聚合物基磁性功能复合材料研究进展

到 93. 6GPa和 195M Pa [7 ] 。针对 Terfenol2D 生产加 材料还不可能在磁性 、导电性 、机械性能 、防腐蚀性
工困难 的缺 点 , L. Ruiz de Angulo 等 [ 8 ] 先 将 Tb0. 27 Dy0. 73 Fe1. 93在氮气氛围下粉碎筛选 ,然后与环氧树
Nd2 Fe14B 和 CoSm 合金
以 FeTbDy为基体的合金
薄膜用的 CoFe /Cu 或 Fe /Cr
Gd5 ( Si2 Ge2 )
铁磁体纳米粒 子 FePt或 FeCo
性 能
高渗透性
高矫磁性
高磁致伸缩性
高磁电阻性
高磁致热性
高密度
对于磁性复合材料的磁滞现象 ,一般认为是由 于复合材料中的微结构和磁性自由能结构造成的 。 这种解释大都用于较明显的磁滞现象 ,并不一定适 合聚合物基磁性复合材料 。处理后的炭黑和碳纳米 管与聚丙烯物理共混 ,注射成型的试样在磁场条件 下显示了与常用磁性材料 Terfenol2D 不同的效果 。 磁场作用下碳黑聚丙烯复合材料在平行磁场和垂直 磁场两个方向都出现了明显的磁致伸缩应变 。平行 于磁场 强度 方向 的最 大应 变达 到 6. 0 ×10 - 5 ( 60 ppm ) ,而垂直于磁场方向的最大应变约为 310 × 10 - 5 (30 ppm ) ,前者约为后者的 2 倍 。 H 为 3. 9 × 105 kA /m ,并作用 20m in时 ,平行方向的 λ最大达到 1115 ×10 - 4 ( 115ppm ) 左右 [ 9 ] 。碳纳米管聚丙烯复 合材料也具有类似的磁性特征 。定磁场强度下 λ随 时间的延长而线性增加 ;定时间条件下 λ随磁场强 度增加而增加 。磁场作用过程中无论 H 增大还是 减小 ,无论碳黑或碳纳米管聚丙烯复合材料的 λ都 随时间的延长而处于持续增大的状态 。这表明复合 材料的 λ不仅与 H大小有关 ,还与磁场作用时间有 关 。尤其是碳纳米管聚丙烯复合材料在磁场强度为 800kA /m 时 ,λ达到了 1163ppm ,这几乎与目前 Ter2
向同性 。弹性体内部较弱的三维交联结构使复合材 料在大尺寸变形的激励装置的应用上表现出非凡的 潜力 。早在 1995 年 , Shiga 等 [ 10 ] 采用硅胶为基体 , 铁粉为磁性填充材料对磁性弹性体复合材料进行了 研究 ,发现在 70℃、27kA /m 的电磁场中硅胶和铁粉 颗粒共混固化 5h, 磁场强度可从 20kA /m 提高到 100kA /m ,剪切储能模量和损耗模量随磁场强度或 线性增加 。正是由于这一发现 ,磁性弹性体新的成 型方法和应用领域得到了广泛关注 。大量的实验研 究表明 ,动态剪切模量与外部的磁场强度有关 ,而且 金属粉末的体积含量增加 1%可使剪切模量增加 100% ,外部的电场强度为 2kVmm - 1 [ 11 ] 。近 些年 , 科研工作者对弹性体磁性复合材料的性能及潜在应 用进行了大量的工作 ,例如机器人的人造肌肉采用 磁性弹性体复合材料 。
M itsum ata等 [ 12 ] 研 究 了 磁 性 弹 性 体 的 压 缩 性 能 ,将铁氧体颗粒与聚乙烯醇共混 ,为了使可磁化粒 子的磁性距达到饱和 ,实验过程中磁场强度为 10 kO e。实验发现磁性弹性体的轴向模量较未磁化 的弹性体有少许提高 ,磁化方向对磁性复合材料的 压缩模量影响不大 。 Farshad等 [ 13 ]在最新的研究中 发现 ,铁粉填充硅胶复合材料试样较硅胶在模量和 强度上有显著的提高 。应变为 30%时 ,模压成型的 硅胶名 义应 力为 13. 8kPa, 而 铁 粉 填 充 的 硅 胶 为 7512kPa。磁性硅胶在 0. 32T和 0. 44T磁场条件下 压缩时 ,压缩应力分别达到了 114kPa和 148kPa,比 无磁场条件下分别提高 52%和 97% ; 同时应变为 30%时 ,纯硅胶压缩切线模量为 60kPa,而铁粉填充 硅胶为 427kPa,磁场为 0. 23T和 0. 44T时 ,压缩切 线模量分别为 616kPa 和 861kPa,比无磁场下提高 了 44%和 100%。这个发现为柔软的磁性弹性体的 应用提供了更多的契机 。可变刚度材料 、大应变的 激励器及电磁感应的阻尼元器件等均可采用这种聚 合物基磁性复合材料 。 213 聚合物基磁性复合材料的理论研究
