第六章 功能复合材料
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功能复合材料-2-磁性复合材料
二、不是用涂敷磁性粉末和粘结剂 混合成的涂料的方法来制造磁性层，而 是依靠真空镀敷Co/Ni合金薄膜的方法， 来制造磁带。
2019/9/26
功能复合材料
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把单一磁性层变成双磁性层的尝试是采 用上层使用高娇顽力的微颗粒金属磁性材料， 厚度为0.4um，下层使用低矫顽力的钴改性 的氧化铁磁性材料，厚度为2.5um。这样， 上层能够高效率地记录，再生用高频和较强 磁场记录的亮度信号。
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功能复合材料
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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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功能复合材料
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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。
Sm2Co17和熔融-淬火法生产的微晶NdFeB磁粉的矫顽力 是由晶粒内部畴壁钉扎所决定，其矫顽力不受颗粒大小影响， 其颗粒大小主要由填充密度和制造工艺等因素决定。
磁粉粒度分布也对磁性复合材料性能有影响。
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功能复合材料
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功能复合材料
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功能复合材料
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2.2.2 聚合物基体
分为橡胶类、热固性树脂类和热塑性树脂类 三种。
2.2.3 加工助剂
为了改善复合体系的流动性，常加入各种助 剂以提高磁功能体沿易磁化轴的方向取向和提高 磁粉含量，常使用一些硬脂酸盐润滑剂、偶联剂 及增塑剂等。其中硅烷偶联剂同时对提高磁功能 体的抗氧化能力起到一定作用。
复合材料 第六章 功能复合材料
48
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
49
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:
20
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。
21
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。
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。
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
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
功能复合材料教学大纲
功能复合材料一、课程说明课程编号：060113Z10课程名称：功能复合材料/functional composite Materials课程类别：学科专业课程学时/学分：24/1.5先修课程：大学物理、固体物理、材料化学与物理、材料科学基础、无机非金属材料适用专业：材料科学与工程专业本科生建议教材及参考书：（1）功能复合材料，张佐光，化学工业出版社，2004.9（2）殷景华，等.功能材料概论，哈尔滨：哈尔滨工业出版社，2002.7（2）贡长生，张克立.新型功能材料，北京：化学工业出版社，2001.1二、课程设置的目的、意义本课程主要介绍功能材料的研究现状和发展趋势，一些常见功能材料和复合材料的基本知识、种类、特点和应用，有助于学生拓宽专业知识面，同时加深对专业的认识和应用。
三、课程目标3.1课程对毕业生能力支撑本课程对应毕业要求2-2、4-1、5-1,具体内容如下：毕业要求2-2：掌握分析研究复杂工程问题所需的物理、化学等自然科学基础知识。
学会运用物理学和化学中的理论、观点和方法，识别、分析常见工程问题中涉及的物理和化学问题。
毕业要求4-1：根据工程应用的需要，能够根据材料工程技术研究的需要选择合适的实验手段对材料组成、组织结构、性能及其相互关系，对试验数据做出正确的分析，为材料的应用提出合理建议。
