第六章 功能复合材料

1、功能复合材料功能复合材料 功能复合材料是指除力学性能以外还提供其他物理性能并包括部分化学和生物性能的复合材料，如有导电、超导、半导、磁性、压电、阻尼、吸声、摩擦、吸波、屏蔽、阻燃、防热等功能。 功能复合材料主要由功能体和一种或多种基体组成。 在单一功能体的复合材料中，功能性质由功能体提供；基体既起到粘接和赋形的作用，也会对复合材料整体的物理性能合影响。 多元功能体的复合材料具有多种功能，还可能因复合效应出现新的功能。 未来的功能复合材料比重将超过结构复合材料，成为复合学科发展的主流。功能复合材料的主要类型功能复合材料的主要类型功能特征功能特征主要类型主要类型用途用途磁功能磁功能复合材料复合材料

2、屏蔽复合材料屏蔽复合材料吸波复合材料吸波复合材料透波复合材料透波复合材料柔韧磁体、磁记录柔韧磁体、磁记录隐身材料隐身材料雷达罩、天线罩雷达罩、天线罩导电导电复合材料复合材料聚合物基导电复合材料聚合物基导电复合材料本征导电聚合物材料本征导电聚合物材料压电复合材料压电复合材料陶瓷基导电复合材料陶瓷基导电复合材料水泥基导电复合材料水泥基导电复合材料金属基导电复合材料金属基导电复合材料导电纳米复合材料导电纳米复合材料超导复合材料超导复合材料屏蔽屏蔽防静电、开关防静电、开关压电传感器压电传感器高压绝缘高压绝缘建筑物绝缘建筑物绝缘高强、耐热导电材料高强、耐热导电材料锂电池锂电池医用核磁成像技术医用核磁成像

3、技术减少电磁波对信息减少电磁波对信息系统的干扰、减弱系统的干扰、减弱电磁波对人体健康电磁波对人体健康的损害。的损害。吸收或衰减入射的吸收或衰减入射的电磁波，使其因干电磁波，使其因干涉而消失或将其电涉而消失或将其电磁能转换为其他形磁能转换为其他形式的能量。式的能量。功能特征功能特征主要类型主要类型用途用途光功能光功能复合材料复合材料透光复合材料透光复合材料光传导复合材料光传导复合材料发光复合材料发光复合材料光致变色复合材料光致变色复合材料感光复合材料感光复合材料光电转换复合材料光电转换复合材料光记录复合材料光记录复合材料农用温室顶板农用温室顶板光纤传感器光纤传感器荧光显示板荧光显示板变色眼镜变色

4、眼镜光刻胶光刻胶光电导摄像管光电导摄像管光学存储器光学存储器热功能热功能复合材料复合材料烧蚀防热复合材料烧蚀防热复合材料热适应复合材料热适应复合材料阻燃复合材料阻燃复合材料固体火箭发动机喷管固体火箭发动机喷管半导体支撑板半导体支撑板车、船、飞行器等内装饰材料车、船、飞行器等内装饰材料功能特征功能特征主要类型主要类型用途用途摩擦摩擦复合材料复合材料摩阻复合材料摩阻复合材料减摩复合材料减摩复合材料汽车刹车片汽车刹车片轴承轴承阻尼阻尼复合材料复合材料热损耗阻尼复合材料热损耗阻尼复合材料磁损耗阻尼复合材料磁损耗阻尼复合材料电损耗阻尼复合材料电损耗阻尼复合材料洗衣机外壳、网球拍洗衣机外壳、网球拍桥梁减振

