第18章其他复合材料

第18章其他复合材料、1功能复合材料功能复合材料科具有良好的力学性能，也是具有特殊性能的复合材料。 电性能和力学性能复合的导电性复合材料、光学性能和力学性能复合的光功能复合材料等。 代表性分类情况为： (1)导电功能复合材料(2)磁性功能复合材料(3)光学功能复合材料(4)衰减吸音功能的复合材料(5)摩擦磨损功能复合材料(6)更换功能复合材料. 1导电性复合材料、导电性复合材料是指复合型导电性高分子材料. 复合型导电性高分子材料以一定的复合方式构成聚合物和各种导电性物质，包括导电性塑料、导电橡胶、导电涂料、导电性纤维、导电性粘接剂等。 成形加工方法：表面导电膜形成法、导电填料分散复合法、导电材料层复合法等. 表面导电膜形成法：用导电涂料通过金属或金属氧化物膜(包括真空蒸镀、溅射、离子镀等)、金属喷镀、湿式电镀(无电解电镀、电解电镀)等形成表面导电膜. 例如，在聚酯薄膜上蒸镀镀金、铂或氧化铟等，制成透明的导电性薄膜。 导电性填料分散法：以生产导电性高分子材料的主要方法，制造各种导电性高分子材料。 导电填料是以往常用的炭黑(乙炔黑、石油炉黑、热黑等)，现在多采用碳纤维、石墨纤维、金属粉、金属纤维和碎片、镀金属玻璃纤维、其他各种新的导电填料(如表1所示)。 导电材料层复合法：将碳纤维毡、金属丝、片材、胶带等导电层与塑料基体层叠而制成的导电性塑料。 采用的钢丝、座椅、皮带主要为钢、铝、铜和不锈钢。 表1的各种导电材料和添加量、复合型导电材料属于电子、电气、石油化学工业、机械、照片、武器工业等领域。 用于包装、保温、密封、集成电路材料等，主要作用是(1)防静电提高材料的抗静电能力。 (2)作为新的屏蔽材料，限制电磁波的能量从材料的一面传到另一面，降低电磁场强度和放射强度。 (3)电气工程等复合导电性塑料作为高压电缆内外的半导体层、低压电缆的外部半导体层使用。 称为2磁性复合材料、磁性复合材料或塑料永久滋体，是将各种磁粉和树脂基体均匀混合、压铸或注塑成型而成的磁性复合材料。 塑料永久磁铁兼具磁铁的特性和塑料的性能，弥补了传统铸造和烧结磁铁脆弱易碎的缺点，大量生产出复杂形状的产品，无需一次成形就能保证高尺寸精度。 提高了生产效率和成品合格率，有效地促进了机电设备、电子设备、家电设备、医疗等产品向轻量化、薄型化、小型化的方向发展。 塑料永久磁铁的磁性具有许多独特优点：工艺简单、生产效率高、烧结工艺简单、节能产品尺寸精度高、成品综合合合格率比烧结法提高20%以上韧性好、抗压强度高、不易破裂、不同形状加工、 特别有利于薄片和微磁铁的成形和加工的高精度、复杂的产品成形和加工材料利用率高，特别是可以回收利用热塑性塑料永磁铁，可以反复成形，降低成本良好的化学稳定性是酸、碱、油、 对水等介质稳定性好密度小(56g/cm3)，磁特性均匀稳定，实现产品“轻、薄、小、理想的基础材料之一”。 磁性复合材料的成型有两个技术要点。 一是采用提高产品机械力学性能、强化复合材料的各种技术措施，二是提高产品磁特性的方法，(1)磁粉种类和含量多的塑料类磁铁为铁氧体磁粉，铁氧体磁粉磁特性差，目前采用高性能稀土类磁粉。 磁粉含量一般较高为80%90%质量%。(2)基质树脂的选择必须考虑两个因素：一是保证足够的机械强度，二是具有良好的加工流动性能。 