非金属材料及应用 课件 第4、5章 非金属复合材料、非金属功能材料

第四章非金属基复合材料本章内容复合材料概述复合材料分类复合材料的基体复合材料的增强相复合材料的复合原理复合材料的成型工艺学习目的掌握复合材料的特点；了解复合材料中基体和增强相的种类、特点和要求；理解复合材料的复合原理，包括混合法则、增韧机制和界面作用；了解复合材料的成型工艺。4.1复合材料概述三大材料：金属无机非金属有机高分子复合材料取长补短协同作用产生原来单一材料没有本身所没有的新性能无机非金属材料有机高分子材料金属材料复合材料复合材料的定义国际标准化组织：由两种以上在物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料《材料大词典》

：复合材料是根据应用进行设计，把两种以上的有机聚合物材料或无机非金属材料或金属材料组合在一起，使其性能互补，从而制成的一类新型材料。《材料科学技术百科全书》

：复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得更优秀的性能，与一般材料的简单混合有本质区别。复合材料历史古代－近代－先进复合材料天然复合材料竹、贝壳，树木和竹子：纤维素和木质素的复合体动物骨骼：无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成古代：使用、效仿半坡人－－草梗合泥筑墙，且延用至今漆器－－麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年敦煌壁画－－泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆近现代：第一代：1940年到1960年，玻璃纤维增强塑料第二代：1960年到1980年，先进复合材料1965年英国科学家研制出碳纤维1971年美国杜邦公司开发出开芙拉-491975年先进复合材料“碳纤维增强、及开芙拉纤维增强环氧树脂复合材料”用于飞机、火箭的主承力件上。第三代：1980年到1990年，碳纤维增强金属基复合材料以铝基复合材料的应用最为广泛。第四代：1990年以后，主要发展多功能复合材料，如智能复合材料和梯度功能材料等。复合材料的特点：（1）复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显的界面；（2）复合材料中各组元不但保持各自的固有特性，而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不具备的优良特殊性能；（3）复合材料具有可设计性。可以根据使用条件要求进行设计和制造，以满足各种特殊用途，从而极大地提高工程结构的效能。基体和增强材料

MatrixandReinforcement基体——连续相增强材料——分散相也称为增强体、增强剂、增强相等显著增强材料的性能多数情况下，分散相较基体硬，刚度和强度较基体大。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。Schematicillustrationofcompositeconstituents4.2复合材料的分类一、按增强材料形态分类1、纤维增强复合材料：a.连续纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点都位于复合材料的边界处；

b.非连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在基体材料中；2、颗粒增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中；3、板状增强体、编织复合材料：以平面二维或立体三维物为增强材料与基体复合而成。其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体

Classesofcomposites纤维增强复合材料种类①玻璃纤维复合材料；②碳纤维复合材料；③有机纤维（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚烯烃纤维等）复合材料；④金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料；⑤陶瓷纤维（如氧化铝纤维、碳化硅纤维等）复合材料。混杂复合材料：两种或两种以上增强体与同一基体制成的复合材料可以看成是两种或多种单一纤维或颗粒复合材料的相互复合，即复合材料的“复合材料”。二、按基体材料分类①聚合物基复合材料:以有机聚合物（热固性树脂、热塑性树脂及橡胶等）为基体；②金属基复合材料：以金属（铝、镁、钛等）为基体；③无机非金属基复合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）为基体。三、按材料作用分类①结构复合材料：用于制造受力构件；②功能复合材料：具备各种特殊性能（如阻尼、导电、导磁、摩擦、屏蔽等）。同质复合材料（增强材料和基体材料属于同种物质，如碳/碳复合材料）异质复合材料（复合材料多属此类）。复合材料系统组合分散相连续相金属材料无机非金属材料有机高分子材料金属材料金属纤维纤维/金属基复合材料钢丝/水泥复合材料增强橡胶金属晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶瓷基复合材料金属片材金属/塑料板无机非金属材料陶瓷纤维纤维/金属基复合材料纤维/陶瓷基复合材料晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶瓷基复合材料颗粒弥散强化合金材料粒子填充塑料玻璃纤维纤维/树脂基复合材料颗粒碳纤维碳纤维/金属基复合材料碳纤维/陶瓷基复合材料碳纤维/树脂基复合材料炭黑颗粒/橡胶；颗粒/树脂基有机高分子材料有机纤维纤维/树脂基复合材料塑料金属/塑料橡胶四、各种材料的发展状况 玻璃钢和树脂基复合材料

非常成熟广泛的应用

金属基复合材料

开发阶段某些结构件的关键部位

陶瓷基复合材料及功能复合材料等

尚处于研究阶段

有不少科学技术问题有待解决4.3复合材料的基体基体材料金属材料陶瓷材料聚合物材料4.3.1金属基体材料4.3.1.1选择基体的原则目前用作金属基复合材料的金属有铝及铝合金、镁合金、钛合金、镍合金、铜与铜合金、锌合金、铅、钛铝、镍铝金属间化合物等。基体材料成分的选择对能否充分组合和发挥基体金属和增强物性能特点，获得预期的优异综合性能，满足使用要求十分重要。

——选择基体时应充分注意与增强物的相容性（特别是化学相容性），并尽可能在复合材料成型过程中抑制界面反应。例如，对增强纤维进行表面处理在金属基体中添加其他成分选择适宜的成型方法缩短材料在高温下的停留时间等。4.3.1.2常见结构复合材料的基体分为轻金属基体和耐热合金基体①用于450℃以下的轻金属基体目前最广泛、最成熟的是铝基和镁基复合材料，用于航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等②用于450~700℃的复合材料的金属基体钛合金具有比重轻、耐腐蚀、耐氧化、强度高等特点，可在450～700℃使用，用于航空发动机等零件。

③用于1000℃以上的高温复合材料的金属基体基体主要是镍基、铁基耐热合金和金属间化合物。较成熟的是镍基、铁基高温合金，金属间化合物基复合材料尚处于研究阶段。

4.3.1.3功能用金属基复合材料的基体要求材料和器件具有优良的综合物理性能，如同时具有高力学性能、高导热、低热膨胀、高导电率、高抗电弧烧蚀性、高摩擦系数和耐磨性等。单靠金属与合金难以具有优良的综合物理性能，而要靠优化设计和先进制造技术将金属与增强物做成复合材料来满足需求。主要的金属基体是纯铝及铝合金、纯铜及铜合金、银、铅、锌等金属。4.3.2陶瓷基体在陶瓷基体中添加其他成分（如陶瓷粒子、纤维或晶须）可提高陶瓷的韧性。粒子增强虽能使陶瓷的韧性有所提高，但效果并不显著。高强度的碳化硅晶须容易掺混在陶瓷基体中，增强陶瓷的作用明显。用作基体材料的陶瓷一般应具有优异的耐高温性质、与纤维或晶须之间有良好的界面相容性以及较好的工艺性能等。陶瓷基复合材料（CMC）CMC的应用C/C在航天领域中的应用C/C作为刹车盘碳/碳复合材料（C/C）