收稿日期 : 2005212229 作者简介 : 袁华 (19652) , 女 , 博士 。
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基磁性复合材料进行了大量的研究 ,以用于制造低 成本的可扭转传感器 。磁性复合材料可用于分散相 智能结构 ,该种结构具有多维协同定位激励和传感 潜力 [ 3 ] 。
图 1 磁性复合材料能量转换示意 Fig. 1 Schematic rep resentation of M agnetostrictive behaviour
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近期 ,纳米晶体磁性填充材料的利用更是为先进的 磁性设备 (能量转换装置 、大型或微型发电机和传
用 。 S. M. Na等利用 WC粉末改善了 Fe2Co磁性复 感元器件等 )的发展创造了机会 。综合性能是评估
合材料的力学性能 ,杨氏模量和压缩强度分别提高 新型磁性纳米材料的唯一标准 。目前任何磁性纳米
Te rfeno l2D 磁性复合材料生产加工困难 。
比传统的浇铸成型方法 ,这种模压成型的方法简单
2 国内外研究进展
且较好地控制试样的密度 ,甚至获得的磁力因素也
211 Terfenol2D 替代品的研究
更加出色 。复合材料磁力因素的测量过程中发现 ,
Terfenol2D 高昂的价格限制了其在磁性复合材 首先须有一个初始磁场强度才能使复合材料产生磁
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聚合物基磁性功能复合材料研究进展
袁 华 1 , 陈卢松 2
(1. 同济大学材料科学与工程学院 , 上海 200092; 2. 同济大学航空航天与力学学院 , 上海 200092) 摘要 : 磁性功能复合材料是现今功能复合材料的一个前沿领域 ,尤其聚合物基磁性复合材料具有质轻及可设计性强等优 点 ,在功能复合材料领域发展迅猛 。本文综述了近几年聚合物基磁性功能复合材料的发展方向和研究结果 。 关键词 : 功能复合材料 ; 聚合物基磁性复合材料 ; 研究进展 中图分类号 : TB332; TB34 文献标识码 : A 文章编号 : 1003 - 0999 (2006) 06 - 0038 - 04
fenol2D 磁性复合材料的 λ相当 。聚合物基磁性复 合材料表现出与传统的无机磁致伸缩材料 TbxD y1 - x Fe2 - y明显的不同 : ①定磁场下一段时间内聚合物基 磁性复合材料的磁致伸缩量 λ达到最大值 (饱和 值 ) ; ②磁场下复合材料的磁致伸缩量 λ达到饱和 值后 ,关掉磁场 ,磁致伸缩并不是在短时间内消失 , 而是在几个小时内逐渐降低到 0,有明显的滞后效 应 。由此可初步推断 ,炭黑聚丙烯复合材料中所出 现的磁致伸缩性能可能是由于其中的活化炭黑微粒 子引起的 ,而活化炭黑和碳纳米管产生磁致伸缩性 能机理则还在进一步的探讨分析中 。 212 磁性弹性体的研究
随着科技的高速发展与各学科间的交叉渗透 , 单一性能的材料已很难满足各种高要求的综合指 标 ,功能复合材料的研究已成为材料科学与工程领 域的研究热点 。聚合物基功能复合材料作为新材料 的一种 ,是把各种功能介质与高分子材料等组合起 来的一种多相材料 ,设计自由度大 ,不仅可以通过介 质选择调整材料的功能性 ,还可以改变各功能介质 的含量比例以满足所需的性能要求 ,同时还具有轻 质高强等综合性能 ,因而近年来发展迅猛 。具有磁 性的聚合物基复合材料可望在高尖端科技领域 ,如 航空航天 、微电子 、空间技术等部门有重要的应用而 开始受到研究者的重视 。本文对聚合物基磁性复合 材料的磁性添加颗粒 ,成型方法以及最终的性能和 相关理论进行了综述 。