多采用聚酰胺类树脂，选择合适的偶联剂和加工助剂，进一步提高机械强度，改善加工流动性。 (3)磁粉粒径分布磁粉粒径分布越宽，越有利于磁特性提高. (4)成形压力成形时的流动性能越好，磁粉的粒径分布范围越窄，制品的磁特性随成形压力而提高。 (5)用于磁场强度磁化的磁场强度一般达到磁铁的饱和磁通密度，被控制为(816)105A/m。 磁性复合材料的主要应用领域有： (1)机电设备的各种电机和旋转机械、汽车电机、触发器、燃料分配器等。 (2)电子设备及仪表印刷机头、磁放大器、磁滤波器、电磁卡盘、相位传感器、时间继电器等。 (3)医疗用磁铁磁疗背心、皮带、手表、磁力按摩机、磁力机等。 (4)其他磁性编码开关、磁门锁、微波炉、磁玩具、各种磁卡等。 磁性复合材料的材料性能在以下方面有所提高。 (1)提高磁特性的塑料磁铁的性能与同类型的烧结磁铁不同。 作为稀土类磁铁松多使用钐钻系磁铁粉末，第三代磁铁粉末钕铁硼的出现与开发，提高了磁性复合材料的磁特性。 (2)提高耐热性的磁性复合材料的耐热上限为150，为了适应各种用途，将耐热上限提高到200。 (3)提高机械性能研究、筛选磁粉结构、基质树脂、偶联剂、助剂，进一步提高磁性复合材料的机械力学性能。 3光学功能复合材料、光学功能复合材料包含多种材料，例如光加工材料、光记录材料、导光材料、光学塑料、光转换材料、光显示材料、光导电材料和光合作用材料。 (1)光加工用功能复合材料感光硬化的复合材料作为印刷电路板代替铅、铜、锌印刷电路板，技术简便、迅速、质量轻、油墨交接性好、耐印刷率高、成本低、操作条件好。 复合感光性塑料系是填充了光固化剂的复合材料，由此得到的感光性塑料板材，通过光固化剂的波长光源的照射使负片曝光，使可见光部分交联固化后，进行显影，将未固化的部分洗掉，该部分是看不到光的部分，进一步使其曝光固化，制作出必要的版本。 感光硬件塑料复合材料有两种。 一种是感光性树脂的液体版，含有树脂、交联剂、光敏剂和阻聚剂。 树脂主要是不饱和聚酯树脂。 光聚合速度比不饱和聚酯快的丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯等丙烯酸酯系光固化树脂。 另一种是感光尼龙版，常用的感光树脂固体版。 该固体版强度高，尺寸稳定，精度高。 感光性塑料用于电子工业、涂料、照片和复印技术。 感光性树脂版是印刷制版的新技术，是印刷工业的重大技术改革。 (2)由光纤材料光纤构成的光缆是实现光纤通讯员最重要的材料。 光纤根据组成分为玻璃类和塑料类两种。 玻璃系光纤有石英玻璃、多成分玻璃、红外光纤用玻璃。 石英玻璃系光纤是光纤通信中使用的主要光纤，被用于长距离通信。 石英光纤是有机和无机材料的复合体，以硅酮、丙烯酸、环氧树脂、聚氨酯树脂等作为表面保护层。 塑料光纤进行光纤通信时，损耗为300dB/，传输距离只有几十米，但塑料光纤耐冲击性强，能制作直径3mm的光纤，受光角度大，廉价。 塑料光纤根据芯材的不同，分为高纯度聚甲基丙烯酸甲酯、高纯度聚苯乙烯、重氢化甲基丙烯酸甲酯3种。 聚苯乙烯的缺点是易消耗、耐热性、机械性能差等。 塑料光纤包层有聚甲基丙烯酸甲酯、具有聚氟烷基侧链的聚丙烯酸和含氟共聚物等。 塑料光纤的制造方法有管棒法和包复法复合拉丝法。