復合材料的發(fā)展第1頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)復合材料的發(fā)展方向復合材料基礎理論問題復合材料新的設計和制備方法功能、多功能、機敏、智能復合材料納米復合材料仿生復合材料第2頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月一、復合材料基礎理論問題復合材料的基礎理論問題較多，但是突出的當屬界面問題和可靠性問題，復合材料性能受其界面結構的影響極大，因而前者是復合材料所特有而重要的問題?？煽啃詥栴}也是制約復合材料發(fā)展的關鍵問題，因此需要給予足夠的重視。第3頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月界面的研究。首先對各種基體的復合材料結構進行細致的考察，提高包括迄今尚未完善的表征方法。優(yōu)化界面的設計、界面改性方法和及界面殘余應力的行為等研究水平。同時開展目前尚未涉足的功能復合材料的界面研究來了解界面?zhèn)鬟f功能的行為等新課題。第4頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月可靠性的研究。復合材料的可靠性與其組分、設計加工工藝和環(huán)境等密切相關，同時也需要進一步完善評價檢測和監(jiān)控的方法。第5頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月二、復合材料新的設計和制備方法計算機技術和信息技術的發(fā)展給復合材料的發(fā)展帶來了新的機遇，發(fā)展了逆向設計和虛擬設計等方法。目前復合材料的制備工藝正在不斷的改善與提高如樹脂遷移模塑法、反應注射成型(含增強體的方式)以及電子束固化等新工藝，提高了工藝效率，并改善了制品質量。同時一些新的復合技術如原位復合、自蔓延技術、梯度復合以及其他一些新技術已經嶄露頭角，顯示各自的優(yōu)越特點。這也是復合材料發(fā)展的驅動力。特別令入注意的是，設計制造一體化已經形成概念，并正向成為現實的方向進展。第6頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月三、功能、多功能、機敏、智能復合材料傳統(tǒng)復合材料多為結構復合材料，其實它的設計自由度大的特點更適合于發(fā)展功能復合材料，特別是能在由功能多功能機敏智能復合材料，即從低級形式到高級形式的過程中體現出來。設計自由度大是由于復合材料可以任意調節(jié)其復合度，選擇其連接形式和改變其對稱性等因素，以期達到功能材料所追求的高優(yōu)值。此外復合材料所特有的復合效應更提供廣闊的設計途徑。第7頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月功能復合材料：它涉及的范圍非常寬，如用于電學功能的導電、超導、絕緣、吸波(電磁波)、半導電、屏蔽或透過電磁波、壓電與電致伸縮等：用于磁學功能則有永磁、軟磁、磁屏蔽和磁致伸縮等，在光學功能上有透光、選擇濾光、光致變色、光致發(fā)光、抗激光、x線屏蔽和透x光等：在聲學功能方面有吸聲、聲納、抗聲納等；在機械功能方面則有阻尼減振、自潤滑、耐磨、密封、防彈裝甲等；在化學功能方面有選擇吸附和分離、抗腐蝕等第8頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月多功能復合材料：利用復合材料多組分特點，發(fā)展成多功能復合材料，首先會形成功能與結構共存的形式，例如美國軍用飛機具有自我保護的隱身功能，即在飛機的蒙皮上使用吸收電磁波的功能復合材料來躲避雷達跟蹤，而這種復合材科又是高性能的結構復合材料，從而成為多功能復合材料。目前正在研制兼有吸收電磁波、紅外線和結構多功能復合材料。第9頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月機敏復合材料入類一直期望著材料具有能感知外界且可作出適當反應的能力。目前已經開始試將傳感功能材料和具有執(zhí)行功能的材料，通過某種基體復合在一起，并聯外部信息處理系統(tǒng)把傳感器給出的信息傳達并啟動執(zhí)行材料動作。這樣就構成了機敏復合材料(smartcomposite)及其系統(tǒng)，使之能夠感知外部環(huán)境的變化，作出主動的響應。它的作用可表現在自診斷、自逅應和自修復的能力上。