5、桥梁减振智能声控智能声控防弹防弹复合材料复合材料软质防弹装甲软质防弹装甲复合材料层合板防弹装甲复合材料层合板防弹装甲陶瓷陶瓷/复合材料防弹装甲复合材料防弹装甲防弹衣防弹衣防弹头盔防弹头盔航空复合装甲航空复合装甲抗辐射抗辐射复合材料复合材料防紫外线复合材料防紫外线复合材料防防X射线复合材料射线复合材料防防射线复合材料射线复合材料防中子复合材料防中子复合材料防核辐射复合材料防核辐射复合材料遮阳伞遮阳伞X射线摄影纱射线摄影纱射线防护服射线防护服中子辐射防护服中子辐射防护服核废料容器核废料容器功能复合材料的设计 功能材料很难用一种物理量来衡量，需要用材料的优值进行综合评价。 材料的优值是由几个物理参数

6、组合起来对材料使用性能进行表征的量。 一般单质材料很难达到高优值，但复合材料可按照要求调整其特有的参数，达到高优值 。此外还可应用复合材料的复合效应设计、制造各种功能复合材料。 由于功能复合材料是由两种(或两种以上)材料组分所组成的，由此功能复合材料具有很大的设计自出度。 功能复合材料调整优值的途径 功能复合材料可以通过改变复合结构的因素，即复合度、联接方式、对称性、尺度和周期性等，大幅度定向化地调整物理张量组元的数值，找到最佳组合，获得最高优值。调整复合度 复合度是参与复合各组分的体积分数。 把物理性质不同的物质复合在一起，可以改变各组分的含量，使复合材料的某物理参数在较大范围内任意调节。

7、例如，介电性质为A的A物质和B的B物质做成复合材料：混合法则 并联时： 串联时： 上述公式即为常用的混合法则（或称混合率）。BBAAVVBBAAVV1调整联接方式 复合材料中各组分在三维空间中的联接方式可任意调整 材料组分具有多种几何形状： 颗粒状（零维，以0表示）； 纤维状（一维，以1表示）； 片膜状（二维，以2表示）； 网络状（三维，以3表示） 可以选择不同形状的组分进行复合 例如： 需要功能材料各向同性时，可用03型； 需要具有单向性能则可用13型。 调整对称性 对称性是功能复合材料组分在空间几何布局上的特征。调整尺度 当功能体尺寸从微米、亚微米减小到纳米时，原有的宏观物理性能会发生变化

8、。它与基体之间的界面还能产生协同效应，使复合材料的电学、光学、光化学、非线性光学等出现异常的行为。调整周期性 使功能体在基体内呈结构上的周期分布，并使外加作用场（光、声、电磁波）的波长与此周期呈一定的匹配关系，而产生功能作用利用复合效应创造新型功能复合材料 复合材料的复合效应复合材料的复合效应线性效应非线性效应加和效应乘积效应平均效应系统效应相补效应诱导效应相抵效应共振效应 机理不清楚，但存在，如彩色胶机理不清楚，但存在，如彩色胶片由红、黄、兰三种感光层复合，结片由红、黄、兰三种感光层复合，结果是五彩缤纷的画面，复合涂层使材果是五彩缤纷的画面，复合涂层使材料表面硬度大幅度提高，超过按混合料表面

9、硬度大幅度提高，超过按混合定则的计算值。说明组成了复合系统定则的计算值。说明组成了复合系统才能出现的现象。才能出现的现象。两个相邻物体在一定两个相邻物体在一定条件下发生共振。条件下发生共振。在一定条件下，复合材料中的一在一定条件下，复合材料中的一组分材料可以通过诱导作用使另组分材料可以通过诱导作用使另一组分材料的结构改变而改变整一组分材料的结构改变而改变整体性能或产生新的效应。体性能或产生新的效应。实验发现增强体的晶形会通过界面实验发现增强体的晶形会通过界面诱导基体结构改变而形成界面层相诱导基体结构改变而形成界面层相乘积效应的作用 乘积效应是在复合材料两组分之间产生可以用乘积关系表达的协同作用

