《功能复合材料》PPT课件
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《功能材料》课件
05
CHAPTER
功能材料的发展趋势与挑战
功能材料的发展趋势
高性能化
随着科技的不断进步，对功能材料的性能要求也越来越高 ，如更高的强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性等。
智能化
随着物联网、人工智能等技术的快速发展，功能材料正朝 着智能化方向发展，如智能传感器、智能驱动器等。
绿色环保
随着环保意识的提高，功能材料的生产和使用过程中需要 更加注重环保和可持续发展，如使用可再生资源、降低能 耗和减少废弃物排放等。
环保领域
01
02
03
04
总结词
功能材料在环保领域中发 挥重要作用，涉及水处理 、空气净化、土壤修复等 方面。
水处理
利用功能材料实现水中污 染物的吸附、分离和降解 ，如活性炭、离子交换树 脂和光催化材料。
空气净化
利用功能材料吸附和分解 空气中的有害物质，如甲 醛和苯等。
土壤修复
利用功能材料实现土壤中 重金属和有机污染物的吸 附和固定，降低污染物的 迁移和生物可利用性。
详细描述
功能材料是一种具有特定性能和应用范围的材料，这些性能和应用范围通常是由材料的 内部结构和物理化学性质决定的。它们可以是具有高导热性、高导电性、高强度、高耐 磨性、高耐腐蚀性等特殊性能的材料，也可以是具有光、电、磁、热、化学等功能的材
料。
功能材料的分类
功能复合材料
功能复合材料制备技术的发展与创新
制备技术改进
新型制备技术
智能化制备
• 通过改进现有制备技术，提高复合
• 开发新型制备技术，实现新型复合
• 发展智能化制备技术，实现复合材
材料的性能
材料的生产
料制备过程的自动化和智能化
• 通过优化制备工艺，降低复合材料
• 通过新型制备技术，提高复合材料
• 通过智能化制备技术，提高复合材
• 开发环保型复合材料的应用领域
功能复合材料产业发展的挑战与机遇
挑战
• 功能复合材料的制备技术较复杂，研发成本较高
• 功能复合材料的市场竞争激烈，需要提高产品附加值
机遇
• 功能复合材料的应用领域不断扩大，市场需求增长
• 国家对新材料产业的支持政策，有利于功能复合材料产业的发展
功能复合材料未来应用前景与展望
的制备成本
的性能和制备效率
料的制备精度和效率
03
功能复合材料的应用领域与案
例分析
功能复合材料在建筑领域的应用
建筑结构
建筑装饰
• 功能复合材料用于建筑结构的加固和修复
• 功能复合材料用于建筑装饰材料的生产
• 功能复合材料用于建筑结构的保温和隔音
• 功能复合材料用于建筑装饰的设计和施工
功能复合材料在航空航天领域的应用
功能复合材料的分类
7第七讲_光功能与复合材料
5
光致变色复合材料
光致变色复合材料是指能在激发下产生变色作用的复合材料，它是 光功能复合材料中比较有特殊性的一类。
原理： 所谓光致变色是指一个单一化学物质A在受到某种波长光的照射时， 结构发生变化，形成B；若用另一种波长光照射或在热的作用下，物 质B又可以可逆地形成物质A。
光色玻璃
用玻璃作基体的光致变色复合材料
光刻胶：由感光性化合物与高分子复合而成的。正性光刻胶在光照 时会发生分解，即是掩模透光的部分。用溶剂溶解后，未分解部分 的图案同掩膜的图案完全一致。负性胶在光照时发生聚合和交联反 应，溶剂处理后留下的部分是掩膜透光的部分，其图案同掩膜图案 正好相反。
7
Baidu Nhomakorabea
8
梯度折射率材料( GRIN)
目前采用的方法 1.把光学玻璃放到熔融的盐池中进行离子交换, 使得调制元素的浓度呈一定的曲线分布
4
将烘干后的样品放入石英管炉中, 进行热处理, 在 300℃以下, 必须保持升温速度为30 ℃ / h 以下以防止 凝胶开裂, 300 ℃ 后, 再以60 ℃ / h 在氧气气氛下( 通 气量为50 mL/ min) , 升温至600 ℃ , 并600 ℃ 保温处 理24 h, 除去凝胶棒中的残余有机溶剂及有机基团, 通 入氮, 升温至1 000 ℃ , 并在1 000 ℃处理8 h, 使得凝胶棒进一步质密化. 降温速度不能太慢, 否则材料将晶化, 影响其光学性能. 最终形成直径约为5 mm, 长50 mm 的GRIN 凝胶玻璃 棒.