第10頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月智能復合材料它是功能類材料的最高形式，實際上它是在機敏復合材料的基礎上進行自決策，指揮執(zhí)行材料作出優(yōu)化動作。這當然對材料的傳感部分和執(zhí)行部分的靈敏度、穩(wěn)定性和響應速度提出了更高的要求。盡管難度很大但是具有重要意義，值得作為追求的目標。第11頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月四、納米復合材料當材料尺寸進入納米范圍時，材料的主要成分集中在表面，例如直徑為2nm的顆粒其表面原子數將占有整體的8％。巨大的表面所產生的表面能使具有的米尺寸的物體之間存在極強的團聚而又能令保持納米尺寸的單個體(顆?；蚱渌螤钗矬w)發(fā)揮其納米效應。這種效應的產生是來源于其表面原子呈無序分布狀態(tài)而具有特殊的性質，表現在量子尺寸效應、宏觀量隧道效應、表面與界面效應等。由于這些效應的存在使納米復合材科不僅具有優(yōu)良的力學性質而且也會產生光學、非線性光學、光化學和電學的功能作用。第12頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月有機—無機納米復合材料有機無機分子間強相互作用有共價健型、配位鍵型和離子鍵型，形成種類健型均有其對應的制備方法。例如共價鍵型納米復合材料的制各基本上采用凝膠溶膠法，可以實現分子水平混合，賦予它優(yōu)異的性能。新近發(fā)展迅速的離子型有機—無機納米復合材料是通過對無機層狀物插層來制得的，因此無機納米相僅有一維是納米尺寸。由于層狀硅酸鹽的片層之間表面帶負電，所以可先用陽離子交換樹脂借助靜電吸引作用進行插層，而該樹脂又能與某些高分子單體或熔體發(fā)生作用．從而構成納米復合材料。研究表明這種復合材料不僅能作為結構用也可作為功能材料。第13頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月無機—無機納米復合材料無機—無機納米復合材料雖然研究較早，但進展較慢，這是因為在加工過程中無機納米顆粒間的團聚和晶粒長大作用難以克服，正在研究解決中，采用在基體中利用反應原位產生納米增強相的方法可能是有效的措施。第14頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月五、仿生復合材料仿生復合材料仔細分析天然材料可以發(fā)現它們的形成結構、排列分布非常合理。例如竹子為管式纖維，外密內硫，并呈正反螺旋形排列．使之成為人類長期使用的優(yōu)良天然材料。又如貝殼則是以天機質成分與有機質成分里層狀交替更層而成，從而使之既具有很高強度又有很好的韌性。這些都是生物在長期進化演變中形成的優(yōu)化結構形式，為人類提供了學習借鑒的源泉。為此，可以通過系統(tǒng)分析和比較，吸取有用的規(guī)律井形成概念，把從生物材料學習到的知識結合材料科學的理論基礎和手段來進行新型材料的設計與制造。第15頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)導電復合材料聚合物基導電復合材料是由絕緣的有機高分子材料與各種導電物質以均勻分散復合、層疊復合或者形成表面導電膜等方式制得的一種功能復合材料。第16頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

第17頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月一、分類按高分子基體樹脂的應用性能分類：導電性涂料、粘合劑、導電彈性體和導電塑料等；按復合材料的導電性能分類：半導電性材料(電阻率ρ＞107Ωm)、防靜電材料(ρ104~107Ωm)、導電材料(ρ1~104Ωm)、高導電材料(ρ10-3~1Ωm)等；按復合材料的特殊功能分類：可分為光電導性材樹、熱敏導電材料、壓敏導電材料、輻射誘導導電材料等。按復合材料的外觀分類：可分為透明材料、著色材料等第18頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月二、導電機理導電復合材料的導電機理非常復雜，通?？梢苑譃閷щ娡返男纬珊托纬蓪щ娡泛笕绾螌щ妰蓚€方面。1、導電通路的形成實驗表明，當復合體系中導電填料的含量增加到一個臨界值之后，體系的電阻率突然下降，變化幅度達10個數量級左右，然后即使導電填料含量繼續(xù)增加，復合材料的電阻率變化也很小。