中 均保留本身的作用 既无制约 也无补偿 12 对于增强体 如纤维 与基体界面结合很弱的复合材料 所显示的复合效应 可以看作是平行效应 13 相补效应组成复合材料的基体与增强体 在性能上相互补充 从而提高了综合性能 则显示出相补效应 14 对于脆性的高强度纤维增强体与韧性基体复合时 两相间若能得到适宜的结合而形成的复合材料 其性能显示为增强体与基体的互补 15 相抵效应基体与增强体组成复合材料时 若组分间性能相互制约 限制了整体性能提高 则复合后显示出相抵效应 16 例如 脆性的纤维增强体与韧性基体组成的复合材料 当两者界面结合很强时 复合材料整体显示为脆性断裂 17 在玻璃纤维增强塑料中 当玻璃纤维表面选用适宜的硅烷偶联剂处理后 与树脂基体组成的复合材料 由于强化了界面的结合 故致使材料的拉伸强度比未处理纤维组成的复合材料可高出30 40 而且湿态强度保留率也明显提高 18 但是 这种强结合的界面同时却导致了复合材料冲击性能的降低 因此 在金属基 陶瓷基增强复合材料中 过强的界面结合不一定是最适宜的 19 相补效应和相抵效应常常是共同存在的 显然 相补效应是希望得到的 而相抵效应要尽量能够避免 所有这些 可通过相应复合材料的设计来加以实现 20 相乘效应两种具有转换效应的材料复合在一起 即可发生相乘效应 例如 把具有电磁效应的材料与具有磁光效应的材料复合时 将可能产生具有电光效应的复合材料 21 因此 通常可以将一种具有两种性能相互转换的功能材料X Y和另一种换能材料Y Z复合起来 可用下列通式来表示 即 式中 分别表示各种物理性能 上式符合乘积表达式 所以称之为相乘效应 22 相乘效应的组合可以非常广泛 已被用于设计功能复合材料 常用的物理乘积效应见下表所示 23 复合材料的乘积效应 24 诱导效应在一定条件下 复合材料中的一个组分材料可以通过诱导作用使另一个组分材料的结构改变 从而改变整体性能或产生新效应 这种诱导行为已在很多实验中发现 同时也在复合材料界面的两侧发现 25 例如 结晶的纤维增强体对非晶基体的诱导结晶或晶形基体的晶形取向产生作用 在碳纤维增强尼龙或聚丙烯中 由于碳纤维表面对基体的诱导作用 致使界面上的结晶状态与数量发生了改变 如出现横向穿晶等 这种效应对尼龙或聚丙烯起着特殊的作用 26 共振效应两个相邻的材料在一定条件下 会产生机械的或电 磁的共振 由不同材料组成的复合材料 其固有频率不同于原组分的固有频率 当复合材料中某一部位的结构发生变化时 复合材料的固有频率也会发生改变 27 利用共振效应 可以根据外来的工作频率 改变复合材料固有频率而避免材料在工作时引起的破坏 对于吸波材料 同样可以根据外来波长的频率特征 调整复合频率 达到吸收外来波的目的 28 系统效应这是材料的一种复杂效应 至目前为止 这一效应的机理尚不很清楚 但在实际现象中已经发现这种效应的存在 29 例如 交替叠层镀膜的硬度大于原来各单一镀膜的硬度和按线性混合率估算值 说明组成了复合系统才能出现的现象 30 平均效应 相乘效应 平行效应 诱导效应 相补效应 共振效应 相抵效应 系统效应等各种复合效应 都是复合材料科学所研究的对象和重要内容 这也是开拓新型复合材料 特别是功能型复合材料的基础理论问题 31 2 功能复合材料的设计复合材料的最大特点在于它的可设计性 因此 在给定的性能要求 使用环境及经济条件限制的前提下 从材料的选择途径和工艺结构途径上进行设计 32 例如 利用线性效应的混合法则 通过合理铺设可以设计出某一温度区间膨胀系数为零或接近于零的构件 又如XY平面是压电 XZ平面呈电致发光性 通过铺层设计可以得到YZ平面压致发光的复合材料 33 另外 模仿生物体中的纤维和基体的合理分布 通过数据库和计算机辅助设计可望设计出性能优良的仿生功能材料 34 2 1磁性复合材料磁性复合材料 Magneticcompositematerials 是以高聚物或软金属为基体与磁性材料复合而成的一类材料 