功能复合材料-3-压电复合材料
2011-2-16
功能复合材料
12
2011-2-16
功能复合材料
13
3.2.2 1-3型压电功能复合材料 型压电功能复合材料
是指由一维连通的压电相平行地排列于三维 连通的聚合物中而构成的两相压电功能复合材料。 连通的聚合物中而构成的两相压电功能复合材料。 设计该构型的初衷是考虑到聚合物相比陶瓷相柔 软，可以有效传输应力，使应力的放大作用及外 可以有效传输应力， 加整体介电常数减小，从而实现压电系数 加整体介电常数减小，从而实现压电系数gh的增 聚合物的高泊松比产生的内应力减小了应力 加。聚合物的高泊松比产生的内应力减小了应力 放大系数，所以几乎所有1-3型压电功能复合材 放大系数，所以几乎所有 型压电功能复合材 料的压电系数不如所期望的高。 料的压电系数不如所期望的高。
2011-2-16 功能复合材料 17
3.3 压电功能复合材料的研究进展 3.3.1 常规压电功能复合材料的研究进展
目前研究最多的1-3型压电功能复合材料研究进展： 目前研究最多的 型压电功能复合材料研究进展： 型压电功能复合材料研究进展 1. 用X射线深度刻蚀照版法制得 射线深度刻蚀照版法制得PZT棒状，然后制成 型 棒状， 射线深度刻蚀照版法制得 棒状 然后制成1-3型 复合材料，具有很好的压电效应。 复合材料，具有很好的压电效应。 2. 用于宽带声发生器填充 用于宽带声发生器填充PZT的1-3型压电功能复合材料， 的 型压电功能复合材料 型压电功能复合材料， 采用“共振分散设计” 采用“共振分散设计”。 3. 研究了以 研究了以PZT为填充相的 型压电功能复合材料的振动 为填充相的1-3型压电功能复合材料的振动 为填充相的 特性。 特性。
《复合材料概论》课件
航天器结构材料
在卫星、火箭和空间站等航天器中， 复合材料用于制造结构件，如太阳能 电池板、卫星天线和推进器等。
汽车工业领域
汽车车身
复合材料可以减轻车身重量，提高燃油经济性和 降低排放，广泛应用于汽车车身制造。
汽车零部件
复合材料也可用于制造汽车零部件，如发动机罩 、车门和座椅骨架等。
汽车功能材料
复合材料在汽车功能件中也有广泛应用，如电池 外壳、传感器和油箱等。
良好的热性能和化学稳定性
复合材料在高温和恶劣环境下仍能保持较好 的性能。
抗腐蚀性
某些复合材料具有较好的耐腐蚀性能，能够 延长使用寿命。
易于加工和制造
复合材料的加工和制造相对简单，能够快速 成型，降低生产成本。
03
复合材料的制备方法
聚合物基复合材料的制备
聚合物基复合材料的制备方法主要包括
这些方法的选择取决于所需的复合材料 的性能和用途。
建筑结构加固
复合材料也可用于加固建筑结构，提 高结构的承载能力和耐久性。
05
复合材料的发展趋势与挑战
新材料、新技术的发展趋势
01
高性能化
随着科技的不断进步，复合材料的性能要求越来越高，新材料、新技术
不断涌现，如碳纤维复合材料、陶瓷基复合材料等，以满足航空航天、
汽车、体育器材等领域的高性能需求。
02
阻尼功能复合材料PPT课件
7
阻尼功能复合材料
2.用高阻尼增强物 因为纤维的弹性模量通常远大于基体和复合材 料的弹性模量应变能主要集中在纤维上，所以纤维对复合材料 阻尼性能的贡献是主要的，采用石墨颗粒作为高阻尼增强物的 作用，是与铸铁中石墨片变形洗手振动能量的作用一样，把片 状石墨加到Al或其他金属基体形成的金属基复合材料中可大大 提高阻尼性能。例如用SiC颗粒和石墨颗粒混杂的方法可以制 备刚度和阻尼俱佳的复合材料。此类混杂复合材料的阻尼由石 墨颗粒贡献，刚度主要由SiC颗粒贡献。
复合材料具有单一材料所没有的综合特性，如高比强度， 高比刚度等。在工程应用中若要获得优良阻尼效果，材料 阻尼层不但要有高损耗因子，还要有高弹性模量。模量越 大，阻尼效果越好。然而随着材料阻尼的增加，其刚度总 会下降。所以要求高刚度，高阻尼的综合性能，复合材料 是最佳选择。阻尼功能复合材料主要有聚合物基和金属基 阻尼复合材料。
