功能复合材料-2-磁性复合材料.ppt
2023/9/24,功能复合材料,1,磁性复合材料(Magnetic composite materials)是以高聚物或软金属为基体与磁性功能体复合而成的一类材料。,2.1 概述,2.磁性复合材料,1.无机磁性材料与聚合物基体构成的复合材料。2.无机磁性材料与低熔点金属基体构成的复合材料。3.有机聚合物磁性材料与聚合物基体构成的固态复合材料。4.以无机磁性材料与载液构成的液态复合材料-磁流变体。,2023/9/24,功能复合材料,2,2.2 聚合物基磁性复合材料,聚合物基磁性复合材料主要由强磁粉（功能体）、聚合物基体（黏结剂）和加工助剂三大部分组成。,2.2.1 无机磁粉功能体,磁粉性能的优劣与其组成、颗粒大小、粒度分布以及制造工艺有关。,2023/9/24,功能复合材料,3,1.铁氧体磁粉 BaO Fe2O3或SrO Fe2O32.SmCo5类磁粉 第一代稀土复合永磁材料3.Sm2Co17类磁粉 第二代稀土复合永磁材料4.NdFeB 第三代稀土复合永磁材料,磁粉颗粒大小是影响磁性复合材料性能的重要因素。,铁氧体和SmCo5类粉体的矫顽力是由磁体内部的晶粒形核机制所控制，因此，当磁粉颗粒尺寸大小接近或等于单畴尺寸大小时，其矫顽力明显提高，抗外界干扰能力明显增大。,Sm2Co17和熔融-淬火法生产的微晶NdFeB磁粉的矫顽力是由晶粒内部畴壁钉扎所决定，其矫顽力不受颗粒大小影响，其颗粒大小主要由填充密度和制造工艺等因素决定。,磁粉粒度分布也对磁性复合材料性能有影响。,2023/9/24,功能复合材料,4,2023/9/24,功能复合材料,5,2023/9/24,功能复合材料,6,2.2.2 聚合物基体,分为橡胶类、热固性树脂类和热塑性树脂类三种。,2.2.3 加工助剂,为了改善复合体系的流动性，常加入各种助剂以提高磁功能体沿易磁化轴的方向取向和提高磁粉含量，常使用一些硬脂酸盐润滑剂、偶联剂及增塑剂等。其中硅烷偶联剂同时对提高磁功能体的抗氧化能力起到一定作用。,2023/9/24,功能复合材料,7,2.2.4 聚合物基磁性复合材料的制备工艺,常采用模压、注塑、挤压等工艺技术。,NdFeB/环氧树脂复合材料的性能与成型压力的关系,2023/9/24,功能复合材料,8,2.3 磁性复合材料的性能、分类及应用,2.3.1 磁性复合材料性能与填充磁体含量的关系,对低填充量的颗粒状磁性功能体填充的复合材料：,r(V)=1+A Vr 相对磁导率；A 依赖于磁性材料性能、形状和填充量的系数；V 磁性材料填充的体积分数。,2023/9/24,功能复合材料,9,随着填充比例的增加，磁导率明显偏离线性。,r(V)=1+B V 2B，磁感应强度。,对于填充两种或两种以上不同尺寸磁粉及不同尺寸分布和形状的混杂磁性复合材料，如果其粒子形态相似而磁性能不同，则r 与各磁性材料体积分数V i 的关系可表示为：,r(V1，V2)=1+B1V2 2+B2V2 2,2023/9/24,功能复合材料,10,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。,2.3.2 磁性复合材料的分类,2.3.3 磁性复合材料的应用,2023/9/24,功能复合材料,11,2.4 永磁复合材料,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。,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。,2023/9/24,功能复合材料,12,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。,2023/9/24,功能复合材料,13,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。,2023/9/24,功能复合材料,14,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。,2023/9/24,功能复合材料,15,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：,2023/9/24,功能复合材料,16,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。,2023/9/24,功能复合材料,17,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。,2023/9/24,功能复合材料,18,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。,2023/9/24,功能复合材料,19,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。,2023/9/24,功能复合材料,20,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。,2.5 软磁复合材料,2023/9/24,功能复合材料,21,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：,2023/9/24,功能复合材料,22,Fe-Si-Al粉末颗粒复合体相对磁导率随驱动频率的变化,2023/9/24,功能复合材料,23,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，则,2023/9/24,功能复合材料,24,从图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。,2023/9/24,功能复合材料,25,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。,2023/9/24,功能复合材料,26,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。,2023/9/24,功能复合材料,27,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。,2023/9/24,功能复合材料,28,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L值。,2023/9/24,功能复合材料,29,记录声音和图像，然后将其读出(再生)的过程，如下图所示：,2.6 磁性记录与读出,2.6.1 磁性记录材料的工作原理,2023/9/24,功能复合材料,30,磁记录再生的原理示意图,2023/9/24,功能复合材料,31,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。,2023/9/24,功能复合材料,32,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。,2023/9/24,功能复合材料,33,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。,2.6.2 磁性记录介质的性能,2023/9/24,功能复合材料,34,下表列出了目前使用的磁记录介质材料的磁特性。,各种磁性粉末的特性,表中的排列是按发展的顺序排列的。