功能复合材料磁性复合材料（课堂PPT）

1、3/6/20221磁性复合材料磁性复合材料(Magnetic composite materials)是以是以为为基体基体与与复合而成的一类材料。复合而成的一类材料。1.无机磁性材料与聚合物基体构成的复合材料。无机磁性材料与聚合物基体构成的复合材料。2.无机磁性材料与低熔点金属基体构成的复合材料。无机磁性材料与低熔点金属基体构成的复合材料。3. 有机聚合物磁性材料与聚合物基体构成的固态复合材料。有机聚合物磁性材料与聚合物基体构成的固态复合材料。4. 以无机磁性材料与载液构成的液态复合材料以无机磁性材料与载液构成的液态复合材料-磁流变体。磁流变体。3/6/20222聚合物基磁性复合材料主要由聚合

2、物基磁性复合材料主要由、和和三大部分三大部分组成。组成。2.2.1 无机磁粉功能体无机磁粉功能体 磁粉性能的优劣与其组成、颗粒大小、粒度磁粉性能的优劣与其组成、颗粒大小、粒度分布以及制造工艺有关。分布以及制造工艺有关。3/6/202231. 铁氧体磁粉铁氧体磁粉 BaO Fe2O3或或SrO Fe2O32. SmCo5类磁粉类磁粉 第一代稀土复合永磁材料第一代稀土复合永磁材料3. Sm2Co17类磁粉类磁粉 第二代稀土复合永磁材料第二代稀土复合永磁材料4. NdFeB 第三代稀土复合永磁材料第三代稀土复合永磁材料 磁粉颗粒大小是影响磁性复合材料性能的重磁粉颗粒大小是影响磁性复合材料性能的重要因

3、素。要因素。 铁氧体和铁氧体和SmCo5类粉体的矫顽力是由磁体内部的晶粒形类粉体的矫顽力是由磁体内部的晶粒形核机制所控制，因此，当磁粉颗粒尺寸大小接近或等于单畴核机制所控制，因此，当磁粉颗粒尺寸大小接近或等于单畴尺寸大小时，其矫顽力明显提高，抗外界干扰能力明显增大。尺寸大小时，其矫顽力明显提高，抗外界干扰能力明显增大。 Sm2Co17和熔融和熔融-淬火法生产的微晶淬火法生产的微晶NdFeB磁粉的矫顽力磁粉的矫顽力是由晶粒内部畴壁钉扎所决定，其矫顽力不受颗粒大小影响，是由晶粒内部畴壁钉扎所决定，其矫顽力不受颗粒大小影响，其颗粒大小主要由填充密度和制造工艺等因素决定。其颗粒大小主要由填充密度和制造

4、工艺等因素决定。 磁粉粒度分布也对磁性复合材料性能有影响。磁粉粒度分布也对磁性复合材料性能有影响。3/6/202243/6/202253/6/202262.2.2 聚合物基体聚合物基体 分为橡胶类、热固性树脂类和热塑性树脂类分为橡胶类、热固性树脂类和热塑性树脂类三种。三种。2.2.3 加工助剂加工助剂 为了改善复合体系的流动性，常加入各种助为了改善复合体系的流动性，常加入各种助剂以提高磁功能体沿易磁化轴的方向取向和提高剂以提高磁功能体沿易磁化轴的方向取向和提高磁粉含量，常使用一些硬脂酸盐润滑剂、偶联剂磁粉含量，常使用一些硬脂酸盐润滑剂、偶联剂及增塑剂等。其中硅烷偶联剂同时对提高磁功能及增塑剂等