毕业要求5-1：系统地掌握材料科学与工程基础理论，掌握相关技术基础理论和现代分析方法在材料制备技术中的应用知识与应用技巧；系统地掌握材料工程领域主要制备技术，深入了解新材料与材料加工新技术的发展方向。
3.2课程教学目标通过本课程的教学，使学生在学习了材料科学基础、材料物理化学等课程的基础上进一步掌握不同类型功能材料及功能复合材料的合成与制备理论基础、制备方法、制备技术、工艺、设备等，把握材料科学与工程的新技术、新工艺。
使学生掌握材料科学研究工作者通常关注的成分-工艺-显微组织/结构-性能之间的内在联系，为将来研究开发新材料和材料制备新工艺奠定良好的理论基础。
功能复合材料
功能复合材料制备工艺的影响因素
材料性能
• 复合材料的性能受组成材料的性能影响
• 选择合适的材料是制备高性能复合材料的关键
制备工艺
• 制备工艺对复合材料的性能有很大影响
• 控制制备工艺是制备高性能复合材料的关键
⌛️
环境因素
• 环境因素对复合材料的性能有很大影响
• 控制环境因素是制备高性能复合材料的关键
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功能复合材料研究与应用
DOCS
01
功能复合材料பைடு நூலகம்基本概念与特
点
功能复合材料的定义与分类
功能复合材料的定义
• 由两种或多种具有不同性质的材料组成
• 通过物理或化学方法复合，实现单一材料无法达到的性能
• 具有功能性、结构性和外观性的复合材料
电性能
• 导电性能、介电性能等性能指标
• 电性能的评价指标通常与复合材料的应用要求相关
功能复合材料的性能优化与应用改进
材料设计
• 通过材料设计优化复合材料的性能
• 通过材料设计实现复合材料性能的定向调控
制备工艺
• 通过改进制备工艺提高复合材料的性能
• 通过优化制备工艺降低复合材料的制备成本
应用技术
功能复合材料制备技术的发展与创新
制备技术改进
新型制备技术
智能化制备
• 通过改进现有制备技术，提高复合
• 开发新型制备技术，实现新型复合
• 发展智能化制备技术，实现复合材
材料的性能
材料的生产
料制备过程的自动化和智能化
• 通过优化制备工艺，降低复合材料
• 通过新型制备技术，提高复合材料
第六章 功能复合材料
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
线性效应 平均效应 平行效应 相补效应 相抵效应
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
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：
Mr(Ms)[0(1)2]3f
41
Mr(Ms)[0(1)2]3f
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
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。
27
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。
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。
53
从图中可看
出，粉末尺寸越
磁 损
小，损耗越低。 耗
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
线性效应 平均效应 平行效应 相补效应 相抵效应
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
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：
Mr(Ms)[0(1)2]3f
41
Mr(Ms)[0(1)2]3f
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。
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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
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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。
27
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。
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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从图中可看
