功能复合材料

材料现代成型技术功能复合材料大连理工大学材料学院贾非DalianUniversityofTechnology功能复合材料功能复合材料简介功能复合材料的复合效应功能复合材料的设计典型功能复合材料复合材料按使用目的可分为结构复合材料和功能复合材料。功能复合材料是指除力学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。功能复合材料主要由功能体和基体组成，或由两种及两种以上的功能体组成。单一功能体的复合材料中，其功能性质由功能体提供，而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。多元功能体的复合材料可以具有多种功能，并且由于产生复合效应而出现新的功能。多功能复合材料成为功能复合材料的发展方向。功能复合材料简介复合材料无论是力学性能还是物理性能，都取决于组元的形状、尺寸、分布和界面形态。复合材料的性能与构成复合材料的组元的性能的关系称为复合效应。复合效应除取决于复合状态外，还主要取决于复合材料各组元材料的性质。复合效应的特点：复合材料的性能，往往不是组元性能的简单加和；同样的组元和相同的复合状态，对不同的性能往往具有不同的复合效应；同样的组元而复合状态不同时，对某一性能将具有不同的复合效应。功能复合材料功能复合材料的复合效应复合材料按使用目的可分为结构复合材料和功能复合材料。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，可分为线性效应和非线性效应。在这两类复合效应中，又可以显示出不同的特征。功能复合材料功能复合材料的复合效应平均效应

相乘效应平行效应

诱导效应相补效应

共振效应相抵效应

系统效应线性效应

非线性效应复合效应不同复合效应的类别平均效应复合材料最常见的一种复合效应，满足混合定律。复合材料的某项性能随组元材料的体积含量的变化呈线性改变。复合材料的复合效应平均效应混合定律式中，Ｐ为材料性能，φ为材料体积含量，角标c、i分别表示复合材料及组元。

并联型混合定律：适用于复合材料的密度、单向纤维复合材料沿纤维方向（纵向）弹性模量，纵向泊松比等；

串联型混合定律：适用于单向纤维复合材料的横向弹性模量，纵横剪切模量和横向泊松比等。平行效应是复合材料最简单的一种线性复合效应。指复合材料的某项性能与其中某一组分的该项性能基本相当。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。复合材料的复合效应平行效应对于增强体（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。玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的耐腐蚀性能与环氧树脂的耐腐蚀性能基本相同。相补效应组成复合材料的组元材料性能能相互补充，弥补各自的弱点，使复合材料具有优异的性能，则显示出相补效应。复合材料的复合效应相补效应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。相抵效应组成复合材料时，若组分间性能相互制约，限制了整体性能提高，使复合材料的性能低于混合物定律预测值，则复合后显示出相抵效应。复合材料的复合效应相抵效应对于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。当复合状态不佳时，陶瓷基复合材料的强度往往产生相抵效应。在玻璃纤维增强塑料中，玻璃纤维表面选用适宜的硅烷偶联剂处理后，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。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。相乘效应两种具有转换效应的材料复合在一起，使它们相同的功能得到复合，而不同的功能得到新的转换，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。复合材料的复合效应相乘效应式中，Ｘ、Ｙ、Ｚ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。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：相乘效应的组合非常广泛，已被用于设计功能复合材料。复合材料的复合效应相乘效应复合材料常见的物理乘积效应Ａ相性质Ｘ／ＹＢ相性质Ｙ／Ｚ复合后的乘积性质（Ｘ／Ｙ）（Ｙ／Ｚ）＝Ｘ／Ｚ压磁效应压磁效应压电效应磁致伸缩效应光导效应闪烁效应热致变形效应磁阻效应磁电效应场致发光效应压阻效应电致效应光导效应压敏电阻效应压敏电阻效应压电效应压力发光效应磁阻效应光致伸缩辐射诱导导电热敏电阻效应诱导效应是指在复合材料中两组元的界面上，一相对另一相在特定条件下产生诱导作用（如诱导结晶），使之形成相应的界面层。这种界面层结构上的特殊性使复合材料在传递载荷上的能力或功能上具有特殊性，从而改变整体性能或产生新效应。复合材料的复合效应诱导效应结晶的纤维增强体对非晶基体的诱导结晶或晶体基体的晶体取向产生作用。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。共振效应又称强选择效应，指某一组分A具有一系列性能，与另一组分B复合后，能使A组分的大多数性能受到较大抑制，而使其中某一项性能在复合材料中突出地发挥。复合材料的复合效应共振效应在要求导电而不导热的场合，可以通过选择组分和复合状态，在保留导电组分导电性的同时，抑制其导热性而获得特殊功能的复合材料。