5、。其中硅烷偶联剂同时对提高磁功能体的抗氧化能力起到一定作用。体的抗氧化能力起到一定作用。3/6/202272.2.4 聚合物基磁性复合材料的制备工艺聚合物基磁性复合材料的制备工艺常采用常采用、等工艺技术。等工艺技术。NdFeB/环氧树脂复合材料环氧树脂复合材料的性能与成型压力的关系的性能与成型压力的关系3/6/202282.3 磁性复合材料的性能、分类及应用磁性复合材料的性能、分类及应用2.3.1 磁性复合材料性能与填充磁体含量的关系磁性复合材料性能与填充磁体含量的关系对低填充量的颗粒状磁性功能体填充的复合材料：对低填充量的颗粒状磁性功能体填充的复合材料： r(V) = 1 + A Vr 相对

6、磁导率；相对磁导率；A 依赖于磁性材料性能、形状和填充量的系数；依赖于磁性材料性能、形状和填充量的系数；V 磁性材料填充的体积分数。磁性材料填充的体积分数。3/6/20229随着填充比例的增加，磁导率明显偏离线性。随着填充比例的增加，磁导率明显偏离线性。 r(V) = 1 + B V 2B，磁感应强度。磁感应强度。 对于填充两种或两种以上不同尺寸磁粉及不对于填充两种或两种以上不同尺寸磁粉及不同尺寸分布和形状的混杂磁性复合材料，如果其同尺寸分布和形状的混杂磁性复合材料，如果其粒子形态相似而磁性能不同，则粒子形态相似而磁性能不同，则r 与各磁性材料与各磁性材料体积分数体积分数V i 的关系可表示为

7、的关系可表示为： r(V1，V2) = 1 + B1V2 2+ B2V2 23/6/202210由于由于有有和和之分，因此也有之分，因此也有相应的软磁和硬磁复合材料相应的软磁和硬磁复合材料。此外，此外，强磁性强磁性(铁磁性和亚铁磁性铁磁性和亚铁磁性)细微颗粒细微颗粒涂涂覆在覆在或或形成形成用于磁记录，也是一类非常重要的磁性复合材料，用于磁记录，也是一类非常重要的磁性复合材料，又如又如与液体混合与液体混合形成形成等。等。2.3.2 磁性复合材料的分类磁性复合材料的分类2.3.3 磁性复合材料的应用磁性复合材料的应用3/6/202211 2.4 永磁复合材料永磁复合材料一般情况下，永磁材料的一般情

8、况下，永磁材料的，不易加工不易加工成复杂的形状。成复杂的形状。但是，制成但是，制成或或复合复合材料后，上述材料后，上述可得到克服。可得到克服。典型的永磁材料典型的永磁材料包括包括、以及以及材料。材料。3/6/202212永磁复合材料永磁复合材料的的是是，高聚物和软金属高聚物和软金属起到起到的作用。的作用。其中，其中，使用较为普遍，常用的使用较为普遍，常用的有有环氧树脂环氧树脂、尼龙尼龙和和橡胶橡胶等材料。等材料。3/6/202213永磁复合材料永磁复合材料的的常采用常采用、等工艺技术。等工艺技术。对于对于来说来说由于它由于它较为较为复杂复杂，因此除，因此除磁体要求在较高温度下磁体要求在较高温度

9、下(200 )使用外使用外，很少采用这种，很少采用这种金属基复合磁体金属基复合磁体。3/6/202214很显然，与很显然，与高密度的金属磁体高密度的金属磁体或或陶陶瓷磁体瓷磁体(铁氧体铁氧体)相比，相比，是以是以为为代价的。代价的。3/6/202215及及直接影直接影响到材料的响到材料的及及，它可用下述关系式来表达：它可用下述关系式来表达：fMMsr320)1 ()(3/6/202216 其中，其中，MrMr为复合磁体的为复合磁体的剩余磁化强度剩余磁化强度；MsMs为磁性为磁性组元的组元的饱和磁化强度饱和磁化强度； 为为复合磁体密度复合磁体密度； o o为磁为磁性组元的性组元的理论密度理论密度

