第六章+功能复合材料.ppt

1、第6章功能复合材料，2、复合材料是根据使用目的的2种：结构复合材料和功能复合材料，3、功能复合材料是提供机械性能以外的物理性能的复合材料，例如导电、超导、半导体、磁性、压电、阻尼、吸音、摩擦、电波吸收、屏蔽、阻燃、耐热、绝热等功能复合材料。 4、功能复合材料主要由功能体和基体构成，或者由两种以上的功能体构成。 5、单一功能体复合材料，其功能性质由功能体提供，但基质不仅起粘接和赋形的作用，还影响复合材料整体的物理性能。 6、多功能复合材料在具有多种功能的同时，还可能产生复合效应，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果，材料复合后得到的复合材料，根据复合效果的特点分为两类：一类复合效果是线性效果，另一类是非线性效果。 这两种复合效应可以表现出不同的特征。 8、不同的复合效果类别，下表列出了不同的复合效果类别。 9、平均效应是复合材料显示的最典型的复合效应。 式中，p表示材料性能，v表示材料体积含量，方标c、m、f分别表示复合材料，基体和加强体(或功能体)。 10、复合材料的一些功能性质，如电导、热传导、密度和弹性模量等遵循平均效应规律。 例如，复合材料的弹性模量用混合率表示时为11，平行效果显示该效果的复合材料，该各组的材料在复合材料中残留自身的作用，没有制约也没有补偿。 12、强化体(如纤维)与基质界面结合弱的复合材料，所示的复合效果可视为平行效果。 13、互补效应构成复合材料基质和加固体，性能互补，提高综合性能，显示互补效应。 14、脆性的高强度纤维强化体与韧性基体复合时，两者之间可得到适当结合的复合材料显示强化体与基体的互补性。 15、抵消效果矩阵与增强体构成复合材料时，成分间的性能相互制约，整体性能提高受到限制时，复合后显示抵消效果。 16、例如由脆性的纤维强化体和韧性矩阵构成的复合材料，在两者的界面结合强的情况下，复合材料整体显示脆性破坏。 17、玻璃纤维增强塑料在玻璃纤维表面用适当的硅烷偶联剂处理后，与树脂基体的复合材料由于增强了界面的结合，材料的抗拉强度比未处理纤维构成的复合材料高30-40%，湿润强度保持率也显着提高。 18、但该强键界面同时导致复合材料冲击性能下降。 因此，在金属基、陶瓷基强化复合材料中，过强的界面键不一定是最佳的。 19、互补效应和抵消效应常常并存。 显然希望取得互补效果，但必须尽量避免抵消效果。 这些都可以通过相应复合材料的设计来实现。 20、协同效应两种具有转化效应的材料复合后，产生协同效应。 例如，如果将具有电磁效应的材料与具有光磁效应的材料复合，则能够得到具有电光效应的复合材料。 21 .相应地，通常可以将对两个性能进行互转换的功能材料X/Y与另一个能量转换材料Y/Z复合并由此产生如下通式：其中，x、y和z各自表示不同的物理性能： 由于上式符合乘积式，因此称为协同效应。 22、协同效应组合非常广泛，用于功能复合材料的设计。常用的物理积效应如下表所示： 23、复合材料的积效应、24、有诱导效应的条件下，复合材料中的一种成分材料可以通过诱导作用改变另一种成分材料的结构，改变整体性能或产生新的效应。 该诱导行为在许多实验中被发现，在复合材料界面的两侧也被发现。 25、例如晶体纤维强化体作用于非晶体基体的感应晶体或晶体基体的晶体取向。 在碳纤维强化尼龙和聚丙烯中，通过碳纤维表面对基质的诱导作用，界面处的结晶状态和数量发生变化，例如出现横贯晶体等，这种效果对尼龙和聚丙烯起到了特殊的作用。 26 .谐振效应的相邻两个材料在某些条件下产生机械或电和磁谐振。 由不同材料构成的复合材料，其固有频率与原成分的固有频率不同，复合材料中某部位的结构发生变化时，复合材料的固有频率也发生变化。 27 .根据谐振效应，通过根据外来工作频率改变复合材料的固有频率，可以避免在工作时破坏所述材料。 对于吸收材料，也可以根据外来波长的频率特性调整复合频率，达到吸收外来波的目的。 28、系统效应是材料的复杂效应，此效应的机制至今尚未阐明，但实际现象中已发现此效应的存在。 29、例如，交替层叠的镀膜的硬度比用原来的单一镀膜的硬度和线性混合率评价的值大，说明了构成复合系统后才出现的现象。 