4.3.3聚合物基体

4.3.3.1聚合物基体的种类不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及各种热塑性聚合物等。

不饱和聚酯树脂是制造玻璃纤维复合材料的一种重要树脂。在国外，聚酯树脂占玻璃纤维复合材料用树脂总量的80%以上。28聚酯树脂特点：工艺性良好，室温下固化，常压下成型，工艺装置简单。树脂固化后综合性能良好，力学性能不如酚醛树脂或环氧树脂。价格比环氧树脂低得多，只比酚醛树脂略贵一些。不饱和聚酯树脂的缺点是固化时体积收缩率大、耐热性差等。主要用于一般民用工业和生活用品中环氧树脂特点：在加热条件下即能固化，无须添加固化剂。酸、碱对固化反应起促进作用；已固化的树脂有良好的压缩性能，良好的耐水、耐化学介质和耐烧蚀性能；树脂固化过程中有小分子析出，故需在高压下进行；固化时体积收缩率大，树脂对纤维的粘附性不够好，但断裂延伸率低，脆性大。酚醛树脂优点：比环氧树脂价格便宜缺点：吸附性不好、收缩率高、成型压力高、制品空隙含量高等。大量用于粉状压塑料、短纤维增强塑料，少量用于玻璃纤维复合材料、耐烧蚀材料等，很少使用在碳纤维和有机纤维复合材料中。4.3.3.2聚合物基体的作用把纤维粘在一起；分配纤维间的载荷；保护纤维不受环境影响。用作基体的理想材料，其原始状态应该是低粘度的液体，并能迅速变成坚固耐久的固体，足以把增强纤维粘住。尽管纤维增强材料的作用是承受载荷，但是基体材料的力学性能会明显地影响纤维的工作方式及其效率。

4.4复合材料的增强相增强材料（增强体、增强剂等）——分散在基体内以改进其机械性能的高强度材料分类纤维及其织物晶须颗粒小片状、板状Typesofreinforcedcomposites3.4.1纤维增强体天然纤维——植物纤维（棉花、麻类）、动物纤维（丝、毛）和矿物纤维（石棉）。强度较低现代复合材料的增强材料用合成纤维有机纤维;无机纤维。Typesoffiberreinforcementorientationone-dimensionaltwo-dimensionalthree-dimensional1）有机纤维①芳香族酰胺纤维 AromaticPolymideFibre,Kevlar,KF特点：高强度、高模量和韧性好等密度较低，而比强度极高，超过玻璃纤维、碳纤维和硼纤维比模量与碳纤维相近，超过玻璃、钢、铝等。由于韧性好，它不象碳纤维、硼纤维那样脆，因而便于纺织。常和碳纤维混杂，提高纤维复合材料的耐冲击性。Kevlar纤维属于自熄性材料。KEVLAR纤维②聚乙烯纤维（Polyethylene,PE）目前国际上最新的超轻、高比强度、高比模量纤维，成本也比较低。通常分子量大于106，拉伸强度为3.5GPa，弹性模量为116GPa，延伸率为3.4%，密度为0.97g/cm3。具有高比强度、高比模量以及耐冲击、耐磨、自润滑、耐腐蚀、耐紫外线、耐低温、电绝缘等多种优异性能。不足之处是熔点较低（约135℃）和高温容易蠕变。因此仅能在100℃以下使用，可用于制做武器装甲、防弹背心、航天航空部件等。2）无机纤维①玻璃纤维（GlassFibre,GF或Gt）由含有各种金属氧化物的硅酸盐类，经熔融后以极快的速度抽丝而成。由于质地柔软，因此可以纺织成各种玻璃布、玻璃带等织物。价格便宜，品种多，适于编织各种玻璃布，作为增强材料广泛用于航空航天、建筑领域及日常用品。缺点是不耐磨，易折断，易受机械损伤，长期放置强度下降。Example无捻玻璃纤维种类：按用途 高强度纤维、低介电纤维、耐化学药品纤维、耐电腐蚀纤维、耐碱纤维；按化学成分 碱玻璃纤维、中碱玻璃纤维、低碱玻璃纤维、无碱玻璃纤维；按单丝直径可分为粗纤维、初级纤维、中级纤维、高级纤维。7.4.1聚合物基玻璃钢天线反射面玻璃钢建筑材料用于上海东方明珠电视塔大堂装潢(1)GFRP玻璃钢应用于体育用品②碳纤维（CarbonFibre,CF或Cf） 纤维中含碳量在95%左右的碳纤维和含碳量在99%左右的石墨纤维。生产碳纤维的原料主要为人造丝（粘胶纤维）、聚丙烯烃和沥青三种，其中以聚丙烯烃最为主要。按力学性能可将碳纤维分成高强度碳纤维、高模量碳纤维和普通碳纤维。碳纤维的结构模型PolymerMatrixComposites，PMC普通型高强度型高弹性模量型碳纤维片材（复合材料）用于建筑物补强加固Pyrolysis（热解）ofpolyacrylonitrile(聚丙烯腈，PAN)toformcarbonfibers碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）

CFRP在民用飞机中的应用CFRP在空间站大型结构以及太阳能电池支架中的应用碳纤维的优点：强度和模量高、密度小；具有很好的耐酸性；热膨胀系数小，甚至为负值具有很好的耐高温蠕变性能，一般在1900℃以上才呈现出永久塑性变形。摩擦系数小、润滑性好、导电性高。碳纤维的缺点：价格昂贵，比玻璃纤维贵25倍以上抗氧化能力较差，在高温下有氧存在时会生成二氧化碳。③硼纤维（BoronFibre，BF或Bf）通用的制备方法是在加热的钨丝表面通过化学反应沉积硼层。硼纤维的直径有100μm、140μm、200μm几种。硼纤维的优点硼纤维具有很高的弹性模量和强度，但其性能受沉积条件和纤维直径的影响，硼纤维的密度为2.4~2.65g/cm3，拉伸强度为3.2~5.2GPa，弹性模量为350~400GPa。硼纤维具有耐高温和耐中子辐射性能。硼纤维的缺点工艺复杂，不易大量生产，其价格昂贵。由于钨丝的密度大，硼纤维的密度也大。目前已研究用碳纤维代替钨丝，以降低成本和密度，结果表明，碳心硼纤维比钨丝硼纤维强度下降5%，但成本降低25%。硼纤维在常温为较惰性物质，但在高温下易与金属反应，因此需在表面沉积SiC层，称之为Bosic纤维。硼纤维主要用于聚合物基和金属基复合材料。硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体支柱④氧化铝纤维（AluminiaFibre，AF）

多晶连续纤维，除Al2O3外常含有约15%的SiO2。优点：具有优良的耐热性和抗氧化性，直到370℃强度仍下降不大。缺点：在所有纤维中密度最大。用途：主要用于金属基复合材料。⑤碳化硅纤维（SiliconCarbideFibre，SF）目前SiC纤维的生产有有机合成法和CVD法两种。

特点：高强度高模量有良好的耐化学腐蚀性、耐高温和耐辐射性能。比碳纤维和硼纤维具有更好的高温稳定性。具有半导体性能。与金属相容性好，常用于金属基和陶瓷基复合材料。α-碳化硅4.4.2晶须增强体晶须（Wisker）：具有一定长径比（一般大于10）和截面积小于52×10-5cm2的单晶纤维材料。具有实用价值的晶须直径约为1～10μm，长度与直径比在5～1000之间。晶须是含缺陷很少的单晶短纤维，其拉伸强度接近其纯晶体的理论强度。分类：金属晶须（如Ni、Fe、Cu、Si、Ag、Ti、Cd等）氧化物晶须（如MgO、ZnO、BeO、Al2O3、TiO2、Y2O3、Cr2O3等）陶瓷晶须（如碳化物晶须SiC、TiC、ZrC、WC、B4C）氮化物晶须（如TiB2、ZrB2、TaB2、CrB、NbB2等）无机盐类晶须（如K2Ti6O13和Al18B4O33）。晶须的制备方法：化学气相沉积（CVD）法溶胶—凝胶法气液固（VLS）法液相生长法固相生长法原位生长法。4.4.3颗粒增强体

