第八章功能复合材料

第八章功能复合材料1复合材料简介

2材料分类：金属、无机非金属、有机高分子材料

各有千秋扬长避短

克服单一材料的缺点

产生原来单一材料没有本身所没有的新性能复合材料3材料的优缺点组合示意图4以下五点概括了复合材料的特点：1、复合材料的组分和相对含量是由人工选择和设计的；2、复合材料是以人工制造而非天然形成的（区别于具有某些复合材料形态特征的天然物质）；53、组成复合材料的某些组分在复合后仍然保持其固有的物理和化学性质（区别于化合物和合金）；4、复合材料的性能取决于各组成相性能的协同。复合材料具有新的、独特的和可用的性能，这种性能是单个组分材料性能所不及或不同的；5、复合材料是各组分之间被明显界面区分的多相材料。6复合材料在世界各国还没有统一的名称和命名方法，比较共同的趋势是根据增强体和基体的名称来命名，通常有以下三种情况：复合材料的命名7（1）强调基体时以基体材料的名称为主。如树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。（2）强调增强体时以增强体材料的名称为主。如玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、陶瓷颗粒增强复合材料等。8复合材料的结构复合材料的结构通常是一个相为连续相，成为基体；而另外一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，它显著增强材料的性能，故常称为增强体。多数情况下，分散相较基体硬，刚度和强度较基体大。分散相可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料。在基体和增强体之间存在着界面。9复合材料及其增强相的各种形态纤维状颗粒状层状片状填充状10与传统材料(如金属、木材、水泥等)相比，复合材料是一种新型材料。它具有许多优良的性能，并且其成本在逐渐地下降，成型工艺的机械化、白动化程度也在不断地提高。团此，复合材料的应用领域日益广泛。复合材料的应用11氮化硅结构陶瓷被用作航天飞机的防热瓦12硼纤维金属基复合材料制成的火箭履轴的管道输送部件13美国B-2隐形轰炸机表面为具有良好吸波性能的碳纤维复合材料14由光导纤维构成的光缆15先进橡胶轮胎使汽车成为交通主宰赛车上使用的特殊轮胎16人工合成的金刚石17高分子分离膜已被用来制造高效家庭净水器18人工肾脏19生物陶瓷人造关节20可调节的太阳镜耐高温纤维制成的消防人员的服装21复合材料的基体材料

复合材料的原材料包括基体材料和增强材料。

基体材料主要包括以下三部分：

金属基体材料、陶瓷基体材料和聚合物基体材料22复合材料的增强材料

在复合材料中，粘结在基体内以改进其机械性能的高强度材料称为增强材料。

增强材料有时也称作增强体、增强剂等。23

增强材料共分为三类：①纤维及其织物②晶须

③颗粒24一、纤维

如，植物纤维－－－棉花、麻类；动物纤维－－－丝、毛；矿物纤维－－－石棉。天然纤维强度较低，现代复合材料的增强材料用合成纤维。25

纤维在复合材料中起增强作用，是主要承力组分。

纤维不仅能使材料显示出较高的抗张强度和刚度，而且能减少收缩，提高热变形温度和低温冲击强度等。26

纤维可分为有机纤维和无机纤维27（一）有机纤维

芳纶纤维

聚乙烯纤维

尼龙纤维28（二）无机纤维1、玻璃纤维2、特种玻璃纤维3、碳纤维4、硼纤维5、氧化铝纤维6、碳化硅纤维7、氮化硼纤维8、其他纤维29１、玻璃纤维（GlassFibre,GF或Gt）

1.1玻璃纤维及其制品；1.2玻璃纤维的结构及化学组成；1.3玻璃纤维的物理性能；1.4玻璃纤维的化学性能。301.1玻璃纤维及其制品

①概述随着玻璃钢工业的发展，玻璃纤维工业也得到迅速发展。

国外玻璃纤维的主要特点如下：31Ａ、普遍采用池窑拉丝新技术；Ｂ、大力发展多排多孔拉丝工艺；Ｃ、用于玻璃钢的纤维直径逐渐向粗的方向发展，纤维直径为14--24um，甚至达27um；Ｄ、大量生产无碱纤维；32Ｅ、大力发展无纺织玻璃纤维织物，无捻粗纱和短切纤维毡片所占比例增加；Ｆ、重视纤维--树脂界面的研究，偶联剂的品种不断增加，玻璃纤维的前处理受到普遍重视。

