复合材料第12讲.ppt
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1、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(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。,金属基复合材料,非金属基复合材料,功能复合
2、材料,高聚物基复合材料,陶瓷基复合材料,树脂基复合材料,橡胶基复合材料,热固性树脂基复合材料,热塑性树脂基复合材料,基体不同,功能特性,磁功能复合材料,电功能复合材料,光功能复合材料,热功能复合材料,摩擦功能复合材料,阻尼功能复合材料,防弹功能复合材料,辐射功能复合材料,功能复合材料的主要类型,减少电磁波对信息系统的干扰、减弱电磁波对人体健康的损害。,吸收或衰减入射的电磁波,使其因干涉而消失或将其电磁能转换为其他形式的能量。,(1)应用面宽 根据需要可设计与制备出不同功能的复合材料,以满足现代科学技术发展的需求。(2)研制周期短 一种结构材料从研究到应用,一般需要10-15年左石,甚至更长,而
3、功能复合材料的研制周期要短得多。,功能复合材料的特点,(3)附加值高 单位质量的价格与利润远远高于结构复合材料(4)小批量,多品种 功能复合材料很少有大批量,但品种需求多。(5)适于特殊用途 在不少场合,功能复合材料有着其他材料无法比拟的使用特性。,功能复合材料的复合效应,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,可分为两大类:一类复合效应为线性效应;另一类则为非线性效应。在这两类复合效应中,又可以显示出不同的特征。,不同复合效应的类别,下表列出了不同复合效应的类别。,功能复合材料的设计复合材料的最大特点在于它的可设计性。因此,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
4、料的选择途径和工艺结构途径上进行设计。,例如,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。又如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。,另外,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。,磁性复合材料磁性复合材料(Magnetic composite materials)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
5、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,
6、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。,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。,
7、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,如下图所示:,Fe-Si-Al粉末颗粒复合体相对磁导率随驱动频率的变化,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
8、压或模压固化成块状软磁体,则,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。,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。,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。,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。,磁损耗与软磁粉粒度的关系,从图中可看出,粉末尺寸越小
9、,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。,磁性记录与读出记录声音和图像,然后将其读出(再生)的过程,如下图所示。,磁记录再生的原理示意图,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。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。,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啊,也受颗
10、粒的大小和形状的影响。,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。,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。,叠层结构对磁带性能的影,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,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。,记录磁带的结构,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
11、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。,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。,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。,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
12、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。,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。,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
13、的。,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,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。,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。,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
14、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1 100 nm的单畴颗粒。,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。,(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。,(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
15、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。,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。,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。,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。,磁流体的种类根据组成、特性和应用要求,磁性液体可分
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