出，粉末尺寸越
磁 损
小，损耗越低。 耗
材料科学与工程学导论
材料科学与工程学导论
复合材料的基本理论
复合原理
1。纤维增强复合材料的复合原理
外载荷与纤维方向垂直
σc= σf = σm。 εc = εfVf＋εmVm。 1/Ec = Vf/Ef＋Vm/Em。
材料科学与工程学导论
复合材料的基本理论
复合原理
2。颗粒增强复合材料的复合原理 ρc = ρpVp＋ρmVm。
复合材料的基本理论
复合原理
1。纤维增强复合材料的复合原理
外载荷与纤维方向一致
Fc=σcAc = σfAf ＋σmAm。
σc = σfVf＋σmVm。
Ec = EfVf＋EmVm。
条件是复合材料中基体是连续的、均匀的，纤维的性质和 直径都是均匀的，且平行连续排列，同时纤维与基体间的 结合为理想结合，在界面上不产生滑移。
材料科学与工程学导论
复合材料的基本理论
颗粒增强复合材料的机理：
弥散分布在金属或合金中基体中的硬颗粒可以有效地阻止 位错运动，产生显著的强化作用。这种复合强化机制类似 与合金的析出强化机理，基体乃是承受载荷的主体。 不同的是，这些细小弥散的硬颗粒并非借助于相变产生的 硬颗粒，他们在温度升高时仍保持其原有尺寸，因而，增 强效果可在高温下持续较长时间，使复合材料的抗蠕变性 能明显优于金属或合金基体。
复合材料的基本理论
增强机理
颗粒增强
颗粒增强复合材料是指由高强度、高弹性模量的脆性颗粒 作增强体与韧性基体或脆性基体经一定工艺复合而成的多 相材料。 颗粒增强复合材料的种类： 纳米微细硬颗粒弥散增强，微米颗粒增强。
材料科学与工程学导论
复合材料的基本理论
弥散强化复合材料中弥散颗粒种类 金属氧化物 碳化物 硼化物
4。由被动复合向主动复合材料发展
复合材料的基本理论
复合原理
1。纤维增强复合材料的复合原理
外载荷与纤维方向垂直
σc= σf = σm。 εc = εfVf＋εmVm。 1/Ec = Vf/Ef＋Vm/Em。
材料科学与工程学导论
复合材料的基本理论
复合原理
2。颗粒增强复合材料的复合原理 ρc = ρpVp＋ρmVm。
复合材料的基本理论
复合原理
1。纤维增强复合材料的复合原理
外载荷与纤维方向一致
Fc=σcAc = σfAf ＋σmAm。
σc = σfVf＋σmVm。
Ec = EfVf＋EmVm。
条件是复合材料中基体是连续的、均匀的，纤维的性质和 直径都是均匀的，且平行连续排列，同时纤维与基体间的 结合为理想结合，在界面上不产生滑移。
材料科学与工程学导论
复合材料的基本理论
颗粒增强复合材料的机理：
弥散分布在金属或合金中基体中的硬颗粒可以有效地阻止 位错运动，产生显著的强化作用。这种复合强化机制类似 与合金的析出强化机理，基体乃是承受载荷的主体。 不同的是，这些细小弥散的硬颗粒并非借助于相变产生的 硬颗粒，他们在温度升高时仍保持其原有尺寸，因而，增 强效果可在高温下持续较长时间，使复合材料的抗蠕变性 能明显优于金属或合金基体。
复合材料的基本理论
增强机理
颗粒增强
颗粒增强复合材料是指由高强度、高弹性模量的脆性颗粒 作增强体与韧性基体或脆性基体经一定工艺复合而成的多 相材料。 颗粒增强复合材料的种类： 纳米微细硬颗粒弥散增强，微米颗粒增强。
材料科学与工程学导论
复合材料的基本理论
弥散强化复合材料中弥散颗粒种类 金属氧化物 碳化物 硼化物
4。由被动复合向主动复合材料发展
功能复合材料--磁性复合材料ppt课件
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。
27
从图中可看
出，粉末尺寸越
磁 损
小，损耗越低。 耗
因此，可以 通过调整磁性粉 末颗粒的尺寸来 调节损耗ＰL值。
PL/kW.m-3
磁粉粒度/ um 磁损耗与软磁粉粒度的关系
28
2.6 磁性记录与读出 2.6.1 磁性记录材料的工作原理
记录声音和图像，然后将其读出(再生) 的过程，如下图所示：
29
音光
电气 信号
磁性 信号
磁头
作为磁 性保留
记录材料
磁记录再生的原理示意图
30
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。
31
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。
μr(V) = 1 + B V 2 B，磁感应强度。
对于填充两种或两种以上不同尺寸磁粉及不 同尺寸分布和形状的混杂磁性复合材料，如果其 粒子形态相似而磁性能不同，则μr 与各磁性材料
体积分数V i 的关系可表示为：
μr(V1，V2) = 1 + B1V2 2+ B2V2 2
9
2.3.2 磁性复合材料的分类 由于磁性材料有软磁和硬磁之分，因此也有
2. 磁性复合材料
2. 1 概述
磁性复合材料(Magnetic composite materials)是以高聚物或软金属为基体与磁 性功能体复合而成的一类材料。