33我国玻璃纤维工业诞生于1950年，当时只能生产绝缘材料用的初级纤维。1958年以后，玻璃纤维工业得到迅速发展。现在全国有大、小玻璃纤维厂家200多个，玻璃纤维年产量为5万吨，其中无碱纤维占20％，中碱纤维占80％，纤维直径多数为6--8um，正向粗纤维方向发展。34

池窑拉丝工艺正在推广，重视纤维--树脂界面的研究，新型偶联剂不断出现，许多玻璃纤维厂使用前处理工艺，玻璃纤维工业的不断发展促进了我国复合材料及尖端科学技术的发展。35②玻璃纤维的分类玻璃纤维的分类方法很多。通常从玻璃原料成分、单丝直径、纤维外观及纤维特性等方面进行分类。361．以玻璃原料成分分类这种分类方法主要用于连续玻璃纤维的分类。一般以不同的含碱量来区分：(1)无碱玻璃纤维(2)中碱玻璃纤维(3)有碱玻璃纤维(4)特种玻璃纤维37(1)无碱玻璃纤维(通称E玻纤)：是以钙铝硼硅酸盐组成的玻璃纤维，这种纤维强度较高，耐热性和电性能优良，能抗大气侵蚀，化学稳定性也好(但不耐酸)。38

无碱玻璃纤维最大的特点是电性能好，因此也把它称做电气玻璃。现在，国内外大多数都使用这种Ｅ破璃纤维作为复合材料的原材料。目前，国内规定其碱金属氧化物含量不大于0.5％，国外一般为1％左右。39(2)中碱玻璃纤维它是指碱金属氧化物含量在11.5％~12.5％之间的玻璃纤维。国外没有这种玻璃纤维，它的主要特点是耐酸性好，但强度不如E玻璃纤维高。它主要用于耐腐蚀领域中，价格较便宜。40(3)有碱玻璃(A玻璃)纤维

有碱玻璃称A玻璃，类似于窗玻璃及玻璃瓶的钠钙玻璃。此种玻璃由于含碱量高，强度低，对潮气侵蚀极为敏感，因而很少作为增强材料。41(4)特种玻璃纤维如由纯镁铝硅三元组成的高强玻璃纤维，镁铝硅系高强高弹玻璃纤维，硅铝钙镁系耐化学介质腐蚀玻璃纤维，含铅纤维，高硅氧纤维，石英纤维等。422．以单丝直径分类玻璃纤维单丝呈圆柱形，以其直径的不同可以分为以下几种：

粗纤维：30um；初级纤维：20um;

中级纤维：10~20um；

高级纤维：3~10um(亦称纺织纤维)。对于单丝直径小于4um的玻璃纤维称为超细纤维。43

单丝直径不同，不仅使纤维的性能有差异，而且影响到纤维的生产工艺、产量和成本。一般5~10um的纤维作为纺织制品使用，10~14um的纤维一般做无捻粗纱、无纺布、短切纤维毡等较为适宜。443．以纤维外观分类有连续纤维，其中有无捻粗纱及有捻粗纱(用于纺织)、短切纤维、空心玻璃纤维、玻璃粉及磨细纤维等。454．以纤维特性分类根据纤维本身具有的性能可分为：高强玻璃纤维、高模量玻璃纤维、耐碱玻璃纤维、耐酸玻璃纤维、普通玻璃纤维(指无碱及中碱玻璃纤维)。461.3玻璃纤维的物理性能玻璃纤维具有一系列优良性能，拉伸强度高，防火、防霉、防蛀、耐高温和电绝缘性能好等。玻璃纤维的缺点是具有脆性，不耐腐，对人的皮肤有刺激性等。47(1)外观和比重一般天然或人造的有机纤维，其表面都有较深的皱纹；而对于玻璃纤维来说，其表面呈光滑的圆柱，其横断面几乎都是完整的圆形。48宏观看来，由于表面光滑，纤维之间的抱合力非常小，不利于和树脂粘结；又由于呈圆柱状，所以玻璃纤维彼此相靠近时，空隙填充的较为密实，这对于提高复合材料制品的玻璃含量是有利的。49