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。

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。复合材料的固有频率不同于原组分的固有频率，当某一部位的结构发生变化时，其固有频率也会发生改变。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。复合材料的复合效应系统效应复合材料的各种复合效应，是复合材料科学所研究的对象和重要内容，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。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。复合材料的最大特点在于它的可设计性。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。功能复合材料的设计设计原则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。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。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。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。功能复合材料磁性复合材料磁性材料有软磁和硬磁之分，也有相应的软磁和硬磁复合材料。磁性复合材料的组合：①无机磁性材料（金属和陶瓷）与聚合物基体；②无机磁性材料与低熔性金属基体；③有机聚合物磁性材料与聚合物基体；④无机磁性材料与载液构成的液态复合材料-磁流变体。无机磁体-聚合物基复合材料应用较多。

无机磁性材料，特别是陶瓷磁体需要烧结成型，形状复杂、精度要求高的物件制造难度大，而且性脆、容易断裂。以无机磁性材料的粉末或纤维与聚合物复合，容易加工成形状复杂的物件，不仅具有韧性，甚至呈橡胶弹性状态。聚合物基磁性复合材料的组成聚合物基磁性复合材料由无机磁性功能体和聚合物基体组成，包括强磁粉、聚合物粘接剂及加工助剂。磁粉功能体的性能对磁性复合材料的磁性能影响最大，以磁粉品种分为铁氧体类和稀土类复合磁性材料。粘接剂性能的好坏对复合材料的磁性能、力学性能及成型加工性能也有很大影响。聚合物基体分为橡胶类、热固性树脂类和热塑性树脂类。加工助剂主要从改善材料的成型性能方面来提高磁性能。为了改善复合体系的流动性，常加入各种助剂提高磁功能体易磁化轴的方向取向和提高磁粉含量，也常使用一些硬脂酸盐润滑剂、偶联剂及增塑剂等。磁性复合材料聚合物基磁性复合材料磁粉的发展早期的磁粉为氧化铁和AlNiCo合金，后来发展了Sm-Co系磁铁，近年开发了新型稀土永磁材料系类，包括稀土金属间化合物、Th2Mn12型稀土材料和各相异性NdFeB，Sm2Fe17N3材料以及纳米晶交换耦合材料等各种永磁材料。铁氧体磁粉以BaO·6Fe2O3或SrO·6Fe2O3为主要成分，其本身的磁性能差，复合永磁材料的最大磁能积低，但价格便宜、易于成型、稳定性好，仍占复合磁体的90%左右。SmCo类磁粉是第一代稀土复合永磁材料，磁性能比铁氧体复合永磁高得多，但SmCo5类磁粉的最大缺点是热稳定性差，长期使用温度在60℃以下，价格约为铁氧体类磁粉的30~60倍，除尖端、精密设备外，很难在普通应用中推广使用。聚合物基磁性复合材料无机磁粉功能体第二代稀土磁粉复合材料以Sm2Co17为功能体，由SmCo5掺杂改性得到，最大磁能积更高，长期使用温度可达100℃。第三代稀土磁性复合材料以NdFeB为功能体，具有优异的磁性能，价格较SmCo5类低，占稀土复合永磁材料市场的1/3~1/2。磁粉颗粒大小影响磁性复合材料的性能铁氧体和类粉体的矫顽力由磁体内部的晶粒行核机制控制，磁粉颗粒尺寸接近或等于单畴尺寸时，矫顽力明显提高。Ba、Sr类铁氧体磁粉颗粒为1.0~1.2μm，SmCo5类最佳大小3~4μm。Sm2Co17和熔融-快淬法生产的NdFeB微晶磁粉的矫顽力由晶粒内部畴壁钉扎所决定，矫顽力不受颗粒大小的影响。磁粉颗粒的大小主要由充填密度和制造工艺等因素决定。Sm2Co17一般控制在4~5μm，粉末冶金法生产的NdFeB磁粉磁性能严重下降。聚合物基磁性复合材料无机磁粉功能体橡胶类基体包括天然橡胶与合成橡胶，主要用于柔性磁体复合材料，在耐热耐寒的条件下适合用硅橡胶作基体。热固性树脂一般用环氧树脂，添加多硫化物进行改性，提高了加工稳定性和磁性能。热塑性树脂中绝大多数可作磁性复合材料的基体，对磁性能影响不大，但对力学性能、耐热性、耐化学性等有影响。基体主要起粘结作用，通常采用树脂，要求在成型时提供较好的流动性，产品有较好的强度。树脂的流动性直接影响到能否得到高功能体含量的复合体系，也影响能否很好地充满模腔，磁粉能否很好地沿外磁场方向定向等问题，对高性能的复合永磁材料成型至关重要。聚合物基磁性复合材料聚合物基体橡胶体系采用常规的混炼工艺，将磁粉作为填料加入生胶，混合并压成胶片后再模压硫化成型。热固性树脂用常规方法在未凝胶状态下与磁粉湿混，并模压固化成型；也可将磁性材料（颗粒与纤维）制成预成型体，放入模具后用树脂传递模塑法成型。热塑性树脂基的成型方法较多。用粉状树脂与磁粉混合，再模压或压延成型；用双螺杆挤出机挤出并切粒后再模压或注射成型。较新的方法是原位成型，将聚合物单体在活化处理的磁粉表面上聚合，成为磁粉颗粒包裹聚合物的微球，然后按需要热压成型，具有磁粉在聚合物基体中分散均匀的优点。聚合物基磁性复合材料制备工艺磁性复合材料磁流体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。既具有强磁性材料的多种磁特性，又具有液体的特性。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。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。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。磁性复合材料磁流体基质液体基质液体的种类很多，多采用非金属基液，主要有：(1)水