ParticleReinforcement颗粒增强体：用以改善基体材料性能的颗粒状材料颗粒增强体的特点是选材方便，可根据不同的性能要求选用不同的颗粒增强体。颗粒增强体成本低，易于批量生产。具有高强度、高模量、耐热、耐磨、耐高温的陶瓷和石墨等非金属颗粒如碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化硼、石墨、细金刚石等。刚性颗粒增强体

（RagidParticleReinforcement）颗粒增强体以很细的粉末（一般在10μm以下）加入到金属基和陶瓷基中起提高耐磨、耐热、强度、模量和韧性的作用在Al合金中加入体积为30%，粒径为0.3μm的Al2O3颗粒,材料在300℃时的拉伸强度仍可达220MPa，并且所加入的颗粒越细，复合材料的硬度和强度越高。在Si3N4陶瓷中加入体积为20%的TiC颗粒，可使其韧性提高5%。延性颗粒增强体

（DuctileParticleReinforcement）主要为金属颗粒，加入到陶瓷基体和玻璃陶瓷基体中增强其韧性。如Al2O3中加入Al，WC中加入Co等。金属颗粒的加入使材料的韧性显著提高，但高温力学性能会有所下降。复合材料的复合原理，是反映各种因素对复合材料性能的影响规律。影响复合材料性能的因素：工艺因素基体和增强材料的性能增强材料的形状、含量、分布增强材料的以及与基体的界面结合、结构按照复合原理，可以对所需要研究和开发的复合材料的性能，包括力学、物理、化学性能等进行设计、预测和评估。4.5复合材料的复合原理在复合材料中，在已知各组分材料的力学性能、物理性能的情况下，复合材料的力学性能和物理性能主要取决于组成复合材料的材料组分的体积百分比（vol.%）：4.5.1混合法则（mixingrule）Pc：复合材料的某性能，如强度、弹性模量、热导率等；Pi：各组分材料的对应复合材料的某性能；V

：组成复合材料各组分的体积百分比；i：表示组成复合材料的组分数。SiC/硼硅玻璃复合材料的强度随纤维体积含量线性增加颗粒增强复合材料的弹性模量与颗粒体积分量的关系复合材料在受冲击载荷时材料发生破坏（断裂），其韧性大小取决于材料吸收冲击能量大小和抵抗裂纹扩展的能力。

以纤维增强复合材料为例，主要有纤维的拔出、纤维与基体的脱粘、纤维搭桥等增韧机制。4.5.2增韧机制纤维脱粘纤维搭桥纤维拔出4.5.3界面作用在基体和分散相之间必然存在把不同材料结合在一起的接触面－界面。复合材料的界面实质上是具有纳米级以上厚度的界面层，有的还会形成与增强材料和基体有明显差别的新相，称之为界面相。界面的粘结强度是衡量复合材料中增强材料与基体间界面结合状态的一个指标。对于结构复合材料而言，界面粘结强度过高或过弱都不利于材料的力学性能。复合材料界面的粘结方式

机械结合静电作用界面扩散界面反应4.6复合材料的成型工艺4.6.1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。成型工艺包括两方面成型，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，固化，即使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，并能达到预计的性能要求。目前在生产中采用的成型工艺方法有：手糊成型—显法铺层真空袋压法成型压力袋成型树脂注射和树脂传递成型喷射成型真空辅助树脂注射成型夹层结构成型模压成型注射成型挤出成型纤维缠绕成型拉挤成型连续板材成型层压或卷制成型热塑性片状模塑料热冲压成型离心浇铸成型一、手糊成型工艺(handlaying-up)

所谓手糊成型工艺，是指用手工或在机械辅助下将增强材料和热固性树脂铺覆在模具上，树脂固化形成复合材料的一种成型方法。几种成型工艺方法简介二、喷射成型工艺(SprayMoulding)

喷射成型工艺是利用喷枪将短纤维及树脂同时喷到模具上，压实固化成制件的工艺方法。三、袋压成形工艺(BagMoulding)

袋压成型工艺是在手糊成型的制品上，装上橡胶袋或聚乙烯、聚乙烯醇袋，将气体压力施加到未固化的玻璃钢制品表面而使制品成型的工艺方法。四、层压成型工艺(LaminationProcess)

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。五、模压成型工艺(PressureMolding)

模压成型工艺是指将模压料置于金属对模中，在一定的温度下，加压固化为复合材料制品的一种成型工艺，是一种对热固性树脂和热塑性树脂都适用的纤维增强复合材料的成型方法。1．短纤维料模压法

该法是将经过预混或预浸后的短纤维状物料在模具中成型为复合材料制品。2．毡料模压法

该法是将浸毡机组制备的连续玻璃纤维预浸毡剪裁成所需形状，在金属对模中压制成制品。3．碎布料模压法

该法是将浸渍过树脂的玻璃布或其他织物的下脚料剪成碎块，在模具中压制成型。4．层压模压法

该法是介于层压与模压之间的一种工艺，系将预浸渍的玻璃布或其他织物裁剪成所需形状，在金属对模中层叠铺设压制成异型制品。

5．缠绕模压法

该法是结合缠绕成型与模压成型的一种工艺，系将预浸渍的玻璃纤维或布带缠绕在模型上，再在金属对模中加热加压成型制品。6．织物模压法

该法是将预先织成所需形状的二维或三维织物浸渍树脂后，在金属对模中压制成型。

7.定向铺设模压法

该法是按制品的受力状态进行定向铺设，然后将定向铺设的坯料放在金属对模内成型。8．预成型坯模压法

先将玻璃纤维用吸附法制成与制品形状相似的预成型坯，再把它放入金属模具内，预成型坯上倒入配制好的树脂，在一定的温度压力下压制成型。

9．片状模塑料模压法

片状模塑料是用不饱和聚酯树脂作为黏结剂充分浸渍短切纤维或毡片，经增稠而得。

六、缠绕成型工艺(WindingProcess)

将连续纤维或带浸渍树脂胶液后的纤维，按照一定的规律缠绕到芯模上，然后在加热或常温下固化，制成一定形状制品的工艺称为缠绕成型工艺。

1.干法

干法缠绕采用预浸渍带，即在缠绕前预先将玻璃纤维制成预浸渍带，然后卷在卷盘上待用。使用时将浸渍带加热软化后绕制在芯模上。

2.湿法

缠绕成型时玻璃纤维经集束后进入树脂胶槽浸胶，在张力控制下直接缠绕在芯模上，然后固化成型。3.半干法

七、拉挤成型工艺(PultrusionProcess)

拉挤成型工艺是将浸渍了树脂胶液的连续纤维，通过成型模具，在模腔内加热固化成型，在牵引机拉力作用下，连续拉拔出型材制品。4.6.2陶瓷基复合材料的制备工艺1．纤维增强陶瓷基复合材料的制备1）泥浆烧铸法