玻璃纤维直径从1.5~25um，大多数为4~14um。

玻璃纤维的密度为2.16~4.30g／cm3，其比重较有机纤维大很多，但比一般的金属比重要低，与铝相比几乎一样。所以在航空工业上用复合材料代替铝钛合金就成为可能。此外，一般情况下，无碱玻璃纤维的比重大于有碱纤维。50(2)表面积大由于玻璃纤维的表面积大，使得纤维表面处理的效果对性能的影响很大。51聚合物基复合材料的成型工艺

聚合物基复合材料的性能在纤维与树脂体系确定后，主要决定于成型工艺。成型工艺主要包括以下两个方面：52一是成型，即将预浸料按产品的要求，铺置成一定的形状，一般就是产品的形状;二是固化，即把已铺置成一定形状的叠层预浸料，在温度、时间和压力等因素影响下使形状固定下来，并能达到预期的性能要求。53生产中采用的成型工艺(1)手糊成型 (2)注射成型(3)真空袋压法成型(4)挤出成型(5)压力袋成型(6)纤维缠绕成型(7)树脂注射和树脂传递成型(8)真空辅助树脂注射成型54(9)连续板材成型(10)拉挤成型(11)离心浇铸成型(12)层压或卷制成型(13)夹层结构成型(14)模压成型(15)热塑性片状模塑料热冲压成型(16)喷射成型55(1)手糊成型工艺手糊成型工艺是复合材料最早的一种成型方法，也是一种最简单的方法，其具体工艺过程如下：56首先，在模具上涂刷含有固化剂的树脂混合物，再在其上铺贴一层按要求剪裁好的纤维织物，用刷子、压辊或刮刀压挤织物，使其均匀浸胶并排除气泡后，再涂刷树脂混合物和铺贴第二层纤维织物，反复上述过程直至达到所需厚度为止。

57然后，在一定压力作用下加热固化成型（热压成型）或者利用树脂体系固化时放出的热量固化成型（冷压成型），最后脱模得到复合材料制品。其工艺流程如下图所示：58模具准备涂脱模剂手糊成型树脂胶液配制增强材料准备固化脱模后处理检验制品手糊成型工艺流程图59为了得到良好的脱模效果和理想的制品，同时使用几种脱模剂，可以发挥多种脱模剂的综合性能。60手糊成型工艺优点

①不受产品尺寸和形状限制，适宜尺寸大、批量小、形状复杂产品的生产；②设备简单、投资少、设备折旧费低。61

③工艺简单；④易于满足产品设计要求，可以在产品不同部位任意增补增强材料⑤制品树脂含量较高，耐腐蚀性好。62手糊成型工艺缺点

①生产效率低，劳动强度大，劳动卫生条件差。②产品质量不易控制，性能稳定性不高。③产品力学性能较低。632．模压成型工艺

模压成型工艺是一种古老的技术，早在20世纪初就出现了酚醛塑料模压成型。模压成型是一种对热固性树脂和热塑性树脂都适用的纤维复合材料成型方法。64模压成型工艺过程将定量的模塑料或颗粒状树脂与短纤维的混合物放入敞开的金属对模中，闭模后加热使其熔化，并在压力作用下充满模腔，形成与模腔相同形状的模制品；再经加热使树脂进一步发生交联反应而固化，或者冷却使热塑性树脂硬化，脱模后得到复合材料制品。65金属对模准备涂脱模剂膜压成型模塑料、颗粒树脂短纤维固化脱模后处理检验制品加热、加压加热冷却膜压成型工艺流程图66

模压成型工艺优点模压成型工艺有较高的生产效率，制品尺寸准确，表面光洁，多数结构复杂的制品可一次成型，无需二次加工，制品外观及尺寸的重复性好，容易实现机械化和自动化等。67模压成型工艺缺点

模具设计制造复杂，压机及模具投资高，制品尺寸受设备限制，一般只适合制造批量大的中、小型制品。68

模压成型工艺已成为复合材料的重要成型方法，在各种成型工艺中所占比例仅次于手糊/喷射和连续成型，居第三位。近年来随着专业化、自动化和生产效率的提高，制品成本不断降低，使用范围越来越广泛。69模压制品主要用作结构件、连接件、防护件和电气绝缘等，广泛应用于工业、农业、交通运输、电气、化工、建筑、机械等领域。由于模压制品质量可靠，在兵器、飞机、导弹、卫星上也都得到应用。703.层压成型工艺