1.无机磁性材料与聚合物基体构成的复合材料。 2.无机磁性材料与低熔点金属基体构成的复合材料。
3. 有机聚合物磁性材料与聚合物基体构成的固态复合材料。 4. 以无机磁性材料与载液构成的液态复合材料-磁流变体。
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从图中可看
出，粉末尺寸越
磁 损
小，损耗越低。 耗
因此，可以 通过调整磁性粉 末颗粒的尺寸来 调节损耗ＰL值。
PL/kW.m-3
磁粉粒度/ um 磁损耗与软磁粉粒度的关系
28
2.6 磁性记录与读出 2.6.1 磁性记录材料的工作原理
记录声音和图像，然后将其读出(再生) 的过程，如下图所示：
29
音光
电气 信号
磁性 信号
磁头
作为磁 性保留
记录材料
磁记录再生的原理示意图
30
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。
μr(V) = 1 + B V 2 B，磁感应强度。
对于填充两种或两种以上不同尺寸磁粉及不 同尺寸分布和形状的混杂磁性复合材料，如果其 粒子形态相似而磁性能不同，则μr 与各磁性材料
体积分数V i 的关系可表示为：
μr(V1，V2) = 1 + B1V2 2+ B2V2 2
9
2.3.2 磁性复合材料的分类 由于磁性材料有软磁和硬磁之分，因此也有
2. 磁性复合材料
2. 1 概述
磁性复合材料(Magnetic composite materials)是以高聚物或软金属为基体与磁 性功能体复合而成的一类材料。
1.无机磁性材料与聚合物基体构成的复合材料。 2.无机磁性材料与低熔点金属基体构成的复合材料。
3. 有机聚合物磁性材料与聚合物基体构成的固态复合材料。 4. 以无机磁性材料与载液构成的液态复合材料-磁流变体。
功能复合材料
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。
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
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。
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。
复合材料与功能材料
生态环境材料 主要研究方向是：①直接面临的与 环境问题相关的材料技术，例如，生物 可降解材料技术，二氧化碳气体的固化 技术，废物的再资源化技术，环境污染 修复技术，材料制备加工中的洁净技术 以及节省资源、节省能源的技术；②开 发能使经济可持续发展的环境协调性材 料，如仿生材料、环境保护材料、氟里 昂、石棉等有害物质的替代材料、绿色 新材料等；③材料的环境协调性评价。
生物医用材料 作为高技术重要组成部分的生物医 用材料已进入一个快速发展的新阶段， 预计20年内，生物医用材料所占的份额 将赶上药物市场，成为一个支柱产业。 生物活性陶瓷已成为医用生物陶瓷的主 要方向；医用复合生物材料的研究重点 是强韧化生物复合材料和功能性生物复 合材料，带有治疗功能的HA生物复合材 料的研究也十分活跃。
④医学领域。
碳纤维复合材料具有优异的力学性能和不 吸收X射线特性，可用于制造医用X光机和矫 形支架等。碳纤维复合材料还具有生物组织 相容性和血液相容性，生物环境下稳定性好， 也用作生物医学材料。此外，复合材料还用 于制造体育运动器件和用作建筑材料等。
研究现状： ①聚合物基复合材料 研究工作集中在合成新型树脂及对 其结构表征和固化过程进行了研究。热
金属基复合材料成型方法分为固 相成型法和液相成型法。前者是在 低于基体熔点温度下，通过施加压 力实现成型，包括扩散焊接、粉末 冶金、热轧、热拔、热等静压和爆 炸焊接等。后者是将基体熔化后， 充填到增强体材料中，包括传统铸 造、真空吸铸、真空反压铸造、挤 压铸造及喷铸等。
①比重小
可应用于汽车和飞机减轻重量、提高速度、 节约能源。
暖101：肖璇 许晶晶 王思月 王雪琰
暖102：于哲 韩兴元
（4）功能复合材料。
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、 吸波、透波、摩擦、屏蔽、阻燃、防 热、吸声、隔热等凸显某一功能。统 称为功能复合材料。
5第六章 复合材料的性能及表界面PPT课件
★ 对于韧性基体材料，最好具有较高的热膨胀系数。 这是因为热膨胀系数较高的相，从较高的加工温度 冷却时将受到张应力；
★ 对于脆性材料的增强相，一般都是抗压强度大于 抗拉强度，处于压缩状态比较有利。
★ 而对于像钛这类高屈服强度的基体，一般却要求 避免高的残余热应力，因此热膨胀系数不应相差 太大。
结构设计则最后确定产品结构的形状和尺寸。
上述三个设计层次互为前提、互相影响、互相依赖。
因此，复合材料及其结构的设计打破了材料研 究和结构研究的传统界限。设计人员必须把材料性 能和结构性能统一考虑，换言之，材料设计和结构 设计必须同时进行，并将它们统一在同一个设计方 案中。