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。(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。(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。(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。(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。(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。磁性复合材料磁流体分散剂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。

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。

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％。磁性复合材料磁流体磁流体的种类

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

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。

(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。(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。磁流变体（MRF）一般是由铁磁金属的球形颗粒或铁氧体颗粒（粒径为0.01~10μm）与载液物质（如硅油、煤油或合成油等稳定性好、无污染和不易燃烧的液体）复合成的液态悬浮液；同时还加入一定的稳定剂来防止颗粒沉降或团聚。磁流变体和电流变体（ERF）的功能相似，即在外场（前者为磁场，后者为电场）的作用下，能迅速改变其流变性质（表现为粘度的变化）。MRF在中等磁场的作用下，粘度系数可以增加两个数量级，在强磁场下可成为无法流动的类固体状态，外加磁场消除后可立即恢复原状。ERF在高压电场下工作，需绝缘与防护。MRF比ERF的流变剪切力大一个量级，动力学与热稳定性更好。聚合物基磁性复合材料磁流变体简介永磁性复合材料用于各种门的密封条和搭扣磁块，如橡胶基磁性复合材料。各种磁性玩具等生活用品和永磁电动机、微波铁氧体器件、磁性开关、磁浮轴承和电真空器件等高技术用途。用于信息记录的磁记录材料（磁带、软磁盘等）要求较高的剩磁和矫顽力，同时满足记录密度高、噪声低及有高强度、柔韧性和表面光滑的要求，必须采用聚合物基永磁性复合材料。软磁性复合材料聚合物基复合材料容易压延成强度好的薄片，同时基体是电绝缘材料，包裹磁性颗粒后大大提高电阻率，电涡流损耗显著降低。用于高频器件的磁芯及中小型变压器的铁芯。聚合物基磁性复合材料磁性复合材料的应用在吸波材料上的应用吸波材料与聚合物基体构成涂料或与其他吸波功能的增强体（碳纤维、碳化硅纤维等）和树脂基体构成兼有吸波和结构功能的复合材料。对于聚合物材料而言，导电聚合物属电损耗型，某些金属有机聚合物属于电磁双损耗型。具有半导电和强磁性的材料都有利于电磁波的吸收，与粘结的基体组成复合材料。磁流变体在机械传动以及自动化控制系统中，特别是在机敏和智能系统中用作智能阻尼执行机构的关键材料。如车辆的刹车、传动耦合机构，与原有的机械摩擦式刹车和离合器相比，传动效率提高、操纵平稳，可根据路况自动调节阻尼，使之不发生颠簸。聚合物基磁性复合材料磁性复合材料的应用磁性复合材料磁流体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:

(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。

(3)典型的超顺磁性。无磁滞现象，剩磁和矫顽力都为零。

(4)可调节的磁浮力。可用外加磁场改变磁性液体的表观密度和浮力。磁性液体在电子、电机、仪表及石油化工中得到应用。

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。功能复合材料电性复合材料电性复合材料两种或两种以上的金属形成的复合材料是导体；