聚合物基磁性复合材料的磁性添加物通常为 Terfenol2D。这种物质的化学分子式通常为 TbxDy1 - x Fe1 - y [ 4 ] ,或者是与聚合物结合的 TbxDy1 - x Fe1 - y [ 5, 6 ] 。 Te rfeno l2D 磁性复合材料常被认为是一种大尺寸的磁 性颗粒复合材料或 GMPCs。复合材料中 Terfenol2D 的利用明显扩大了大尺寸磁性复合材料的应用范围 和潜在市场 。最近在国外 ,聚合物基大尺寸磁性复合 材料已成功用于水下声波装置的变频器。然而 , Ter2 feno l2D 作为分散相的磁性复合材料也存在着不少问 题 : ①就相对大型磁性材料而言 ,聚合物基磁性复合 材料的能量密度、输出功和应变都比较小 ; ②添加 Terfenol2D较一般的磁性材料在性能上有优势 ,但价
D 质量含量达到 97Baidu Nhomakorabea5%时 , k33达到最大值 0. 33 ± 0102;其次 ,在磁场作用下复合材料的特征频率反 常 。通过这种方法可检验聚合物基磁性复合材料的
粉末 ,则可进一步提高磁致伸缩 λ,但却会明显降低 特征频率的反常是共性还是特殊基体才有的特性 。
Fe36 Co62 Ge2 力学性能 ,压缩强度约下降到 40M Pa, 而 Terfenol2D 则 大于 100M Pa, 因 而限 制了 实际 应
作为聚合物基磁性复合材料的一种 ,磁性弹性 体有两种方式获得磁性功能 : ①化学合成的方式原 位接入磁性或可磁化功能颗粒 ; ②采用机械共混的 方式添加磁性或可磁化材料 。对于后者 ,研究者在 弹性体交联过程中包埋金属粉末材料 ,成型方法也 与一般的聚合物基磁性复合材料的不同 。金属颗粒 加入弹性体基体并成型时 ,由于外部磁场作用 ,复合 材料在具有磁性的同时力学性能表现出各向异性 。 磁场作用下金属颗粒排列破坏了弹性体交联后的各
1 聚合物基磁性复合材料
磁性复合材料一般由粉末磁性材料填充形成 , 体积含量为 2 ～98% ,而基体可以为金属 、玻璃 、聚 合物等 。磁性复合材料可将磁能转化为机械能 ,也 可将机械能转化为磁能 (见图 1[ 1 ] ) ,因此可用做激 励器和传感器的变频元件 。
早在 1983 年 , C lack 和 B elson[ 2 ] 就开始对几种 聚合物基磁性复合材料进行了研究 。其中 ,体积含 量为 50%的 TbFe2 2EPON 2815环氧树脂基复合材料 在室温下表现出 1777ppm 磁致伸缩 。不同于相应 的压电或铁电复合材料 ,此种聚合物基磁性复合材 料由于产生磁性的机理特殊 ,易于非接触性传感器 的应用 。聚合物基磁性复合材料可代替大型的磁性 材料获得高频性能 。由于纤维复合材料低密度的磁 性尖头通过非接触性传感器探测到压力引起的分 层 ,它也可用于健康程度监控 。近些年 ,机械性能与 非接触性传感能力的结合促使科研工作者对聚合物
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玻 璃 钢 /复 合 材 料
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格昂贵得多 ,因此研究者开始寻找它的替代品 ; ③ 脂混合并在 5 t压力和 100℃的条件下固化 1h。相
及热性能上均有优异的性能 。表 1列举了现今的几 种先进磁性材料 。
表 1 可用于聚合物基磁性复合材料的磁性材料
Table 1 M agnetic materials available to M agnetostrictive composites
组 成
Fe3 Si结合 Cu, Nb, Zr, B
料领域中的大量应用 ,对此是近期国外研究的重要 致收缩现象 (即 z轴刚度系数 k33的出现 ) , Terfenol2
方向之一 。其中 , Fe36 Co62 Ge2 合金已证明是一个合 适的替代品 。 Fe36 Co62 Ge2 磁性复合材料在预压条 件下能达到 200ppm 磁致伸缩量 。若它做成薄片状