1、1,第九章 功能復(fù)合材料,2,復(fù)合材料按使用目的可分為兩類: 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料,3,功能復(fù)合材料是指除機(jī)械性能以外而提供其他物理性能的復(fù)合材料，如導(dǎo)電、超導(dǎo)、半導(dǎo)、磁性、壓電、阻尼、吸聲、摩擦、吸波、屏蔽、阻燃、防熱、隔熱等功能復(fù)合材料。,4,功能復(fù)合材料主要由功能體和基體組成，或由兩種(或兩種以上)功能體組成。,5,在單一功能體的復(fù)合材料中，其功能性質(zhì)雖然由功能體提供，但基體不僅起到粘結(jié)和賦形作用，同時(shí)也會(huì)對(duì)復(fù)合材料整體的物理性能有影響。,6,多元功能體的復(fù)合材料可以具有多種功能，同時(shí)還有可能由于產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)而出現(xiàn)新的功能。 因此，多功能復(fù)合材料成為功能復(fù)合材料的發(fā)展方向。,7,1

2、、功能復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng),材料在復(fù)合后所得的復(fù)合材料，依據(jù)其產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)的特征，可分為兩大類： 一類復(fù)合效應(yīng)為線性效應(yīng)； 另一類則為非線性效應(yīng)。 在這兩類復(fù)合效應(yīng)中，又可以顯示出不同的特征。,8,不同復(fù)合效應(yīng)的類別,下表列出了不同復(fù)合效應(yīng)的類別。,9,平均效應(yīng) 是復(fù)合材料所顯示的最典型的一種復(fù)合效應(yīng)。它可以表示為：,式中，為材料性能，為材料體積含量，角標(biāo)c、m、f分別表示復(fù)合材料、基體和增強(qiáng)體（或功能體）。,10,復(fù)合材料的某些功能性質(zhì)，例如電導(dǎo)、熱導(dǎo)、密度和彈性模量等服從平均效應(yīng)這一規(guī)律。 例如，復(fù)合材料的彈性模量，若用混合率來表示，則為,11,平行效應(yīng) 顯示這一效應(yīng)的復(fù)合材料，它的各組分材

3、料在復(fù)合材料中，均保留本身的作用，既無制約，也無補(bǔ)償。,12,對(duì)于增強(qiáng)體（如纖維）與基體界面結(jié)合很弱的復(fù)合材料，所顯示的復(fù)合效應(yīng)，可以看作是平行效應(yīng)。,13,相補(bǔ)效應(yīng) 組成復(fù)合材料的基體與增強(qiáng)體，在性能上相互補(bǔ)充，從而提高了綜合性能，則顯示出相補(bǔ)效應(yīng)。,14,對(duì)于脆性的高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)體與韌性基體復(fù)合時(shí)，兩相間若能得到適宜的結(jié)合而形成的復(fù)合材料，其性能顯示為增強(qiáng)體與基體的互補(bǔ)。,15,相抵效應(yīng) 基體與增強(qiáng)體組成復(fù)合材料時(shí)，若組分間性能相互制約，限制了整體性能提高，則復(fù)合后顯示出相抵效應(yīng)。,16,例如，脆性的纖維增強(qiáng)體與韌性基體組成的復(fù)合材料，當(dāng)兩者界面結(jié)合很強(qiáng)時(shí)，復(fù)合材料整體顯示為脆性斷裂。,1

4、7,在玻璃纖維增強(qiáng)塑料中，當(dāng)玻璃纖維表面選用適宜的硅烷偶聯(lián)劑處理后，與樹脂基體組成的復(fù)合材料，由于強(qiáng)化了界面的結(jié)合，故致使材料的拉伸強(qiáng)度比未處理纖維組成的復(fù)合材料可高出30-40%，而且濕態(tài)強(qiáng)度保留率也明顯提高。,18,但是，這種強(qiáng)結(jié)合的界面同時(shí)卻導(dǎo)致了復(fù)合材料沖擊性能的降低。 因此，在金屬基、陶瓷基增強(qiáng)復(fù)合材料中，過強(qiáng)的界面結(jié)合不一定是最適宜的。,19,相補(bǔ)效應(yīng)和相抵效應(yīng)常常是共同存在的。 顯然，相補(bǔ)效應(yīng)是希望得到的，而相抵效應(yīng)要盡量能夠避免。 所有這些，可通過相應(yīng)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)來加以實(shí)現(xiàn)。,20,相乘效應(yīng) 兩種具有轉(zhuǎn)換效應(yīng)的材料復(fù)合在一起，即可發(fā)生相乘效應(yīng)。 例如，把具有電磁效應(yīng)的材料與具