10、； 为复合物中的为复合物中的非磁性相的体非磁性相的体积分数积分数；f f为铁磁性相在外磁场方向的取向度。为铁磁性相在外磁场方向的取向度。fMMsr320)1 ()(3/6/202217由于由于的的和和，因此常用来制作，因此常用来制作薄壁的微型电机薄壁的微型电机使用的使用的，例如，例如计算机主轴电机计算机主轴电机，钟表步进电机钟表步进电机等。等。3/6/202218复合永磁材料的复合永磁材料的，使其适用，使其适用于制作于制作、。如。如汽车汽车仪表用磁体仪表用磁体，磁推轴承磁推轴承及各类及各类蜂鸣器蜂鸣器等。等。3/6/202219复合永磁材料的复合永磁材料的可看作是各类可看作是各类（如（如铁氧体

11、铁氧体、铝镍钴铝镍钴、Sm-Co、Nd-Fe-B等）制成的等）制成的。也可以选用也可以选用两种或两种以上的两种或两种以上的与与复合，以便得到复合，以便得到更宽范围更宽范围的实用性能的实用性能。3/6/202220电器元件的小型化电器元件的小型化，导致，导致磁路中磁路中追求追求，为此应用的，为此应用的，除，除在在静态磁场下静态磁场下经常要求的经常要求的和和外，还要求它们具有外，还要求它们具有。 2.5 软磁复合材料软磁复合材料3/6/202221通常通常，其，其 r 随随的的增大而急速下降增大而急速下降，如下图所示：如下图所示：3/6/202222Fe-Si-Al粉末颗粒复合体相对磁导率随驱动频

12、率的变化粉末颗粒复合体相对磁导率随驱动频率的变化3/6/202223如果把如果把（例如（例如Fe-Si-A1合金）合金），表面被，表面被极薄的极薄的A12O3层层或或高聚物高聚物，然后，然后热压或模压固化热压或模压固化成成，则，则3/6/202224 从图从图A、B、D曲线看出，它的曲线看出，它的 r值值在相当宽在相当宽的驱动频率范围内的驱动频率范围内，从而保持在一个从而保持在一个。3/6/202225这种复合软磁材料的这种复合软磁材料的 r值可值可由下式描述由下式描述:)2/()(ccrdd式中式中d、 c和和 分别表示分别表示金属粒子尺寸金属粒子尺寸、块状金属相的块状金属相的磁导率磁导率和

13、和包覆层厚度包覆层厚度。3/6/202226显然，选择合适的显然，选择合适的和和即可获得即可获得所需的所需的 r值值，这对这对是十分重要的。是十分重要的。3/6/202227由于由于，这类材料的，这类材料的比其比其母体合金母体合金高得多高得多(高高1011倍倍)，因此，因此在交在交变磁场下变磁场下具有具有。下图显示了在下图显示了在1MHz高频下，复合材料高频下，复合材料与与D的关系。的关系。3/6/202228磁损耗磁损耗PL/kW.m-3磁粉粒度磁粉粒度/ um从图中可看从图中可看出，出，。因此，可以因此，可以通过通过来来调节损耗调节损耗L值。值。3/6/202229记录记录声音和图像声音和

14、图像，然后，然后将其读出将其读出(再生再生)的过程，如下图所示：的过程，如下图所示： 2.6 磁性记录与读出磁性记录与读出 2.6.1 磁性记录材料的工作原理磁性记录材料的工作原理3/6/202230音光音光电气电气信号信号磁性磁性信号信号作为磁作为磁性保留性保留磁头磁头记录材料记录材料磁记录再生的原理示意图磁记录再生的原理示意图3/6/202231由由麦克风及摄像机麦克风及摄像机将将变成变成，再，再由磁头由磁头变成变成，从而固定在，从而固定在上。上。读出时读出时，与记录过程相反，使，与记录过程相反，使声音和声音和图像再生图像再生。3/6/202232理想的理想的要尽可能地要尽可能地，能能，再