10、 热形变材料形变导电材料ZXZYYX热导电功能复合材料A相换能材料B相换能材料AB功能复合材料用途热形变形变电导热电导热敏电阻磁形变（磁致伸缩）压力电流（压电）磁力电流磁场测量元件光导电电形变（电致伸缩）光形变（光致伸缩）光控机械运作元件压力电场电场磁场压力磁场压磁换能器压力电场电场发光（场致发光）压力发光压力过载指示压电复合材料 压电陶瓷和聚合物基体按照一定的联接方式、一定的体积比例和一定的空间几何分布复合而成。 在电场的作用下，可以引起电介质中带电粒子的相对位移而发生极化。但是，在某些电介质晶体中，也可以通过纯粹的机械作用(拉应力、压应力或切应力)而发生极化，并导致介质两端表面内出现符号相

11、反的束缚电荷，其电荷密度与外力成比例。这种由于机械力的作用而使电介质晶体产生极化并形成表面荷电的效应，称为压电效应。晶体的这一性质就叫压电性。压电性 当在某些各向异性的晶体上施加应力时，晶体的某些表面上就会有电荷产生，这一效应被称为正压电效应， 在晶体上施加电场时，晶体会产生几何形变，这一效应被称为逆压电效应。 晶体的这一性质被称为压电性 。 压电材料能够自适应环境的变化实现机械能和电能之间的相互转化，具有集传感、执行和控制于一体的特有属性和响应速度快、测量精度高、性能稳定等特点，可广泛用作传感材料和驱动材料。 虽然压电陶瓷材料提供了较高的机电耦合性能，较宽的介电选择范围以及较低的介电和机械损

12、耗，但是在水声、超声换能器的应用中，由于压电陶瓷的高密度，高声速，高声阻抗，难以实现与水及人体相匹配，更难实现空气的匹配。此外，压电陶瓷的脆性大，耐机械冲击和非对称应力小，成型加工困难、不能获得任意形状以及耐冲击性较差等缺点，使其应用受到一定限制。 压电聚合物具有密度低，声速低，声学阻抗与水或人体软组织匹配；弹性柔顺性好，可制成大面积均匀的薄膜或异型件;低介电常数、高热释电优值等优点，但其压电系数和机电藕合系数很小，介电和机械损耗很高，温度和老化特性差，因而限制了它们的应用。 用于压电复合材料的压电陶瓷主要有钛酸铅PT)、锆钛酸铅（PZT）及其改性材料、钛酸钡（BT）及其改性材料等。Elect

13、ric dipoles in domains; (1) unpoled ferroelectric ceramic, (2) during and (3) after poling (piezoelectric ceramic).压电陶瓷压电陶瓷的应用范围 能量转换 压电陶瓷压电陶瓷可以将机械能转换为电能,故可用于制造压电打火机,压电点火机,移动X光机电源,炮弹引爆装置等. 用压电陶瓷压电陶瓷也可以把电能转换为超声振动,用于探寻水下鱼群,对金属进行无损探伤,以及超声清洗,超声医疗等. 传感 用压电陶瓷压电陶瓷制成的传感器可用来检测微弱的机械振动并将其转换为电信号,可应用于声纳系统,气象探测,遥

14、感遥测,环境保护,家用电器等. 驱动 压电驱动器是利用压电陶瓷压电陶瓷的逆压电效应产生形变,以精确地控制位移,可用于精密仪器与精密机械,微电子技术,光纤技术及生物工程等领域. 频率控制 压电陶瓷压电陶瓷还可以用来制造各种滤波器和谐振器 压电陶瓷点火器 可固定在家用灶具上点燃煤气，转动凸轮开关1，利用凸轮凸出部分推动冲击块3，并压缩冲击块后的弹簧2。当凸轮凸出部分脱离冲击块后。由于弹簧弹力作用，冲击块给陶瓷压电元件4一个冲击力，便在压电元件两端产生高压，并从中间电极5输出高压，产生电火花点燃气体。 双声道陶瓷拾音器 压电陶瓷弯曲变形器 压电陶瓷风扇和继电器 压电振动加速计 0-3型压电复合材料