35 由于磁性材料有软磁和硬磁之分 因此也有相应的软磁和硬磁复合材料 此外 强磁性 铁磁性和亚铁磁性 细微颗粒涂覆在高聚物材料带上或金属盘上形成磁带或磁盘用于磁记录 也是一类非常重要的磁性复合材料 又如与液体混合形成磁流体等 36 2 1 1永磁复合材料典型的永磁材料包括永磁铁氧体 铝镍钴以及稀土永磁材料 37 一般情况下 永磁材料的密度较高 脆而硬 不易加工成复杂的形状 但是 制成高聚物基或软金属基复合材料后 上述难加工的缺点可得到克服 38 永磁复合材料的功能组元是磁性粉末 高聚物和软金属起到粘结剂的作用 其中 高聚物使用较为普遍 常用的有环氧树脂 尼龙和橡胶等材料 39 永磁复合材料的制造方法常采用模压 注塑 挤压等工艺技术 对于软金属粘结工艺来说 由于它较为复杂 因此除磁体要求在较高温度下 200 使用外 很少采用这种金属基复合磁体 40 很显然 与高密度的金属磁体或陶瓷磁体 铁氧体 相比 复合磁体的优良加工性能是以牺牲一部分磁性能为代价的 41 非磁性基体及非磁性相的比例直接影响到材料的饱和磁化强度及剩余磁化强度 它可用下述关系式来表达 42 其中 Mr为复合磁体的剩余磁化强度 Ms为磁性组元的饱和磁化强度 为复合磁体密度 o为磁性组元的理论密度 为复合物中的非磁性相的体积分数 f为铁磁性相在外磁场方向的取向度 43 由于复合永磁材料的易成形和良好加工性能 因此常用来制作薄壁的微型电机使用的环状定子 例如计算机主轴电机 钟表步进电机等 44 复合永磁材料的良好成型性 使其适用于制作体积小 形状复杂的永磁体 如汽车仪表用磁体 磁推轴承及各类蜂鸣器等 45 复合永磁材料的功能体可看作是各类磁体粉末 如铁氧体 铝镍钴 Sm Co Nd Fe B等 制成的粘结磁体 也可以选用两种或两种以上的不同磁粉与高分子材料复合 以便得到更宽范围的实用性能 46 2 1 2软磁复合材料电器元件的小型化 导致磁路中追求更高的驱动频率 为此应用的软磁材料 除在静态磁场下经常要求的高饱和磁化强度和高磁导率外 还要求它们具有低的交流损耗PL 47 通常较大尺寸的金属软磁材料 其相对磁导率 r随驱动频率的增大而急速下降 如下图所示 48 Fe Si Al粉末颗粒复合体相对磁导率随驱动频率的变化 49 如果把软磁材料 例如Fe Si A1合金 制成粉末 表面被极薄的A12O3层或高聚物分隔绝缘 然后热压或模压固化成块状软磁体 则 50 从图A B D曲线看出 它的 r值在相当宽的驱动频率范围内不随交变场频率的升高而下降 从而保持在一个较平稳的恒定值 51 这种复合软磁材料的相对磁导率 r值可由下式描述 式中d c和 分别表示金属粒子尺寸 块状金属相的磁导率和包覆层厚度 52 显然 选择合适的金属粒子尺寸和包覆层厚度即可获得所需的相对磁导率 r值 这对电感器和轭源圈的设计是十分重要的 53 由于绝缘物质的包覆 这类材料的电阻率比其母体合金高得多 高1011倍 因此在交变磁场下具有低的磁损耗PL 下图显示了在1MHz高频下 复合材料磁损耗与粉末颗粒尺寸D的关系 54 磁损耗与软磁粉粒度的关系 从图中可看出 粉末尺寸越小 损耗越低 因此 可以通过调整磁性粉末颗粒的尺寸来调节损耗 L值 55 2 1 3磁性记录与读出记录声音和图像 然后将其读出 再生 的过程 如下图所示 56 磁记录再生的原理示意图 57 由麦克风及摄像机将声音及光变成电信号 再由磁头变成磁信号 从而固定在磁记录介质上 读出时 与记录过程相反 使声音和图像再生 58 理想的磁记录介质要尽可能地高密度 能长期保存记录 再生时尽可能高输出 在考虑能够实现高密度 长期保存 高输出时 大致有两方面的考虑 一是磁性材料的种类 二是以磁性层为中心的叠层结构的构成 59 2 2磁性材料作为记录介质的强磁性材料 主要性能指标是矫顽力Hc和剩余磁化强度Mr的大小 这两个性能指标不仅受磁性材料种类的影啊 也受颗粒的大小和形状的影响 