层压成型工艺，是把一定层数的浸胶布(纸)叠在一起，送入多层液压机，在一定的温度和压力下压制成板材的工艺。

层压成型工艺属于干法压力成型范畴，是复合材料的一种主要成型工艺。71层压成型工艺生产的制品包括各种绝缘材料板、人造木板、塑料贴面板、覆铜箔层压板等。复合材料层压板的生产工艺流程如下72层压板的生产工艺流程增强材料热固性树脂浸胶胶布裁剪叠合热压脱模切边产品73

层压成型工艺的优点是制品表面光洁、质量较好且稳定以及生产效率较高。

层压成型工艺的缺点是只能生产板材，且产品的尺寸大小受设备的限制。745.连续缠绕成型工艺将浸过树脂胶液的连续纤维或布带，按照一定规律缠绕到芯模上，然后固化脱模成为增强塑料制品的工艺过程，称为缠绕工艺。缠绕工艺流程图如下图所示：75缠绕工艺流程图纱团集束胶液配制浸胶烘干络纱胶纱纱绽张力控制纵、环向缠绕芯模纵、环向缠绕张力控制加热粘流固化脱模打模喷漆成品湿法缠绕成型工艺干法缠绕成型工艺76利用连续纤维缠绕技术制作复合材料制品时，有两种不同的方式可供选择：一是将纤维或带状织物浸树脂后，再缠绕在芯模上；二是先将纤维或带状织物缠好后，再浸渍树脂。目前普遍采用前者。77

缠绕机类似一部机床，纤维通过树脂槽后，用轧辊除去纤维中多余的树脂。为改善工艺性能和避免损伤纤维，可预先在纤维表面徐覆一层半固化的基体树脂，或者直接使用预浸料。78纤维缠绕方式和角度可以通过机械传动或计算机控制。

缠绕达到要求厚度后，根据所选用的树脂类型，在室温或加热箱内固化、脱模便得到复合材料制品。

79利用纤维缠绕工艺制造压力容器时，一般要求纤维具有较高的强度和模量，容易被树脂浸润，纤维纱的张力均匀以及缠绕时不起毛、不断头等。

80另外，在缠绕的时候，所使用的芯模应有足够的强度和刚度，能够承受成型加工过程中各种载荷（缠绕张力、固化时的热应力、自重等），满足制品形状尺寸和精度要求以及容易与固化制品分离等。81常用的芯模材料有石膏、石蜡、金属或合金、塑料等，也可用水溶性高分材料，如以聚烯醇作粘结剂制成芯模。

82

连续纤维缠绕技术的优点首先，纤维按预定要求排列的规整度和精度高，通过改变纤维排布方式、数量，可以实现等强度设计，因此，能在较大程度上发挥增强纤维抗张性能优异的特点，83

其次，用连续纤维缠绕技术所制得的成品，结构合理，比强度和比模量高，质量比较稳定和生产效率较高等。84连续纤维缠绕技术的缺点

设备投资费用大，只有大批量生产时才可能降低成本。85

连续纤维缠绕法适于制作承受一定内压的中空型容器，如固体火箭发动机壳体、导弹放热层和发射筒、压力容器、大型贮罐、各种管材等。86近年来发展起来的异型缠绕技术，可以实现复杂横截面形状的回转体或断面呈矩形、方形以及不规则形状容器的成型。87

6.拉挤成型工艺

拉挤成型工艺中，首先将浸渍过树脂胶液的连续纤维束或带状织物在牵引装置作用下通过成型模而定型；88

其次，在模中或固化炉中固化，制成具有特定横截面形状和长度不受限制的复合材料，如管材、棒材、槽型材、工字型材、方型材等。89一般情况下，只将预制品在成型模中加热到预固化的程度，最后固化是在加热箱中完成的。卧式拉挤成型过程原理图制品切割纤维树脂槽挤胶器预成型拉拢热模90

拉挤成型过程中，要求增强纤维的强度高、集束性好、不发生悬垂和容易被树脂胶液浸润。常用的增强纤维如玻璃纤维、芳香族聚酰胺纤维、碳纤维以及金属纤维等。91用作基体材料的树脂以热固性树脂为主，要求树脂的粘度低和适用期长等。大量使用的基体材料有不饱和聚酯树脂和环氧树脂等。92另外，以耐热性较好、熔体粘度较低的热塑性树脂为基体的拉挤成型工艺也取得了很大进展。其拉挤成型的关键在于增强材料的浸渍。93