15、由不连续的陶瓷颗粒分散于三维连通的聚合体基体中形成的。 可以做成薄片、棒或线材。 浇注树脂是非常关键的步骤,为了使树脂与 PZT柱结合紧密,树脂与PZT柱的界面上不能存在气孔,因为气孔的存在易使声波产生全反射,而且会导致力的传递不连续。因此,要求树脂的流动性好，固化时间长。1-3型水泥基压电复合材料 1-3型水泥基压电复合材料是由一维的压电陶瓷柱平行地排列于三维连通的水泥基体中而构成的两相压电复合材料。这种复合材料集中了各相材料的优点,互补了单相的缺点,具有低声阻抗、高机电耦合系数和低机械品质因数等优点,更重要的是通过调节压电陶瓷柱的体积分数及形状参数便可使复合材料的声阻抗与混凝土材料的声阻抗

16、相匹配,从而有效地解决智能材料在土木工程中的相容性问题。导电复合材料 导电发合材料是由导电材料和作为基体的绝缘材料复合得到的具有导电功能的材料。 基体包括聚合物、金属、陶瓷甚至水泥等； 碳素、金属、金属氧化物等。导电机理 通过导电粒子之间的直接接触而产生传导； 通过导电体之间的电子跃迁，即隧道效应，产生传导。智能复合材料的概念 智能复合材料是一类基于仿生学概念发展起来的高新技术材料，是集成了传感器、信息处理器和功能驱动器的新型复合材料。 智能材料通过传感器感知内外环境状态的变化，将变化所产生的信号通过信息处理器做出判断处理，并发出指令，而后通过功能驱动器调整材料的各种状态，以适应内外环境的变化

17、，从而实现自检测、自诊断、自调节、自恢复、自我保护等多种特殊功能，类似于生物系统。 智能复合材料是微电子技术、计算机技术与材料科学交叉的产物，在许多领域展现了广阔的应用前景，如机械装置噪音与振动的自我控制等，飞机的智能蒙皮与自适应机翼，桥梁与高速公路等大型结构的自增强、自诊断、自修复功能 。智能材料的基本构成和工作原理 智能材料一般由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分组成。基体材料 基体材料担负着承载的作用,一般宜选用轻质材料。一般基体材料首选高分子材料,因为其重量轻、耐腐蚀,尤其具有粘弹性的非线性特征。其次也可选用金属材料,以轻质有色合金为主。敏感材料 敏感材料担负着传感的任务,

18、其主要作用是感知环境变化(包括压力、应力、温度、电磁场、PH值等)。常用敏感材料如形状记忆材料、压电材料、光纤材料、磁致伸缩材料、电致变色材料、电流变体、磁流变体和液晶材料等。1.3 驱动材料 因为在一定条件下驱动材料可产生较大的应变和应力,所以它担负着响应和控制的任务。常用驱动材料有形状记忆材料、压电材料、电流变体和磁致伸缩材料等。可以看出,这些材料既是驱动材料又是敏感材料,显然起到了身兼二职的作用,这也是智能材料设计时可采用的一种思路。智能复合材料的原理信息处理器 信息处理器是核心部分,它对传感器输出信 号进行判断处理智能复合材料的种类及应用 形状记忆合金纤维增强智能复合材料 光导纤维智能

19、复合材料 碳纤维增强智能复合材料 压电智能复合材料 电/磁流变体智能复合材料 pH响应凝胶智能复合材料形状记忆合金纤维增强智能复合材料 应用于智能复合材料主要是由于其具有形状记忆效应（）和超弹性。 是指在低温时马氏体产生的塑性变形，在温度上升到母相开始转变的温度后，如果不受外力作用，将发生形变回复，如果受外力作用形变不能回复，则输出应力。 超弹性是指处于母相状态并受应力诱发产生马氏相变的形状记忆合金，其宏观可回复形变远大于一般金属材料的弹性变形极限 。形状记忆合金纤维增强智能复合材料 材料的增强 变形控制与结构损伤的探测、抑制与修复 结构噪声与振动的主动控制 生物仿生 材料的增强 埋有的复合材