5、有磁光效應(yīng)的材料復(fù)合時(shí)，將可能產(chǎn)生具有電光效應(yīng)的復(fù)合材料。,21,因此，通?？梢詫⒁环N具有兩種性能相互轉(zhuǎn)換的功能材料X/Y和另一種換能材料Y/Z復(fù)合起來，可用下列通式來表示，即：,式中，、分別表示各種物理性能。 上式符合乘積表達(dá)式，所以稱之為相乘效應(yīng)。,22,相乘效應(yīng)的組合可以非常廣泛，已被用于設(shè)計(jì)功能復(fù)合材料。 常用的物理乘積效應(yīng)見下表所示：,23,復(fù)合材料的乘積效應(yīng),24,誘導(dǎo)效應(yīng) 在一定條件下，復(fù)合材料中的一個(gè)組分材料可以通過誘導(dǎo)作用使另一個(gè)組分材料的結(jié)構(gòu)改變，從而改變整體性能或產(chǎn)生新效應(yīng)。 這種誘導(dǎo)行為已在很多實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，同時(shí)也在復(fù)合材料界面的兩側(cè)發(fā)現(xiàn)。,25,例如，結(jié)晶的纖維增強(qiáng)體對(duì)

6、非晶基體的誘導(dǎo)結(jié)晶或晶形基體的晶形取向產(chǎn)生作用。 在碳纖維增強(qiáng)尼龍或聚丙烯中，由于碳纖維表面對(duì)基體的誘導(dǎo)作用，致使界面上的結(jié)晶狀態(tài)與數(shù)量發(fā)生了改變，如出現(xiàn)橫向穿晶等，這種效應(yīng)對(duì)尼龍或聚丙烯起著特殊的作用。,26,共振效應(yīng) 兩個(gè)相鄰的材料在一定條件下，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械的或電、磁的共振。 由不同材料組成的復(fù)合材料，其固有頻率不同于原組分的固有頻率，當(dāng)復(fù)合材料中某一部位的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，復(fù)合材料的固有頻率也會(huì)發(fā)生改變。,27,利用共振效應(yīng)，可以根據(jù)外來的工作頻率，改變復(fù)合材料固有頻率而避免材料在工作時(shí)引起的破壞。 對(duì)于吸波材料，同樣可以根據(jù)外來波長的頻率特征，調(diào)整復(fù)合頻率，達(dá)到吸收外來波的目的。,28,系

7、統(tǒng)效應(yīng) 這是材料的一種復(fù)雜效應(yīng)，至目前為止，這一效應(yīng)的機(jī)理尚不很清楚，但在實(shí)際現(xiàn)象中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種效應(yīng)的存在。,29,例如，交替疊層鍍膜的硬度大于原來各單一鍍膜的硬度和按線性混合率估算值，說明組成了復(fù)合系統(tǒng)才能出現(xiàn)的現(xiàn)象。,30,平均效應(yīng)、相乘效應(yīng)、平行效應(yīng)、誘導(dǎo)效應(yīng)、相補(bǔ)效應(yīng)、共振效應(yīng)、相抵效應(yīng)、系統(tǒng)效應(yīng)等各種復(fù)合效應(yīng)，都是復(fù)合材料科學(xué)所研究的對(duì)象和重要內(nèi)容，這也是開拓新型復(fù)合材料，特別是功能型復(fù)合材料的基礎(chǔ)理論問題。,31,2、功能復(fù)合材料的設(shè)計(jì) 復(fù)合材料的最大特點(diǎn)在于它的可設(shè)計(jì)性。 因此，在給定的性能要求、使用環(huán)境及經(jīng)濟(jì)條件限制的前提下，從材料的選擇途徑和工藝結(jié)構(gòu)途徑上進(jìn)行設(shè)計(jì)。,32,例