两种或两种以上的绝缘体形成的复合材料电导率不高；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。功能复合材料聚合物基导电功能复合材料聚合物基导电功能复合材料由绝缘的有机高分子材料与各种导电物质以均匀分散复合、层叠复合或形成导电膜等方式制得的一种功能复合材料。既具有导电功能，同时又具有高分子材料的许多优异特性，如成型简便、质量轻等，并且能在较大范围内根据需要调节材料的电学和力学性能，成本较为低廉。

一般将体积电阻率小于109的聚合物基复合材料称为聚合物基导电复合材料。聚合物基导电功能复合材料的组成主要包括作为基体的有机高分子材料以及作为导电功能体的各种导电添加剂。

导电添加剂主要有两类：一类是抗静电剂；另一类是各种导电填料。聚合物基导电功能复合材料分类及应用材料特性体积电阻率/Ω·cm用途半导电复合材料107~109低电阻带、传真电极板、静电记录纸等防静电复合材料104~107防静电外壳、罩板、特殊环境下使用的FRP等导电复合材料100~104表面发热体、电缆、导电薄膜等高导电复合材料10-3~100印刷电路、电极板、屏蔽材料等聚合物基导电功能复合材料导电功能体抗静电剂多为极性或离子型的表面活性剂，分子结构中含有亲水基团和疏水基团。

疏水基团的作用是使抗静电剂与聚合物基体具有一定的相容性，而亲水基团则使之具有一定的吸水性。

抗静电剂加入到聚合物基体中以后，其分子经过向复合材料制品表面迁移而在表面形成一层“水膜”，从而达到防止和消除积累在复合材料制品表面的静电的目的。导电功能体按几何形状分为粒状、薄片状及短纤维状。

按材料种类分为：金属系，镍、铜、银等；金属氧化物，氧化锌、氧化锡；碳系，炭黑、石墨；复合导电体，Al复合玻璃纤维。聚合物基导电功能复合材料导电填料及其特点体系类别品种主要特点碳系炭黑乙炔炭黑导电性好，纯度高，加工困难油炉法炭黑导电性及其他性能较好热裂法炭黑导电性差，成本低，常用作增强填料槽法炭黑导电性差，粒径小，可用于着色碳纤维聚丙烯腈基导电性良好，成本高，加工困难沥青基比PAN基碳纤维导电性差，成本低石墨天然石墨导电性随产地而异，难粉碎人造石墨导电性随生产方法而异金属系金属粉铜、银、镍、铁、铝等易氧化变质；银的价格较贵金属氧化物ZnO、SnO、TiO2等导电性较差金属薄片铝箔导电性好金属纤维铝、镍、铜、不锈钢等价格昂贵，加工困难，导电性好其他镀金属玻璃纤维、玻璃微珠、云母等加工时存在变质问题聚合物基导电功能复合材料导电功能体导电填料在低电阻复合材料中，添加量相同时，短纤维状对导电效果的影响最大，其次为片状和粒子状。

导电填料的作用：填料的添加引起导电性增加，而混炼时电阻变化小；复合材料的抗老化性能好；在成型适应性上有良好的配合；复合时安全性高；价格便宜。炭黑是目前较合适的导电填料。

金属类导电填料的价格较贵，易氧化而降低导电性，混合分散不均，尤其是金属纤维在加工过程中易折断和发生取向，只用于导电性能要求特别好的场合和电磁波屏蔽。

石墨粉通常添加量较大（30%~60%），使制品变脆；碳纤维由于价格昂贵也很少使用；炭黑价格便宜，除赋予材料优良的导电性外，还兼具防老化、改性等多种功能。功能复合材料聚合物基导电功能复合材料金属填充材料将金属颗粒混入高分子聚合物，聚合物的电阻率发生变化，但不依据加和法则。当金属填料达到一临界体积

c时，金属填充聚合物发生突然转换，由绝缘体变成导电体。

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。电阻率对数/.cm金属的体积分数AlFe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功能复合材料聚合物基导电功能复合材料金属填充材料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。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，呈现出正温度效应和负温度效应。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)。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。可用于制备各种电子开关器件。聚合物基导电功能复合材料制备技术