复合材料是由多相材料复合而成，它的共同的 特点主要有三个：
二、复合材料组分的相容性
1、物理相容性： （1）基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部载荷
均匀地传递到增强剂上，而不会有明显的不连续 现象。 （2）由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部应力 不应在增强剂上形成高的局部应力。
（3）基体与增强相热膨胀系数的差异对复合材料的界
面结合及各类性能产生重要的影响。
复合材料中界面层的厚度通常在亚微米以下，但 界面层的总面积在复合材料中很大，且复合材料的界 面特征对复合材料的性能、破坏行为及应用效能有很 大影响。
所以，人们以极大的注意力开展对复合材料界面 的研究--------表面和界面工程（surface and interface engineering）。
碳纤维复合材料、有机纤维复合材料具有比玻璃 纤维复合材料更低的密度和更高的强度，因此具有更 高的比强度。
(2)可设计性好
复合材料可以根据不同的用途要求，灵活地进 行产品设计，具有很好的可设计性。
对于结构件来说，可以根据受力情况合理布置 增强材料，达到节约材料、减轻质量的目的。
功能复合材料
功能复合材料1. 引言功能复合材料是一种由两种或更多成分组成的复合材料，具有多种功能性能的材料。
这些功能可以包括机械性能、电学性能、热学性能以及化学性能等。
功能复合材料的广泛应用可以追溯到古代，但它们近年来的发展已经在工程和科学领域引起了广泛的关注和研究。
本文将介绍功能复合材料的定义、分类以及常见的应用领域，并对其制备方法和未来发展进行讨论。
2. 功能复合材料的定义和分类功能复合材料是由两种或更多不同种类的材料组成的复合材料，具有多个功能性能。
它们通过将不同的材料组合在一起，充分发挥各个组成部分的优点，以实现所需的功能。
根据不同的功能性能，功能复合材料可以分为以下几类：2.1 机械性能功能复合材料这类复合材料主要通过材料的选择和结构设计来实现卓越的机械性能，包括强度、刚度、韧性等。
应用领域包括航空航天、汽车工程、建筑工程等。
2.2 电学性能功能复合材料这类复合材料主要用于实现电学性能的优化，包括导电、绝缘、磁性等。
应用领域包括电子设备、传感器、电池等。
2.3 热学性能功能复合材料这类复合材料主要用于实现热学性能的优化，包括导热、绝热、相变等。
应用领域包括热处理、隔热材料、温度传感器等。
2.4 化学性能功能复合材料这类复合材料主要用于实现化学性能的优化，包括抗腐蚀、耐磨、防火等。
应用领域包括化工设备、涂料材料、防火材料等。
3. 功能复合材料的制备方法功能复合材料的制备方法多种多样，常见的方法包括以下几种：3.1 机械混合法这是最简单的制备方法之一，通过将不同材料进行机械混合，使其混合均匀，然后通过压制、烧结等工艺制备功能复合材料。
这种方法适用于制备颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料等。
3.2 化学反应法这种方法通过两种或更多种材料之间的化学反应来制备功能复合材料。
具体制备过程可以包括溶液共沉淀、溶胶-凝胶法、原子层沉积等。
这种方法适用于制备具有特定化学性能的复合材料。
3.3 生物合成法这种方法利用生物体内的酶、微生物等生物体系来合成功能复合材料。
《功能复合材料》课件
利用先进的制造技术，实现功能复合材料的快速、高效、低成本 生产。
精密成型
提高功能复合材料的成型精度，实现产品的高性能化和轻量化。
高效检测
发展无损检测和在线检测技术，提高功能复合材料的质量和可靠性 。
应用拓展
航空航天
利用功能复合材料的优异性能，提高航空航天器的性能和 安全性。
汽车工业
将功能复合材料应用于汽车制造，提高汽车的安全性、舒 适性和节能性。
详细描述
功能复合材料可以根据其功能和应用进行分类，如导电复合材料、磁性复合材料、光学复合材料等。这些材料 在能源、电子信息、航空航天等领域具有广泛的应用前景。
历史与发展
总结词
功能复合材料的发展经历了漫长的历程，从最早的陶瓷与金属的复合材料，到 现代的高分子与纳米材料的复合，其应用领域不断扩大。
详细描述
性能稳定性
由于功能复合材料的性能受多种因素影响，如温度、湿度、时 间等，因此如何保持其性能稳定性也是一个技术难题。
成本问题
高昂的研发成本
功能复合材料的研发需要大量的资金和时间投入，导 致其成本较高。
生产成本高
由于功能复合材料的制备工艺复杂，生产过程中需要 耗费大量的人力和物力，导致其生产成本较高。
通过将各组分溶液混合，经过水解、缩聚等化学反应形成凝胶，再 经过干燥、烧结等处理得到功能复合材料。
化学气相沉积法
将反应气体引入反应室，在一定条件下发生化学反应，在基体表面 形成功能复合材料。
化学液相沉积法
