第九章功能复合材料

第九章功能复合材料

复合材料按使用目的可分为两类: 结构复合材料和功能复合材料

功能复合材料是指除机械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。功能复合材料是指除机械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(或两种以上)功能体组成。　　功能复合材料主要由功能体和基体组成，或由两种(或两种以上)功能体组成。

　　在单一功能体的复合材料中，其功能性质虽然由功能体提供，但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。　　在单一功能体的复合材料中，其功能性质虽然由功能体提供，但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，同时还有可能由于产生复合效应而出现新的功能。多元功能体的复合材料可以具有多种功能，同时还有可能由于产生复合效应而出现新的功能。　　因此，多功能复合材料成为功能复合材料的发展方向。

1、功能复合材料的复合效应 　　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，可分为两大类：　　一类复合效应为线性效应；　　另一类则为非线性效应。　　在这两类复合效应中，又可以显示出不同的特征。

复合效应 线性效应非线性效应平均效应　　　　　　　　相乘效应平行效应　　　　　　　　诱导效应相补效应　　　　　　　　共振效应相抵效应　　　　　　　　系统效应下表列出了不同复合效应的类别。不同复合效应的类别

平均效应 是复合材料所显示的最典型的一种复合效应。它可以表示为：　　式中，Ｐ为材料性能，Ｖ为材料体积含量，角标c、m、f分别表示复合材料、基体和增强体（或功能体）。

复合材料的某些功能性质，例如电导、热导、密度和弹性模量等服从平均效应这一规律。复合材料的某些功能性质，例如电导、热导、密度和弹性模量等服从平均效应这一规律。　　例如，复合材料的弹性模量，若用混合率来表示，则为

平行效应 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。

　　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。　　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。

相补效应 　　组成复合材料的基体与增强体，在性能上相互补充，从而提高了综合性能，则显示出相补效应。

　　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。　　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 基体与增强体组成复合材料时，若组分间性能相互制约，限制了整体性能提高，则复合后显示出相抵效应。

　　例如，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。　　例如，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。

　　在玻璃纤维增强塑料中，当玻璃纤维表面选用适宜的硅烷偶联剂处理后，与树脂基体组成的复合材料，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。　　在玻璃纤维增强塑料中，当玻璃纤维表面选用适宜的硅烷偶联剂处理后，与树脂基体组成的复合材料，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。　　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。　　因此，在金属基、陶瓷基增强复合材料中，过强的界面结合不一定是最适宜的。

相补效应和相抵效应常常是共同存在的。 　　显然，相补效应是希望得到的，而相抵效应要尽量能够避免。　　所有这些，可通过相应复合材料的设计来加以实现。

相乘效应 　　两种具有转换效应的材料复合在一起，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。

　　因此，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：　　　　因此，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：　　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。

相乘效应的组合可以非常广泛，已被用于设计功能复合材料。相乘效应的组合可以非常广泛，已被用于设计功能复合材料。　　常用的物理乘积效应见下表所示：

复合材料的乘积效应

诱导效应 在一定条件下，复合材料中的一个组分材料可以通过诱导作用使另一个组分材料的结构改变，从而改变整体性能或产生新效应。　　这种诱导行为已在很多实验中发现，同时也在复合材料界面的两侧发现。

　　例如，结晶的纤维增强体对非晶基体的诱导结晶或晶形基体的晶形取向产生作用。　　例如，结晶的纤维增强体对非晶基体的诱导结晶或晶形基体的晶形取向产生作用。　　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 　　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。　　由不同材料组成的复合材料，其固有频率不同于原组分的固有频率，当复合材料中某一部位的结构发生变化时，复合材料的固有频率也会发生改变。

　　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。　　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。

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。

　　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。　　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。

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、系统效应等各种复合效应，都是复合材料科学所研究的对象和重要内容，这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。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、系统效应等各种复合效应，都是复合材料科学所研究的对象和重要内容，这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。

2、功能复合材料的设计 　　复合材料的最大特点在于它的可设计性。　　因此，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。

　　例如，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。　　例如，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。　　又如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。

　　另外，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。　　另外，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。

2.1 磁性复合材料 　　磁性复合材料(Magnetic composite materials)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。

　　由于磁性材料有软磁和硬磁之分，因此也有相应的软磁和硬磁复合材料。　　由于磁性材料有软磁和硬磁之分，因此也有相应的软磁和硬磁复合材料。　　此外，强磁性(铁磁性和亚铁磁性)细微颗粒涂覆在高聚物材料带上或金属盘上形成磁带或磁盘用于磁记录，也是一类非常重要的磁性复合材料，又如与液体混合形成磁流体等。