共混法将导电聚合物或者导电填料与基体聚合物共混，可以得到既有一定导电性能，又具有良好力学性能的复合材料。

机械共混法：将组分材料放入共混装置，在一定条件下适当混合。如聚乙烯-炭黑、尼龙6-铜、聚苯乙烯-炭黑等。

溶液共混法：用导电聚合物或导电填料与基体聚合物溶液混合，冷却或除去溶剂，然后成型。如以二甲苯为溶液，N-十八烷基取代聚苯胺与乙烯-乙酸乙烯共聚物进行溶液共混。

共沉淀法：采用共沉淀法制备导电复合材料的比较少。聚吡咯-聚氨酯导电复合材料，用化学氧化法制备聚吡咯细小微粒分散的悬浮液，然后聚氨酯在氯仿中溶解，再用表面活性剂制备水溶液，最后将乳液与聚吡咯悬浮液混合，可得沉淀共混物。聚合物基导电功能复合材料制备技术

化学法聚合物单体和导电粒子混合后聚合成型，如聚烯烃/炭黑导电功能复合材料。非导电聚合物基体上吸附可形成导电聚合物的单体，并且使之在基体上聚合，获得导电功能复合材料。聚合反应一般是氧化聚合反应，如聚乙炔/聚乙烯，三元乙丙橡胶/聚吡咯导电复合材料。

两种聚合物单体在乳胶中进行氧化聚合后生成导电功能复合材料。如聚苯胺/聚吡咯导电复合材料。

电化学法首先利用“浸渍-蒸发法”在金属电极上涂覆一薄层塑料，然后将电极作为工作电极放到含油单体的电解质溶液中，使单体扩散到电极表面放电，聚合物不断聚合。如聚氯乙烯等基体。聚合物基导电功能复合材料应用

抗静电和导电领域高分子材料在成型、运输和使用过程中，受到摩擦和挤压产生和积累静电。积累在制品表面的静电，可能给成型操作带来困难，影响产品质量；由于吸尘严重难于净化而影响制品的外观和在超净化环境中的应用；在录音、录像时产生杂音和杂波；静电积累到一定程度时会产生静电放电现象。

抗静电材料广泛用作矿山、油、气田、化工等部门的干粉及易燃、易爆液体的输送管材、矿用传送带；

集成电路、印刷电路及电子元件的包装材料，通讯设备、仪器仪表及计算机的外壳；医院手术室、火药厂、制药厂等净化室的地板、操作台垫板及壁材等；高压电缆的半导电屏蔽层、结构泡沫材料、化工容器等。聚合物基导电功能复合材料应用

自控温发热材料利用结晶性高分子复合导电材料电阻率的正温度系数效应，即电阻率不仅随温度升高而增大，还在高分子树脂基体的熔化温区内急剧跃增，从而能自动调节功率，实现温度自控。

与传统的采用金属导线或蒸汽加热相比，高分子复合导电作发热体的自控温加热带和加热电缆的加热速度快，节省能源，使用方便，控温保温效果好，性能稳定且使用寿命长；

用于气液输送管道、仪表管线等的防冻保温以及各类融雪装置，温度补偿和测量、过热以及过流保护元件等；

民用方面，如婴儿食品保暖器，电视机屏幕消磁系统，电热地毯、坐垫、护肩等保暖治疗以及各种日常生活用品、多种家电产品的发热材料等。聚合物基导电功能复合材料应用

压敏导电胶导电胶的电阻随外加压力而变化。一种是压力小于某一确定值时材料呈绝缘态，大于该值时呈导电态，能做通-断动作；另一种是电阻值随外加压力而连续变化的可变电阻导电胶。

制成各种传感器，以判别车辆的轴信息、溶剂浓度、电子琴键打击力、变形大小等；

制成触摸控制开关，用于视频录像重现、投影扩大机等级转换、照相机等多速度调节。功能复合材料压电功能复合材料复合材料压电性能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。功能复合材料压电功能复合材料压电功能复合材料压电功能复合材料是指在外力作用下产生电流，或反过来在电流作用下产生力或形变的一种功能复合材料。

一般是由压电陶瓷和聚合物按照一定的联结方式、一定的体积或质量比例和一定的空间几何分布复合而成。

压电陶瓷如PZT（锆钛酸铅）、PT（钛酸铅）等，由于密度大、声阻抗大、性脆，不能制成大平面薄片和复杂的形状以及不易与水和人体等轻负载匹配。

压电聚合物如PVDF（聚偏二氟乙烯）等密度小、柔性好、阻抗低，但压电常数低、各向异性强、极化困难等。

压电复合材料克服了两者的不足，具有强压电性、脆性低、密度和介电系数低，易制成薄片及复杂形状，制造工艺简单。功能复合材料压电功能复合材料

0-3型压电功能复合材料最简单的一种压电功能复合材料，是由不连续的陶瓷颗粒分散于三维连通的聚合物基体中形成。

可以制成薄片、棒或线材，模压成各种复杂形状，但较难极化。在复合材料中加入少量碳、锗等导电相，提高聚合物基体的导电率或提高压电陶瓷相电阻率等措施可改善极化性能。选择压电相的重要参数是材料的长径比，长径比大的压电相可获得大的自发应变。常用PZT、PbTiO2、(Pb,Bi)(Ti,Fe)O3等。