将各组分溶液涂覆在基体表面，经过一定处理形成功能复合材料。
生物法
生物模板法
利用生物体的组织、细胞等作为模板 ，通过生长、繁殖等过程制备出具有 特定结构和功能的生物复合材料。
精密成型
提高功能复合材料的成型精度，实现产品的高性能化和轻量化。
高效检测
发展无损检测和在线检测技术，提高功能复合材料的质量和可靠性 。
应用拓展
航空航天
利用功能复合材料的优异性能，提高航空航天器的性能和 安全性。
汽车工业
将功能复合材料应用于汽车制造，提高汽车的安全性、舒 适性和节能性。
详细描述
功能复合材料可以根据其功能和应用进行分类，如导电复合材料、磁性复合材料、光学复合材料等。这些材料 在能源、电子信息、航空航天等领域具有广泛的应用前景。
历史与发展
总结词
功能复合材料的发展经历了漫长的历程，从最早的陶瓷与金属的复合材料，到 现代的高分子与纳米材料的复合，其应用领域不断扩大。
详细描述
性能稳定性
由于功能复合材料的性能受多种因素影响，如温度、湿度、时 间等，因此如何保持其性能稳定性也是一个技术难题。
成本问题
高昂的研发成本
功能复合材料的研发需要大量的资金和时间投入，导 致其成本较高。
生产成本高
由于功能复合材料的制备工艺复杂，生产过程中需要 耗费大量的人力和物力，导致其生产成本较高。
通过将各组分溶液混合，经过水解、缩聚等化学反应形成凝胶，再 经过干燥、烧结等处理得到功能复合材料。
化学气相沉积法
将反应气体引入反应室，在一定条件下发生化学反应，在基体表面 形成功能复合材料。
化学液相沉积法
将各组分溶液涂覆在基体表面，经过一定处理形成功能复合材料。
生物法
生物模板法
利用生物体的组织、细胞等作为模板 ，通过生长、繁殖等过程制备出具有 特定结构和功能的生物复合材料。
第六章 功能复合材料
• 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 。
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
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。
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
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
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。
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
6功能复合材料
第3章 导电复合材料
3.1 概述 3.2 聚合物基导电复合材料 3.3 无机非金属基导电复合材料 3.4 金属基导电复合材料 3.5 其他类型导电复合材料
聚合物基导电复合材料的研究现状
聚合物基导电复合材料是在聚合物基体中加入本征型导电 聚合物或导电填料，采用物理或化学方法复合后而得到的 多相复合材料。 与传统的导电材料金属相比，聚合物基导电复合材料具有 重量轻、易加工成各种复杂形状、耐腐蚀，以及电阻率可 在较大范围内调节等特点。 聚合物基导电复合材料可用作电磁屏蔽材料、燃料电池的 双极板材料、自限温加热材料、过流保护材料等，在国民 经济和国防军工的诸多领域具有广泛的用途和广阔的市场 前景。开展聚合物基导电复合材料的研究和开发具有良好 的社会效益和经济效益。 美国对聚合物基导电复合材料的需求量每年以20%-30%的速 度递增，发展潜力十分巨大。 在日本，聚合物基导电复合材料也获得了广泛的应用，有 关研究课题被列为通产省制定的 “21 世纪产业基础技术 研究开发”效应是指磁电材料在外加电场中产生感应磁化, 在外加 磁场下产生电极化。 早在1894 年, Curie在研究晶体对称性后, 指出非对称分子晶 体在外磁场作用下有可能定向极化。随后Landau和Lifshiitz 基于热力学和对称性考虑, 认为磁有序晶体中可能存在线性 , 的磁电效应。 Dzyaloshinskii根据理论分析指出, 在反铁磁物质Cr2O3 中存 在磁电效应。 随后, Astrov 测量了Cr2O3 在磁场作用下的感生电场, Rado 和Folen 探测到Cr2O3 由电场极化而感生的磁场。
聚合物基导电复合材料中导电填料的应用技术现状
为了将金属材料的高导电率特性与无机非金属材料的低成本、 低密度、大长径比和小尺寸特性相结合，人们进行了将金属 镀于玻璃纤维、碳纤维、碳纳米管表面的尝试。 但在复合加工过程中，表面涂镀的金属层容易脱落，从而使 填料的导电性降低。 将金属填料纳米化后与聚合物复合，将可能消除填料在加工 过程中的沉积，并降低逾渗阈值、提高复合材料的导电率， 同时提高复合材料的力学性能。 但是，由于团聚，纳米粒子在聚合物中的高度分散是很困难 的。并且，由于纳米金属粒子表面原子极高的化学活性，在 与聚合物混合的前期，在热和氧的共同作用下，纳米金属粒 子的表面极易氧化，从而失去导电性。
