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。
压电陶瓷点火器
• 可固定在家用灶具上点燃煤气，转动凸轮 开关1，利用凸轮凸出部分推动冲击块3， 并压缩冲击块后的弹簧2。当凸轮凸出部分 脱离冲击块后。由于弹簧弹力作用，冲击 块给陶瓷压电元件4一个冲击力，便在压电 元件两端产生高压，并从中间电极5输出高 压，产生电火花点燃气体。
双声道陶瓷拾音器
功能特征
主要类型
用途 汽车刹车片 轴承 洗衣机外壳、网球拍 桥梁减振 智能声控
摩阻复合材料 摩擦 复合材料 减摩复合材料 热损耗阻尼复合材料 阻尼 磁损耗阻尼复合材料 复合材料 电损耗阻尼复合材料
软质防弹装甲 防弹 复合材料层合板防弹装甲 复合材料 陶瓷/复合材料防弹装甲 防紫外线复合材料 防X射线复合材料 抗辐射 防γ射线复合材料 复合材料 防中子复合材料 防核辐射复合材料
传感
• 用压电陶瓷制成的传感器可用来检测微弱 的机械振动并将其转换为电信号,可应用于 声纳系统,气象探测,遥感遥测,环境保护,家 用电器等.
驱动
• 压电驱动器是利用压电陶瓷的逆压电效应 产生形变,以精确地控制位移,可用于精密仪 器与精密机械,微电子技术,光纤技术及生物 工程等领域.
频率控制
• 压电陶瓷还可以用来制造各种滤波器和谐 振器
功能复合材料
功能复合材料
• 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和一种或多种 基体组成。
• 在单一功能体的复合材料中，功能性质由 功能体提供；基体既起到粘接和赋形的作 用，也会对复合材料整体的物理性能合影 响。 • 多元功能体的复合材料具有多种功能，还 可能因复合效应出现新的功能。 • 未来的功能复合材料比重将超过结构复合 材料，成为复合学科发展的主流。
导电复合材料
• 导电发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。 • 基体包括聚合物、金属、陶瓷甚至水泥等； • 碳素、金属、金属氧化物等。
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。
智能复合材料的概念
• 压电聚合物具有密度低，声速低，声学阻 抗与水或人体软组织匹配；弹性柔顺性好， 可制成大面积均匀的薄膜或异型件;低介电 常数、高热释电优值等优点，但其压电系 数和机电藕合系数很小，介电和机械损耗 很高，温度和老化特性差，因而限制了它 们的应用。
• 用于压电复合材料的压电陶瓷主要有钛酸 铅PT)、锆钛酸铅（PZT）及其改性材料、 钛酸钡（BT）及其改性材料等。
调整周期性
• 使功能体在基体内呈结构上的周期分布， 并使外加作用场（光、声、电磁波）的波 长与此周期呈一定的匹配关系，而产生功 能作用
利用复合效应创造新型功能复合材料
复来自百度文库材料的复合效应
线性效应 加和效应 平均效应 相补效应 相抵效应 非线性效应 乘积效应 系统效应 诱导效应 共振效应
机理不清楚，但存在，如彩色胶 片由红、黄、兰三种感光层复合，结 果是五彩缤纷的画面，复合涂层使材 料表面硬度大幅度提高，超过按混合 定则的计算值。说明组成了复合系统 才能出现的现象。
智能复合材料的原理
信息处理器
• 信息处理器是核心部分,它对传感器输出信 • 号进行判断处理
智能复合材料的种类及应用
混合法则
• 并联时：
V A A VB B
• 串联时： 1


VA
A

VB
B
上述公式即为常用的混合法则（或称混合率）。
调整联接方式
• 复合材料中各组分在三维空间中的联接方 式可任意调整 • 材料组分具有多种几何形状： 颗粒状（零维，以0表示）； 纤维状（一维，以1表示）； 片膜状（二维，以2表示）； 网络状（三维，以3表示）
智能材料的基本构成和工作原理
• 智能材料一般由基体材料、敏感材料、驱 动材料和信息处理器四部分组成。
基体材料
• 基体材料担负着承载的作用,一般宜选用轻 质材料。一般基体材料首选高分子材料,因 为其重量轻、耐腐蚀,尤其具有粘弹性的非 线性特征。其次也可选用金属材料,以轻质 有色合金为主。
敏感材料
在一定条件下，复合材料中的一 组分材料可以通过诱导作用使另 一组分材料的结构改变而改变整 体性能或产生新的效应。 实验发现增强体的晶形会通过界面 诱导基体结构改变而形成界面层相
两个相邻物体在一定 条件下发生共振。
乘积效应的作用
• 乘积效应是在复合材料两组分之间产生可 以用乘积关系表达的协同作用
X Y X Y Z Z
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
功能复合材料的设计
• 功能材料很难用一种物理量来衡量，需要用材料 的优值进行综合评价。 • 材料的优值是由几个物理参数组合起来对材料使 用性能进行表征的量。 • 一般单质材料很难达到高优值，但复合材料可按 照要求调整其特有的参数，达到高优值 。此外还 可应用复合材料的复合效应设计、制造各种功能 复合材料。 • 由于功能复合材料是由两种(或两种以上)材料组 分所组成的，由此功能复合材料具有很大的设计 自出度。