材料性能与制备方法有密切关系。用化学法制备的高纯、均匀的复合材料对于改善性能有显著作用。

大部分0-3型压电功能复合材料采用热轧法和烧结法制得。采用腔体工艺制备的复合材料结构均匀、性能也有提高。功能复合材料压电功能复合材料

1-3型压电功能复合材料由一维连通的压电相平行排列于三维连通的聚合物中构成的两相压电功能复合材料。

排列-浇注法。工业方法成熟，可以灵活地安排陶瓷相的分布情况。缺点是陶瓷棒的制备工序复杂，通过挤出法、粘结法、溶胶-凝胶拉伸工艺、活性炭纤维浸渍法制取陶瓷棒体都很复杂费时，且棒体越细排列越难。切割-浇注法。用机械切割压电陶瓷是相对稳定的商业化方法，但该方法取决于切割机械的精度及陶瓷相的力学性能。模具浇注成型法。陶瓷柱大小、形状、间距灵活，采取亚微级的陶瓷浆料可获得10μm细的棒体结构。

注射法。相对简单、快速，适于工业化，但模具价格贵。功能复合材料压电功能复合材料其他类型压电功能复合材料

3-0型。压电相在三维方向上连通，而基体之间不连通。通过热压聚乙烯颗粒和PZT粉末的混合物，得到低介电常数的聚合物晶粒被高介电常数的PZT晶界环绕的无规则结构，声阻抗非常低。

3-1型和3-2型压电功能复合材料。压电相是三维连通的，聚合物仅在一维或二维连通。采取拉挤工艺先制成蜂窝状的压电陶瓷，然后回填聚合物。聚合物在极化方向上连续的称为3-1P型，也有结构类似但极化方向垂直于挤出方向的3-1S型。3-3型压电功能复合材料。两相在三维方向都是自连通的，可分为珊瑚复合型、有机烧去型、夹心型、梯形格式及烛光造孔型。功能复合材料压电功能复合材料为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。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。PZTPPTPZT/PPT/PPZT+PT/P压电复合材科的发展PZT／P中的PZT压电活性大，但各向异性较小；PT／P中PT的压电活性小，但其各向异性大。实现三相复合，会体现出新性能。功能复合材料压电功能复合材料压电功能复合材料的应用压电功能复合材料的应用涉及面较广。

电子技术方面，有谐振加速计、振荡器、谐振电路、电子脉冲探测器；海洋工程方面，有水声换能器、声呐发射与接收器；医学方面，有映像诊断器；

制成气氛探测装置用于环保监测。功能复合材料隐身复合材料隐身复合材料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，复合隐身材料的发展就显得格外重要。

现代隐身技术以吸波材料为主，兼之以合理的结构设计。

吸波材料是指材料可吸收、衰减空间入射的电磁波能量，并减少或消除反射的电磁波。

吸波材料特别是微波吸收材料在通信技术、雷达技术、微波暗室、电子器件等多方面有着广泛的用途。

早期的吸波材料以吸收电磁波为主要目的，以涂料的形式涂覆到表面，增加质量、降低抗环境能力。向结构内部填充方向发展。功能复合材料隐身复合材料吸波复合材料由功能体及基体组成。吸波功能体包括铁氧体、碳粉、碳纤维、碳化硅纤维等，其中铁氧体是一类最主要的功能体。

吸波复合材料：铁氧体与树脂（橡胶）基体；碳粉与树脂组成的复合材料，有时碳粉与铁氧体同时存在；碳纤维复合材料及碳化硅纤维复合材料等。

铁氧体树脂吸波复合材料在高频时只具有低的波吸收特性，而且因铁氧体密度大而难以制造出质量轻的复合材料；碳粉与树脂组成的复合材料因为强度低而难以制造大尺寸的吸波复合材料；碳纤维复合材料要满足吸波效果往往要求厚度较大；碳化硅纤维复合材料在强度、耐热和耐候性腐蚀方面是极好的，而且能满意地得到宽频带吸收性能，但价格较高。功能复合材料隐身复合材料吸波功能复合材料的吸波机理复合材料要很好地吸收电磁波，应具备两个基本条件：①电磁波传播、入射到复合材料表面（表层）时，能最大限度地使电磁波进入到复合材料内部以减少直接反射，设计时考虑电匹配特性。②电磁波进入复合材料内部并传播时，能够迅速并几乎全部地把它衰减掉，要求制备复合材料时考虑其衰减特性。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强度；