塑料光纤主要在医学、装饰、汽车等方面应用于照明、标识、光学测量、复印、数据光传输辅助、医疗器械等多种用途。 塑料光纤的损耗显着降低，并在计算机终端中使用以控制设备的飞机内和飞机内的信令。 作为短距离光传输的应用，在汽车、舰船、办公大楼内的利用等的开发正在加速。 4压电复合材料、压电材料为能量交换材料，对材料施加一定的外应力，材料相应地产生一定的电荷，或者相反地对材料施加一定的电压，材料会产生相应的变形。 使用最多的是陶瓷多晶体钛酸钡、钴钛酸铅，压电性好，硬、脆，加工成型困难。 锆酸铅粉末分散在以聚缩醛为主体的树脂基体中构成复合驻极体，是柔软易加工的压电材料，压电系数提高了。 式中-材料的平均流体静压电系数-材料的介电常数-比例常数。 锆钛酸铅的介电常数太大，太大，只影响数值。 与高分子复合后，明显降低提高值，在高分子基质中再加入导电性填料(碳、锗、硅等)，使极化电场均匀，值也进一步上升，这些数据如表2所示。 表2压电复合材料的压电系数、5其他功能复合材料的隔音结构理论、在高分子阻尼材料中填充高浓度的金属填料，可以得到具有优异隔音性能的阻尼复合材料。 复合材料通常是将铅(11.3g/cm3)、铁(7.8g/cm3)及它们的化合物粉末或纤维填充到PVC、EVA等树脂基体中而制成的轻量隔音片或半硬质隔音片。 由于碳纤维、石墨纤维具有明显的耐磨性和自润滑性，用碳纤维、石墨纤维强化尼龙、聚甲醛、聚苯乙烯、氟树脂，开发出耐磨性和固体自润滑性的复合材料，用该复合材料制成的轴承、齿轮、垫片、制动衬里等已经得到应用第二节生物复合材料、植入体内的材料、所要求的力学性能和功能，满足生物学、生理学、解剖学、病理学和临床医学等功能和性能要求。 替代不同生物组织的生物材料应具备的条件各不相同，生物材料应满足的基本生物学要求是化学性质稳定，不与生物组织接触变化生物适应性好，有组织适应性和血液适应性，不发生排斥反应和凝血现象不出现毒性和过敏反应，具有致癌性和抗原性优异的力学性能和长期埋入体内不会失去性能指数，不会改性，能够承受必要的消毒措施，易于加工成必要的复杂形态。 陶瓷在生物体内极为稳定，与生物组织有良好的亲和性，在生物体内几乎没有腐蚀性和抵抗反应。 生物体所用陶瓷材料为TiO2、Al2O3、铝酸钙、生物玻璃、碳等，Al2O3的化学性质稳定，机械强度和硬度高，具有良好的亲水性，被称为生物陶瓷，一直被广泛用作生物体材料。 蓝宝石制成的人工牙根对人体无害，与牙组织成分牢固结合不溶化，硬度仅次于金刚石，具有很高的咀嚼强度。 蓝宝石人工牙根植入牙领骨后，易附着于新生组织，被骨组织自然包围，有利于牙齿的固定和生长。 纯刚玉氧化铝陶瓷制造的人工关节、骨螺纹等多孔氧化铝制造的人工骨也在长期的动物试验和临床上得到了实际应用。 陶瓷材料本身脆性大或耐冲击韧性差是生物材料的最大缺点，不利于人工牙齿咬合或人工骨、人工关节在动态力学状态下承受载荷部位。 高分子材料在生物医学领域的研究和应用，在人工器官研制中占有突出地位。运用高分子化学的理论研究方法和高分子材料，根据医学需要解决研究生物体的结构、生物器官的功能以及人工器官的应用。 聚甲基丙烯酸甲酯为颅骨和髋关节，聚乙烯为体内嵌入，聚酰胺(尼龙)纤维为缝合线，天然橡胶为医疗用插管等。 