2018年磁功能复合材料

1、磁功能复合材料1磁功能复合材料简介 磁性产品种类繁多，应用广泛，在军事装备电子化及高新技术产业发展中起着重 要作用，磁功能复合材料仅是其中的一个分支。磁功能复合材料一般由粉末材料填充 形成，体积含量为 298% ，而基体可以为金属、玻璃、聚合物等。磁功能复合材料 可将磁能转化为机械能，也可以将机械能转化为磁能。从磁功能复合材料组成看，它 是一种介于高分子材料和磁性材料之间的功能型材料，对于这类材料的研究我们称之 为边缘科学或交叉科学。 TGISLKRz磁功能复合材料是 20 世纪 70 年代发展起来的一种新型高分子功能材料，是现代 科学技术领域的重要基础材料之一。磁功能复合材料按组成可分为结构

2、型和复合型两 种，结构型磁功能复合材料是指聚合物本身具有强磁性的磁体；复合型磁功能复合材 料是指以橡胶或塑料为粘合剂与磁性粉末混合粘结加工而制成的磁体。 TGISLKRz磁功能复合材料的主要优点是：密度小、耐冲击强度大，制品可进行切割、钻 孔、焊接、层压和压花纹等加工，而且使用时不会发生碎裂。它可以采用一般塑料通 用的加工方法（如注射、模压、挤出等）进行加工，易于加工成尺寸精度高、薄壁、 复杂形状的制品，可成型带嵌件制品，对电磁设备实现小型化、轻量化、精密化和高 性能化的目标起着关键的作用，因而越来越多为人们所重视，是一种很有前途的基础 功能材料。 TGISLKRz1.1 结构型高分子磁性材料

3、 作为结构型高分子磁性材料的磁功能复合材料最早是由澳大利亚的科学家合成的PPH聚合物（聚双-2,6-吡啶基辛二腈）。它具有耐热性好，在空气中加热至 300 C亦不 会分解的特点，但它不溶于有机溶剂，且加工成型比较困难。后来，美国科学家用金 属钒和四氟乙烯塑料聚合制成磁性高分子，它可以在不高于77 C的温度下保持稳定的磁性，但这类聚合物尚处于探索阶段，离实用化还有一定的距离。 TGISLKRz 此类聚合物的设计有两条途径：（ 1）根据单畴磁体结构，构筑具有大磁矩的高 自旋聚合物；（2）参考a-Fe、金红石结构的铁氧体，对低自旋高分子进行调整，从 而得到高性能的磁性聚合物。常见的有聚苯硫醚 -SO

4、3 体系、聚乙炔 -AsF5 体系以及 二茂铁金属高分子有机磁性材料。日本东京大学物性研究所野忠教授等合成的“ PPH 硫酸铁”有机高分子强磁性材料，是在澳大利亚科学家合成的 PPH的基础上 经改进制得的，能显示出较强的磁性。 TGISLKRz我国对结构型高分子磁性材料的研究始于 20 世纪 80 年代中期，科研人员利用新 型磁功能复合材料已研制出功率分配器、射频振荡器等 15 种磁性元器件，这些元器 件具有高频信号损失小、温度系数低、相对密度低、体积小、易加工等特点，是电子 信息领域较具有发展潜力的新型磁性材料。 TGISLKRz1.2 复合型高分子磁性材料 复合型磁功能复合材料现在已经实现

5、商业化，它主要是由树脂及磁粉构成。其中 树脂起粘结作用，磁粉是磁性的主要受体，目前用于填充的磁粉主要是铁氧体磁粉和 稀土永磁粉。复合型功能复合材料特性又可分为两大类。 TGISLKRz一类是磁性粒子最大易磁化方向是杂乱无章排列的，称为各向同性磁功能复合材 料，这种复合材料的磁性能较低，一般有钡铁氧体类粘结磁体和 Nd-Fe-B 类稀土粘 结磁体；另一类是在加工过程中通过外加磁场或机械力，使磁粉的最大易磁化方向顺 序排列，称为各向异性磁功能复合材料，使用较多的是锶铁氧体磁功能复合材料。在 相同材料及配比条件下，各向同性磁功能复合材料的磁性能仅为各向异性磁功能复合 材料的 1/21/3 。 TGI

