功能复合材料

功能复合材料1主要内容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2

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

3

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

4

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5

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。6

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。7

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。8

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。9

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：10

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11

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。12

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。13

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。14

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。15

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，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，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。16

磁性复合材料永磁复合材料

永磁复合材料典型的永磁材料有永磁铁氧体、铝镍钴以及稀土永磁材料。一般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。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。对于软金属粘结工艺来说，由于它较为复杂，除磁体要求在较高温度下(＞200℃)使用外，很少采用金属基复合磁体。17

磁性复合材料永磁复合材料

永磁复合材料的磁性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：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。18

磁性复合材料永磁复合材料

永磁复合材料的应用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，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。

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。19

磁性复合材料软磁复合材料

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。Fe-Si-Al粉末颗粒复合体相对磁导率随驱动频率的变化20

磁性复合材料软磁复合材料

软磁复合材料的制备把软磁材料（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，保持在一个较平稳的恒定值。这种复合软磁材料的相对磁导率r值可由下式表示:式中d、c和分别表示金属粒子尺寸、块状金属相的磁导率及包覆层厚度。选择合适的金属粒子尺寸和包覆层厚度即可获得所需的相对磁导率r值，这对电感器和轭源圈的设计是十分重要的。21

磁性复合材料软磁复合材料

软磁复合材料的特性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。由1MHz高频下，复合材料磁损耗与粉末颗粒尺寸D的关系图可看出，粉末尺寸越小，损耗越低。可以通过调整磁性粉末颗粒的尺寸来调节损耗ＰL值。磁损耗PL/kW.m-3磁粉粒度/um磁损耗与软磁粉粒度的关系22

磁性复合材料磁性记录与读出

磁性记录与读出过程记录声音和图像，然后将其读出(再生)的过程：

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，固定在磁记录介质上。读出时，与记录过程相反。理想的磁记录介质应高密度、长期保存记录，再生时高输出。实现途径有磁性材料的种类和以磁性层为中心的叠层结构的改变。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23

磁性复合材料磁性记录与读出

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响，也受颗粒的大小和形状的影响。各种磁性粉末的特性磁性材料

Mr/T

Hc/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)*10324

磁性复合材料磁性记录与读出

叠层结构进一步提高记录密度，应考虑在叠层结构上的优化。对于粉状磁性材料，先制造以适当高分子为粘结剂的涂料，然后把涂料进行涂敷、干燥，制造出层压薄片，这就是记录磁带。显然，它属于叠层型的功能复合材料。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提高磁带性能的措施：

(1)提高磁性层中磁性材料的填充率；

(2)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。25

磁性复合材料磁性记录与读出

新的叠层构思和技术把现在单一的磁性层变成双磁性层。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0.4μm，下层使用低矫顽力的钴改性的氧化铁磁性材料，厚度为2.5μm。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。

不用涂敷磁性粉末和粘结剂混合成的涂料的方法制造磁性层，而是依靠真空镀敷Co/Ni合金薄膜的方法，来制造磁带。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0.2μm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。26

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。27

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。28

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％。29

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。30

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。31

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。32

功能复合材料电性复合材料

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33

功能复合材料电性复合材料

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。34

功能复合材料电性复合材料

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。复合电磁波吸收率依赖于材料的电导率，利用具有一定导电性的复合材料可满足电磁屏蔽的需要。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。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，成为国际上电子材料研究的热点。35

功能复合材料电磁屏蔽复合材料

电磁屏蔽复合材料的类型

(1)填充导电体；填料形成的导电网络提供屏蔽功能。通常由绝缘性好的热塑性高分子(如ABS、PC、PP、PE、PVC、PBT、PA)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。屏蔽效果与导电体填充量，导电纤维长径比等有关，合适的填料体积分数可获得好的屏蔽效率，在临界浓度值附近有最好的屏蔽效果。体积分数屏蔽效率/dB铝片在聚合物中体积分数与屏蔽效率关系36

功能复合材料电磁屏蔽复合材料

填充导电体电磁屏蔽材料多用于电子设备的屏蔽，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，要求既透明，又能阻隔电磁波的材料。复合材料中最佳体积填充分数为较低数值是理想的。屏蔽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；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。体积分数屏蔽效率/dB铝纤维带的体积分数、长径比与屏蔽效率的关系37

功能复合材料电磁屏蔽复合材料

电磁屏蔽复合材料的类型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。通常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。38

功能复合材料电性复合材料

复合材料压电性能

(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。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。39

功能复合材料电性复合材料

压电复合材料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。以PZT/聚合物为例，其dh

gb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。

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。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。40

功能复合材料电性复合材料

压电复合材料这两大复合材料各有优缺点：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，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。PZTPPTPZT/PPT/PPZT+P/P压电复合材科的发展41

功能复合材料电性复合材料

超导复合材料超导材料被誉为第三代电子技术的核心，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。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。用碳纤维增强锡基复合材料通过扩散粘结法将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。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。铜基复合材料也常用于超导复合材料的包覆材料。42

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。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