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。
• 压电复合材料类型及制ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ方法
压电复合材料的联接方式是指各相材料在空间分布上的自身连通方式， 它决定着压电复合材料的电场通路和应用分布形式。 0-3型 压电复合材料极化较难是由于压电填充相上的极化电场强度远小于外加 极化电场强度。可在复合材料中加入导电相，如少量碳、锗等物质，以提高聚 合物基体的导电率。 工艺流程： 混料->硫化（固化）->上电极->极化 1-3型 压电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地聚合物中 而构成的两相压电复合材料。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加整体介电常数减小，从而实现压电 系数gh的增加。 聚合物泊松比产生的内应力减小了应力放大系数＝>引入发泡剂或玻璃球
3.压电复合材料
• 压电材料是指材料在外力作用下产生电流，或反过来在电流作用下产 生力或形变的一种功能材料。 • 传统的压电材料( 压电陶瓷如锆钛酸铅)密度高、声阻抗大、性脆， 不能制成大面积薄片和复杂的形状，不易与水和人体等轻负载匹配； 压电聚合物材料（PVDF聚偏二氟乙烯）密度低、柔性好、阻抗低、易 与轻质负载匹配，但是压电常数低、有强的各向异性且难极化。 • 压电复合材料是70年代发展起来的一类功能复合材料。一般是由压电 陶瓷和聚合物基体按照一定的联接方式、一定的体积或质量比例和一 定的空间几何分布复合而成。压电复合材料克服了两者的困难。
调整对称性 对称性是功能复合材料组分在空间几何布局上的特征。不同功 能复合材料的对称性须选用不同的描述方法。如，0-3型（球形颗粒分散在 基体中）复合材料各向同性；1-3型（针行颗粒按一定方向排列）产生双折 射行为；2-2型（片状颗粒分散在基体中）则出现负光性。 调整尺寸 当功能体尺寸从微米、亚微米减小到纳米时，原有的宏观物理性 质会发生变化。这是由于物体尺寸减小时表面原子数增多引起的。 调整周期性
2）可利用复合效应创造新型复合功能材料
乘积效应 就是 热-形变材料（X/Y）与另一种形变-电导材料（Y/Z）复合，其效果
X Y X Y Z Z
即由于两组分的协同作用得到一种新的热-电导功能复合材料。 其他非线性效应 例如，彩色胶片是以红、蓝、黄三色感光材料膜组成一个系 统，能显示出各种色彩，单独存在即无此作用。这是系统效应的例子。
• 导电机理剂影响导电性能的因素
导电机理：
通过导电粒子之间的直接接触而产生传导 通过导电体之间的电子跃迁，即隧道效应，产生传导 发射电流 影响因素 导电填料种类、性质及作用的影响。 炭黑的结构均一、比表面积大、表面活性基团含量少，制备的复合材料的 导电性能好 粒子形状（絮团状粒子优于球状及片状粒子），填料用量（渗滤阈值）。 聚合物种类的影响。 聚合物基导电复合材料的导电性随聚合物表面张力减小而升高； 对于同一聚合物基体的导电复合材料，其导电性随聚合物粘度降低而升高； 结晶度越低，导电性能越好。
4.导电复合材料
• 导电复合材料是由导电材料和作为基体的绝缘材料复合得到的具有导 电功能的材料。 基体： 聚合物、金属、陶瓷、水泥 导电填料： 炭素、金属、金属氧化物 • 聚合物基导电复合材料通常是在基体聚合物中加另外一种导电聚合物 或导电填料复合而成。导电聚合物通常是指分子结构本身或经过掺杂 处理后具有导电功能的共轭聚合物。 基体聚合物： 树脂，橡胶 导电填料： 抗静电剂，各种导电材料
5.磁性复合材料
• 成型技术 – 橡胶体系采用常规的混炼工艺，即将磁粉作 为填料加入生胶，混合并压成胶片后再模压硫 化成型。 –热固性树脂基则用常规方法在未凝胶状态下 与磁粉湿混，并模压固化成型；亦可将磁性材 料制成预成形体，放入模具后用树脂传递模塑 法成型。 –热塑性树脂基的成型方法较多，例如用粉状 树脂与磁粉混合，再模压或压延成型，也有用 双螺杆挤出机挤出并切粒后再模压或注射成型， 较新的方法是原位成型，即将聚合物单体在活 化处理的磁粉表面上聚合，成为磁粉颗粒包裹 聚合物的微粒，然后按需要热压成型。
功能复合材料
1.功能复合材料的设计原则
• 功能复合材料是指除力学性能以外还提供其他物理性能并包括部分化学和生 物性能的复合材料，如有导电、超导、半导、磁性、压电、阻尼、吸声、摩 擦、吸波、屏蔽、阻燃、防热等功能。功能复合材料主要由功能体一种或多 种和基体组成。 柔韧性磁体：磁粉 橡胶和塑料 功能体 基体 黏结和赋形作用，并同时改善材料的物理机械性能