在拉挤成型工艺中，目前常用的方法如热熔涂覆法和混编法。

热熔涂覆法是使增强材料通过熔融树脂，浸渍树脂后在成型模中冷却定型；94混编法中，首先按一定比例将热塑性聚合物纤维与增强材料混编织成带状、空芯状等几何形状的织物；然后，利用具有一定几何形状的织物通过热模时基体纤维熔化并浸渍增强材料，冷却定型后成为产品。95拉挤成型的优点

①生产效率高，易于实现自动化；

②制品中增强材料的含量一般为40％--80％，能够充分发挥增强材料的作用，制品性能稳定可靠；96

③不需要或仅需要进行少量加工，生产过程中树脂损耗少；

④制品的纵向和横向强度可任意调整，以适应不同制品的使用要求，其长度可根据需要定长切割。97拉挤制品的主要应用领域(1)耐腐蚀领域。主要用于上、下水装置，工业废水处理设备、化工挡板及化工、石油、造纸和冶金等工厂内的栏杆、楼梯、平台扶手等。(2)电工领域。主要用于高压电缆保护管、电缆架、绝缘梯、绝缘杆、灯柱、变压器和电机的零部件等。98(3)建筑领域。主要用于门窗结构用型材、桁架、桥梁、栏杆、支架、天花板吊架等。(4)运输领域。主要用于卡车构架、冷藏车箱、汽车笼板、刹车片、行李架、保险杆、船舶甲板、电气火车轨道护板等。99(5)运动娱乐领域。主要用于钓鱼杆、弓箭杆、滑雪板、撑杆跳杆、曲辊球辊、活动游泳池底板等。(6)能源开发领域。主要用于太阳能收集器、支架、风力发电机叶片和抽油杆等。(7)航空航天领域。如宇宙飞船天线绝缘管，飞船用电机零部件等。100目前，随着科学和技术的不断发展，正向着提高生产速度、热塑性和热固性树脂同时使用的复合结构材料和方向发展。生产大型制品，改进产品外观质量和提高产品的横向强度都将是拉挤成型工艺今后的发展方向。101功能复合材料102

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103

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。104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。功能复合材料作为一种新材料，有广阔的应用领域与诱人的发展前景。105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。106

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。1071、功能复合材料的复合效应材料在复合后所得的复合材料，就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。108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下表列出了不同复合效应的类别。109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）。110

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111平行效应

显示这一效应的复合材料，其组成复合材料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。112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。113相补效应组成复合材料的基体与增强体，在性能上能相互补充，从而提高了综合性能，则显示出相补效应。114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。115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。116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。117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。118但是，正如普罗德曼所指出的，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。119

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。这可通过相应复合材料的设计来加以实现。120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。121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。122复合材料的乘积效应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

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：123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。124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。125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。126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。127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。128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。129

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。1302、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。131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。132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。1332.1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。134由于磁性材料有软磁和硬磁之分，因此也有相应的两类复合材料。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。135

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。136一般情况下，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。137

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。138

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。139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。140

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：141

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。142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。143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。144

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。145

2.1.2软磁复合材料

电器原件的小型化，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。146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：147Fe--Si---Al粉末颗粒复合体相对磁导率随驱动频率的变化148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，由图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。149

这种复合软磁材料的相对磁导率r值可由下式描述:式中d、c和分别表示金属粒子尺寸、块状金属相的磁导率和包覆层厚度。150显然，选择合适的金属粒子尺寸和包覆层厚度即可获得所需的r值，这对电感器和轭源圈的设计是十分重要的。151

由于绝缘物质的包覆，这类材料的电阻率比其母体合金高得多(高1011倍)，因此在交变磁场下具有低的磁损耗PL。下图显示了在1MHz高频下，复合材料磁损耗与粉末颗粒尺寸D的关系。152磁损耗PL/kW.m-3磁粉粒度/um磁损耗与软滋粉粒度的关系

从图中可看出，粉末尺寸越小，损耗越低。因此，可以通过调整磁性粉末颗粒的尺寸来调节损耗ＰL值。153

2.1.3磁性记录与读出

记录声音和图像，然后将其读出(再生)的过程，如下图所示。154音光电气信号磁性信号作为磁性保留磁头记录材料磁记录再生的原理示意图155由麦克风及摄像机将声音及光变成电信号，再由磁头变成磁信号，从而固定在磁记录介质上。