(2)减小目标与环境的信号反差，使其低于探测器的门槛值；(3)使目标与环境反差规律混乱，造成目标几何形状识别上的困难。隐身材料按照电磁波吸收剂的使用，可分为涂料型和结构型两类，它们都是以树脂为基体的复合材料。功能复合材料隐身复合材料涂料型隐身复合材料能使被涂目标与它所处背景有尽可能接近的反射、透过、吸收电磁波和声波特性的一类无机涂层，又称为伪装层。

隐身涂层种类很多，有防紫外侦察隐身涂层、防红外侦察隐身涂层，以及防可见光、防激光、防雷达等侦察隐身涂层，还有吸声涂层等。

隐身涂层多采用涂料涂覆工艺。涂料由粘结剂、填料、改性剂和稀释剂等组成；粘结剂可以是有机树脂，也可以是无机胶粘剂；填料是调节涂层与电磁波、声波相互作用特性的关键性粉末状原料，金属、半导体、陶瓷等不同类型的粉末可以作为填料使用，利用它们在能带结构上的差别，针对不同的探测装置进行隐身。由于探测技术不断提高，隐身涂层也向具有多功能的多层涂层及多层复合膜方向发展。

功能复合材料隐身复合材料结构型隐身复合材料由于涂料型隐身材料存在重量、厚度、粘接力等问题，在使用范围上受到了一定限制；因此兼具隐身和承载双重功能的结构型隐身材料应运而生。电磁波在材料中传播的衰减特性是复合材料吸波的关键。实际上振幅不同的波来往传播，包括折射和散射。最后使射入复合材料的电磁波能得到衰减，达到吸收的目的。在设计中，使复合材料表面介质的特性尽量接近空气的特性，就会使表面反射小，从而达到隐身作用。作为兼具隐身和承载双重功能的材料的设计，主要有混杂型和蜂窝形复合材料两大类。功能复合材料隐身复合材料结构型隐身复合材料所谓混杂型是基体为高聚物，增强体是不同类型纤维材料。

例如，选择酚醛树脂为基体，选择碳纤维、玻璃纤维、芳纶等为增强体，选择合适的混杂结构参数，界面尽量增多，这种复合材料不仅有较好的承载功能，同时也只有良好的吸收雷达波的性能。蜂窝结构型隐身复合材料是一种外形上类似于泡沫塑料的纤维增强型材料，对电磁波有极好的吸收效果。

如采用多层结构，频率为8～12GHz时，吸收性能达到15dB。功能复合材料隐身复合材料结构型隐身复合材料在飞机上的应用结构吸波材料是在先进复合材料基础上发展起来的双功能复合材料，既能隐身又能承载，可成型各种形状复杂的部件，如机翼、尾翼、进气道等，是当今吸波材料主要的发展方向。美国先进隐身战斗轰炸机、战略轰炸机、战斗机以及先进巡航导弹大量采用了碳纤维、碳/Kevlar纤维或碳/玻璃纤维混杂纤维作为增强材料的结构吸波材料。

研制了“隐身”用特殊碳纤维，截面不是圆形的，而是有棱角的三角形、四方形或多角形，并与玻璃纤维混杂编织成三向织物。织物有许多微小的角锥，具有良好吸透波性能。

用特殊碳纤维制造B-2轰炸机的多层吸透波蒙皮。

碳纤维复合材料可用于F-22的蒙皮壁板、机翼中间梁、机身中间梁、机身隔框、舱门和其他部件，主要应用的树脂有：双马来酰亚胺（BMI）、环氧树脂和热塑性树脂。功能复合材料多功能复合材料功能-结构一体化复合材料在较多的场合中，不仅要求材料具有一定的功能，同时要求材料能够满足一定的力学性能要求，实现功能与结构的一体。功能-结构一体化高阻尼复合材料振动和噪声可以使电子器件失效，机械零件寿命缩短，人体疲劳生病，工件效率降低，减震降噪至关重要。