20、料结构中的被激励时将对整个结构的性能产生较大的压应变，如将 丝合理地布置于结构中可显著增强复合材料的强度 。变形控制与结构损伤的探测、抑制与修复 美国应用制成了夹心结构树脂基复合材料用于“柔性机翼”，该机翼在各种飞行速度下自动保持最佳翼型，大幅度提高飞行效率，并可对出现的危险振动自行抑制； 将适量合金纤维铺于环氧树脂基体中制成智能复合材料（），当 发生裂纹时，借助 合金的电阻应力波的变化诊断材料的损伤，同时通电加热产生形状记忆收缩力，使裂纹收缩，使 自动愈合。智能蒙皮 智能蒙皮是在飞行器蒙皮中植入传感元件、驱动元件和微处理控制系统，它的功能包括:流体边界层控制、结构健康检测、振动与噪声控制、多

21、功能保型天线等。可以实时监测或监控蒙皮损伤，并可使蒙皮产生需要的变形，使结构不仅具有承载功能，还能感知和处理内外部环境信息，并通过改变结构的物理性质使结构形变，对环境做出响应，实现自诊断、自适应、自修复等多种功能。其中利用智能蒙皮进行边界层控制是通过把边界层维持层流状态，或者对湍流进行控制，大大减小了飞行器飞行中的阻力，延迟在机翼中的空气流动分离，从而提高飞行器性能，减少燃料的消耗。由于飞行器的蒙皮一般都很薄，要求埋入的传感器体积小，对基体结构的损伤要小，符合条件的传感器有光纤、含金属芯压电陶瓷纤维、PVDF等。结构噪声与振动的主动控制 在建筑物的合成梁中埋植形状记忆合金纤维，在热电控制下，能

22、像人的肌肉纤维一样产生形状和张力的变化，从而根据建筑物受到的振动改变梁固有刚性和固有振动频率，减小振幅，使框架结构的寿命大大延长 。光导纤维智能复合材料 光纤具有良好的耦合性，由其制成的传感器，可以测量温度、应力、应变等多种物理量且具有极高的灵敏度，并综合了感知和传输双重功能，因此作为传感材料是最有效的。 光纤埋入式复合材料传感器的作用 实时监测、报告材料状态和结构，在线综合评估 可监测结构使用时所处的状态，如疲劳和温度等情况，如德国在一座由预应力碳纤维复合材料和钢筋结构组成的桥中加入了光纤布拉格光栅应变传感器，检测碳纤维预应力的损失情况，并用于长期追踪应力的变化。 加拿大多伦多大学与波音公司

23、合作研制了具有光纤“自诊断”系统的机翼前缘的损伤自评系统，通过测量光纤输光时的各种性能变化进行在线损伤评估。光纤埋入式复合材料传感器的作用 制作隐形复合材料 将由发光光纤和接受光纤两部分组成的光纤埋入复合材料，光纤端面位于材料表面，发光光纤发射出不在红外探测器探测范围之内的光波，在远离材料的表面形成一道光波墙，达到隐形目的。而接受光纤则接受制导激光信号，以便采取相关干扰措施。光纤埋入式复合材料传感器的作用 制作自修复智能结构 将带胶液空心光纤埋入复合材料中，当结构发生损伤时，由空心光纤网络的输出信号检测出损伤发生的位置，同时空心光纤作为输送修复胶液的通道将光纤所含胶液流到损伤处，修复复合材料。