这种方法是在陶瓷泥浆中把纤维分散，然后浇铸在石膏模型中。这种方法比较古老，不受制品形状的限制，但对提高产品性能的效果不显著，成本低，工艺简单，适合于短纤维增强陶瓷基复合材料的制作。2）热压烧结法将长纤维切短（＜3mm），然后分散并与基体粉未混合，再进行热压烧结。这种短纤维增强体在与基体粉末混合时取向是无序的，但在冷压成型及热压烧结过程中，短纤维在基体压实与致密化过程中沿压力方向转动，导致在最终制得的复合材料中短纤维沿加压面择优取向，这也就产生了材料性能上一定程度的各向异性。这种方法制备的陶瓷基复合材料的纤维与基体之间的结合较好，是目前采用较多的方法。3）浸渍法适用于长纤维。首先把纤维编织成所需形状，然后用陶瓷泥浆浸渍，干燥后进行焙烧。优点:纤维取向可自由调节，即前面所述的单向排布及多向排布等。缺点:不能制造大尺寸制品，而且所得制品的致密度较低。2．晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的制备晶须与颗料的尺寸均很小，用它们进行增韧的陶瓷基复合材料的制造工艺是基本相同的。制备工艺比长纤维复合材料简便得多，也不需像长纤维复合材料那样的纤维缠绕或编织用的复杂专用设备。只需将晶须或颗粒分散后并与基体粉末混合均匀，再用热压烧结的方法即可制得高性能的复合材料。第五章非金属功能材料5.1引言5.2建筑功能材料5.3功能陶瓷材料5.1引言

功能材料是指在电、光、热、催化、分离、生物和医学等方面具有特殊性能的材料。如日光灯管的内壁涂有发光材料；照像胶卷上有感光材料；扩音器话筒和电唱机唱头里装有压电晶体材料。这些材料均属于功能材料。

“电脑”、“电眼”、“电鼻”、“电耳”等就是分别采用记忆、光电、气敏、压电晶体等功能材料制成的。5.1引言

非金属功能材料种类丰富、应用广泛。本章主要向读者介绍：①建筑功能材料，包括棉梗人造板、蔗渣人造板等非木材木质植物人造板，纤维增强硅酸钙板、纤维增强水泥平板、饰面型防火涂料、阻燃墙纸等防火材料，橡胶系防水卷材、塑料系防水卷材等防水材料；②功能陶瓷材料，包括电子陶瓷、光学陶瓷、磁性陶瓷、生物陶瓷、多功能木基陶瓷等。5.2建筑功能材料5.2.1建筑与建筑功能材料

建筑材料是人类建造建筑物时所用一切材料的总称，或者说是构成建筑物的所有材料的总称。它是一切建筑工程的物质基础。

建筑材料的种类极其繁多，可以从不同角度对其进行分类。根据建筑材料在建筑物中的部位及使用性能，大体分为三大类：

建筑结构材料、墙体材料与建筑功能材料。5.2建筑功能材料5.2.1建筑与建筑功能材料

建筑功能材料：

主要指担负某些建筑功能的、非承重用的材料，它们赋予建筑物防水、防火、保温、隔热、采光、隔声、装饰等功能，决定着建筑物的使用功能与建筑品质。5.2建筑功能材料5.2.2建筑功能材料的分类

建筑功能材料的种类繁多，功能各异，用途广泛。通常按材料在建筑物或构筑物中的功能进行分类，5.2建筑功能材料5.2.2建筑功能材料的分类（1）建筑保温隔热材料（2）建筑防水材料（3）建筑防火材料（4）建筑声学材料（5）建筑光学材料（6）功能混凝土建筑保温隔热材料材料的导热性绝热材料的类型常用绝热材料

一、材料的导热性1.材料的传热方式：传导、对流、辐射。导热系数λ：在数值上等于厚度为1m的材料，当其相对两侧表面温度差为1K时，经单位面积（1m2）单位时间（1s）所通过的热量。导热系数是评定材料导热性能的重要物理指标。绝大多数材料，所测得的导热系数值实际上为传导、对流和辐射的综合结果。热阻R：表征材料阻抗传热能力的物理量。2.

导热系数与热阻单一材料层多层匀质材料层

3.影响导热系数的因素组成与结构。表观密度。最佳表观密度（孔隙多而小，但不连通，密度小，可能连通）。孔隙大小与特征。空隙多而小对隔热有利。湿度与含水量。温度。导热系数随温度的升高而增大。这种影响在0~50℃范围内并不大，只有对处于高温或负温下才有影响。热流方向。

4.提高材料或复合体绝热性能的途径尽量采用有机高分子材料或无定形的无机材料。使材料的表观密度达到绝热最佳密度。空气夹层。使孔隙多而小。真空化处理或填充导热系数小于空气的气体。表面材料热反射率高。

二、绝热材料的类型多孔型纤维型反射型1.无机绝热材料石棉及制品矿渣棉及其制品岩棉及制品玻璃棉及制品膨胀珍珠岩及其制品膨胀蛭石及其制品泡沫混凝土和加气混凝土泡沫玻璃微孔硅酸钙制品绝热材料：对热流具有显著阻抗性的材料。λ≤0.23。习惯上将用于控制室内外热量外流的材料叫做保温材料；把防止室外热量进入室内的材料叫隔热材料。三、常用绝热材料2.有机绝热材料软木板木丝板毛毡轻质钙塑板泡沫塑料

建筑防水材料

防水卷材防水涂料建筑密封材料刚性防水材料防水卷材沥青防水卷材高聚物改性沥青防水卷材合成高分子防水卷材纸胎石油沥青油毡玻璃布胎沥青油毡SBS改性沥青防水卷材APP改性沥青防水卷材PVC改性焦油沥青防水材料再生胶改性沥青防水卷材橡胶类（如三元乙丙橡胶防水卷材）塑料类（如聚氯乙烯防水卷材）橡塑类（如氯化聚乙烯橡胶共混材料）成本低，抗裂抗老化差，温度敏感性差综合性能好，污染小，是防水卷材的发展方向。一、防水卷材

沥青卷材油毡按原纸1m2的重量克数分为200、350和500共3种标号。施工时，必须先将隔离材料清除掉，粘结材料要与油毡使用的沥青为同系列材料。

油纸（毡）的生产

二、防水涂料防水涂料沥青基防水涂料高聚物改性沥青防水涂料合成高分子防水涂料冷底子油乳化沥青氯丁橡胶沥青防水涂料SBS沥青防水涂料再生橡胶沥青防水涂料聚氨酯防水涂料聚氨酯煤焦油防水涂料丙烯酸酯防水涂料硅橡胶防水涂料

快挥发性冷底子油。石油沥青：汽油＝30：70；慢挥发性冷底子油。石油沥青：煤油或轻柴油＝40：60

；用途：增加基层粘结力和憎水性。原理：溶剂挥发，在基层形成沥青膜。可以在常温下涂刷，故称冷底子油。一般随用随配。冷底子油

三、建筑密封材料密封材料不定型材料（密封膏、嵌缝膏）定形材料（密封条、止水带）非弹性密封材料——沥青嵌缝油膏弹性密封材料聚氯乙稀防水接缝材料丙烯酸酯建筑密封膏聚氨酯建筑密封膏聚硫建筑密封膏硅酮建筑密封膏

四、刚性防水材料指防水混凝土和防水砂浆。在混凝土和砂浆中掺入各种防水剂。氯化铁防水剂；三乙醇胺复合早强防水剂；有机硅防水剂；补偿收缩防水剂。常用防水剂

建筑防火材料

材料防火的概念高温下（火灾）钢筋混凝土的力学性能变化常用建筑防火材料一、材料防火的概念1.材料防火对性能的要求（1）高温下的物理力学性能（2）导热性能（3）燃烧性能（4）发烟性能（5）潜在毒性2.建筑材料的分级和建筑物的耐火等级（1）材料的分级：燃烧性能（2）建筑物的耐火等级：燃烧性能、耐火极限二、高温下（火灾）钢筋混凝土的力学性能变化1.高温下混凝土的结构（1）各种水分的逃逸（2）水泥石的破坏2.高温下混凝土的强度（1）抗压强度（2）弹性模量（3）抗拉强度二、高温下（火灾）钢筋混凝土的力学性能变化3.高温下钢筋的力学性能变化（1）强度（2）模量（3）热膨胀系数4.混凝土保护层厚度对构件耐火极限的影响三、常用建筑防火材料1.防火涂料（1）膨胀型（2）非膨胀型2.防火板（1）FC纤维水泥加压板（2）泰柏板（3）硅钙板（4）纸面石膏板建筑声学材料