高阻尼结构材料通常要求具有足够的强度和刚度及较高的阻尼损耗因子。高分子粘弹性材料具有最高的阻尼损耗因子，但弹性模量低，一般不单独作结构材料；阻尼合金有良好的力学性能，但阻尼损耗因子比粘弹性材料低得多，不适合高阻尼要求的场合。

功能-结构一体化高阻尼材料，既有粘弹性材料的阻尼特性，又有金属材料的力学性能。可以较好地实现这一目标的是泡沫金属基体与粘弹性材料的复合。

泡沫金属的阻尼性能虽不如粘弹性材料，但明显高于阻尼合金。功能复合材料功能-结构一体化复合材料功能-结构一体化高阻尼复合材料

泡沫金属是一种连通的泡沫材料，选用具有高阻尼的合金制备基体，然后用复合浸渗方法将粘弹性材料沿通道渗入材料内部，制备出以泡沫金属为基体的新型复合材料，充分发挥两者特性。

制备泡沫金属基高阻尼复合材料的基本方法有：铸造法、电镀法、喷射沉积法、粉末冶金法、渗流铸造法、离心铸造法。

复合材料的力学性能主要取决于泡沫金属基体的力学特性。影响因素主要有合金本身的性能及泡沫空洞大小和多少。常用铝合金做基体材料，力学性能较低。

用泡沫金属制备技术在合金基体中形成大量细小弥散的微孔，再用渗流方法向其内渗入石蜡、松香、明胶等价格便宜的高分子材料，众多细微的约束阻尼结构可以最大限度发挥全部材料体积阻尼潜力，得到利于推广的功能结构一体化高阻尼材料。功能复合材料功能-结构一体化复合材料吸能-结构一体化复合材料

飞行及其他交通工具的运营成本与其自重成正比，采用轻质高强的复合材料可以降低运营成本，但随交通工具速度的提高，撞击损毁的概率急剧增加，给乘员安全带来威胁。复合材料的抗撞毁研究是新的研究方向。

复合材料不能像金属那样通过大变形吸收撞击能量，其结构性能与其吸能功能性质互为矛盾，抗撞毁复合材料是结构-功能一体化的材料制造技术。

抗撞毁复合材料的功能指标是比能耗，即结构的最大撞毁破坏能量除以结构的质量。

抗撞毁比能耗主要取决于吸能结构的单元设计和选材，局部取决于树脂基体。一般要求树脂具有很好的韧性，包括冲击后压缩强度及层间断裂韧性等，增强材料也应有一定的韧性。

抗撞毁问题在直升机上格外重要。使用抗撞毁结构及复合材料。功能复合材料功能-结构一体化复合材料吸能-结构一体化复合材料复合材料性能性质的基础结构单元是薄壁管形元件，几何参数包括直径、壁厚等。

用二维二向编织预制体+液态成型和预浸料+热压罐成型的复合材料制备薄壁管形元件，比较不同材料、织物单元结构、成型方法等对结构吸能性质的影响，优化材料与结构。

提高薄壁管形件的轴向和薄壁层间的性能是提高基础元件抗压溃性能的主要措施。

提高管形件的轴向性能，最简单的手段是增加编织结构复合材料的轴向纤维纱数，或调整预浸料的铺层角度就可能平行于轴向。

提高管形件薄壁层间性能的最有效手段是提高层间韧性，冲击后的压缩强度较高，抗压溃性能提高。

适度的缝纫对抗压溃有益，这时的层间性能也得到了提高。功能复合材料仿生功能复合材料概述

自然界的生物材料具有复合结构，经过亿万年自然选择与进化，形成了大量天然合理的结构与形态。

仿生概念古已有之，20世纪60年代开始现代仿生研究逐步活跃；90年代初出现材料仿生研究，认为材料仿生应该尽可能接近模仿生物材料的结构和性质；近年来提出“受生物启发”而研制的材料或进行的过程，渐为材料界接受，是广义仿生。

生物材料的优良特性为复合材料设计展示了诱人的前景，几乎所有生物材料都是复合材料，一些具有高强度和高模量，以陶瓷为主的材料也具有很好的韧性。

生物材料最显著的特点是具有自我调节功能，能够一定程度地调节自身的物理和力学性能，以适应周围环境。

一些生物材料具有自适应和自愈合能力。

研究生物材料的结构和功能，用以设计和制造先进复合材料。功能复合材料仿生功能复合材料生物材料

器官对其功能的适应性由实践进化而来，自然进化的趋势是用最少的材料来承担最大的外力。

作为动物承载系统的主要部分，骨骼承担外来载荷，