6、SLKRz（1）铁氧体类磁功能复合材料：制作各向异性功能复合材料的方法主要有磁场 取向法和机械取向法。磁场取向法是将特定的磁粉与树脂、增塑剂、稳定剂、润滑剂 等混合后，在混炼机中进行混炼、造粒，然后使用挤出机或注射剂成型，在成型的同 时，外加一强磁场，使得磁粉发生旋转顺序排列，制成各向异性磁功能复合材料制 品。机械取向法是应用特定的片状磁粉与树脂、增塑剂、稳定剂、润滑剂等混炼塑化 后，用压延机使磁粉在机械力的作用下发生顺序排列取向。 TGISLKRz（2）稀土类磁功能复合材料：填充稀土类磁粉制作的磁功能复合材料属于稀土 类磁功能复合材料。稀土磁粉出现后，树脂粘结磁体飞速发展。作粘结剂的高分子主

7、 要是橡胶、热固性树脂和热塑性树脂。橡胶类粘结剂包括天然橡胶和合成橡胶，主要 用于柔性复合磁体的制造，但与塑料相比，一般成型加工困难。热塑性粘结剂主要为 聚酰胺、聚丙烯、聚乙烯等。聚酰胺（PA）类最为常见，综合考虑机械加工性、耐热 性、吸湿性，目前最常见的 PA 基体是尼龙 6、尼龙 66 等。日本一项专利用尼龙与聚 烯烃复合树脂作基体粘结稀土磁粉所得材料，其熔体流动性有所增强，可以加工成形 状相当复杂、磁性能也相当优越的磁体。 TGISLKRz1983 年日本开发了性能优良的稀土永磁材料 Nd-Fe-B ，几乎同时美国 GM 公司 开发了用快淬法生产各项同性 Nd-Fe-B 磁粉的新工艺。之

8、后该公司又与日本大同制 钢公司合作，在原有 MQP-A 磁粉基础上，通过添加少量 Nd ，成工地开发出一种能 用于180 C的超耐热磁粉，大大提高了 Nd-Fe-B磁粉的工作温度。1990年，日本三 菱材料公司利用稀土金属间化合物吸氢的特性开发出一种建立在全新构思基础上的 HDDR 法，用这种方法制得的粉末具有 800KA/m 以上的矫顽力，晶粒尺寸约为 0.3阿。同时该方法通过在合金中添加 Ga、Zr和Hf等微量元素，生产出各向异性磁 粉，由该磁粉制成的粘结磁体，最大磁能积可达 144KJ/m3 。 TGISLKRzNd-Fe-B 粘结磁体的成型工艺主要有：压缩成型、注射成型、挤出成型和压延

9、 法。其中应用最多的是压缩成型，其主要工艺过程是：将稀土磁粉进行表面包覆处理 后与热固性树脂混合均匀，用 750MPa的压力压缩成型，在150170 C固化。通常 使用液态双组份环氧树脂或酚醛树脂作粘结剂。稀土类磁功能复合材料与烧结稀土磁 体相比，虽然在磁性和耐热性方面要差一点，但其成型性和力学性能优良，组装及使 用方便，废品率低， TGISLKRz这是烧结磁体无法比拟的。稀土类磁功能复合材料性能虽不如烧结稀土磁体，但 却优于铁氧体磁体，而且各向异性 Nd-Fe-B 粘结磁体在尺寸、质量和性能等方面均 较铁氧体类粘结磁体有明显优势。例如， HDD 主轴电机改用 Nd-Fe-B 粘结磁体，等 效

10、质量可降低 9/10 以上。 TGISLKRz 2磁功能复合材料的种类磁功能复合材料可分为磁性橡胶、磁性塑料、磁性高分子微球、磁性薄膜等。磁 性橡胶、磁性塑料在技术上已较为成熟，广泛用于电子仪表、通讯、日用品等诸多领 域，对电磁设备实现小型化、轻量化、精密化和高性能化的目标起着关键的作用。磁 性高分子微球、磁性聚合物膜是目前研究的热点。 TGISLKRz2.1 磁性塑料磁性塑料是一种重要的功能材料。通过改变高分子聚合物基体和磁性填充物的种 类，可以充分体现各组分的特性及整体效应，获得满足不同应用要求的磁性塑料。直 接填充法是制备磁性塑料最常用的方法，操作简单，经济实用。但用该法制备纳米磁 性物

