功能复合材料

能上相互补充，从而提高了综合性能，则 显示出相补效应。
13
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。
14
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。
15
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
合率来表示，则为
Ec EmVm E f V f
10
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。
11
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。
12
相补效应
组成复合材料的基体与增强体，在性
为脆性断裂。
16
在玻璃纤维增强塑料中，当玻璃纤维表 面选用适宜的硅烷偶联剂处理后，与树脂基 体组成的复合材料，由于强化了界面的结合，
故致使材料的拉伸强度比未处理纤维组成的
复合材料可高出30--40%，而且湿态强度保 留率也明显提高。
17
但是，这种强结合的界面同时却导致 了复合材料冲击性能的降低。 因此，在金属基、陶瓷基增强复合材 料中，过强的界面结合不一定是最适宜的。
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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。
50
这种复合软磁材料的相对磁导率r值可 由下式描述:
第九章 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
2
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。
3
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。
23
诱导效应
在一定条件下，复合材料中的一个组分 材料可以通过诱导作用使另一个组分材料的
结构改变，从而改变整体性能或产生新效应。
这种诱导行为已在很多实验中发现，同 时也在复合材料界面的两侧发现。
24
例如，结晶的纤维增强体对非晶基体的 诱导结晶或晶形基体的晶形取向产生作用。 在碳纤维增强尼龙或聚丙烯中，由于碳
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
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。
31
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。
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。 此外，强磁性(铁磁性和亚铁磁性)细微
纤维表面对基体的诱导作用，致使界面上的
结晶状态与数量发生了改变，如出现横向穿 晶等，这种效应对尼龙或聚丙烯起着特殊的 作用。
25
共振效应
两个相邻的材料在一定条件下，会产生 机械的或电、磁的共振。 由不同材料组成的复合材料，其固有频 率不同于原组分的固有频率，当复合材料中 某一部位的结构发生变化时，复合材料的固 有频率也会发生改变。
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。
61
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。
43
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。
44
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。
53
从图中可看
出，粉末尺寸越
小，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ＰL值。
磁 损 耗
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。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
55
音光
电气 信号
磁性 信号
作为磁 性保留
39
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。
40
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
41
2 3 M r ( M s )[ (1 )] f 0
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
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。
常用的物理乘积效应见下表所示：
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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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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
18
相补效应和相抵效应常常是共同存在的。
显然，相补效应是希望得到的，而相抵
效应要尽量能够避免。 所有这些，可通过相应复合材料的设计 来加以实现。
19
相乘效应
两种具有转换效应的材料复合在一起， 即可发生相乘效应。
例如，把具有电磁效应的材料与具有
磁光效应的材料复合时，将可能产生具有
电光效应的复合材料。
4
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。
5
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。
6
1、功能复合材料的复合效应
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。
30
2、功能复合材料的设计
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）。
9
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
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。
7
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
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。
35
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。
36
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。
26
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。
28
例如，交替叠层镀膜的硬度大于原来
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
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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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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因此，通常可以将一种具有两种性能相 互转换的功能材料X/Y和另一种换能材料Y/Z 复合起来，可用下列通式来表示，即：
X / Y .Y / Z X / Z
式中，Ｘ、Ｙ、Ｚ分别表示各种物理性能。 上式符合乘积表达式，所以称之为相 乘效应。
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相乘效应的组合可以非常广泛，已
被用于设计功能复合材料。