9
阻尼功能复合材料
8.2.2聚合物基阻尼功能复合材料的阻尼性能
10
阻尼功能复合材料
图8-1（a）示出两种聚合物基复合材料，即尼龙 纤维增强氯丁橡胶(CR)和聚酯纤维（PET）增强 氯丁橡胶复合材料内耗（tanδ）与温度的关系， 图8-1（b）示出原材料的tanδ与温度的关系。 复合材料的阻尼行动为（内耗）系由基体的贡献 和相间界面的贡献构成。一般情况下增强体贡献 很小，可以忽略。
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阻尼功能复合材料
2.用高阻尼增强物 因为纤维的弹性模量通常远大于基体和复合材 料的弹性模量应变能主要集中在纤维上，所以纤维对复合材料 阻尼性能的贡献是主要的，采用石墨颗粒作为高阻尼增强物的 作用，是与铸铁中石墨片变形洗手振动能量的作用一样，把片 状石墨加到Al或其他金属基体形成的金属基复合材料中可大大 提高阻尼性能。例如用SiC颗粒和石墨颗粒混杂的方法可以制 备刚度和阻尼俱佳的复合材料。此类混杂复合材料的阻尼由石 墨颗粒贡献，刚度主要由SiC颗粒贡献。
复合材料具有单一材料所没有的综合特性，如高比强度， 高比刚度等。在工程应用中若要获得优良阻尼效果，材料 阻尼层不但要有高损耗因子，还要有高弹性模量。模量越 大，阻尼效果越好。然而随着材料阻尼的增加，其刚度总 会下降。所以要求高刚度，高阻尼的综合性能，复合材料 是最佳选择。阻尼功能复合材料主要有聚合物基和金属基 阻尼复合材料。
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阻尼功能复合材料
8.2.2聚合物基阻尼功能复合材料的阻尼性能
10
阻尼功能复合材料
图8-1（a）示出两种聚合物基复合材料，即尼龙 纤维增强氯丁橡胶(CR)和聚酯纤维（PET）增强 氯丁橡胶复合材料内耗（tanδ）与温度的关系， 图8-1（b）示出原材料的tanδ与温度的关系。 复合材料的阻尼行动为（内耗）系由基体的贡献 和相间界面的贡献构成。一般情况下增强体贡献 很小，可以忽略。
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功能复合材料
复合材料设计的目的: 提高材料的综合性能,也就是材料的优值。 材料的优值：复合材料有很多途径以达到高优值，即按照要求调整其特有 的参数，经设计来满足材料有关的物理张量组元。
2 功能复合材料的设计特点
1）具有提高材料优值的广泛途径和自由度
调整复合度 调整联接方式 复合度是参与复合各组分的体积（或质量）分数。 复合材料中各组分在三维空间中互相连接的形式可任意调整。
5.磁性复合材料
磁性材料应用的问题： 一般无机磁性材料，形状复杂、精度要求高的物 件制造难度很大，而且陶瓷磁性材料性脆，容易断 裂。如果以无机磁性材料的粉末或纤维与聚合物复 合，则很容易加工成形复杂的磁性物件，不仅具有 韧性，甚至呈橡胶弹性状态。 • 聚合物基磁性复合材料 无机磁性功能体：氧化铁、金镍钴合金、 新型稀土永磁材料 聚合物基体：橡胶类、热固性树脂类、热 塑性树脂类
• 聚合物导电复合材料的制备方法
共混法 机械共混法 溶液共混法 共沉淀法 （比较少）
共混法制备的复合材料，导电稳定性主要取决于复合材料中“渗流途径”的变化， 而渗流途径的变化则和基体聚合物的热稳定性有关 化学法
聚合物单体和导电粒子混合后聚合成型，如聚烯烃/炭黑
非导电聚合物基体上吸附可形成导电聚合物的单体，并且使之在基体上聚合， 从而获得导电复合材料。 两种聚合物单体在乳胶中进行氧化聚合后生成导电复合材料，如聚苯胺/聚吡 咯 电化学法 首先利用“浸渍-蒸发法”在金属电极上涂敷一薄层塑料，然后将这一电极作 为工作电极放到含有单体的电解质溶液中。由于电解质溶液对基体聚合物的溶胀 作用，从而单体有机会扩散到金属电极表面放电。结果从基体聚合物内部开始导 电聚合物不断聚合，形成导电复合材料。
名师推荐第六章 功能复合材料