第4讲先进复合材料-功能复合材料
2、层状无机物—聚合物插层导电复合材料 、层状无机物 聚合物插层导电复合材料 过渡族金属氧化物＋聚合物－ 如：过渡族金属氧化物＋聚合物－电极材料 3、陶瓷基导电复合材料 、 氧化物＋非氧化物－阳极、发热元件、 如：氧化物＋非氧化物－阳极、发热元件、传感器 4、水泥基导电复合材料 、 金属粉末/导电纤维 水泥防—静电 导电纤维＋ 如：金属粉末 导电纤维＋水泥防 静电
摩擦复合材料
摩阻复合材料： 摩阻复合材料： 1）金属基摩阻复合材料：基体：Cu基和 基； 基和Fe基 ）金属基摩阻复合材料：基体： 基和 增摩剂和减摩剂 2）树脂基摩阻复合材料。 ）树脂基摩阻复合材料。 3）碳基摩阻复合材料。 ）碳基摩阻复合材料。
摩擦复合材料
碳基摩阻复合材料
碳/碳刹车片 碳刹车片
功能复合材料的优化设计
方法： 方法： 复合度 联接方式 对称性 尺度 周期性
功能复合材料的优化设计
1. 复合度 参与复合各组分的体积（质量） 参与复合各组分的体积（质量）分数和 布局结构
混和法则
功能复合材料的优化设计
2、联接方式 、 各组分在三维空间中相互联接的形式
几种联接组合示意图 (a)颗粒 基体；（ ）单向纤维 基体；（ ）片层复合；（ ）互穿网络 颗粒/基体；（b）单向纤维/基体；（c）片层复合；（ 基体；（ ；（d） 颗粒 基体；（
导电复合材料
5、金属基导电复合材料 、 目的：在不降低金属材料导电性能的基础上， 目的：在不降低金属材料导电性能的基础上，提 高强度和耐热性能 钢丝/铝 如：Al2O3/Cu; 钢丝 铝 6、超导复合材料 、 超导材料与Cu/Ag的复合体，提高稳定性。 的复合体， 超导材料与 的复合体 提高稳定性。 Nb-Ti/Cu; Nb3Sn/Cu（磁悬浮列车用材） （磁悬浮列车用材）
摩擦复合材料
摩阻复合材料： 摩阻复合材料： 1）金属基摩阻复合材料：基体：Cu基和 基； 基和Fe基 ）金属基摩阻复合材料：基体： 基和 增摩剂和减摩剂 2）树脂基摩阻复合材料。 ）树脂基摩阻复合材料。 3）碳基摩阻复合材料。 ）碳基摩阻复合材料。
摩擦复合材料
碳基摩阻复合材料
碳/碳刹车片 碳刹车片
功能复合材料的优化设计
方法： 方法： 复合度 联接方式 对称性 尺度 周期性
功能复合材料的优化设计
1. 复合度 参与复合各组分的体积（质量） 参与复合各组分的体积（质量）分数和 布局结构
混和法则
功能复合材料的优化设计
2、联接方式 、 各组分在三维空间中相互联接的形式
几种联接组合示意图 (a)颗粒 基体；（ ）单向纤维 基体；（ ）片层复合；（ ）互穿网络 颗粒/基体；（b）单向纤维/基体；（c）片层复合；（ 基体；（ ；（d） 颗粒 基体；（
导电复合材料
5、金属基导电复合材料 、 目的：在不降低金属材料导电性能的基础上， 目的：在不降低金属材料导电性能的基础上，提 高强度和耐热性能 钢丝/铝 如：Al2O3/Cu; 钢丝 铝 6、超导复合材料 、 超导材料与Cu/Ag的复合体，提高稳定性。 的复合体， 超导材料与 的复合体 提高稳定性。 Nb-Ti/Cu; Nb3Sn/Cu（磁悬浮列车用材） （磁悬浮列车用材）
第六章 复合材料 材料科学基础课件
设计纤维增强金属基复合材料的目标： 提高基体在室温下和高温下的强度和弹性模量。
纤维增强复合材料的机理：
1。微细的增强纤维因直径较小，产生裂纹的几率降低。
2。纤维在基体中，彼此隔离，纤维表面受到基体的保， 护，不易受到损伤，不易在承载中产生裂纹，增大承载力。
3。纤维在基体中，即使有些裂纹会断裂，但基体能阻止 裂纹扩展。
三.聚合基粒子复合材料
1. 粒子增强聚合物 (1).电绝缘材料 (2).钙塑材料 聚氯乙烯塑料.聚乙烯钙塑料和聚丙烯钙塑料 (3).耐磨材料 (4).粒子增强橡胶 主要的补强剂是炭黑 2. 粒子分散质增强机理 粒子分散质增强机理认为.填料粒子的活性表面能与若干高分子链 相结合形成一种交联结构.为了提高增强效果,可对填料粒子进行
与则,适合于 容易产生气泡 长纤维增强体系
B-Al,SiC-Al,C-Al,WAl,
温度低,纤维损伤小 基体有限制,容易 W-Ni,W-Cu, B-Al, 产生气泡,效率低
不损伤纤维
容易产生气泡,效 Be-Al, B-Al, C-Al 率低
纤维取向规则,浸润好, 时间较长 温度较低,界面反应不 严重
纤维增强金属基复合材料界面的类型 I。纤维与基体互不反应、互不溶解的界面。 II。纤维与基体不反应、但相互溶解的界面。 III。纤维与基体反应形成界面反应层。
界面结合的类型
I。机械结合：借助增强纤维表面凹凸不平的形态而产生的
机械铰合和基体与纤维之间的摩擦阻力形成。
II。溶解与侵润结合：液态金属对增强纤维的侵润，而
三.高性能纤维增强塑料
用各种高强度.高模量纤维来增强高强聚合物,可得到比强度高,刚 性好,抗蠕变的高性能复合材料. 1. 碳纤维增强聚合物复合材料