,2023/9/24,功能复合材料,35,从表中可看出，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。,2023/9/24,功能复合材料,36,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。,2.6.3 叠层结构对磁带性能的影响,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。,2023/9/24,功能复合材料,37,记录磁带的结构,2023/9/24,功能复合材料,38,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。,2023/9/24,功能复合材料,39,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。,2023/9/24,功能复合材料,40,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。,2023/9/24,功能复合材料,41,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。,2023/9/24,功能复合材料,42,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。,2023/9/24,功能复合材料,43,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。,2023/9/24,功能复合材料,44,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,2023/9/24,功能复合材料,45,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。,2023/9/24,功能复合材料,46,2.7 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。,2023/9/24,功能复合材料,47,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。,2023/9/24,功能复合材料,48,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。,2023/9/24,功能复合材料,49,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1 100 nm的单畴颗粒。,2023/9/24,功能复合材料,50,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。,2023/9/24,功能复合材料,51,(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。,2023/9/24,功能复合材料,52,(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。,2023/9/24,功能复合材料,53,(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。,2023/9/24,功能复合材料,54,(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。,2023/9/24,功能复合材料,55,(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。,2023/9/24,功能复合材料,56,(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。,2023/9/24,功能复合材料,57,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。,2023/9/24,功能复合材料,58,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。,2023/9/24,功能复合材料,59,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510。,2023/9/24,功能复合材料,60,2.7.1 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,2023/9/24,功能复合材料,61,(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。,2023/9/24,功能复合材料,62,(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。,2023/9/24,功能复合材料,63,(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。,2023/9/24,功能复合材料,64,2.7.2 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:,2023/9/24,功能复合材料,65,(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。,2023/9/24,功能复合材料,66,(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。,2023/9/24,功能复合材料,67,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。,2023/9/24,功能复合材料,68,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。,2023/9/24,功能复合材料,69,2.8 磁性复合材料的老化机理及防护,磁性复合材料（特别是NdFeB）易氧化腐蚀的问题仍然是当前稀土磁性复合材料的主要问题。,SmCo5复合永磁磁性能劣化的外界原因：,1.吸附在磁粉表面的氧和湿气在成型中很难全部除去，它与磁粉表面反应导致氧化腐蚀，使性能劣化；2.成型时有大量的含氧杂质裹入复合材料，导致磁粉的氧化；3.用含强氧化剂的树脂体系为基体材料时，加速了磁粉的氧化和性能劣化。,2023/9/24,功能复合材料,70,NdFeB复合永磁材料性能的劣化机理:,由于NdFeB中各相存在电位差异，磁体表面发生电化学反应，其腐蚀顺序为：,富B相 富Nd相 Nd2Fe14B相,研究表明，磁体表面吸附的氧和湿气是使磁体性能劣化的原因。,2023/9/24,功能复合材料,71,基体体系中的强氧化物质对NdFeB 复合材料磁性能的影响如下图所示：,不饱和聚酯树脂中的过氧化物对功能体的氧化导致复合材料磁性能的下降看来是主要原因。,2023/9/24,功能复合材料,72,对NdFeB复合永磁材料的氧化防护常采用两种方法：,1.对磁体表面进行抗氧化腐蚀涂层；2.对NdFeB合金本身组成进行改性。,其中涂层法为主要途径，其主要原理是在磁体表面形成一层致密保护膜，使内部磁体与外界环境隔绝，从而达到抗氧化腐蚀的作用。涂层方法主要有：磷化物处理、有机硅以及钛酸酯类偶联剂处理。,2023/9/24,功能复合材料,73,