导电 复合材料
功能特征
主要类型
用途 农用温室顶板 光纤传感器 荧光显示板 变色眼镜 光刻胶 光电导摄像管 光学存储器
透光复合材料 光传导复合材料 发光复合材料 光功能 光致变色复合材料 复合材料 感光复合材料 光电转换复合材料 光记录复合材料
烧蚀防热复合材料 固体火箭发动机喷管 热功能 热适应复合材料 半导体支撑板 复合材料 阻燃复合材料 车、船、飞行器等内装饰材料
压电陶瓷弯曲变形器
压电陶瓷风扇和继电器
压电振动加速计
0-3型压电复合材料
• 由不连续的陶瓷颗粒分散于三维连通 的聚合体基体中形成的。 • 可以做成薄片、棒或线材。
• 浇注树脂是非常关键的步骤,为了使树脂与 PZT柱结合紧密,树脂与PZT柱的界面上不 能存在气孔,因为气孔的存在易使声波产生 全反射,而且会导致力的传递不连续。因此, 要求树脂的流动性好，固化时间长。
• 可以选择不同形状的组分进行复合 例如： 需要功能材料各向同性时，可用0－3型； 需要具有单向性能则可用1－3型。
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。
调整尺度
• 当功能体尺寸从微米、亚微米减小到纳米 时，原有的宏观物理性能会发生变化。它 与基体之间的界面还能产生协同效应，使 复合材料的电学、光学、光化学、非线性 光学等出现异常的行为。
压力－发光 电场－发光 （场致发光）
压电复合材料
• 压电陶瓷和聚合物基体按照一定的联接方 式、一定的体积比例和一定的空间几何分 布复合而成。
• 在电场的作用下，可以引起电介质中带电 粒子的相对位移而发生极化。但是，在某 些电介质晶体中，也可以通过纯粹的机械 作用(拉应力、压应力或切应力)而发生极化， 并导致介质两端表面内出现符号相反的束 缚电荷，其电荷密度与外力成比例。这种 由于机械力的作用而使电介质晶体产生极 化并形成表面荷电的效应，称为压电效应。 晶体的这一性质就叫压电性。
• 虽然压电陶瓷材料提供了较高的机电耦合 性能，较宽的介电选择范围以及较低的介 电和机械损耗，但是在水声、超声换能器 的应用中，由于压电陶瓷的高密度，高声 速，高声阻抗，难以实现与水及人体相匹 配，更难实现空气的匹配。此外，压电陶 瓷的脆性大，耐机械冲击和非对称应力小， 成型加工困难、不能获得任意形状以及耐 冲击性较差等缺点，使其应用受到一定限 制。
• 智能复合材料是一类基于仿生学概念发展起来的高 新技术材料，是集成了传感器、信息处理器和功能 驱动器的新型复合材料。 • 智能材料通过传感器感知内外环境状态的变化，将 变化所产生的信号通过信息处理器做出判断处理， 并发出指令，而后通过功能驱动器调整材料的各种 状态，以适应内外环境的变化，从而实现自检测、 自诊断、自调节、自恢复、自我保护等多种特殊功 能，类似于生物系统。 • 智能复合材料是微电子技术、计算机技术与材料科 学交叉的产物，在许多领域展现了广阔的应用前景， 如机械装置噪音与振动的自我控制等，飞机的智能 蒙皮与自适应机翼，桥梁与高速公路等大型结构的 自增强、自诊断、自修复功能 。
压电性
• 当在某些各向异性的晶体上施加应力时， 晶体的某些表面上就会有电荷产生，这一 效应被称为正压电效应， • 在晶体上施加电场时，晶体会产生几何形 变，这一效应被称为逆压电效应。 • 晶体的这一性质被称为压电性 。
• 压电材料能够自适应环境的变化实现机械 能和电能之间的相互转化，具有集传感、 执行和控制于一体的特有属性和响应速度 快、测量精度高、性能稳定等特点，可广 泛用作传感材料和驱动材料。
• 敏感材料担负着传感的任务,其主要作用是 感知环境变化(包括压力、应力、温度、电 磁场、PH值等)。常用敏感材料如形状记忆 材料、压电材料、光纤材料、磁致伸缩材 料、电致变色材料、电流变体、磁流变体 和液晶材料等。
1.3 驱动材料
• 因为在一定条件下驱动材料可产生较大的 应变和应力,所以它担负着响应和控制的任 务。常用驱动材料有形状记忆材料、压电 材料、电流变体和磁致伸缩材料等。可以 看出,这些材料既是驱动材料又是敏感材料, 显然起到了身兼二职的作用,这也是智能材 料设计时可采用的一种思路。
功能复合材料调整优值的途径
• 功能复合材料可以通过改变复合结构的因 素，即复合度、联接方式、对称性、尺度 和周期性等，大幅度定向化地调整物理张 量组元的数值，找到最佳组合，获得最高 优值。
调整复合度
• 复合度是参与复合各组分的体积分数。 • 把物理性质不同的物质复合在一起，可以 改变各组分的含量，使复合材料的某物理 参数在较大范围内任意调节。 例如，介电性质为εA的A物质和ε B的B物 质做成复合材料：
热－形变材料 形变－导电材料
热－导电功能复合材料
A相换能材料 热－形变
B相换能材料 形变－电导
A－B功能复 合材料 热－电导 磁力－电流
用途 热敏电阻 磁场测量元件
磁－形变（磁 压力－电流 致伸缩） （压电） 光－导电 电－形变（电 致伸缩） 压力－电场 电场－磁场 压力－电场
光－形变（光 光控机械运作 致伸缩） 元件 压力－磁场 压磁换能器 压力过载指示