材料的吸声性吸声材料及其构造隔声材料一、材料的吸声性声波遇到材料表面，一部分被反射，一部分穿透材料，其余的被材料吸收。吸声系数吸声系数与入射角度有关。吸声系数与声波频率有关。通常采用125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz和4000Hz六个频率的吸声系数来表示某一材料的吸声系数。

二、吸声材料及其构造吸声材料：125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz和4000Hz六个频率的平均吸声系数大于0.2的材料。多孔吸声材料；柔性吸声材料；帘幕吸声体；悬挂空间吸声体；薄板振动吸声结构；穿孔板组合共振吸声结构；空腔共振吸声结构。

三、隔声材料1.空气声的隔绝2.固体声（撞击声）的隔绝τ—声波透射系数；Et—透过材料的声能；E0—入射总声能R—材料的隔声量，dB隔绝空气声，主要服从质量定律，即材料的体积密度越大，质量越大，隔声性能越好。隔绝固体声，最有效的方法是采用不连续结构处理，如在墙壁和承重梁之间、房屋的框架和墙板之间加弹性衬垫，或在楼板上加弹性地毯

建筑光学材料

采光是人们对建筑的基本要求，而在各种无机建筑材料中唯一具有透光性的材料便是玻璃。

玻璃是一种既古老又新兴的建筑光学材料，最大的特点就是透明性，因此过去在建筑上主要用作采光和装饰材料。已从单纯的窗用采光材料发展成为控制光线、调节热量、节约能源、降低噪音及减轻结构自重、美化建筑环境、提高建筑艺术功能的多功能建筑光学材料。近年来，兼具光学、装饰等多功能的玻璃新品种不断问世。现代建筑越来越多地采用大面积的玻璃门窗、玻璃幕墙和玻璃构件。玻璃已成为现代建筑中重要的、不可缺少的多功能建筑光学材料。

功能混凝土

混凝土是当代用量最大的人造建筑材料，具有原材料来源广、成本低、塑性好、易于成型、硬化后有较好的力学性能和良好的耐久性以及性能可以随意调整、用途广泛等多种优点。采用特种材料或功能组分，或者采用特种生产工艺、施工方法制成的功能混凝土，在具备传统功能的基础上，兼有防水、防火、防爆、防辐射、耐油、耐酸、耐碱、导电、装饰等多种特殊功能，是集结构与功能一体化的经济适用的新型建筑功能材料。