碳纤维增强环氧是强度,刚度,耐热性均好的复合材料.质轻而且 耐腐蚀,缺点是造价高 2. 芳香族聚酰胺纤维增强塑料 即芳纶纤维,与树脂基体相容性好,具有优异的性能且价格低于碳 纤维复合材料,具有发展前途
纤维增强复合材料的机理：
1。微细的增强纤维因直径较小，产生裂纹的几率降低。
2。纤维在基体中，彼此隔离，纤维表面受到基体的保， 护，不易受到损伤，不易在承载中产生裂纹，增大承载力。
3。纤维在基体中，即使有些裂纹会断裂，但基体能阻止 裂纹扩展。
三.聚合基粒子复合材料
1. 粒子增强聚合物 (1).电绝缘材料 (2).钙塑材料 聚氯乙烯塑料.聚乙烯钙塑料和聚丙烯钙塑料 (3).耐磨材料 (4).粒子增强橡胶 主要的补强剂是炭黑 2. 粒子分散质增强机理 粒子分散质增强机理认为.填料粒子的活性表面能与若干高分子链 相结合形成一种交联结构.为了提高增强效果,可对填料粒子进行
与则,适合于 容易产生气泡 长纤维增强体系
B-Al,SiC-Al,C-Al,WAl,
温度低,纤维损伤小 基体有限制,容易 W-Ni,W-Cu, B-Al, 产生气泡,效率低
不损伤纤维
容易产生气泡,效 Be-Al, B-Al, C-Al 率低
纤维取向规则,浸润好, 时间较长 温度较低,界面反应不 严重
纤维增强金属基复合材料界面的类型 I。纤维与基体互不反应、互不溶解的界面。 II。纤维与基体不反应、但相互溶解的界面。 III。纤维与基体反应形成界面反应层。
界面结合的类型
I。机械结合：借助增强纤维表面凹凸不平的形态而产生的
机械铰合和基体与纤维之间的摩擦阻力形成。
II。溶解与侵润结合：液态金属对增强纤维的侵润，而
三.高性能纤维增强塑料
用各种高强度.高模量纤维来增强高强聚合物,可得到比强度高,刚 性好,抗蠕变的高性能复合材料. 1. 碳纤维增强聚合物复合材料
碳纤维增强环氧是强度,刚度,耐热性均好的复合材料.质轻而且 耐腐蚀,缺点是造价高 2. 芳香族聚酰胺纤维增强塑料 即芳纶纤维,与树脂基体相容性好,具有优异的性能且价格低于碳 纤维复合材料,具有发展前途
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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。
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。
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
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
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
复合材料的复合效应
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。
• 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。
• 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。
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
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
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
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
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
• 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。
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）
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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.
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
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：
• 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 。
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。