60 下表列出了目前使用的磁记录介质材料的磁特性 各种磁性粉末的特性 表中的排列是按发展的顺序排列的 61 从表中可看出 每一次材料的重大改进都使介质材料的磁性产生一次质的飞跃 与此同时 也使磁记录密度获得一次大的提高 62 2 3叠层结构对磁带性能的影 在现有材料基础上 为了进一步提高记录密度 就应考虑在叠层结构上的优化 63 一般对于粉状磁性材料 先制造以适当高分子为粘结剂的涂料 然后把该涂料用适当的方法进行涂敷 干燥 制造出如下图所示的一种层压薄片 这就是记录磁带 显然 它属于叠层型的功能复合材料 64 记录磁带的结构 65 到目前为止 为提高涂敷型磁带的性能采取了下面一些措施 1 提高磁性层中磁性材料的填充率 2 尽可能缩小磁性材料的颗粒 3 缩小磁头与磁带间的空隙 防止磁损失 66 上面这些都是能够提高磁带记录密度的措施 但是 这些改进都是有限度的 超过一定极限值会导致一些负面作用出现 因此 为了进一步改善记录密度 就需要有新的叠层构思和技术 即要创造出以复合技术为中心的新功能 67 目前 研究者对此进行两种尝试 一 尝试把现在单一的磁性层变成双磁性层 二 不是用涂敷磁性粉末和粘结剂混合成的涂料的方法来制造磁性层 而是依靠真空镀敷Co Ni合金薄膜的方法 来制造磁带 68 把单一磁性层变成双磁性层的尝试是采用上层使用高娇顽力的微颗粒金属磁性材料 厚度为0 4um 下层使用低矫顽力的钴改性的氧化铁磁性材料 厚度为2 5um 这样 上层能够高效率地记录 再生用高频和较强磁场记录的亮度信号 69 另一方面 因为色调信号和声音信号是低频 在磁性层深部才变弱 所以适当地搭配上层与下层的厚度及矫顽力可得到比只使用一种磁性材料的磁性层更高的输出功率 这样 不同波长都提高了输出功率 可获得更清晰的图像和声音 然而这种双层结构给涂敷技术提出更高的要求 不是常规涂敷方法能实现的 70 Co Ni合金薄膜磁带是基于将来需记录信号的波长可能向短波长方向发展的角度出发而设计和构思的 短波长的磁场由于波及的深度浅 考虑到厚度损失的问题 那么0 2um程度的超薄膜是最理想的 要制造这样的超薄膜 真空蒸镀法是适合的 71 此外 磁性材料具有较好的性能 本身就可以提高记录密度 各种磁性粉末的特性如下表所示 72 由表中可见 剩磁最大的是Co Ni合金 如果镀成薄膜 磁性材料的填充率几乎接近100 无论是剩磁大 还是填充率大都对提高输出功率有好处 73 2 4磁流体磁流体是强磁性 铁磁性和亚铁磁性 细微颗粒与一种液体均匀混合而成的胶状液体 它既具有强磁性材料的多种磁特性 又具有液体的特性 74 磁性液体由强磁性单畴颗粒 磁粉 基质液体 基液 和分散剂 表面活性剂 组成 75 为了防止磁粉沉淀和凝聚 使磁性液体稳定 必须选择适当的磁粉粒径 分散剂物性参量和用量以及基液物性参量 使磁粉磁偶极矩间作用力和热作用力的综合效应产生势垒 以利于磁性液体稳定 76 组成中的磁粉采用金属或非金属强磁材料 通过化学沉淀法 热分解法 机械研磨法 电解等方法制成 粒径约1 100nm的单畴颗粒 77 基质液体的种类很多 常根据用途选用 目前多采用非金属基液 主要有以下六种 78 1 水一种常用和经济的基液 可在较宽范围内调节pH值 但容易蒸发 适于制备在选矿和磁印刷等方面应用的磁性液体 79 2 酯类和二酯类蒸气压低 粘滞性适当 润滑性好 适于制备在真空密封和阻尼系统中应用的磁性液体 80 3 烃类粘度较低 电阻率和介电常数较高 适于制备在要求电绝缘好 粘滞性低的情况下应用的磁性液体 81 4 氯碳类适用温度范围宽 对氯气等稳定性高 不溶于其他液体 适于制备在温度变化大和有氯气的恶劣条件下应用的磁性液体 82 5 聚苯醚类蒸气压低 抗辐射性好 适于制备在高真空或辐照环境中应用的磁性液体 83 6 水银和低熔点金属合金导热性和导电性高 适于制备在需要高传热或导电的情况下应用的磁性液体 84 分散剂使磁粉表面吸附一层长链分子 