11、质/高分子聚合物复合材料时，极易形成较大粒径的团聚体，这样磁性塑料中的纳 米物质很难发挥其独特作用。可通过以高分子微球的形式，将纳米铁氧体引入到高分 子聚合物基体中，组成新的磁性物质填充体系，赋予纳米铁氧体在聚合物基体中更佳 分散性。 同传统烧结型磁性材料相比，磁性塑料具有如下特点： TGISLKRz（1）磁性塑料在成型加工中，制品收缩率小，可以生产高精度的产品，不需再 用机械加工，即可直接使用，而且磁性稳定、易于装配，在生产小型化、轻量化、密 度化和高性能化的电磁设备中起着关键的作用。 TGISLKRz（2）加工性能好，可生产齿轮、螺纹、异型孔和薄壁型等外观复杂的产品，可 整体成型。（3）生

12、产工艺简单，经济效益好，成本低，其价格仅为烧结磁体的1/3 左右。（4）由于合成树脂包裹着磁性材料，使磁体有较高的抗冲击强度、弹性和韧 性。与传统的烧结材料相比，其拉伸强度、弯曲强度和压缩强度也有很大的提高。由 于质量轻，所以能使制品轻量化，可减少运输等费用，并且其磁性能可以调节。TGISLKRz2.2 磁性高分子微球 磁性高分子微球是将高分子与磁性无机物通过包埋、单体聚合等方法结合形成的 具有磁性、粒径为几纳米到几百微米不等的特殊结构微球，具有超顺磁特性，即在外 部磁场作用下，磁性微球可迅速从分散介质中分离出来；撤去外部磁场，磁性微球又 可重新悬浮于分散介质中，无残余磁性。它具有高分子微球的

13、特征，可通过聚合、表 面修饰等在磁球表面引入各种不同性质的官能团，广泛应用于分子生物学、体外临床 诊断、环境 TGISLKRz与食品分析等领域。纳米磁性高分子微球按结构大致可分为两类：核 -壳结构和三明治结构。核 - 壳式 纳米磁性高分子复合微球的核可以是聚合物也可以是无机磁性材料；三明治结构外层 和内层为聚合物，而中间为无机磁性材料。由于核为磁性无机物，壳为聚合物的纳米 磁性高分子复合微球制备相对容易，且可通过共聚、表面改性等手段在聚合物表面接 上多种反应性功能基团，因此研究报道较多。 TGISLKRz龚荣洲等曾采用原位生成法制备出酞氰钴 / 纳米铁微球，比饱和磁化强度为 76.3Am2/k

14、g ，矫顽场为4.15KA/m，热稳定性高于150 C,与甲基硅油组成的磁流 变液有良好的抗沉降性。Wan等对Y-Fe2O3/PANI和Fe3O4/PANI纳米复合物的制 备及性能进行了研究，但所制备的复合物室温电导率低（ 10-410-5S/cm ），矫顽 场低（ Hc=0 ），由于合成方法的原因其结构和性质也很难控制。 Deng 等在此基础上 曾将磁性氧化铁粒子用 PANI 包裹制成具有核 - 壳结构的电磁纳米复合材料，但发现将 该复合物侵入 3mol/L 的硫酸时，由于 PANI 结构的无内聚（不粘结）力，氧化铁磁核要脱落。随后提出的改进合成方法是分散有 Fe3O4 纳米微粒的水溶液中原

15、位聚合 苯胺单体和苯胺-甲醛缩聚物(AFC)得到核-壳结构的Fe3O4-交联聚苯胺( CLPANI )复合物，分析表明该复合物表现出铁磁行为，具有高饱和磁化强度 (Me=4.2219.22emu/g )，高矫顽场( Hc=28Oe ) , 其电导率取决 于 Fe3O4 含量和掺杂程度，且由于 Fe3O4 粒子和 CLPANI 间存在某种相互作用使得复合物的 热稳定性增加。 TGISLKRz2.3 磁性聚合物膜 大块磁性材料多以薄膜形式出现。磁性聚合物膜材料既具有磁记录、磁分离、吸波、缩波等磁特性，又具有质轻柔韧、加工性能优越等特点，可用作高磁记录密度的 高分子磁膜、分离膜、电磁屏蔽膜，从而在功