30、平均效应、协同效应、平行效应、诱导效应、互补效应、谐振效应、抵消效应、系统效应等多种复合效应是复合材料科学研究的对象和重要内容，也是开拓新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是可设计性。 因此，在给出的性能要求、使用环境以及经济条件制约的前提下，从材料的选择途径和工艺结构途径进行设计。 32、例如线性效应混合规律可以用于合理铺设，以设计温度区间膨胀系数为零或接近零的部件。 另外，XY平面为压电，XZ平面呈电致发光性，通过铺装设计，可以得到YZ平面为电致发光的复合材料。 33、模仿生物体中纤维和基质的合理分布，通过数据库和计算机辅助设计，有望设计出性能优异的仿生机器人。 34、2.1磁性复合材料磁性复合材料(Magneticcompositematerials )是以高分子或软质金属为基体与磁性材料复合而成材料. 由于磁性材料有软磁性和硬磁性的区别，所以也有相应的软磁性和硬磁性的复合材料。 另外，涂敷强磁性(强磁性和亚铁磁性)微粒子在高分子材料带或金属盘上形成磁带或磁盘用于磁记录也是非常重要的磁性复合材料，与液体混合形成磁性流体等。 36、2.1.1永磁复合材料的典型永磁材料包括永磁铁氧体、铝和稀土永磁材料。 一般来说，永久磁铁材料密度高，脆硬，难以加工成复杂的形状。 但是，作为高分子基或软质金属基复合材料，不能克服上述难以加工的缺点。 38、永久磁铁复合材料的功能成分为磁性粉末，高分子和软质金属作为粘合剂发挥作用。 其中，高分子化合物被广泛使用，环氧树脂、尼龙、橡胶等材料被广泛使用。 39、永磁复合材料的制备方法常采用冲压、注射、冲压等工艺。 在软质金属粘接工艺中，由于复杂，磁铁除了需要在高温下( 200)使用以外，很少采用这种金属类复合磁铁。 40、与明显高密度的金属磁铁和陶瓷磁铁(铁氧体)相比，复合磁铁的优良加工性能牺牲了一些磁性能。41、非磁性基体以及非磁性相的比例直接影响材料的饱和磁化以及剩馀磁化，其以下的关系式表示： 42，其中，Mr是复合磁铁的剩馀磁化，Ms是磁性组的饱和磁化，o是磁性单元的理论密度，复合体中非磁性相的体积分数，f是强磁性相的外磁场方向的取向度。 43、复合永久磁铁材料的成形容易、加工性好，因此一般制作薄壁微电动机所使用的环状定子，例如计算机主轴电动机、钟表步进电动机等。 44、复合永久磁铁材料的良好成形性，适用于制造体积小、形状复杂的永久磁铁。 例如汽车仪表用磁铁、磁推力轴承、各种蜂鸣器等。 45、复合永久磁铁材料的功能体可以看作是由各种磁铁粉末(铁氧体、铝镍钴、Sm-Co、Nd-Fe-B等)制成的粘结磁铁。 将两种以上不同的磁粉与高分子材料复合，也可以得到更广范围的实用性能。 46、2.1.2软磁复合材料的电气部件的小型化要求磁路中更高的驱动频率，为此而应用的软磁材料除了在静态磁场下始终要求的高饱和磁化和高导磁率以外，还要求低交流损耗PL。 47、一般大尺寸金属软磁性材料的相对磁导率r随着驱动频率的增大而急速降低，如下图所示： 48、Fe-Si-Al粉末粒子复合体的相对磁导率随驱动频率而变化，49、将软磁性材料(例如Fe-Si-A1合金)制成粉末时， 表面被非常薄的A12O3层或者高分子化合物绝缘，若被热压或者压制硬化而形成块状软磁体，则从50、图a、b、d的曲线可以看出，其r值在相当宽的驱动频率范围内不会随着交变频率的上升而降低，而是保持在比较平稳的一定值。 51、该复合软磁性材料的相对磁导率r值可以用以下的式子记述： 式中，d、c分别表示金属粒子的大小、块状金属相的导磁率和被复层的厚度。 52、显然，如果选择适当的金属粒子尺寸和被复层的厚度，能够得到必要的相对磁导率r值，对于电感器和磁轭的源极线圈的设计是非常重要的。 53、绝缘物质的包复，因为该材料的电阻率比母体合金高很多(高1011倍)，所以在交变磁场下具有低的磁损耗PL。 下图表示1MHz的高频下的复合材料的磁损失与粉末粒子尺寸d的关系。54、磁损失与软磁粉粒度的关系，从图中可以看出，粉末尺寸越小，损失越低。 因此，通过调整磁性粉末粒子的尺寸可以调整损失PL值。 读出(再生) 55、2.1.3磁记录、记录声音和图像的过程如下图所示。 56、磁记录再生的原理示意图；57、麦克风和摄像机把声音和光变成电信号，用磁头变成磁信号，固定在磁记录介质上。 