功能复合材料

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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。
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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。
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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。
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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。
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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
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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。
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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：
2 3 M r ( M s )[ (1 )] f 0
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2 3 M r ( M s )[ (1 )] f 0
合率来表示，则为
Ec EmVm E f V f
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平行效应
显示这一效应的复合材料，它的各
组分材料在复合材料中，均保留本身 的作用，既无制约，也无补偿。
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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。
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相补效应
组成复合材料的基体与增强体，在性
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。
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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。
磁头
记录材料
磁记录再生的原理示意图
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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。
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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
平均效应
是复合材料所显示的最典型的一种复合效 应。它可以表示为：
P c P mVm Pf V f
式中，Ｐ为材料性能，Ｖ为材料体积 含量，角标c、m、f分别表示复合材料、 基体和增强体（或功能体）。
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复合材料的某些功能性质，例如电导、
热导、密度和弹性模量等服从平均效应这
一规律。
例如，复合材料的弹性模量，若用混
r (cd ) /(d 2c )
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。
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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。
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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。
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2.1.2 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。
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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：
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Fe--Si---Al粉末颗粒复合体相对磁导率随驱动频率的变化
能上相互补充，从而提高了综合性能，则 显示出相补效应。
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对于脆性的高强度纤维增强体与韧性 基体复合时，两相间若能得到适宜的结合 而形成的复合材料，其性能显示为增强体 与基体的互补。
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相抵效应
基体与增强体组成复合材料时， 若组分间性能相互制约，限制了整体
性能提高，则复合后显示出相抵效应。
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例如，脆性的纤维增强体与韧 性基体组成的复合材料，当两者界 面结合很强时，复合材料整体显示
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。
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2.3 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。
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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。
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系统效应
这是材料的一种复杂效应，至目前为
止，这一效应的机理尚不很清楚，但在实 际现象中已经发现这种效应的存在。
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例如，交替叠层镀膜的硬度大于原来
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，从材料的选择途径 和工艺结构途径上进行设计。
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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。
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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
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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。
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这种复合软磁材料的相对磁导率r值可 由下式描述:
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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。
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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。
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1、功能复合材料的复合效应
表中的排列是按发展的顺序排列的。
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磁性材料 -Fe2O3 Co- -Fe2O3 金属Fe Co-Ni 合金
Mr/T (1400~1800)*10-4 (1400~1800)*10-4 (2300~2900)*10-4 (11000~12000)*10-4
Hc/A.m-1 (15.92~31.83)*103 (47.75~71.62)*103 (111.41~127.33)*103 (55.71~59.69)*103
各单一镀膜的硬度和按线性混合率估算值， 说明组成了复合系统才能出现的现象。
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平均效应、相乘效应、平行效应、诱导效
应、相补效应、共振效应、相抵效应、系统效
应等各种复合效应，都是复合材料科学所研究 的对象和重要内容，这也是开拓新型复合材料，
特别是功能型复合材料的基础理论问题。
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2、功能复合材料的设计
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。
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2.1.1 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。
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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。
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。
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下表列出了不同复合效应的类别。
不同复合效应的类别
复 合 效 应 非线性效应 相乘效应 诱导效应 共振效应 系统效应
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线性效应 平均效应 平行效应 相补效应 相抵效应
料的种类，二是以磁性层为中心的叠层结构
的构成。
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2.2 磁性材料
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，也受颗粒的大小和形状的影响。
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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
磁性材料 -Fe2O3 Co- -Fe2O3 金属Fe Co-Ni 合金 Mr/T (1400~1800)*10-4 (1400~1800)*10-4 (2300~2900)*10-4 (11000~12000)*10-4 Hc/A.m-1 (15.92~31.83)*103 (47.75~71.62)*103 (111.41~127.33)*103 (55.71~59.69)*103
常用的物理乘பைடு நூலகம்效应见下表所示：
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复合材料的乘积效应
Ａ相性质Ｘ／Ｙ Ｂ相性质Ｙ／Ｚ 复合后的乘积性质 （Ｘ／Ｙ）（Ｙ／Ｚ）＝Ｘ／Ｚ
压磁效应 压磁效应 压电效应 磁致伸缩效应 光导效应 闪烁效应 热致变形效应
磁阻效应 磁电效应 场致发光效应 压阻效应 电致效应 光导效应 压敏电阻效应
压敏电阻效应 压电效应 压力发光效应 磁阻效应 光致伸缩 辐射诱导导电 热敏电阻效应
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