5.2.3非木材木质植物人造板5.2.3.1概述

非木材木质植物人造板，主要指利用化学成分与木材相近的农作物秸秆（如棉梗、麻秆、蔗渣、葵花秆）、竹子、木质藤条等原材料（见表5-1）制备的建筑功能板材。5.2.3非木材木质植物人造板5.2.3.1概述非木材木质植物原料大多用于生产纤维板和碎料板，特别是近些年来，由于废水污染控制愈来愈严，非木材木质植物原料越来越多地用于碎料板的生产。非木材木质植物人造板种类归纳如表5-2。5.2.3非木材木质植物人造板5.2.3.1概述非木材木质植物人造板的生产工艺与设备木材原料与非木材木质植物原料并没有本质上的区别，只是化学组成和组织结构上有细微差别。因此，非木材木质植物人造板的工艺与设备基本上是套用木材人造板的工艺及设备，并根据原料性能上的差别作一些相应的调整，如非木材纤维板与碎料板的生产均是如此。（一）木材人造板生产工艺与设备的借用及其改革⑴非木材植物纤维板①备料；②制浆；③成型；④热压；⑤后处理⑵非木材植物碎料板①备料；②干燥与拌胶；③铺装与热压图5-2湿法棉秆纤维板生产流程（二）特殊的工艺与设备⑴几种特殊的工艺与设备①蔗渣的除髓。髓是蔗渣中的杂细胞，其含量达30%～50%，对板材质量及加工工艺影响很大，尤其是对板材的吸水率。②棉（麻）秆的除皮。棉秆与麻秆的表层有一层不易切断的丝状物，它本身切断后有可能提高制品的质量。但是，这层未切断的丝状物常缠绕在生产线的输送设备上，引起摩擦起火、堵塞。⑵竹材人造板的特殊工艺及设备竹材人造板中，竹编胶合板的备料较特殊，采用破篾后的竹编席作单板而后层压，竹编席目前均用人工，还没有研制出专用设备。竹帘胶合板的竹帘已有专用的编帘机。5.2.3.2棉梗人造板我国是世界产棉大国，黄河流域、长江中下游流域及新疆各省、自治区均盛产棉花，有着极其丰富的棉秆资源。棉秆过去大多数用作燃料或任其腐烂，近些年已开发用作人造板原料。一、棉秆的特性及其对板材加工的影响（一）棉秆的构造与纤维形态（二）棉秆的吸水、吸湿及干缩性（三）棉秆的力学性质（四）棉秆的化学成分与pH值棉秆作为人造板原料有如下特点及其影响：(1)棉秆径级小，形体蓬松，可压缩性大，密度小，容积比重为0.2～0.38。(2)棉秆皮约占棉秆的25%～30%，含量较高，性质强韧。(3)棉秆原料的有机杂质较多，热水抽出物高，棉秆皮的水抽出物更高达16%以上。(4)棉秆纤维板生产中棉秆浆和其它草类浆相比，纤维润胀性良好、吸水性强。(5)棉秆作为农作物的副产品，其表皮和根部附着的泥沙较多，如不清洗除去，将影响板材的结合和质量，并在工艺上造成不良影响。5.2.3.3蔗渣人造板蔗渣是非木材植物人造板开发利用最早的原料之一，我国利用蔗渣生产硬质纤维板是在1959年。（一）组织结构与纤维形态（二）化学成分（三）蔗渣的碎料形态（四）pH值由于蔗渣原料的化学组成、组织结构、形态尺寸等方面与木材原料有一定差别，因而在人造板生产工艺上与使用木材原料相比有其特殊点，总结起来有下述几点：(1)蔗髓对人造板生产工艺及产品质量有不利影响，因此需要增加除髓工序以除去原料中的蔗髓。(2)蔗渣碎料板生产中，筛分有其重要作用。(3)由于蔗渣中可溶物成分含量及易水解成分含量高，对湿法生产中浆料的脱水、施胶及热压成型均带来工艺上的困难，并造成对质量上的不良影响，因此往往需要增加洗浆工序或采取其它有关措施。5.3功能陶瓷材料什么是功能陶瓷功能陶瓷是指具有电、光、磁以及部分化学功能的多晶无机固体材料，其功能的实现主要来自于它所具有的特定的电绝缘性、半导体性、导电性、压电性、铁电性、磁性、生物适应性等。功能陶瓷材料功能陶瓷的种类电子陶瓷超导陶瓷磁性陶瓷光学陶瓷生物陶瓷敏感陶瓷木基陶瓷建筑装饰陶瓷功能陶瓷材料电子陶瓷陶瓷固体电解质陶瓷固体电解质是处于固体状态而能像液体（酸、碱、盐在溶解和熔融状态下）那样发生离子快速迁移、具有离子导电性的陶瓷材料，又称陶瓷快离子导体。在能源、冶金、环保、电化学器件等领域中有广阔的应用前景。如ZrO2用于汽车尾气净化、钢水定氧及制作高温燃料电池；β-Al2O3用作钠硫电池、金属钠提纯等电化学器件的电解质隔膜等。稀土元素在该领域得到广泛应用，按其作用可把陶瓷固体电解质分为4类。陶瓷固体电解质⑴稀土化合物固体电解质稀土化合物固体电解质是具有快离子导电性的稀土化合物。又可分为3类：第1类是立方萤石结构稀土氧化物以及钙钛矿型稀土化合物，都是氧离子导体；第2类是氟铈矿结构LaF3、CeF3等氟离子导体；第3类是通过β-Al2O3离子交换得到的稀土的二价或三价离子导体。⑵稀土化合物作稳定剂的固体电解质很多固体电解质材料高电导只存在于高温相，必须将这些高温导电相稳定到低温才能实用，常用方法是加入另一化合物使之形成固溶体而使高温相稳定下来，加入的化合物就是稳定剂。稀土化合物作为稳定剂得到广泛应用。陶瓷固体电解质⑶稀土化合物作掺杂剂的固体电解质稀土化合物可作掺杂剂。作为掺杂的稀土离子进入晶格而形成一定的缺陷结构，从而提高固体电解质的离子电导率。⑷稀土离子交换的固体电解质β-Al2O3是一类很重要的固体电解质材料，通式为Na2O.nAl2O3（n=5.33～8.5），其中迁移离子Na+可以被多种离子交换，比如用Eu2+、Gd3+、Ce3+等稀土离子进行离子交换，可获得具有高离子导电性的功能材料。功能陶瓷材料电子陶瓷压电陶瓷当外力作用于晶体时，发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这种由于形变而产生的电效应，称为压电效应。反之，当在晶体上施加电场引起极化时，将产生与电场成比例的变形或压力，称之为逆压电效应。材料的压电效应取决于晶体结构的不对称性，晶体必须有极轴，才有压电效应。压电陶瓷是具有压电效应的陶瓷材料功能陶瓷材料压电陶瓷的种类压电陶瓷主要有钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸钡（PZT）、改性PZT等。压电陶瓷的晶体结构随温度的变化而变化。对钛酸钡和钛酸铅，当温度高于居里温度Tc时，为立方晶体，具有对称性，无压电效应；低于Tc时，为四方晶体，具有非对称性，有压电效应。功能陶瓷材料压电陶瓷的应用压电陶瓷的优点是价格便宜，可以批量生产，能控制极化方向，添加不同成分，可改变压电特性。压电陶瓷可用作超声波发生源的振子或水下测声频仪器上的振子；也可用作声转换器。但压电陶瓷收到机械应力的作用时，由压电效应发生的电能可用于煤气灶的点火器和打火机等；压电陶瓷还可用于滤波器等。功能陶瓷材料电子陶瓷光电陶瓷当光电陶瓷受到光照射时，由于能带间的迁移和能带与能级间的迁移而引起光的吸收现象时，能带内产生自由载流子，而使电导率增加，这种现象称为光电导现象。光电陶瓷是具有光电导效应的陶瓷材料利用光电导效应检测光强度的元件称为光敏元件。检测从波长很短的X射线到波上很长的紫外线的光敏元件主要是烧结GdS多晶；如果在GdS中添加Cu杂质，可以用作检测可见光的光敏元件。功能陶瓷材料电子陶瓷电光陶瓷给各向异性的电解质施加电场后，压电效应使晶格产生畸变，介质的折射率产生变化。其中随电场成线性变化的现象称普克尔效应；随电场的平方变化的现象称为克尔效应。一般把两者总称为电光效应。相反，由于高电场引起电子状态密度变化而使折射率产生变化的现象称为电子光学效应，以区别于电光效应。具有点对称的晶体中，不能显示出普克尔效应，而只显示出克尔效应。功能陶瓷材料电子陶瓷电光陶瓷典型的电光陶瓷是PLZT陶瓷，它是用La置换PbTiO3-PbZrO3中部分Pb的固溶体（Pb1-χLaχ）（Zr1-yTiy）O3，其中La、Zr、Ti的成分为（χ/1-y/y），比如（9/65/35)。通过改变材料组成PLZT陶瓷能获得具有铁电相(FE)、顺电相(PE)和反铁电相(AFE)中任何一种的特性。它具有铁电性，对可见光和红外光透明，所以呈现电光效应。与光电晶体相比，电光陶瓷容易获得任意形状、大尺寸和性能均匀的元件，适合于大量生产，价格便宜，是一种具有多种优良性能的材料。功能陶瓷材料超导陶瓷1986年超导陶瓷的出现，使超导体的临界温度Tc有了很大提高。出现了高温超导体。超导陶瓷主要有：镧系高温超导陶瓷：以La2CuO3为代表；钇系高温超导陶瓷：以YBa2Cu2Oy为代表；铋系高温超导陶瓷：以Bi-Sr-Cu-O为代表；铊系高温超导陶瓷：以Ta-Ba-Ca-Cu-O为代表；其他氧化物超导陶瓷：以Ba-K-Bi-O系为代表。铜氧链对高温超导起重要作用。功能陶瓷材料超导陶瓷的应用在信息领域：用作高速转换元件、通信元件和连接电路。在生物医学领域：用于核磁共振断层摄像仪、量子干涉仪、粒子线治疗装置等。在交通运输领域：完全抗磁体制造的磁悬浮列车、电磁推进器、飞机航天飞机发射台等。在电子能源领域：用于超导磁体发电、超导输电、超导储能等在宇宙开发、军事领域：潜艇的无螺旋浆无噪声电磁推进器、超导磁泡等。功能陶瓷材料磁性陶瓷什么是铁氧体？铁氧体是铁和其他金属的复合氧化物，