构成缓冲层 并使磁粉在磁场和电场作用下不会凝聚 85 因此 要求分散剂的分子链一端吸附在磁粉表面 另一端与基液胶溶吸附 另外 还要求分子链有一定链长 以获得有效的防凝聚作用 86 分散剂主要有阴离子分散剂 阳离子分散剂 两性分散剂和中性 非离子 分散剂 分散剂用量一般约为磁粉重量的5 10 87 2 4 1磁流体的种类根据组成 特性和应用要求 磁性液体可分为三类 1 非金属磁 粉 性液体 2 金属磁 粉 性液体 3 纯金属磁性液体 88 1 非金属磁 粉 性液体以非金属磁粉 目前主要为Fe3O4磁粉 与非金属基液均匀混合成的胶状液体 是目前应用最多的一类 89 2 金属磁 粉 性液体以铁 Fe 钴 Co 或其合金磁粉与非金属基液均匀混合成的胶状液体 其磁化强度高 磁性强 目前尚处干研究阶段 90 3 纯金属磁性液体以金属磁粉和金属基液均勾混合成的胶状液体 其磁性 导热性和导电性好 适于制造一些特殊装置如磁流体发电机 目前多处于研究阶段 应用较少 91 2 4 2磁流体的特性和应用磁性液体与固态磁性材料相比具有以下四个方面的特点 92 1 高度的稳定性 能长期保持均匀状态 在磁场和重力场中不会发生凝聚和成团现象 2 可控的粘滞性 可由外加磁场控制其粘度 并使粘度对磁场表现各向异性 93 3 典型的超顺磁性 无磁滞回线现象 即剩磁和矫顽力都为零 4 可调节的磁浮力 即可用外加磁场改变磁性液体的表观密度和浮力 94 由于磁性液体兼有强磁性和液态性质 因而在电子 电机 仪表 石油化工和科学研究中得到应用 95 如用于运动部件的阻尼 润滑和密封 不同密度物体的分选和分离 失重状态下用的磁性燃料和磁性笔 磁控印刷 磁控染色 由磁性液体作为工作物质的陀螺 声换能器 磁流体电机和磁芯等 96 3 电性复合材料作为复合材料的电导率没有明确的数值来划分导体 半导体和绝缘体 97 两种或两种以上的金属形成的复合材料显然是导体 相反 两种或两种以上的绝缘体形成的复合材料电导率不会很高 98 但是 复合材料中如果含有导电和绝缘两种材料 那么它的电导率或是极端或是一些中间值 这取决于导体和绝缘体的相对含量 几何分布和组元本身特性 99 3 1金属填充材料的导电特性将金属颗粒混入高分子聚合物 高分子聚合物的电阻率就会发生变化 然而这个变化并非依据加和法则 而是当金属填料浓度达到一临界体积 c时 金属填充聚合物发生一个如下图所示的突然转换 由绝缘体变成导电体 100 苯乙烯 丙烯腈共聚物中Al粉和Fe粉的体积分数和电阻率的关系 101 这一临界填料量称之为复合材料的 导电门槛 值 临界浓度值与金属填充颗粒的尺寸 分布 形状以及制造工艺有很大关系 例如宽粒分布的铝粉末的临界体积分数为0 4 而窄颗粒分布的粉末临界体积分数为0 2 102 很多研究表明 一些绝缘性复合材料当承受电压达到临界值时 会变成高导电性材料 如果没有大的电流通过 则消除电压后样品仍保持较低的电阻率 尔后再恢复到样品的绝缘状态 103 复合材料电导率不仅与金属填加物体积分数有关 与温度也有密切关系 从而显现出正温度效应和负温度效应 104 在一温度范围内 复合材料的电阻随着温度的升高而升高 正温度效应 当超过某一温度时 其电阻值又随温度的升高而下降 负温度效应 105 由于电阻的正温度效应 负温度效应的存在 使复合材料成为一种开关材料 因此 可用于制备各种电子开关器件 106 3 2电磁屏蔽复合材料解决电磁干扰 射频干扰和信息防窃的复合材料称为电磁屏蔽复合材料 107 由于电磁波吸收率依赖于材料的电导率 因此 利用具有一定导电性的复合材料可满足电磁屏蔽的需要 108 以高分子材料为基体 填充导电材料可构成适合用于电磁屏蔽的复合材料 由于电磁屏蔽的复合材料具有性能好 成本低 成型工艺简单的优点 因此成为国际上电子材料研究的热点 109 电磁屏蔽复合材料有两种类型 1 填充导电体的形式 其中 填料形成的导电网络是提供屏蔽功能的基本要素 