24、为提高修复质量，可在复合材料中适当布置，利用其受激励时产生压应力和热量，使胶液能够轻易流出，并提高固化的质量。 碳纤维增强智能复合材料 一定形状、尺寸和掺量的短切碳纤维掺入水泥基材料中，不仅材料的强度得到提高且具有应力、应变和损伤自检测功能。水泥基复合材料的电阻变化与其内部结构变化是相对应的，如电阻率的可逆变化对应于可逆的弹性变形，而电阻率的不可逆变化则对应于非弹性变形或断裂，其测量范围很大，因此可敏感有效地监测拉、弯、压等静态和动态载荷作用下材料的内部变化。将切短的碳纤维适量掺入水泥材料还将使其具有热电效应，即：温差电动势与温差之间在最高温度为70、最大温差为50的范围内存在稳定的线性关系。

25、利用这种特性该种水泥材料可实时监测建筑物内外和路面表层、底层的温度变化。还可利用太阳能和室内温差为建筑物提供电能，即具有温度自调节功能。压电智能复合材料 可应用于智能结构中，特别是自适应、减振与噪声控制等方面 。 将压电材料置入飞机机身内，当飞机遇到强气流而振动时，压电材料便产生电流，使舱壁发生和原来的振动方向相反的振动，抵消气流引起的振动噪音。 将压电材料应用于滑雪板，滑雪板受振同时就产生减振反作用力，增强滑雪者的控制能力。 电磁流变体智能复合材料 电磁流变体在外加电磁场作用下，内部会出现一种沿电磁场方向的纤维状结构，使得体系粘度在短时间内急剧增大，同时伴随屈服应力、弹性模量显著增加，而当撤

26、去外电磁场后又可在瞬间内恢复到液体。 利用这一特点，与其它材料复可实现材料的智能化。如电流变材料能使复合材料整体结构的刚度由小到大发生连续变化，从而达到对振动状态实施主动监控和振动抑制。隐身复合材料隐身技术 隐身技术是指通过降低目标的可探测信号特征，从而减小目标被敌方各种探测设备发现概率的综合性技术。 现代隐身技术主要分为电磁波隐身技术和声波隐身技术。 在探测系统中雷达是主要的探测手段，因而雷达隐身技术是当前隐身技术研究的重点。隐身技术分类 雷达隐身技术 红外隐身技术 可见光隐身技术 激光隐身技术雷达隐身技术 雷达隐身技术的核心是减缩目标的雷达截面积（RCS）。它主要分为外形技术和雷达吸波材料

27、（RAM）技术。 外形技术是通过对目标的非常规设计来降低RCS。 RAM技术是指用RAM吸收衰减入射电磁波或使电磁波因干涉而消失的技术。 雷达隐身材料通常分为雷达吸波材料和雷达透波材料。吸波复合材料 隐身材料按其应用形式可分为结构型隐身材料和涂覆型隐身材料。 吸波材料是指能吸收投射到它表面的电磁波能量，并通过材料的介质损耗使电磁波能量转变为热能或其它能量形式的一种功能复合材料。吸波复合材料的吸波原理 雷达系统一般在1GHz18GHz频率范围工作。 雷达波首先传输到阻抗为Z0的自由空间，然后投射到阻抗为Z1的材料表面，这时雷达波产生部分反射。反射系数R由下式得出： 磁导率和介电常数)/()(10

28、10ZZZZR)/(Z 吸波材料能吸收或衰减入射的电磁波，使吸波材料能吸收或衰减入射的电磁波，使其因干涉而消失或其电磁能转换为其他形式的其因干涉而消失或其电磁能转换为其他形式的能量。其基本原理包括干涉作用和吸收作用。能量。其基本原理包括干涉作用和吸收作用。1. 干涉作用干涉作用 干涉作用是将入射的电磁波分成两部分，一部分从干涉作用是将入射的电磁波分成两部分，一部分从吸波层表面反射，另一部分透过吸波层后经底层反射后吸波层表面反射，另一部分透过吸波层后经底层反射后再穿过吸波层射出来。若经底层反射的波与吸波层表面再穿过吸波层射出来。若经底层反射的波与吸波层表面反射的波相位正好相反，两段波便可发生干涉而减弱。反射的波相位正好相反，两段波便可发生干涉而减弱。吸波基