读出时，与记录过程相反，使声音和图像再生。156理想的磁记录介质要尽可能地高密度，能长期保存记录，再生时尽可能高输出。在考虑能够实现高密度、长期保存、高输出时，大致有两方面的考虑，一是磁性材料的种类，二是以磁性层为中心的叠层结构的构成。1572.2磁性材料

作为记录介质的强磁性材料，主要性能指标是矫顽力Hc和剩余磁化强度Mr的大小。这两个性能指标不仅受磁性材料种类的影啊，也受颗粒的大小和形状的影响。158

下表列出了目前使用的磁记录介质材料的磁特性，表中的排列是按发展的顺序排列的。不难看出，每一次材料的重大改进都使介质材料的磁性产生一次质的飞跃，与此同时，也使磁记录密度获得一次大的提高。磁性材料Mr/THc/A.m-1-Fe2O3(1400~1800)*10-4(15.92~31.83)*103Co--Fe2O3(1400~1800)*10-4(47.75~71.62)*103金属Fe(2300~2900)*10-4(111.41~127.33)*103Co-Ni合金(11000~12000)*10-4(55.71~59.69)*103各种磁性粉末的特性1592.3

叠层结构对磁带性能的影在现有材料基础上，为了进一步提高记录密度，就应考虑在叠层结构上的优化。160一般对于粉状磁性材料，先制造以适当高分子为粘结剂的涂料，然后把该涂料用适当的方法进行涂敷、干燥，制造出如下图所示的一种层压薄片，这就是记录磁带。显然，它属于叠层型的功能复合材料。161磁粉粘结剂添加剂磁层下涂层背涂层基膜记录磁带的结构162到目前为止，为提高涂敷型磁带的性能采取了下面一些措施：(1)提高磁性层中磁性材料的填充率；(2)尽可能缩小磁性材料的颗粒；(3)缩小磁头与磁带间的空隙，防止磁损失。163上面这些都是能够提高磁带记录密度的措施。但是，这些改进都是有限度的，超过一定极限值会导致一些负面作用出现。因此，为了进一步改善记录密度，就需要有新的叠层构思和技术，即要创造出以复合技术为中心的新功能。164目前，研究者对此进行两种尝试。一、尝试把现在单一的磁性层变成双磁性层。二、不是用涂敷磁性粉末和粘结剂混合成的涂料的方法来制造磁性层，而是依靠真空镀敷Co/Ni合金薄膜的方法，来制造磁带。165把单一磁性层变成双磁性层的尝试是采用上层使用高娇顽力的微颗粒金属磁性材料，厚度为0.4um，下层使用低矫顽力的钴改性的氧化铁磁性材料，厚度为2.5um。这样，上层能够高效率地记录，再生用高频和较强磁场记录的亮度信号。166另一方面，因为色调信号和声音信号是低频，在磁性层深部才变弱。所以适当地搭配上层与下层的厚度及矫顽力可得到比只使用一种磁性材料的磁性层更高的输出功率。这样，不同波长都提高了输出功率，可获得更清晰的图像和声音。然而这种双层结构给涂敷技术提出更高的要求，不是常规涂敷方法能实现的。167

Co-Ni合金薄膜磁带是基于将来需记录信号的波长可能向短波长方向发展的角度出发而设计和构思的。

短波长的磁场由于波及的深度浅，考虑到厚度损失的问题，那么0.2um程度的超薄膜是最理想的。要制造这样的超薄膜，真空蒸镀法是适合的。168此外，磁性材料具有较好的性能，本身就可以提高记录密度。各种磁性粉末的特性如下表所示磁性材料Mr/THc/A.m-1-Fe2O3(1400~1800)*10-4(15.92~31.83)*103Co--Fe2O3(1400~1800)*10-4(47.75~71.62)*103金属Fe(2300~2900)*10-4(111.41~127.33)*103Co-Ni合金(11000~12000)*10-4(55.71~59.69)*103169由表中可见，剩磁最大的是Co-Ni合金，如果镀成薄膜，磁性材料的填充率几乎接近100％。无论是剩磁大，还是填充率大都对提高输出功率有好处。磁性材料Mr/THc/A.m-1-Fe2O3(1400~1800)*10-4(15.92~31.83)*103Co--Fe2O3(1400~1800)*10-4(47.75~71.62)*103金属Fe(2300~2900)*10-4(111.41~127.33)*103Co-Ni合金(11000~12000)*10-4(55.71~59.69)*1031702.4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。它既具有强磁性材料的多种磁特性，又具有液体的特性。171