110 这种电磁屏蔽复合材料通常由绝缘性良好的热塑性高分子 如ABS PC PP PE PVC PBT PA及它们的改性和共混的树脂 和导电性填料 如炭黑 铝片粉 金属纤维及表面金属化的有机和无机纤维 及其他填加物复合而成 其屏蔽效果为40 60dB 111 铝片在聚合物中体积分数与屏蔽效率关系 屏蔽效果与导电体填充量 导电纤维长径比有关 由图中可看出 合适的填料体积分数可获得好的屏蔽效率 很多研究发现在临界浓度值附近有最好的屏蔽效果 112 铝纤维带的体积分数 长径比与屏蔽效率的关系 图中表明填充料的长径比与屏蔽效果也有密切关系 填料长径比越大 屏蔽性也越大 从另一角度看 长径比也影响着最佳体积填充量 通常长径比越大 最佳体积填充分数越低 113 电磁屏蔽材料多用于电子设备的屏蔽 由于近代电子设备的数据传输多采用电视显示方式 如计算机终端显示器 监视器 仪表的图显和数显 都要求既透明 又能阻隔电磁波的材料 从这个角度上看 复合材料中最佳体积填充分数为较低数值是理想的 114 2 用金属丝与无机或有机纤维的混纺纱制成织物可作电磁波反射体 这种反射型复合材料主要用于无线通信天线的电磁波反射装置 但也可作计算机 复印机 传真机等电子设备的电磁波屏蔽板 115 3 3复合材料压电性能压电材料是指具有压电效应的材料 它广泛应用于换能器 实现机械能与电能之间的相互转换 116 压电材料可以分为下面五类 1 单晶材料 如石英 磷酸等 2 陶瓷材料 如锆钛酸铅 PZT 钛酸铅等 3 高分子聚合物 如聚氯乙烯等 4 复合材料 如PZT 聚合物等 5 玻璃陶瓷 如TiSrO3等 117 压电复合材料是将压电陶瓷相和聚合物相按一定连通方式 一定的体积 重量 及一定的空间分布制作而成 它可以成倍地提高材料的压电性能 118 以PZT 聚合物为例 其dhgb值提高l 3倍 dh为压电体的电荷系数 gb为压电体的电压系数 此外 复合材料使加工性能 以及与水的匹配性也大为改善 119 为了从本质上极大地提高材料的压电性能 将二元复合材料进一步复合向三元或更多元方向发展 可望获得更为优异的压电复合材料 120 例如 锆钛酸铅 PZT 和聚合物 P 即PZT P 钛酸铅 PT 和聚合物 P 即PT P 两大二元系复合材料的再复合 121 这两大复合材料各有优缺点 其中 PZT P中的PZT压电活性大 但其各向异性较小 PT P中PT的压电活性小 但其各向异性大 122 当实现三相复合 即PZT PT P 势必会体现出两相系统所没有的性能 这一方向是目前复合压电材料的发展方向 123 下面的关系图说明了这一方向的发展 压电复合材科的发展 124 3 4超导复合材料超导材料被誉为第三代电子技术的核心 它在导弹与航天器跟踪 制导 通信与防御以及激光武器电源上都具有广泛的应用潜力 可用于高性能高速计算机 远红外探测器 光通信 远 红外成像以及磁悬浮列车等 125 然而 高临界转变温度的氧化物超导材料脆性大 虽有一定抵抗压缩变形的能力 但其拉伸性能极差 成型性不好 使得超导体大规模实用受到了限制 126 用碳纤维增强锡基复合材料通过扩散粘结法 成型压力为4MPa 150 170 保温15min 将YBa2Cu3O7超导体包覆于其中 从而获得良好的力学性能 电性能和热性能的复合材料 127 试验发现 随着碳纤维体积含量增加 碳纤维 锡钇氧钡铜复合材料的拉伸强度随着不断提高 由于碳纤维基本承担了全部的拉伸载荷 所以在断裂点之前 碳纤维 锡材料包覆的超导体一直都保持超导性能 铜基复合材料也常用于超导复合材料的包覆材料 128 4 隐身复合材料由于探测技术的飞速发展和多种探测器的综合使用 使得隐身材料也必须朝着多功能化 宽频带方向发展 原来的金属 陶瓷 半导体 高分子隐身材料很难适应这一要求 因此复合隐身材料的发展就显得格外重要 129 隐身材料的基本原理 1 降低目标自身发出的或反射外来的信号