8、如，利用線性效應(yīng)的混合法則，通過合理鋪設(shè)可以設(shè)計(jì)出某一溫度區(qū)間膨脹系數(shù)為零或接近于零的構(gòu)件。 又如XY平面是壓電，XZ平面呈電致發(fā)光性，通過鋪層設(shè)計(jì)可以得到Y(jié)Z平面壓致發(fā)光的復(fù)合材料。,33,另外，模仿生物體中的纖維和基體的合理分布，通過數(shù)據(jù)庫和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)可望設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的仿生功能材料。,34,2.1 磁性復(fù)合材料 磁性復(fù)合材料(Magnetic composite materials)是以高聚物或軟金屬為基體與磁性材料復(fù)合而成的一類材料。,35,由于磁性材料有軟磁和硬磁之分，因此也有相應(yīng)的軟磁和硬磁復(fù)合材料。 此外，強(qiáng)磁性(鐵磁性和亞鐵磁性)細(xì)微顆粒涂覆在高聚物材料帶上或金屬盤上形成磁

9、帶或磁盤用于磁記錄，也是一類非常重要的磁性復(fù)合材料，又如與液體混合形成磁流體等。,36,2.1.1 永磁復(fù)合材料 典型的永磁材料包括永磁鐵氧體、鋁鎳鈷以及稀土永磁材料。,37,一般情況下，永磁材料的密度較高，脆而硬，不易加工成復(fù)雜的形狀。 但是，制成高聚物基或軟金屬基復(fù)合材料后，上述難加工的缺點(diǎn)可得到克服。,38,永磁復(fù)合材料的功能組元是磁性粉末，高聚物和軟金屬起到粘結(jié)劑的作用。 其中，高聚物使用較為普遍，常用的有環(huán)氧樹脂、尼龍和橡膠等材料。,39,永磁復(fù)合材料的制造方法常采用模壓、注塑、擠壓等工藝技術(shù)。 對(duì)于軟金屬粘結(jié)工藝來說，由于它較為復(fù)雜，因此除磁體要求在較高溫度下(200 )使用外，很

10、少采用這種金屬基復(fù)合磁體。,40,很顯然，與高密度的金屬磁體或陶瓷磁體(鐵氧體)相比，復(fù)合磁體的優(yōu)良加工性能是以犧牲一部分磁性能為代價(jià)的。,41,非磁性基體及非磁性相的比例直接影響到材料的飽和磁化強(qiáng)度及剩余磁化強(qiáng)度，它可用下述關(guān)系式來表達(dá)：,42,其中，Mr為復(fù)合磁體的剩余磁化強(qiáng)度；Ms為磁性組元的飽和磁化強(qiáng)度；為復(fù)合磁體密度； o為磁性組元的理論密度；為復(fù)合物中的非磁性相的體積分?jǐn)?shù)；f為鐵磁性相在外磁場(chǎng)方向的取向度。,43,由于復(fù)合永磁材料的易成形和良好加工性能，因此常用來制作薄壁的微型電機(jī)使用的環(huán)狀定子，例如計(jì)算機(jī)主軸電機(jī)，鐘表步進(jìn)電機(jī)等。,44,復(fù)合永磁材料的良好成型性，使其適用于制作體

11、積小、形狀復(fù)雜的永磁體。如汽車儀表用磁體，磁推軸承及各類蜂鳴器等。,45,復(fù)合永磁材料的功能體可看作是各類磁體粉末（如鐵氧體、鋁鎳鈷、Sm-Co、Nd-Fe-B等）制成的粘結(jié)磁體。 也可以選用兩種或兩種以上的不同磁粉與高分子材料復(fù)合，以便得到更寬范圍的實(shí)用性能。,46,2.1.2 軟磁復(fù)合材料 電器元件的小型化，導(dǎo)致磁路中追求更高的驅(qū)動(dòng)頻率，為此應(yīng)用的軟磁材料，除在靜態(tài)磁場(chǎng)下經(jīng)常要求的高飽和磁化強(qiáng)度和高磁導(dǎo)率外，還要求它們具有低的交流損耗PL。,47,通常較大尺寸的金屬軟磁材料，其相對(duì)磁導(dǎo)率 r 隨驅(qū)動(dòng)頻率的增大而急速下降，如下圖所示：,48,Fe-Si-Al粉末顆粒復(fù)合體相對(duì)磁導(dǎo)率隨驅(qū)動(dòng)頻率