15、生时，再生时。在考虑能够实现在考虑能够实现、，大致有，大致有两方面的考虑两方面的考虑，一是，一是，二是，二是。3/6/202233作为记录介质的作为记录介质的，主要性能指标主要性能指标是是和和的大小。的大小。这两个性能指标不仅受这两个性能指标不仅受的影响，的影响，也受也受的影响。的影响。 2.6.2 磁性记录介质的性能磁性记录介质的性能3/6/202234下表列出了目前使用的下表列出了目前使用的的磁的磁特性。特性。磁性材料磁性材料 Mr/T Hc/A.m-1 -Fe2O3(14001800)*10-4(15.9231.83)*103Co- -Fe2O3(14001800)*10-4(47.75

16、71.62)*103金属金属Fe(23002900)*10-4(111.41127.33)*103Co-Ni 合金合金(1100012000)*10-4(55.7159.69)*103各种磁性粉末的特性各种磁性粉末的特性表中的排列是表中的排列是排列的。排列的。3/6/202235从表中可看出，每一次材料的从表中可看出，每一次材料的重大改进重大改进都使都使产生一次质的飞跃产生一次质的飞跃，与此同时，也使，与此同时，也使获得获得一次大的提高一次大的提高。磁性材料磁性材料 Mr/T Hc/A.m-1 -Fe2O3(14001800)*10-4(15.9231.83)*103Co- -Fe2O3(14

17、001800)*10-4(47.7571.62)*103金属金属Fe(23002900)*10-4(111.41127.33)*103Co-Ni 合金合金(1100012000)*10-4(55.7159.69)*1033/6/202236在现有材料基础上，为了在现有材料基础上，为了，就应考虑，就应考虑的优化。的优化。 2.6.3 叠层结构对磁带性能的影响叠层结构对磁带性能的影响一般对于一般对于，先制造，先制造以适当以适当高分子为粘结剂的涂料高分子为粘结剂的涂料，然后把该涂料，然后把该涂料用适用适当的方法进行涂敷、干燥当的方法进行涂敷、干燥，制造出如下图所，制造出如下图所示的一种示的一种，这就

18、是，这就是。显然，。显然，它属于它属于。3/6/202237记录磁带的结构记录磁带的结构3/6/202238到目前为止，为到目前为止，为采取了下面一些措施：采取了下面一些措施：(1)提高磁性层中提高磁性层中；(2)尽可能尽可能；(3)，防止磁损失。，防止磁损失。3/6/202239上面这些都是能够提高磁带记录密度的上面这些都是能够提高磁带记录密度的措施。但是，这些改进都是措施。但是，这些改进都是，超过超过一定极限值一定极限值会导致一些会导致一些出现。出现。因此，为了因此，为了，就需，就需要有要有，即要创造出，即要创造出的新功能。的新功能。3/6/202240目前，研究者对此进行两种尝试。目前，

19、研究者对此进行两种尝试。一、尝试把现在一、尝试把现在变成变成。二、不是用二、不是用涂敷磁性粉末和粘结剂涂敷磁性粉末和粘结剂混合成的涂料的方法混合成的涂料的方法来制造来制造，而，而是依靠是依靠的方法，的方法，来制造磁带。来制造磁带。3/6/202241把把变成变成的尝试是采的尝试是采用用，厚度为厚度为0.4um，厚度为，厚度为2.5um。这样，。这样，再生用，再生用。3/6/202242另一方面，因为另一方面，因为和和是是低频，低频，在磁性层深部在磁性层深部才变弱。所以适当地搭才变弱。所以适当地搭配配及及可得到比可得到比只使只使用一种磁性材料的磁性层用一种磁性材料的磁性层更高的输出功率。更高的输