表3总结了医用高分子材料在人工脏器中的应用概况。 表3医用高分子材料的应用概况，表3医用高分子材料的应用概况，医用高分子材料应用中亟待解决的问题：在生物体内，高分子材料被腐蚀后，单体可能溶出高分子材料作为人工器官(如人工骨和人工关节)，具有足以执行生物支持功能的强度， 尤其是刚性不足目前主要是通过经验和实验进行材料筛选，但不能根据生物学要求和医疗材料设计的基础理论制造专业的医疗高分子材料。 医用高分子材料的研究表明，在材料中筛选具有力学适应性和生物适应性的生物材料的方法已经不能满足人们的要求，各种生物材料尽管取得了明显的应用效果，但目前仍存在自己无法解决的问题。 将生物材料研究的主要力量转化为满足各种生物学和力学性能要求、具有生物功能的材料。 为了实现这一目的，生物复合材料或混合材料的发展方向无疑是可以采用多种材料复合并且能够在保持单种材料功能的同时满足每个要求的生物复合材料或混合材料。 生物复合材料作为一个新的领域，其理论研究和实用尚处于发展初期，生物复合材料主要以先前介绍的各种生物用金属、生物陶瓷和医用高分子材料为基础。 科学技术的发展，许多学科的相互渗透，生物复合材料在满足各种生物学和力学性能要求的同时，必须向具备某种生物功能的方向发展。 介绍生物复合材料的重要应用实例。 1人工关节和人工骨人工关节除了需要优良的生物适应性外，材料力学要求高，需要良好的疲劳强度、耐磨性和一定的柔韧性。 传统的不锈钢和Al2O3，制成的人工关节可能会出现需要解决的问题，如金属腿关节和腿骨的插入连接界面松动或下沉，与骨的增殖性差，金属关节周围组织的力学损伤或关节磨损严重的Al2O3关节脆性大，因此会发生折损，使关节脱落与骨架亲和的无机氢氧化磷灰石和组织适应性好的超高分子量聚乙烯复合人工关节的关节臼，碳纤维强化Al2O3制的关节骨，共同构成的人工髋关节应用成功。 此类人工关节分布于膝关节、踝关节、肩关节等。 另外，通过对钛合金人工关节表面实施离子氮化表面处理，在关节表面形成硬、耐磨损、抗蚀剂的氮化钛层，或者用无机填充剂填充石墨作为人工关节，利用石墨的自润滑性使关节磨损，发挥提高关节的耐磨损性和耐疲劳性的作用. 生物复合材料制作人工颅骨的例子主要有人工颅骨(颅骨)、面骨能力(额骨、下颌骨等)、锁骨、腿骨和各种关节骨。 材料类型主要分为两类：一类是纤维增强聚合物类复合材料，另一类是复合生物陶瓷。 用纤维增强聚合物复合材料制备人工骨最具代表性的应用实例是用CF-GF混合增强PMMA复合材料制备的人工颅骨，用于意外伤或手术修补颅骨缺损。该人工颅骨修补材料与以前使用的金属和高分子材料相比，具有优异的生物相容性、安全性，是没有异常现象和副作用的理想体内植入材料具有优异的机械性能，其性能指标高于人体颅骨的性能指标(参照表4 )。 原材料来源广泛，工艺简单，制作方便，适合不同患者的需要手术中应用非常简便，大大减少了手术时间和患者的痛苦。 表4人体颅骨和人工颅骨修补材料与PMMA力学性能试验的比较表明，碳纤维增强高密度聚乙烯、磷酸钙增强聚砜、氧化铝陶瓷增强环氧树脂等复合材料用于人工骨的制备，被认为是有效的人工骨材料。 此类材料将生物惰性物质(例如氧化铝、氧化锆等)与生物活性物质(例如羟基磷灰石等)复合以形成性能非常好的人造骨材料。 将氧化