16、能性记忆材料、膜分离材料、隐身材 料、微波通 讯材料等多种军用、民用领域获得重要用途。 TGISLKRz早期复合膜的应用，主要是讲超细铁氧体磁粉和聚合物基复合再涂覆在聚酯薄膜 上形成记录用磁带。随着人们对尖端膜材料、先进成膜技术的发展，对膜结构的控 制，及对膜的物理、化学行为的深入研究，将膜作为提供特异的反应场、信息传递 场、能量转化场等特异功能的功能材料的研究和应用增多。 TGISLKRz镍铁合金磁性材料通过电镀嵌入聚硅烷弹性薄膜，在外加磁场作用下，膜中磁性 部分产生扭转力矩导致膜的变形。该磁性膜器可用作微流系统中的微泵装置、高分辨 率轻小光学镜面及磁开关。利用电沉积技术结合模板合成法制备的

17、磁性微米、纳米膜 可用作高密度可擦写磁记录材料、微波基板材料。在基体膜上涂覆压电磁性材料。当 机械压力施加于膜，膜的压电磁特性能引起磁导率变化，与微型螺线圈构成磁心电感 器，用于远程传感。运用在水分散相中制备铁磁纳米粒子的技术，结合多分子层自组 装技术，可制成有机 -无机多层复合膜，它综合了磁性纳米粒子的特性及聚合物的可加 工性，具有独 TGISLKRz特的机械、电、光、磁性质，可用于发光二极管、抗蚀保护层、膜传感器、导电 层、非线性光学器件及气体分离膜。 TGISLKRz3磁功能复合材料发展概况和应用由于磁功能复合材料的生产可采用多种复合技术，因此在高聚物成型加工技术高度发达的今天，磁功能复

18、合材料得到了迅速地发展。 TGISLKRzNd-Fe-B 粘结磁体，它是稀土类20 年中， Nd-Fe-B 粘结磁体已成磁功能复合材料中产量增长最快的是各向同性功能复合材料所占份额最大的一种材料。在过去的 工地占据了市场，现已广泛地应用于家用电器和办公用品，预计今后其在计算机外设 中的应用还会继续增长。 TGISLKRz我国的磁功能复合材料发展较晚， 20 世纪 80 年代初随着电冰箱生产的发展，从 国外引进电冰箱门封条生产线。随后国内进行了仿制，年产磁条约 3000t ，除供国内 电冰箱使用外，还有部分出口。但对于微电机及彩色电视机显像管会聚组件用磁功能 复合材料等性能较高的塑料磁体研究较少

19、。目前国内应用较多的是铁氧体磁功能复合 材料和稀土类磁功能复合材料。铁氧体磁功能复合材料价格低廉磁性能较低，稀土类 磁功能复合材料性能较高，价格昂贵，适用于小型器件。 TGISLKRz铁氧体磁性材料有一个重要的特性是不导电，因而适用于具有高频磁场的地方。 同时它可选择不同性质的塑料作为基材制成刚性或柔性制品，使得产品的设计较较烧 结磁体更为灵活。其市场要求情况如下所示。 TGISLKRz（1）直流微电机用磁体：直流微电极中必须有一个磁场，通常微型直流电机的 磁场是永磁体产生的。我国微电机年产量上亿台，仅大连万宝至公司每月产量就达 600 万支，每种型号年需求磁功能复合材料条 7200 万条。

20、TGISLKRz（2）气动元件磁环：气动元件磁环是用于气缸中与磁性传感器协作控制气缸动 作的元件。目前国内有气动元件厂 136 家。另外日本 SMC 公司在北京建立了北京工 厂，年需磁环 5000 万支，韩国丹海公司年需磁环 360 万支，中国台湾金器公司年需 磁环 1000 万支。 TGISLKRz（3）汽车仪表磁环：随着我国汽车工业的发展，仪表工业也迅速发展起来。北 京仪表厂从日本引进了仪表生产线为北京吉普车配套，上海也引起生产线为桑塔纳配 套。 TGISLKRz（4）装饰减震磁体：国外高档汽车对车内的宁静度有较高的要求，据资料报 道，每辆车中需要几公斤的磁体分别安装在顶、边、门上，从而改变板金结构的震动 频率，提高车内的安静度。由此可见，磁功能复合材料是一技术含量高、市场急需、 效益较好的高新技术产品，生产磁功能复合材料具有广泛的市场，一定能取得极好的 经济效应。 磁功能复合材料和导电塑料作为新型功能材料，以其固有的特性而广泛 用于电子、电气、仪器仪表、通讯、文教、医疗卫生以及日常生活中的诸多领域中， 其产量和需求 TGISLKRz量正在不断