20、出功率。这样，这样，可，可获得获得。然而这种然而这种给涂敷技术给涂敷技术提出更高提出更高的要求，不是的要求，不是常规涂敷方法常规涂敷方法能实现的。能实现的。3/6/202243是基于将来是基于将来需记录信需记录信号的波长号的波长可能可能向短波长方向发展向短波长方向发展的角度出发而的角度出发而设计和构思的。设计和构思的。由于由于波及的深度浅波及的深度浅，考虑到，考虑到厚度损失的问题，那么厚度损失的问题，那么是是最理想的。要制造这样的超薄膜，最理想的。要制造这样的超薄膜，是适合的。是适合的。3/6/202244此外，此外，具有较好的性能，本具有较好的性能，本身就可以身就可以。各种磁性粉末的特各种磁

21、性粉末的特性如下表所示性如下表所示磁性材料磁性材料 Mr/T Hc/A.m-1 -Fe2O3(14001800)*10-4(15.9231.83)*103Co- -Fe2O3(14001800)*10-4(47.7571.62)*103金属金属Fe(23002900)*10-4(111.41127.33)*103Co-Ni 合金合金(1100012000)*10-4(55.7159.69)*1033/6/202245由表中可见，由表中可见，的是的是Co-Ni合金，合金，如果镀成薄膜，如果镀成薄膜，几乎接几乎接近近100。无论是。无论是，还是，还是都都对对有好处。有好处。磁性材料磁性材料 Mr/

22、T Hc/A.m-1 -Fe2O3(14001800)*10-4(15.9231.83)*103Co- -Fe2O3(14001800)*10-4(47.7571.62)*103金属金属Fe(23002900)*10-4(111.41127.33)*103Co-Ni 合金合金(1100012000)*10-4(55.7159.69)*1033/6/2022462.7 磁流体磁流体是是强磁性强磁性(铁磁性和亚铁磁性铁磁性和亚铁磁性)细细微颗粒微颗粒与与一种液体一种液体均匀混合而成的均匀混合而成的。它既具有强磁性材料的它既具有强磁性材料的，又，又具有具有。3/6/202247由强磁性由强磁性(磁磁

23、粉粉)、(基液基液)和和(表面表面活性剂活性剂)组成。组成。3/6/202248为了防止为了防止磁粉沉淀和凝聚磁粉沉淀和凝聚，使磁性液，使磁性液体稳定，必须选择适当的体稳定，必须选择适当的、物性参量和用量物性参量和用量以及以及物性参量物性参量，使，使磁粉磁偶极矩间磁粉磁偶极矩间作用力和热作用力作用力和热作用力的的，以利于，以利于磁性液体稳定磁性液体稳定。 3/6/202249组成中的组成中的采用采用金属或非金属强磁金属或非金属强磁材料材料，通过，通过、等方法制成，粒径约等方法制成，粒径约1 100 nm的的单畴颗粒单畴颗粒。3/6/202250的种类很多，常根据用的种类很多，常根据用途选用。目

24、前多采用途选用。目前多采用，主，主要有以下六种。要有以下六种。3/6/202251(1)一种一种常用和经济常用和经济的基液，可在较宽范的基液，可在较宽范围内调节围内调节pH值；但容易蒸发，适于制备值；但容易蒸发，适于制备在在选矿和磁印刷等方面选矿和磁印刷等方面应用的应用的。3/6/202252(2)类和类和类类蒸气压低蒸气压低，粘滞性适当粘滞性适当，润滑性好润滑性好，适于制备适于制备在真空密封和阻尼系统中在真空密封和阻尼系统中应用的应用的磁性液体。磁性液体。3/6/202253(3)类类粘度较低粘度较低，电阻率和介电常数较高电阻率和介电常数较高，适于制备在要求适于制备在要求电绝缘好、粘滞性低的

