先进复合材料课件

第八章先进复合材料8.1碳/碳复合材料8.2纳米复合材料8.3功能复合材料8.4梯度功能复合材料18.2纳米复合材料8.2.1概述8.2.2聚合物基纳米复合材料8.2.3陶瓷基纳米复合材料8.2.4金属基纳米复合材料8.2.5纳米复合材料的应用2思考题1、纳米复合材料根据基体可以分为哪几种？你认为哪一类纳米复合材料更有前途，为什么？（聚合物、陶瓷、金属、半导体基纳米复合材料）2、块体铝基纳米复合材料的制备方法有哪些？请对非晶纳米晶化方法的优缺点进行评价。（液态法-搅拌铸造、熔体反应等，固态法-粉末冶金、机械合金化、SHS等；工艺简单、容易实现、可制备块体材料，成本较高、体系及尺寸受到限制）3第八章先进复合材料8.3功能复合材料

8.3.1功能复合材料的设计原则

8.3.2压电复合材料

8.3.3导电复合材料

8.3.4磁性复合材料

8.3.5其它功能复合材料8.4梯度功能复合材料48.3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它物理性能的复合材料，如压电、导电、超导、半导、磁性、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。5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。多功能复合材料成为功能复合材料的发展方向。68.3.1功能复合材料的设计原则复合材料的设计要充分考虑平均效应、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。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。模仿生物体中的纤维与基体的合理分布，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。7结构-功能的综合与统一。界面结合的改善。工艺实现的难易程度。原材料与成本。88.3.2压电复合材料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。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。9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/质量，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。同时，复合材料使加工性能，以及与水的匹配性也大为改善。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。10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，可以再复合。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。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。11压电复合材料的发展示意图PZTPPTPZT/PPT/PPZT+P/P12压电材料具有优良的机电耦合效应，既可用作传感器，也能作为作动器，在结构振动控制、形状保持、健康监测等领域得到了广泛应用。在基体材料表面粘贴或内部嵌入适量压电材料，构成压电复合(层合)结构是常见的配置方式。建立这类结构精确有效的机电耦合计算模型，是研究压电层合结构应用的重要问题。结构设计—原材料准备—表面处理—贴层（埋置）—压合13直径：10mm,16mm,20mm,25mm

频率：1.7MHz,2.0MHz,2.4MHz

镀层：镀镍，镀钛，镀玻璃釉

141)结构仅发生小变形，满足线性应变位移关系；2)压电材料与基体结构之间为理想粘贴，忽略粘贴层的影响；3)仅考虑线性压电本构关系。158.3.3导电复合材料没有明确的数值从复合材料的电导率来划分导体、半导体和绝缘体。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。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。16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，形成金属填充复合材料。但是，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。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。17苯乙烯—丙烯腈共聚物中Al粉和Fe粉的体积分数与电阻率的关系电阻率对数/.cm金属的体积分数AlFe18很多研究表明，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。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。19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。20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。用碳纤维增强锡基复合材料通过扩散粘结法将超导体包覆于其中，从而获得良好的力学性能、电性能和热性能的复合材料。铜基复合材料也常用于超导复合材料的包覆材料。218.3.4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。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。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。磁性材料与液体混合还可以形成磁流体等。22一、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。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。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。23

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。24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。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。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。25二、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。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。26Fe-Si-Al粉末颗粒复合体相对磁导率随驱动频率的变化27磁损耗PL/kW.m-3磁粉粒度/um磁损耗与软磁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。28三、磁性记录材料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。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。29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30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。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。31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32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。33四、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。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。34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。35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。368.3.5其它功能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。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。37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。作为兼具隐身和承载双重功能的材料，主要有混杂型和蜂窝形复合材料两大类。混杂型是基体为高聚物，增强体是不同类型纤维材料。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。38摩擦功能复合材料，具有低摩擦系数或高摩擦系数的复合材料。抗x射线辐射复合材料，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。仿生复合材料；透光复合材料；热性能复合材料；…………398.4梯度功能复合材料梯度功能材料是一种集各种组分、结构、物理化学性能等单一或综合性能等都呈连续变化，以适应不同环境，实现某一特殊功能的一类新型材料。梯度功能材料的设计一般采用逆设计系统，即根据结构形状和环境条件，得出相应的边界条件——选择材料和方法——采用混合法则，得出体系物理参数——合成梯度功能材料——测试与评价。主要制备