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。
53
从图中可看 磁
出，粉末尺寸越 损 小，损耗越低。 耗
因此，可以 通过调整磁性粉 末颗粒的尺寸来 调节损耗ＰL值。
PL/kW.m-3
磁粉粒度/ um
磁损耗与软磁粉粒度的关系
54
2.1.3 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。
Co- -Fe2O3 (1400~1800)*10-4
金属Fe
(2300~2900)*10-4
(15.92~31.83)*103 (47.75~71.62)*103 (111.41~127.33)*103
Co-Ni 合金 (11000~12000)*10-4 (55.71~59.69)*103
表中的排列是按发展的顺序排列的。
32
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。
33
2.1 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。
34
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。
第六章 功能复合材料
1
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
53
从图中可看 磁
出，粉末尺寸越 损 小，损耗越低。 耗
因此，可以 通过调整磁性粉 末颗粒的尺寸来 调节损耗ＰL值。
PL/kW.m-3
磁粉粒度/ um
磁损耗与软磁粉粒度的关系
54
2.1.3 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。
Co- -Fe2O3 (1400~1800)*10-4
金属Fe
(2300~2900)*10-4
(15.92~31.83)*103 (47.75~71.62)*103 (111.41~127.33)*103
Co-Ni 合金 (11000~12000)*10-4 (55.71~59.69)*103
表中的排列是按发展的顺序排列的。
32
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。
33
2.1 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。
34
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。
第六章 功能复合材料
1
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
第1章 功能材料绪论
1.2 功能复合材料的分类
功能特征 磁功能复合材料 导电复合材料
光功能复合材料 热功能复合材料 摩擦复合材料 阻尼复合材料 防弹复合材料 抗辐射复合材料
主要类型
屏蔽复合材料 吸波复合材料 透波复合材料
聚合物基导电复合材料 无机非金属基导电复合材料 金属基导电复合材料 超导复合材料
透光复合材料 发光复合材料 光致变色复合材料 光记录复合材料
烧蚀防热复合材料 热适应复合材料 阻燃复合材料
摩阻复合材料 减摩复合材料
热损耗阻尼复合材料 磁损耗阻尼复合材料 电损耗阻尼复合材料
软质防弹装甲 复合材料层合板防弹装甲 陶瓷/复合材料防弹装甲
防紫外线复合材料 防X或γ射线复合材料 防中子复合材料 防核辐射复合材料
用途
柔韧磁体、磁记录 隐身材料 雷达罩、天线罩
屏蔽 高压绝缘、建筑物绝缘 高强、耐热导电材料 医用核磁成像技术
农用温室顶板 荧光显示板 变色眼镜 光学存储器
固体火箭发动机喷管 半导体支撑板 车、船、飞行器等内装饰材料
汽车刹车片 轴承
洗衣机外壳、网球拍 桥梁减振 智能声控
防弹衣 防弹头盔 航空复合装甲