在读出时，与记录过程相反，再现声音和图像。 58、理想的磁记录介质应尽可能高密度，长期保存记录，再生时应尽可能高输出。 考虑到能够实现高密度、长期保存、高输出，可以认为磁性材料的种类和以磁性层为中心的层叠结构的构成很大。 59、2.2磁性材料作为记录介质的强磁性材料，主要的性能指标是矫顽力Hc和剩馀磁化Mr的大小。 这两个个性指标不仅影响磁性材料的种类，还影响粒子的大小和形状。 60、下表列出了当前使用的磁记录介质材料的磁特性。 各种磁性粉末的特性、表中的排列按发展顺序排列。 61、表明，材料的大幅度改善使介质材料的磁特性飞跃，同时磁记录密度也大幅度提高。 62，2.3层叠结构对胶带性能的影响应该考虑层叠结构优化，以便基于现有材料进一步提高记录密度。63、一般对粉状磁性材料，制造以适当的高分子为粘合剂的涂料，用适当的方法涂布该涂料，干燥，制造如下图所示的层叠片，这就是记录带。 很明显，这是一种层叠型功能复合材料。 64、记录带的结构，65，迄今为止为了提高涂布型带的性能，采取了以下措施： (1)提高磁性层中磁性材料的填充率；(2)尽量减小磁性材料的粒子；(3)减小磁头和带之间的间隙，防止磁损失。 66、这些都是提高磁带记录密度的措施。 但是，这些改善是有限度的，超过一定的界限值就会出现负面作用。 因此，为了进一步改善记录密度，有必要创造新的层叠构想和技术，即以复合技术为中心的新功能。 67、目前，研究人员正在进行这两项尝试。 一、现在单一磁性层为双磁性层的尝试。 二、不是通过涂布混合了磁性粉末和粘合剂的涂料的方法制造磁性层，而是通过真空镀Co/Ni合金薄膜的方法制造磁带。 68、将单一磁性层制成双层磁性层的尝试，上层使用高矫顽力的微粒子金属磁性材料，厚度为0.4um，下层使用低矫顽力的钴改性氧化铁磁性材料，厚度为2.5um。 据此，上层能够高效率地进行记录，再生以高频和强磁场记录的亮度信号。 69、另一方面，音调信号和声音信号为低频，因此在磁性层的深部变弱。 因此，适当组合上层和下层的厚度和矫顽力，可以得到比只使用一种磁性材料的磁性层更高的输出。 这样，波长可提高输出功率，获得更清晰的图像和声音。 但是，这种双层结构对涂布技术要求更高，通常的涂布方法是不能实现的。 70、Co-Ni合金薄膜磁带是从未来应记录的信号波长可能沿短波长方向发展的角度设计构想的。 由于短波长的磁场波及的深度浅，因此考虑到厚度损失的问题，优选0.2um左右的超薄膜。 真空蒸镀法适合制作这种超薄膜。 71，另外，磁性材料具有优异的性能，其本身能够提高记录密度。 各种磁性粉末的特性如下表所示，72、表明，剩馀磁化最大的是Co-Ni合金，在薄膜上镀敷时磁性材料的填充率几乎接近100%。 无论剩馀磁化大还是填充率大，都有利于提高输出功率。73、2.4磁流体是强磁性(强磁性和亚铁磁性)微粒和液体均匀混合的胶状液体. 具有铁磁材料的多种磁特性和液体特性。 74、磁性液体由强磁性单畴粒子(磁粉)、基质液体(基液)和分散剂(表面活性剂)构成. 75、为了防止磁粉的沉淀和凝聚，使磁性液体稳定，需要选择磁粉的粒径、分散剂的物性参数和使用量以及基液物性参数，使磁粉磁极矩之间的作用力和热作用力的综合效果产生障碍，使磁性液体稳定。 76、组成中的磁粉采用金属或非金属强磁性材料，采用化学沉淀法、热分解法、机械研磨法、电解等方法制成，粒径约为1100nm的单畴粒子。 77、基质液种类繁多，多根据用途选择。 目前采用非金属基液较多，主要有以下6种。78、(1)水是常用和经济的基础液，可大范围调节pH但易蒸发，适用于选矿和磁印等磁性液体的制备。79、(2)酯类和二酯类蒸气压低，粘性适宜，润滑性好，适合用于真空密封和阻尼系统的磁性液体的制备。 80、(3)适用于要求烃类粘度低、电阻率和介电常数高、电绝缘良好、粘性低的磁性液体的制备。81、(4)氯碳类适用温度范围广，对氯气等的稳定性高，不溶于其他液体，温度变化大，适合在有氯气的严酷条件下使用的磁性液体的制备。、82、(5)聚苯醚类蒸汽压低，耐辐射性好，适合用于高真空或照射环境的磁性液体的制备。 83、(6)汞和低熔点金属合金热传导性和电传导性高，适用于需要高热传导和电传导的情况下的磁性液体的制备。 84、分散剂在磁粉表面吸附长链分子，构成缓冲层，使磁粉不会在磁场和电场中凝