第19頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月—些學者分別從球狀導電填料的體積分數和電導率、單個導電粒子與同相其他粒子的接觸數、等效電路模型等角度進行探討，提出了一些理論，但他們大多是從填料幾何特征出發(fā)，而沒有從分子熱力學的角度去考慮，忽視了高分子基體與導電場料材料的差異以及彼此之間界面效應對復合體系導電通路形成的影響，因此，這些理論都難以解釋導電性突變點與所用高分子材料和填料的種類有關這一實驗事實。第20頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月Miyasaka理論Miyasaka等提出了導電聚合物復合材料的熱力學理論，克服了前述理論的一些缺陷。在這個理論中，聚合物—導電材料的界面效應起著十分重要的作用。以聚合物—炭黑復合體系為例，在其制備過程中炭黑粒子的自由表面變成濕潤的界面，形成聚合物—炭黑界面層。體系產生了界面能過剩。隨炭黑含量的增加，聚合物—炭黑界面能過剩不斷增大。因此．使復合材料電阻率突降的炭黑臨界含量是一個與體系界面能過剩有關的參數。Miyasaka等認為，除與功能體及基體的表面張力有關外，界面能過剩達到一個與聚合物種類無關的普適常數之后，炭黑粒子即開始形成導電網絡。第21頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2、形成導電通路后的導電行為這個方面主要涉及導電填料之間的界面問題．有關這方面的理論很多，概括起來有以下三種：導電粒子相互連接成鏈，電子通過鏈移動產生導電現象，即“導電通道學說”；除了粒子之間的接觸，電子也可在分散在基體中的導電粒子間隙遷移而產生導電現象，即“隧道效應學說”；由于導電粒子之間的高強電場，產生發(fā)射電流，即“電場發(fā)射學說”，第22頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月三、導電復合材料組分導電復合材料用聚合物基體，要使聚合物形成具有導電特性的復合材料，可在聚合物中加入導電性功能體并分散于復合導電體系中。這里主要敘述在高分子結構中引入離子傳導官能團的離子性電導體。這類官能團中最常用的有磺酸鹽印叔胺鹽．分別稱為陰離子和陽離子導電體。這些聚合物是分子質量為幾千到數萬的中等相對分子質量聚合物，常以含量30％一50％的溶液狀態(tài)使用。第23頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月1、炭黑系導電復合材料聚合物與各種填料復合后其導電效果各不相同，其中炭黑的優(yōu)點是顯著的，這是因為炭黑粒子?。?0~40nm），粒子間接觸的機會多，并在聚合物的結晶部分排列成鏈狀。炭黑的作用除導電外，還具有著色和補強的作用。第24頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月炭黑填料對性能的影響第25頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2、金屬系導電復合材料導電性金屬填料與炭黑不同。有粒狀和薄片狀，添加量不到相當大的程度不能期望其有導電性，因此一般用作導電涂料。對于電鍍品，出于電鍍糊的好壞與否對導電件有影響以及電鍍剝離等不穩(wěn)定因素，故不能簡單地采用。目前，金屬填料中以鋁、黃銅、不銹鋼為代表的金屬短纖維的研究正在不斷地進行。第26頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月日本東大生產技術研究所用高頻振動切削法開發(fā)了各種金屬纖維，研究了與聚合物混煉后體積電阻的變化以及金屬本身的電阻和長徑比對復合材料的導電性的影響。第27頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬纖維導電填料存在的問題是：由熱循環(huán)而引起的電阻率上升，成型性和成型物外觀不良，強度較差等。由熱循環(huán)而引起的電阻上升是由于金屬氧化物的形成或聚合物膨脹與收縮反復過程中產生的填料間的接觸不良所致。如易于氧化的金屬鋁等主要是由于氧化而引起電阻率上升，其他如銅和不銹鋼，由于在聚合物中不易氧化，接觸不良則是主要原因，成型性和成型物的外觀不良與填料大小有關，使用直徑小的纖維可改善這種狀況。由于金屬纖維的直徑最小為20一30um，因此它不如碳纖維和玻璃纖維。第28頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)磁性復合材料顧名思義，磁性復合材料是一種帶有磁功能特性的復合材料。