遮阳伞 X射线摄影纱、γ射线防护服 中子辐射防护服 核废料容器
1.3 功能复合材料的设计
主要设计原则
1）首先考虑关键性能 2）兼顾其他性能 3）选择性能分散性小的原材料（如功能体、基体等） 4）采取的成型工艺尽可能简单、方便 5）经济性合理
功能复合材料
功能复合材料
磁性复合材料
聚合物基磁性复合材料
磁性复合材料的应用
永磁性复合材料 •用于各种门的密封条和搭扣磁块，如橡胶基磁性复合材料。 •各种磁性玩具等生活用品和永磁电动机、微波铁氧体器件、磁性
开关、磁浮轴承和电真空器件等高技术用途。 •用于信息记录的磁记录材料（磁带、软磁盘等）要求较高的剩磁 和矫顽力，同时满足记录密度高、噪声低及有高强度、柔韧性和 表面光滑的要求，必须采用聚合物基永磁性复合材料。 软磁性复合材料 •聚合物基复合材料容易压延成强度好的薄片，同时基体是电绝缘 材料，包裹磁性颗粒后大大提高电阻率，电涡流损耗显著降低。 用于高频器件的磁芯及中小型变压器的铁芯。
仿生功能复合材料
应用
复合材料的结构仿生 对人骨的微结构和微观力学性能及天然象牙的各向异性特点进
功能复合材料
隐身复合材料
结构型隐身复合材料
由于涂料型隐身材料存在重量、厚度、粘接力等问题，在使
用范围上受到了一定限制；因此兼具隐身和承载双重功能的结构 型隐身材料应运而生。 电磁波在材料中传播的衰减特性是复合材料吸波的关键。实 际上振幅不同的波来往传播，包括折射和散射。最后使射入复合 材料的电磁波能得到衰减，达到吸收的目的。
功能复合材料
功能复合材料
功能复合材料简介 典型的功能复合材料 功能复合材料的应用 功能复合材料的未来发展趋势
功能复合材料
功能复合材料
功能复合材料的复合效应
复合材料按使用目的可分为结构复合材料和功能复合材料。 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， 可分为线性效应和非线性效应。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 复 合 效 应
线性效应
平均效应 平行效应 相补效应 相抵效应
Pc Pi
对于增强体（如纤维）与基体界面结合很弱的复合材料，
所显示的复合效应，可以看作是平行效应。 玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的耐腐蚀性能与环氧树脂 的耐腐蚀性能基本相同。
复合材料的复合效应
相补效应
相补效应
组成复合材料的组元材料性能能相互补充，弥补各自的弱 点，使复合材料具有优异的性能，则显示出相补效应。
在要求导电而不导热的场合，可以通过选择组分和复合状态，在保留
导电组分导电性的同时，抑制其导热性而获得特殊功能的复合材料。 利用共振效应，可以根据外来的工作频率，改变复合材料固有频率而 避免材料在工作时引起的破坏。 对于吸波材料，同样可以根据外来波长的频率特征，调整复合频率， 达到吸收外来波的目的。
功能复合材料
磁性复合材料
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。 磁性材料有软磁和硬磁之分，也有相应的软磁和硬磁复合材料。 磁性复合材料的组合：①无机磁性材料（金属和陶瓷）与聚 合物基体；②无机磁性材料与低熔性金属基体；③有机聚合物 磁性材料与聚合物基体；④无机磁性材料与载液构成的液态复 合材料-磁流变体。无机磁体-聚合物基复合材料应用较多。 无机磁性材料，特别是陶瓷磁体需要烧结成型，形状复杂、精 度要求高的物件制造难度大，而且性脆、容易断裂。以无机磁性 材料的粉末或纤维与聚合物复合，容易加工成形状复杂的物件， 不仅具有韧性，甚至呈橡胶弹性状态。
第六章 功能复合材料
Electric dipoles in domains; (1) unpoled ferroelectric ceramic, (2) during and (3) after poling (piezoelectric ceramic).
