第六章-其它材料

复合材料

CompositeMaterials

2010年8月1

复合材料

第二部分复合材料的基体材料

第六章功能材料基体及复合材料教学目的:通过本章的学习，对半导体材料、磁性材料、超导材料、光功能材料、功能转换材料有所了解；并对其复合材料进行简单的介绍。重点内容:各类功能材料的定义及性能特点。难点:各类功能材料的工作原理。熟悉内容:各类功能材料的主要应用。主要英文词汇：Functionalmaterials---功能材料Opticsmaterial---光学材料Magneticmaterial---磁性材料Superconductmaterial---超导材料Semiconductormaterial---半导体材料Functiontransformmaterial---功能转变材料参考教材或资料：1、复合材料学----周祖福（武汉理工大学出版社，2004年）2、现代复合材料----陈华辉邓海金李明（中国物质出版社,1998）3、复合材料概论----王荣国武卫莉（哈尔滨工业大学出版社,1999）4、复合材料--------吴人洁（天津大学出版社,2000）5、复合材料科学与工程---倪礼忠,陈麒(科学出版社,2002)6、复合材料及其应用—尹洪峰,任耘（陕西科学技术出版社,2003）7、高性能复合材料学---郝元恺,肖加余(化学工业出版社,2004)8、新材料概论---

谭毅,李敬锋(冶金工业出版社,2004)

9、先进复合材料----鲁云朱世杰马鸣图（机械工业已出版社,2004）10、复合材料--------周曦亚（化学工业出版社,2005）6．功能材料基体及其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。

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。因此，多功能复合材料成为功能复合材料的发展方向。

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。6.1半导体材料

半导体材料是一种具有特殊导电性能的功能材料，电阻率处于导体电阻率（10-5Ωcm以下）和绝缘体电阻率（1010Ωcm以下）之间。导电及光电特征与电子能带有关。少量外部能量（热、电、磁、光等）激发下，价电子进入导带，进入导带电子可在晶体中自由运动。6.2磁性材料软磁材料：合金在磁场作用下有磁性，磁场消失后即不显示磁性。可分为电工用纯铁（直流电场下继电器铁心、衔铁和极靴）、电工用硅钢片（变压器、继电器、电机绕组的铁心）和铁镍高磁导率合金（高敏感度的小型功率变压器、磁放大器、继电器之磁导体）。硬磁合金：又称为磁合金。即一般所说的磁铁，在外磁场不存在时仍然保持很强的磁力，又成为永磁合金。永磁合金的分类：铸造合金、变形合金。铸造合金：主要有铁-铝-镍、铁-铝-镍-钴合金。变形永磁合金：可通过铸造、热扎、冷扎和冷拉以及各种机械加工（切削、冲压、弯曲）制成半成品（型材）和成品（磁铁）。铁氧体：磁功能材料中很重要的一种。以氧化铁为主要成分的磁性氧化物。制备工艺：采用陶瓷工艺，原料主要由氧化物、碳酸盐、草酸盐和硫酸盐。原料经过混合后，通过高温固态反应转为铁氧体，再经过压制、烧结成型成为产品。作为永磁材料，磁性不很高，但原料丰富便宜，工艺成熟，成型容易。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。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。

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。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。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。

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。6.3超导材料

有些物质在一定转变温度下，改变为完成没有电阻的状态，同时有完全抗磁性，这就是超导（电）现象。具有这种性质材料就是超导材料。

1911年，昂尼斯发现，液氦沸点温度（约4.2K），汞电阻率降为零。

1933年迈斯纳发现，物体进入超导态后，内部磁导率为零，进入完全抗磁性状态。应用：超导材料放于永磁铁上，之间产生斥力，使超导体悬浮于磁铁上方。

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。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。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。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。6.4光功能材料

制能够对光能进行传输、吸收、存储、转换的一类材料。种类：激光材料、红外材料、电光材料、磁光材料、光敏材料、发光材料、光色材料、声光材料、光导纤维材料、信息记录材料（光盘）。激光材料：发生激光的物质叫做激光工作物质。在固体、气体、液体三类激光工作物质中，固体激光物质为最重要的一种。在基体固体中、掺入适当的激活离子，来自于三价和二价的铁类、镧类和锕系系元素。特点：外壳电子层中存在未添满的d层和f层，激光的波长由激活离子种类决定的。激光特点：高能密度、单色性、方向性以及相干性好等特点。应用：激光雷达用于军事测试距离，工业自动化，激光武器系统工业中，激光束加工，激光束切割薄膜，激光手术。红外材料：红外光学材料和红外接受材料（即探测器材料）。红外光学：用于红外光学系统的透镜、棱镜、整流器等；要求：光谱投过率要高，透射短波限要低，玻璃，晶体，热压多晶体，透明陶瓷，塑料。6.5功能转换材料

范畴：能量密度的变化（电压的变化、光波长的改变等）、空间的变化（能量的传递、电力输送、通讯等）以及沿着时间尺度上的变化（能力储存、蓄电池等），都可以纳入功能材料。种类：压电材料，电光材料，磁光材料，声光材料，光敏材料，光电转化材料，热电材料，热敏材料，热释电材料等。介绍：压电材料：是进行机械能与电能相互转换的工作物质（受机械应力时，产生电极化；在电场作用下，产生应变）。

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。

较早研究的石英晶体，磷酸二氢铵和、酒石酸乙二胺；应用更多的是陶瓷多晶材料，典型的是钛酸钡和钛酸铅。一般压电材料为无机单晶和多晶，不少有机聚合物也有压电性能。电光材料：电场作用下，光折射率随着电场发生变化的材料为电光（电光效应）；电光材料用于光调制元件，还用于变谐滤波、光偏转和电场测定。磁光材料