25、电绝缘好、粘滞性低的情况下情况下应用的磁性液体。应用的磁性液体。3/6/202254(4)类类适用适用温度范围宽温度范围宽，对氯气等稳定性高对氯气等稳定性高，不溶于其他液体不溶于其他液体，适于制备，适于制备在温度变化大在温度变化大和和有氯气的恶劣条件下有氯气的恶劣条件下应用的磁性液体。应用的磁性液体。3/6/202255(5)类类蒸气压低蒸气压低，抗辐射性好抗辐射性好，适于制备，适于制备在高真空或辐照环境中在高真空或辐照环境中应用的磁性液体。应用的磁性液体。3/6/202256(6)和和导热性和导电性高导热性和导电性高，适于制备在需要，适于制备在需要高传热或导电的情况下高传热或导电的情况下应用

26、的磁性液体。应用的磁性液体。3/6/202257使使磁粉表面磁粉表面吸附一层吸附一层长链长链分子分子，构成，构成，并使磁粉在，并使磁粉在磁场磁场和电场作用下和电场作用下。3/6/202258因此，要求因此，要求一端一端，另一端，另一端；另外，还要求分子链另外，还要求分子链，以，以获得有效的获得有效的防凝聚作用防凝聚作用。3/6/202259主要有主要有阴离子分散剂阴离子分散剂、阳离阳离子分散剂子分散剂、两性分散剂两性分散剂和和中性中性(非离子非离子)分散剂分散剂。一般约为一般约为磁粉重量磁粉重量的的510。3/6/2022602.7.1 磁流体的种类磁流体的种类根据组成、特性和应用要求，磁性液

27、体根据组成、特性和应用要求，磁性液体可分为三类。可分为三类。3/6/202261以以非金属磁粉非金属磁粉(目前主要为目前主要为Fe3O4磁粉磁粉)与与非金属基液非金属基液均匀混合成的均匀混合成的，是，是目前应用最多的一类。目前应用最多的一类。3/6/202262以以铁铁(Fe)、钴、钴(Co)或其合金磁粉或其合金磁粉与与非金非金属基液属基液均匀混合成的均匀混合成的，其磁化强度，其磁化强度高，磁性强。目前尚处干研究阶段。高，磁性强。目前尚处干研究阶段。3/6/202263以以金属磁粉金属磁粉和和金属基液金属基液均勾混合成的均勾混合成的。其。其磁性、导热性磁性、导热性和和导电性好导电性好，适于，适

28、于制造一些特殊装置如制造一些特殊装置如。目前多。目前多处于研究阶段，应用较少。处于研究阶段，应用较少。3/6/2022642.7.2 磁流体的特性和应用磁流体的特性和应用与与相比具有相比具有以下四个方面的特点以下四个方面的特点:3/6/202265(1)。能长期保持均匀状。能长期保持均匀状态，在态，在磁场和重力场磁场和重力场中不会发生中不会发生凝聚和成凝聚和成团现象团现象。(2)。可由。可由外加磁场外加磁场控制控制其粘度，并使其粘度，并使粘度对磁场表现各向异性粘度对磁场表现各向异性。3/6/202266(3)。无。无磁滞回线磁滞回线现象，现象，即即剩磁和矫顽力剩磁和矫顽力都为零；都为零；(4)

29、。即可用。即可用外加磁场外加磁场改变磁性液体的改变磁性液体的。3/6/202267由于由于兼有兼有和和，因而在，因而在电子、电机、仪表、石电子、电机、仪表、石油化工和科学研究油化工和科学研究中得到应用。中得到应用。3/6/202268如用于如用于运动部件的阻尼运动部件的阻尼、润滑和密封润滑和密封，不同密度物体的不同密度物体的分选和分离分选和分离，失重状态下用，失重状态下用的磁性燃料和磁性笔，的磁性燃料和磁性笔，磁控印刷磁控印刷，磁控染色磁控染色，由磁性液体作为工作物质的由磁性液体作为工作物质的陀螺陀螺、声换能器声换能器、磁流体电机磁流体电机和和磁芯磁芯等。等。3/6/2022692.8 磁性复合材料的老化机理及防护磁性复合材料的老化机理及防护 磁性复合材料（特别是磁