压电陶瓷的应用范围
能量转换
• 压电陶瓷可以将机械能转换为电能,故可用 于制造压电打火机,压电点火机,移动X光机 电源,炮弹引爆装置等. • 用压电陶瓷也可以把电能转换为超声振动, 用于探寻水下鱼群,对金属进行无损探伤,以 及超声清洗,超声医疗等.
功能复合材料的主要类型
功能特征 磁功能 复合材料 主要类型 屏蔽复合材料 吸波复合材料 透波复合材料 聚合物基导电复合材料 本征导电聚合物材料 压电复合材料 陶瓷基导电复合材料 水泥基导电复合材料 金属基导电复合材料 导电纳米复合材料 超导复合材料 减少电磁波对信息 用途 系统的干扰、减弱 吸收或衰减入射的 柔韧磁体、磁记录 电磁波对人体健康 电磁波，使其因干 隐身材料 的损害。 涉而消失或将其电 雷达罩、天线罩 磁能转换为其他形 屏蔽 式的能量。 防静电、开关 压电传感器 高压绝缘 建筑物绝缘 高强、耐热导电材料 锂电池 医用核磁成像技术
1-3型水泥基压电复合材料
• 1-3型水泥基压电复合材料是由一维的压电 陶瓷柱平行地排列于三维连通的水泥基体 中而构成的两相压电复合材料。这种复合 材料集中了各相材料的优点,互补了单相的 缺点,具有低声阻抗、高机电耦合系数和低 机械品质因数等优点,更重要的是通过调节 压电陶瓷柱的体积分数及形状参数便可使 复合材料的声阻抗与混凝土材料的声阻抗 相匹配,从而有效地解决智能材料在土木工 程中的相容性问题。
功能复合材料
聚合物基磁性复合材料
无机磁粉功能体
磁粉的发展
早期的磁粉为氧化铁和AlNiCo合金，后来发展了Sm-Co系磁铁， 近年开发了新型稀土永磁材料系类，包括稀土金属间化合物、 Th2Mn12型稀土材料和各相异性NdFeB，Sm2Fe17N3材料以及纳米 晶交换耦合材料等各种永磁材料。 • 铁氧体磁粉以BaO· 2O3或SrO· 2O3为主要成分，其本身的 6Fe 6Fe 磁性能差，复合永磁材料的最大磁能积低，但价格便宜、易于 成型、稳定性好，仍占复合磁体的90%左右。 • SmCo类磁粉是第一代稀土复合永磁材料，磁性能比铁氧体复 合永磁高得多，但SmCo5类磁粉的最大缺点是热稳定性差，长 期使用温度在60℃以下，价格约为铁氧体类磁粉的30~60倍， 除尖端、精密设备外，很难在普通应用中推广使用。
功能复合材料
磁性复合材料
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。 磁性材料有软磁和硬磁之分，也有相应的软磁和硬磁复合材料。 磁性复合材料的组合：①无机磁性材料（金属和陶瓷）与聚 合物基体；②无机磁性材料与低熔性金属基体；③有机聚合物 磁性材料与聚合物基体；④无机磁性材料与载液构成的液态复 合材料-磁流变体。无机磁体-聚合物基复合材料应用较多。 无机磁性材料，特别是陶瓷磁体需要烧结成型，形状复杂、精 度要求高的物件制造难度大，而且性脆、容易断裂。以无机磁性 材料的粉末或纤维与聚合物复合，容易加工成形状复杂的物件， 不仅具有韧性，甚至呈橡胶弹性状态。
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