就目前存在的材料中，有兩大類不同應用特性的磁性復合材料：一類是以磁功能為主要應用目的的材料，通常稱為磁性復合材料；另一類是兼有磁性功能的其他功能特性復合材料，在應用中，也不是以磁功能為主要應用目的的。后者如復合磁性分離材料，它是以化學分離功能為主要應用目的的磁性復合材料。第29頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月一、基本概念(1)軟磁材料和永磁材料：在經過磁化后，離開磁場能保持磁性的是因磁材料，不能保持磁性的是軟磁材料磁場強度：磁場強度的單位是用穩(wěn)定電流在空間產生的磁場的強度來規(guī)定的．一根載有I安直流電流的無限長直導線，在離導線軸線為r米的地方所產生的磁場強度為H=I/(2πr)A/m在高斯單位制中，磁場強度的單位是奧斯特，簡稱奧,符號為Oe。兩種單位之間的換算關系為1Oe=1000/4π=79.577A／m．第30頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月一、基本概念(2)磁矩m和磁化強度M：通常，我們把尺度小到原子的小磁體為磁偶極子。真空中每單位外加磁場作用在磁偶極子上的最大力矩來度量它的磁偶極矩Pm。磁偶極子的磁矩m和磁偶極矩Pm有如下關系m=pm/μ0式中，μ0是真空磁導率。在國際單位制中，μ0＝4πr×10-7亨／米(H／m)，磁偶極矩的單位是韋·米(wb·m)，磁矩的單位是安·米2(A．m2)．在高斯單位制中，μ0=1，磁矩m和磁偶極矩Pm沒行差別，統(tǒng)稱為磁矩，其單位為電磁單位，一般用e.m.u或CGSM表示。兩種單位制中相應單位的換算關系為1e.m.u(磁偶極矩)＝4π·10-10Wb·m，1e.m.u(磁矩)＝10-3A·m2第31頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月一、基本概念(3)磁極化強度J和磁化強度M：單位體積材料內磁偶極矩的矢量和稱為磁極化強度J，其單位是特斯拉，簡稱特(T)。單位體積材料內磁矩的矢量和稱為磁化強度M，單位是安／米(A／m)。在高斯單位制中，磁極化溫度和磁化強度是相同的，統(tǒng)稱為磁化強度，單位為高斯(G)．相應的單位換算關系是對磁極化強度J，1G＝4×10-4T對磁化強度M，1G＝103A／m．第32頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月一、基本概念(4)磁感應強度B：在國際單位制中，磁感應強度的定義公式為B=μ0（H+M）=μ0H+J（T，韋/米2，Wb/m2在高斯制單位中B=H+4πM（G,高斯）磁感應強度的單位高斯和特之間的換算關系為1G＝10-4T第33頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月一、基本概念(5)根據磁感應強度的定義公式，在沒有磁性材料的真空中，B和H除了差一系數之外，并沒合本質的差別．但是，一旦磁場中有磁性材料存在時，B和H就有了區(qū)別了。比如變壓器中，當初級線圈中通有電流時，鐵芯中便產生磁場H，使鐵芯磁化，這時鐵芯內部的H，B，M各不相同。第34頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月一、磁性復合材料的組分磁性復合材料主要是由強磁粉(功能體)、聚合物粘結劑(基體)和加工助劑三大部分組成。其中粘結劑性能的好壞對復合材料的磁性能、力學性能及成型加工性能有很大影響。加工助劑主要從改善材料的成型性能方面來提高磁性能。第35頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月1、功能體-磁粉以磁粉品種分類，主要可分為鐵氧體類和稀土類復合永磁。磁粉性能的好壞是直接影響磁性復合材料的關鍵因素之一。磁粉性能的優(yōu)劣與其組成、顆粒大小、粒度分布以及制造工藝有關。第36頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）鐵氧體磁粉鐵氧體磁粉是最早使用的磁粉。BaO·6Fe2O3,或者SrO·6Fe2O3為主要成分優(yōu)點：價格便宜，易于成型，性能穩(wěn)定缺點：性能差，磁能積只有（0.5~1.4）×7958T·A/m第37頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)稀土類復合永磁粉第一代：SmCo5,最大磁能積可達7*104T·A/m缺點是熱穩(wěn)定性差，易氧化，導致性能下降；價格昂貴，為鐵氧體的30-60倍。第二代：Sm2Co17，是由SmCo5摻雜改性得到的，最大磁能積可達1.4*105T·A/m，使用溫度可達100℃.第三代：NdFeB,價格比上述便宜1/3到1/2，最大磁能積可達6.4*104T·A/m