MO-Fe2O3，M代表一价、二价金属。铁氧体属半导体，电阻率在1-1010Ωm。由于电阻率高，涡流损失小，介质耗损低，故广泛用于高频和微波领域。磁性陶瓷主要指铁氧体铁氧体软磁铁氧体硬磁铁氧体功能陶瓷材料软磁铁氧体主要有：尖晶石型的Mn-Zn铁氧体、Ni-Zn铁氧体、Mg-Zn铁氧体、Li-Zn铁氧体和磁铅石型的甚高频铁氧体（Ba3Co2Fe24O41）。软磁铁氧体主要用于无线电电子学和电讯工程等弱点技术中，如各种电感线圈的磁芯、天线磁芯、变压器磁芯、滤波器磁芯以及录音与录像磁头等。软磁铁氧体要求起始磁化率高，磁导率温度系数小，矫顽力小，比损耗因数小。功能陶瓷材料硬磁铁氧体主要有两类：一类是CoFe2O4-Fe2O3；另一类是BaO-xFe2O3。硬磁铁氧体可用作永磁体，用于高频磁场领域。由于Hc值大，可制成片状或粉末状，应用在与橡胶和树脂混合制成的复合磁铁上。软磁铁氧体要求具有较大的矫顽力Hc、较高的剩余磁Br和高的最大磁积能（BH）max。功能陶瓷材料其他铁氧体旋磁铁氧体、微波铁氧体、矩形磁滞回线铁氧体、磁致伸缩元件用铁氧体等。旋磁铁氧体是指在高频磁场中，平面偏振的电磁波在材料中按一定方向传播过程中，偏振面不断绕传播方向旋转的一类铁氧体。主要用作各种微波器件，又称微波铁氧体。电阻率高，可在几万兆赫下应用，高频损耗少，在微波范围内几乎都用这种铁氧体。功能陶瓷材料其他铁氧体旋磁铁氧体、微波铁氧体、矩形磁滞回线铁氧体、磁致伸缩元件用铁氧体等。旋磁铁氧体的种类很多，目前微波领域广泛应用的主要是尖晶石型和石榴石型铁氧体。最常用的尖晶石型铁氧体是镁系和镍系，如Mg-Mn、Mg-Mn-Zn、Mg-Mn-Al、Mg-A1、Ni、Ni-Mg、Ni-Zn、Ni-A1等，还有锂系，如Li、Li-A1、Li-Mg等铁氧体。石榴石型铁氧体中最重要的是钇石榴石铁氧体，简称YIG。功能陶瓷材料其他铁氧体旋磁铁氧体、微波铁氧体、矩形磁滞回线铁氧体、磁致伸缩元件用铁氧体等。利用具有矩形磁滞回线的铁氧体已研制出各式各样的电子计算机、电子交换机、货币记录机的存储元件、逻辑元件、开关元件。现在虽然出现了半导体存储器记忆元件，但铁氧体记忆元件有切掉电源后仍保持记忆的特长，可用于自动控制和远程控制。常温使用的矩磁铁氧体有Mn-Mg、Mn-Cu和Mn-Cd等，在-65～+125℃温度范围内使用的铁氧体有Li-Mn、Li-Ni、Mn-Ni、Li-Cu、Li-Ni-Cu、Li-Mn-Zn等。功能陶瓷材料其他铁氧体旋磁铁氧体、微波铁氧体、矩形磁滞回线铁氧体、磁致伸缩元件用铁氧体等。磁致伸缩元件使用的铁氧体又称压磁铁氧体，利用其磁致伸缩特性把电能转换为机械能或将机械能转换为电能。以含Ni铁氧体为主，如Ni-Zn、Ni-Cu、Ni-Mg、Ni-Co等系统，其中Ni-Zn铁氧体的应用最广。主要应用于100kHz频带的超声清洗器和加工机械，大功率声纳等高能领域，还可制成水声器件、机械滤波器、换能器件和对一些物理量（形变、距离、压力、速度、转矩等）进行测量的设备元件。功能陶瓷材料磁记录材料用于磁记录的铁氧体是将矫顽力约为2.4×104A/m的针状γ-Fe2O3微细粉末与树脂混合，涂敷在塑料胶片和铝板上，利用磁场中涂敷的技术，使它具有各向异性而提高性能。近来，更高的磁能积磁块的微细粉末，甚至记录介质用的磁性微粉也开始用添加Co的γ-Fe2O3和CrO2等。CrO2作为记录介质的优点是饱和磁化强度Is大，针状比优异。CrO2磁带存在磁头磨损大、化学稳定性很差等缺点。在制造CrO2粉末时，如果采用使形状变小和涂敷粒子表面等方法，能使这些缺点得到一定的改善。功能陶瓷材料高矫顽力材料高矫顽力材料是指矫顽力在（105/4π）A/m以上的材料，也称硬磁材料或永磁材料。通常根据磁滞回线的第二象限特性鉴定永磁材料优劣。最初主要用合金磁铁，随着铁氧体的出现，硬磁铁氧体作为烧结磁铁而被广泛采用。直径为8μm的微粒，Hc=9.6×106～2.8×104A/m。因为它的性质不稳定，所以一直没有实际应用。现在开始受到重视，是由于其薄膜状材料具有适合于高密度光存储的性能。最近，研制成具有高晶体各向异性和高饱和磁矩的材料有稀土金属和过渡金属化合物的烧结永磁体。功能陶瓷材料磁泡材料在某些很薄的磁性薄膜中，可以观察到很多蜿蜒曲折的带状磁畴，沿垂直于薄膜的方向外加偏磁场，可使磁化方向和偏磁场方向相同的磁畴变宽，相反的磁畴变窄。偏磁场加强到一定大小时，变窄的反向磁畴会收缩成分立的圆柱形，从圆柱形畴的轴线方向看去，这些圆柱形畴在材料表面犹如浮着的一群圆形气泡，故称为磁泡或泡畴。在磁泡材料上加以控制电路或磁路，就能控制磁泡的产生、传输、相互作用、分裂、检测和消灭，因而能完成信息的存储、记录、逻辑运算和开关等功能，相应地能完成计算机存储器等器件。功能陶瓷材料磁泡材料磁泡材料有钙钛石型正铁氧体（RFeO3，R为Tm、Lu、Yb、Er、Ho、Y、Nd、Sm、Eu等稀土元素）、磁铅石型铁氧体、石榴石型铁氧体和非晶态材料等4类。前两类因性能低劣已被淘汰，石榴石型铁氧体，目前大多采用外延法制成，即从一些非磁性衬底（如Gd3Ga5O12）上外延（通常用液相外延）生长石榴石磁性薄膜（如R3Fe5O12）而成，应用最多的磁泡材料就是此类。功能陶瓷材料光学陶瓷什么是光学陶瓷？能够透光的陶瓷材料。要求：具有优良的耐热性、耐风化性、耐膨胀性；除了能透过可见光外，还能够波长更长或波长更短的光；光损耗低，能在远距离进行光传播；经光的照射，其性质发生可逆或不可逆变化。功能陶瓷材料光学陶瓷的种类透明陶瓷红外光学陶瓷激光陶瓷氧化物透明陶瓷非氧化物透明陶瓷光色陶瓷功能陶瓷材料陶瓷材料怎样才能透明？在各向同性晶体构成的多晶体中，晶界不产生散射，但不存在气孔等缺陷时，是透明的；在各向异性的晶体中，光从一个晶粒向邻近的晶粒入射时，由于双折射现象而产生散射，是不透明的。若要得到透明多晶体，双折射必须很小。制造透明陶瓷的关键：消除气孔和控制晶粒异常长大！功能陶瓷材料消除气孔和控制晶粒异常长大的常用方法：1。掺入微量或少量的添加剂2。调节气氛3。调整原料4。热压功能陶瓷材料氧化物透明陶瓷Al2O3、Gd2O3、CaO、LiAl5O8、MgO、HfO、BeO等非氧化物透明陶瓷GaAs、ZnS、ZnSe、MgF2、CaF2等功能陶瓷材料红外光学陶瓷随着红外技术的发展，出现了很多新型的材料和器件。这些材料包括滤光材料、红外接受材料和红外探测材料。以往这类材料主要采用单晶或玻璃，最近已开始使用多晶陶瓷。这样的陶瓷材料就称为红外光学陶瓷。