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。172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。173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。174

基质液体的种类很多，常根据用途选用。目前多采用非金属基液，主要有以下六种。175(1)水

一种常用和经济的基液，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。176(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。177(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。178(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。179(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。180(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。181

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。182因此，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。183

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％。1842.4.1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：(2)金属磁(粉)性液体(3)纯金属磁性液体185

(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。186

(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。187(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。1882.4.2

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:189

(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。190(3)典型的超顺磁性。无磁滞回线现象，即剩磁和矫顽力都为零；(4)可调节的磁浮力。即可用外加磁场改变磁性液体的表观密度和浮力。191由于磁性液体兼有强磁性和液态性质，因而在电子、电机、仪表、石油化工和科学研究中得到应用。192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。1933、电性复合材料作为复合材料的电导率没有明确的数值来划分导体、半导体和绝缘体。194

两种或两种以上的金属形成的复合材料显然是导体；相反，两种或两种以上的绝缘体形成的复合材料电导率不会很高。195但是，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。1963.1金属填充材料的导电特性将金属颗粒混入高分子聚合物，高分子聚合物的电阻率就会发生变化，然而这个变化并非依据加和法则，而是当金属填料浓度达到一临界体积c时，金属填充聚合物发生一个如下图所示的突然转换，由绝缘体变成导电体。197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电阻率对数/.cm金属的体积分数AlFe198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。199很多研究让明，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。200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，从而显现出正温度效应和负温度效应。201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)。202

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。因此，可用于制备各种电子开关器件。2033.2电磁屏蔽复合材料解决电磁干扰、射频干扰和信息防窃的复合材料称为电磁屏蔽复合材料。204由于电磁波吸收率依赖于材料的电导率，因此，利用具有一定导电性的复合材料可满足电磁屏蔽的需要。205以高分子材料为基体，填充导电材料可构成适合用于电磁屏蔽的复合材料。由于电磁屏蔽的复合材料具有性能好、成本低、成型工艺简单的优点，因此成为国际上电子材料研究的热点。206电磁屏蔽复合材料有两种类型。(1)填充导电体的形式；其中，填料形成的导电网络是提供屏蔽功能的基本要素。207这种电磁屏蔽复合材料通常由绝缘性良好的热塑性高分子(如AB5、PC、PP、PE、PVC、PBT、PA及它们的改性和共混的树脂)和导电性填料(如炭黑、铝片粉、金属纤维及表面金属化的有机和无机纤维)及其他填加物复合而成，其屏蔽效果为40～60dB。208铝片在聚合物中体积分数与屏蔽效率关系体积分数屏蔽效率/dB

屏蔽效果与导电体填充量，导电纤维长径比有关，由图中可看出，合适的填料体积分数可获得好的屏蔽效率，很多研究发现在临界浓度值附近有最好的屏蔽效果。209铝纤维带的体积分数、长径比与屏蔽效率的关系体积分数屏蔽效率/dB图中表明填充料的长径比与屏蔽效果也有密切关系，填料长径比越大，屏蔽性也越大，从另一角度看，长径比也影响着最佳体积填充量。通常长径比越大，最佳体积填充分数越低。210

电磁屏蔽材料多用于电子设备的屏蔽，由于近代电子设备的数据传输多采用电视显示方式，如计算机终端显示器、监视器、仪表的图显和数显，都要求既透明，又能阻隔电磁波的材料。从这个角度上看，复合材料中最佳体积填充分数为较低数值是理想的。211(2)用金属丝与无机或有机纤维的混纺纱制成织物可作电磁波反射体。这种反射型复合材料主要用于无线通信天线的电磁波反射装置，但也可作计算机、复印机、传真机等电子设备的电磁波屏蔽板。2123.3复合材料压电性能

压电材料是指具有压电效应的材料，它广泛应用于换能器，实现机械能与电能之间的相互转换。213

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。214

压电复合材料是将压电陶瓷相和聚合物相按一定连通方式，一定的体积/重量，及一定的空间分布制作而成，它可以成倍地提高材料的压电性能。215以PZT/聚合物为例，其dhgb值提高l~3倍(dh为压电体的电荷系数；gb为压电体的电压系数)。此外，复合材料使加工性能，以及与水的匹配性也大为改善。216为了从本质上极大地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。217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。218这两大复合材料各有优缺点：其中，PZT／P中的PZT压电活性大，但其各向异性较小；