第38頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）顆粒的影響(1)鐵氧體和SmCo5類粉體的矯頑力是由磁體內部的晶粒形核機制所控制，當磁粉顆粒尺寸大小接近或等于單疇尺寸大小時．其矯頑力明顯提高，抗外界磁干擾能力明顯增大。Ba、Sr類鐵氧體的臨界單疇尺寸為1um左右，因此，Ba,Sr類鐵氧體復合永磁所用磁粉一般選用顆粒為1.0-1.2um的磁粉。SmCo5的類最佳顆較大，為3-4um，一般控制在10um左右。第39頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）顆粒的影響(2)Sm2Co17和熔融—淬火法生產的微晶NdFeB磁粉的矯頑力是由晶粒內部疇壁釘扎所決定。其矯頑力不受顆粉大小的影響。這類磁粉顆粒的大小主要由填充密度和制造工藝等因索來決定。Sm2Co17一般控制在4-5um。采用粉末冶金法生產的NdFeB磁粉，其磁性能嚴重下降，不能用于制造復合永磁材料。第40頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）粒度分布磁粉粒度分布對磁性復合材料性能也有影響。當顆粒大小分布范圍適宜時，將有利于提高材料的填充密度，有利于磁粉在基體樹脂中的均約分布，從而提高磁性能。磁粉的制備工藝對磁粉性能影響很大，確定適宜的磁粉制備工藝對復合永磁性能是極為重要的。第41頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）制備工藝第42頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2聚合物基體磁性復合材料的基體主要是起強粘結作用，通?？刹捎脽崴苄院蜔峁绦詢深悩渲?。由于磁粉的填充量高達90％以上，成型時混合物的熔融粘度較純樹脂大得多，流動性很差，故磁性復合材料所用的粘結劑要求在成型時提供較好的流動性和較高的強度。熱塑性樹脂中，由于尼龍的熔融粘度較低，力學性能好，故是制備磁性復合材料最常用的熱塑性基體。熱固性樹脂中，不飽和聚酯、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂也是常用的基體材料。第43頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月3加工助劑常加入助劑來改善體系的流動性，以提高磁功能體沿易磁化軸的方向取向和提高磁粉含量，也常使用一些硬脂酸鹽潤滑劑、偶聯刑及增塑劑等。硅偶聯劑同時對磁功能體的抗氧化能力還可起到一定的作用。第44頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月4磁性復合材料性能的劣化機理及防護(1)稀土磁性復合材料Sm-Co復合永磁磁性能劣化的外界原因一般有三個：一是吸附在磁粉表面的氧和濕氣在成型過程中很難全部除去，它與磁粉表面反應導致氧化腐蝕，使性能劣比；二是成型時有大量的含氧雜質裹入復合材料，導致磁粉的氧化；二是用含強氧化劑的樹脂體系為基體材料時，加速了磁粉的氧化。第45頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）NdFeB復合永磁材料性能的劣化機理T．wmowa認為在NdFeB磁體中通常含有三個相：Nd2Fe14B相,富Nd相，富B相。在腐蝕時，富B相和富Nd相在電化學反應中為正極，Nd2Fe14B相為負極，從而導致擇優(yōu)腐蝕，使結構疏松，有害介質繼續(xù)侵蝕，電化學反應不斷進行，造成磁體的性能劣比第46頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月磁粉的制造過程中和復合成體的制造過程中，都會帶入氧和濕氣，磁粉顆粒越細，表面積越大，暴露在環(huán)境中的晶界富Nd相就越多．氧比速率越大，故磁性能劣化越嚴重。氧和濕氣作用的典型反應如下：第47頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月基體體系中的強氧化物質對NdFeB復合材料磁性能的影響見下圖。不飽和聚酯中的過氧化物對功能體的氧化導致復合材料磁性能的下降看來是主要原因。第48頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）防護方法一是對NdFeB合金本