氧化钇是一种优良的高温红外材料，主要用于红外导弹的窗口和整体罩、天线罩、微波基板、绝缘支架、红外发生器管壳、红外透镜和其他高温窗口。在红外技术中，上述滤光材料只能分出较窄的红外线光谱区。欲得到长波红外线，最好采用其分子本身振动频率处于远红外区的材料，如溴化钾、碘化钾、岩盐、氟化锂、氯化钾和溴化铯等。功能陶瓷材料激光陶瓷激光陶瓷的实质是具有适当的能级结构，通过激励，使粒子从低能级向高能级跃迁。激光晶体通常包括两部分：组成晶格的称为基质晶体，其主要作用是为激活离子提供适当的晶格场；另一部分是发光中心，即少量的掺杂离子。几种典型的激光陶瓷材料：1。红宝石激光晶体2。掺钕的钇铝石榴石晶体。功能陶瓷材料激光陶瓷1。红宝石激光晶体：红宝石激光晶体是以α-A12O3单晶体为基质，以Cr3+为激活剂所组成的晶体激光材料。红宝石是以Cr3+部分地取代α-A12O3晶格中的A13+，而使晶体呈现红色，并随着Cr3+浓度的增加颜色由浅变深。作为激光工件物质的红宝石晶体，Cr3+的质量分数一般在0.05％～0.1％之间。红宝石的基本物化性质类似于α-A12O3，是一种较理想的基质材料。从激光器对工作物质性质和光谱性质的要求来看，红宝石激光晶体是一种较好的材料。功能陶瓷材料激光陶瓷2。掺钕的钇铝石榴石晶体石榴石型结构的激光晶体包括有：掺钕的钇铝石榴石，分子式为Nd3+：Y3Al5O12（Nd3+：YAG）；掺钕的钇镓石榴石，分子式为Nd3+：Y3Ga5O12（Nd3+：YGaG）；掺钕的钆镓石榴石，分子式为Nd3+：Gd3Ga5O12（Nd3+：GdGaG）。其中以Nd3+：YAG的激光晶体性能最好，可用于碘钨灯、氙灯的激发。功能陶瓷材料光色陶瓷物质在光照射时改变颜色，停止照射后又可逆地恢复原状的现象，称为光色现象。目前光色材料主要是单晶和玻璃。光色陶瓷是光色材料的新品种，它们将会有实际应用。在锆钛酸铝陶瓷(PZT)中添加锂锡钼铅复合氧化物(PLSM)的PZT-PLSM固溶系统，当其组成处于某特定范围内时，呈现出明显的感光特性，加热时恢复到原来状态。PLZT透明陶瓷受光照射时也呈现自身改变颜色的现象。功能陶瓷材料生物陶瓷什么是生物陶瓷？用于人体器官替换、修补以及外科矫形的陶瓷材料。要求：具有良好的力学性能，在体内难于溶解，不易氧化，不易腐蚀变质，热稳定性好，耐磨且有一定的润滑性，和人体组织的亲和性好，组成范围宽，易于成形等。功能陶瓷材料生物陶瓷的种类1。生物惰性陶瓷2。生物活性陶瓷该陶瓷的物理、化学性能稳定，在生物体内完全呈惰性状态具有优异的生物相容性，能与骨形成结合面，结合强度高，稳定性好，参与代谢。功能陶瓷材料生物惰性陶瓷1）氧化铝陶瓷：传统的生物陶瓷，稳定性好，纯度高。可制成单晶、多晶或多孔材料。2）氧化锆陶瓷：生物相容性好，稳定性高，具有更高的断裂韧性和更耐磨。3）碳素类陶瓷：与血液相容性、抗血栓性好，与人体组织亲和性好，耐蚀、耐疲劳、量轻。功能陶瓷材料生物活性陶瓷1。磷酸钙陶瓷：具有生物降解性，能被人体吸收。2。生物活性玻璃陶瓷3。Na2O-K2O-MgO-CaO-SiO2-P2O5陶瓷4。BCG人工骨头功能陶瓷材料陶瓷分离膜以压力差、浓度差等作动力，使气体和液体的混合物或无机物、有机物的溶液分离成各种组分的功能膜叫分离膜。陶瓷分离膜发展迅速，与有机膜相比，它具有独特的性能：由于是氧化物，在酸性和弱碱性条件下稳定，并能耐有机试剂及氯气；适用于高温和高压状态，使用温度达400℃甚至800℃，使用压力可达千帕数量级；强度高；抗微生物侵蚀能力强，不污染环境，便于清洗。功能陶瓷材料敏感陶瓷1。热敏电阻陶瓷指某些性能随外界条件（温度、湿度、气氛）的变化而发生改变的陶瓷材料2。压敏电阻陶瓷3。磁敏陶瓷4。气敏陶瓷5。湿敏陶瓷功能陶瓷材料热敏电阻陶瓷电阻随温度发生明显变化的陶瓷材料。正温度系数陶瓷（PCT）负温度系数陶瓷（PCT）临界温度系数陶瓷（PCT）功能陶瓷材料电阻随温度升高而增加的陶瓷材料。正温度系数陶瓷（PCT）钛酸钡陶瓷或以钛酸钡为主晶相的陶瓷应用：1。马达的过热保护、液面深度测量、温度控制和报警、非破坏性保险丝、晶体管过热保护、温度电流控制器等。2。彩色电视机自动消磁、马达启动器、自动开关等；3。等温发热件、空调加热器等功能陶瓷材料电阻随温度升高而减小的陶瓷材料。负温度系数陶瓷（NCT）多为尖晶石型氧化物，有二元和三元等。如：MnO-CuO2-O2;Mn-Co-Ni等。功能陶瓷材料CRT热敏陶瓷氧化钒V4O7、V5O8、V6Oll、V2O3、VO2等陶瓷是最主要的临界负温热敏材料。在较低温度下会发生相变，如V2O3的相变温度为168K，由单斜晶系变为六方晶系；VO2在333K时由金红石转变为畴变金红石。相变时电阻率增加几个数量级。氧化钒的电阻率急变常用于恒温箱控制，VO2在333K的特性相变已广泛用于电路的过热保护和火灾报警。功能陶瓷材料压敏电阻陶瓷电阻值对外加电压敏感的陶瓷材料。电压提高，电阻率下降。压敏陶瓷有SiC、Si、Ge、ZnO等。以ZnO的性能最优。具有高非线形、大电流和高能量承受能力。稀土氧化镨为主要添加剂的ZnO压敏陶瓷。应用：微型马达电噪声、彩色显像管放电吸收、继电器节点保护、汽车发动机异常输出功率吸收、电火花、稳压元件等。功能陶瓷材料磁敏陶瓷将磁性物理量转化成电信号的陶瓷材料。应用：可用来检测磁场、电流、角度、转速、相位等。在汽车工业中：用于无触点汽车点火开关；在计算机工业中：用于霍尔键盘；在家用电器和工业上：用于无刷电机和无触点开关等功能陶瓷材料气敏陶瓷将气体参量转化成电信号的陶瓷材料。它能以物理或化学吸附的方式吸附气体分子。气敏陶瓷有氧化铁系气敏陶瓷、氧化锌系气敏陶瓷、氧化锡系气敏陶瓷等。应用：可燃气体和毒气的检测、检漏、报警、监控等。它的灵敏度高，对被测气体以外的气体不敏感。功能陶瓷材料湿敏陶瓷将湿度信号转化成电信号的陶瓷材料。应用：用于湿度指示、记录、预报、控制和自动化等。MgCr2O4－TiO2陶瓷ZnO－Cr2O3陶瓷Zn－Cr2O3－Fe2O3陶瓷功能陶瓷材料多功能木基陶瓷所谓木基陶瓷，是指以木材或其它木质材料为主要原料，借助物理的、化学的和冶金的方法进行陶瓷化转变，获得的最终产物为碳材料（软碳+硬碳）、碳化物或氧化物陶瓷和陶瓷基复合材料等。由于木基陶瓷的制造技术以可再生资源木材等木质材料为主要原料，在生产、使用及废弃后的处理中，不会产生环境污染，具有良好的环境协调性，所以它首先是理想的环保材料；合适的生产工艺条件，既可使木基陶瓷材料具备较高的强度性能，又可使木基陶瓷材料在热、电、磁和摩擦性能方面具有独特的性能，因而它是