PT／P中PT的压电活性小，但其各向异性大。219当实现三相复合，即PZT＋PT／P，势必会体现出两相系统所没有的性能，这一方向是目前复合压电材料的发展方向。220下面的关系图说明了这一方向的发展压电复合材科的发展PZTPPTPZT/PPT/PPZT+P/P2213.4超导复合材料

超导材料被誉为第三代电子技术的核心，它在导弹与航天器跟踪、制导、通信与防御以及激光武器电源上都具有广泛的应用潜力，可用于高性能高速计算机，远红外探测器，光通信，(远)红外成像以及磁悬浮列车等。222然而，高临界转变温度的氧化物超导材料脆性大，虽有一定抵抗压缩变形的能力，但其拉伸性能极差，成型性不好，使得超导体大规模实用受到了限制。223用碳纤维增强锡基复合材料通过扩散粘结法(成型压力为4MPa，150~170℃，保温15min)将YBa2Cu3O7超导体包覆于其中，从而获得良好的力学性能、电性能和热性能的复合材料。224试验发现，随着碳纤维体积含量增加，碳纤维／锡钇氧钡铜复合材料的拉伸强度随着不断提高。由于碳纤维基本承担了全部的拉伸载荷，所以在断裂点之前，碳纤维／锡材料包覆的超导体一直都保持超导性能。

铜基复合材料也常用于超导复合材料的包覆材料。2254、隐身复合材料由于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，因此复合隐身材料的发展就显得格外重要。226

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。227

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。228涂料型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。229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。230

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。231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。232金属、半导体、陶瓷等不同类型的粉末可以作为填料使用，由于它们在能带结构上的差别，可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。233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。234

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。235

此外，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。236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。所谓混杂型是基体为高聚物，增强体是不同类型纤维材料。237例如，选择酚醛材脂为基体，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。238

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。239５、其他功能复合材料如前面所说复合功能材料是较年轻的材料，但发展速度很快，应用领域也越来越来越广泛、虽然目前从数量上尚低于结构复合材料，但不久会超过结构复合材料．成为复合材料的主导，本节介绍几个逐步发展起来，且有广阔前景的领域。2406.1抗x射线辐射复台材料用于抵抗x射线辐射造成对材料结构的破坏效应的一类复合材料。材料的吸收系数是衡量光子和材料作用的能力。它取决于光子能量及材料所含元素的性质。一般讲元素的原子序数越大，吸收系数越大。X射线照射到材料上，则光子与材料的原子发生作用，x射线在物质中通过时，被物质吸收变成物质的内能．即X射线能量在物质中沉积。同时，x射线能流密度大，释放的时间极短，使材料的比内能急聚增加而升高温度，并且在材料表面处形成很高的压力。241结果在材料表面形成一个峰值极高，持续时间极短的压力脉冲—热击波，使材料产生”层裂”效应，同时产生瞬时过载．结构产生变形，乃至破坏。为了防止x射线的破坏作用．曾提出一种物理模型。它由迎光层、屏蔽层、衰减层、过渡层四层结构组成。衰减层采用泡沫塑料。其他层分别采用碳—酚醛、高硅氧—酚醛等复合材料。利用密度小、质量轻的硅酸盐类多孔复合材料．既可防止大能量的X射线辐照，同时也是解决能量沉积行为的极好材料。2426.2仿生复合材料关于天然生物材料近代仿生分析始于20世纪70年代初期。80年代后期出现复合材料“仿生设计”的提法。直至90年代初期才逐步出现参照生物材料的规律设计并制造的人工复合材料。243天然生物材料经过亿万年的演变进化，形成效能奇妙多彩的功能原理和作用机制。天然生物材料也大都是复合材料。仿生复合材料就是向天然生物材料寻找启迪和模拟制造的。仿生复合生物材料设计思想来自于对生物材料从材料科学的观点进行观察、测试、分析、计算、归纳和抽象，再经研制找出合适的复合材料。

244复合材料的仿生可以用以下三仲途径。(1)增强组元的形态仿生，主要用于生物纤维访生。所有的纤维细胞几乎都是空心的、多层的，而且往往是分叉的。空心体的韧性和抗弯强度均较高。据此用化学气相