2.1.1 永磁复合材料 典型的永磁材料包括永磁铁氧体、铝镍钴以及稀土永磁材料。

　　一般情况下，永磁材料的密度较高，脆而硬，不易加工成复杂的形状。　　一般情况下，永磁材料的密度较高，脆而硬，不易加工成复杂的形状。　　但是，制成高聚物基或软金属基复合材料后，上述难加工的缺点可得到克服。

永磁复合材料的功能组元是磁性粉末，高聚物和软金属起到粘结剂的作用。永磁复合材料的功能组元是磁性粉末，高聚物和软金属起到粘结剂的作用。　　其中，高聚物使用较为普遍，常用的有环氧树脂、尼龙和橡胶等材料。

永磁复合材料的制造方法常采用模压、注塑、挤压等工艺技术。永磁复合材料的制造方法常采用模压、注塑、挤压等工艺技术。　　对于软金属粘结工艺来说，由于它较为复杂，因此除磁体要求在较高温度下(＞200 ℃)使用外，很少采用这种金属基复合磁体。

　　很显然，与高密度的金属磁体或陶瓷磁体(铁氧体)相比，复合磁体的优良加工性能是以牺牲一部分磁性能为代价的。　　很显然，与高密度的金属磁体或陶瓷磁体(铁氧体)相比，复合磁体的优良加工性能是以牺牲一部分磁性能为代价的。

非磁性基体及非磁性相的比例直接影响到材料的饱和磁化强度及剩余磁化强度，它可用下述关系式来表达：非磁性基体及非磁性相的比例直接影响到材料的饱和磁化强度及剩余磁化强度，它可用下述关系式来表达：

其中，Mr为复合磁体的剩余磁化强度；Ms为磁性组元的饱和磁化强度；为复合磁体密度； o为磁性组元的理论密度；为复合物中的非磁性相的体积分数；f为铁磁性相在外磁场方向的取向度。

　　由于复合永磁材料的易成形和良好加工性能，因此常用来制作薄壁的微型电机使用的环状定子，例如计算机主轴电机，钟表步进电机等。　　由于复合永磁材料的易成形和良好加工性能，因此常用来制作薄壁的微型电机使用的环状定子，例如计算机主轴电机，钟表步进电机等。

　　复合永磁材料的良好成型性，使其适用于制作体积小、形状复杂的永磁体。如汽车仪表用磁体，磁推轴承及各类蜂鸣器等。　　复合永磁材料的良好成型性，使其适用于制作体积小、形状复杂的永磁体。如汽车仪表用磁体，磁推轴承及各类蜂鸣器等。

复合永磁材料的功能体可看作是各类磁体粉末（如铁氧体、铝镍钴、Sm--Co、Nd--Fe--B等）制成的粘结磁体。复合永磁材料的功能体可看作是各类磁体粉末（如铁氧体、铝镍钴、Sm--Co、Nd--Fe--B等）制成的粘结磁体。　　也可以选用两种或两种以上的不同磁粉与高分子材料复合，以便得到更宽范围的实用性能。

2.1.2 软磁复合材料 电器元件的小型化，导致磁路中追求更高的驱动频率，为此应用的软磁材料，除在静态磁场下经常要求的高饱和磁化强度和高磁导率外，还要求它们具有低的交流损耗PL。

　　通常较大尺寸的金属软磁材料，其相对磁导率r 随驱动频率的增大而急速下降，如下图所示：

Fe--Si---Al粉末颗粒复合体相对磁导率随驱动频率的变化Fe--Si---Al粉末颗粒复合体相对磁导率随驱动频率的变化

　　如果把软磁材料（例如Fe--Si--A1合金）制成粉末，表面被极薄的A12O3层或高聚物分隔绝缘，然后热压或模压固化成块状软磁体，则　　如果把软磁材料（例如Fe--Si--A1合金）制成粉末，表面被极薄的A12O3层或高聚物分隔绝缘，然后热压或模压固化成块状软磁体，则

从图A、B、D曲线看出，它的r值在相当宽的驱动频率范围内不随交变场频率的升高而下降，从而保持在一个较平稳的恒定值。从图A、B、D曲线看出，它的r值在相当宽的驱动频率范围内不随交变场频率的升高而下降，从而保持在一个较平稳的恒定值。

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