12、的變化,49,如果把軟磁材料（例如Fe-Si-A1合金）制成粉末，表面被極薄的A12O3層或高聚物分隔絕緣，然后熱壓或模壓固化成塊狀軟磁體，則,50,從圖A、B、D曲線看出，它的r值在相當(dāng)寬的驅(qū)動(dòng)頻率范圍內(nèi)不隨交變場(chǎng)頻率的升高而下降，從而保持在一個(gè)較平穩(wěn)的恒定值。,51,這種復(fù)合軟磁材料的相對(duì)磁導(dǎo)率r值可由下式描述:,式中d、c和分別表示金屬粒子尺寸、塊狀金屬相的磁導(dǎo)率和包覆層厚度。,52,顯然，選擇合適的金屬粒子尺寸和包覆層厚度即可獲得所需的相對(duì)磁導(dǎo)率r值，這對(duì)電感器和軛源圈的設(shè)計(jì)是十分重要的。,53,由于絕緣物質(zhì)的包覆，這類材料的電阻率比其母體合金高得多(高1011倍)，因此在交變磁場(chǎng)下具

13、有低的磁損耗PL。 下圖顯示了在1MHz高頻下，復(fù)合材料磁損耗與粉末顆粒尺寸D的關(guān)系。,54,磁損耗與軟磁粉粒度的關(guān)系,從圖中可看出，粉末尺寸越小，損耗越低。 因此，可以通過調(diào)整磁性粉末顆粒的尺寸來調(diào)節(jié)損耗L值。,55,2.1.3 磁性記錄與讀出 記錄聲音和圖像，然后將其讀出(再生)的過程，如下圖所示。,56,磁記錄再生的原理示意圖,57,由麥克風(fēng)及攝像機(jī)將聲音及光變成電信號(hào)，再由磁頭變成磁信號(hào)，從而固定在磁記錄介質(zhì)上。 讀出時(shí)，與記錄過程相反，使聲音和圖像再生。,58,理想的磁記錄介質(zhì)要盡可能地高密度，能長期保存記錄，再生時(shí)盡可能高輸出。 在考慮能夠?qū)崿F(xiàn)高密度、長期保存、高輸出時(shí)，大致有兩方

14、面的考慮，一是磁性材料的種類，二是以磁性層為中心的疊層結(jié)構(gòu)的構(gòu)成。,59,2.2 磁性材料 作為記錄介質(zhì)的強(qiáng)磁性材料，主要性能指標(biāo)是矯頑力Hc和剩余磁化強(qiáng)度Mr的大小。 這兩個(gè)性能指標(biāo)不僅受磁性材料種類的影啊，也受顆粒的大小和形狀的影響。,60,下表列出了目前使用的磁記錄介質(zhì)材料的磁特性。,各種磁性粉末的特性,表中的排列是按發(fā)展的順序排列的。,61,從表中可看出，每一次材料的重大改進(jìn)都使介質(zhì)材料的磁性產(chǎn)生一次質(zhì)的飛躍，與此同時(shí)，也使磁記錄密度獲得一次大的提高。,62,2.3 疊層結(jié)構(gòu)對(duì)磁帶性能的影,在現(xiàn)有材料基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步提高記錄密度，就應(yīng)考慮在疊層結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化。,63,一般對(duì)于粉狀磁性材

15、料，先制造以適當(dāng)高分子為粘結(jié)劑的涂料，然后把該涂料用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行涂敷、干燥，制造出如下圖所示的一種層壓薄片，這就是記錄磁帶。顯然，它屬于疊層型的功能復(fù)合材料。,64,記錄磁帶的結(jié)構(gòu),65,到目前為止，為提高涂敷型磁帶的性能采取了下面一些措施： (1)提高磁性層中磁性材料的填充率； (2)盡可能縮小磁性材料的顆粒； (3)縮小磁頭與磁帶間的空隙，防止磁損失。,66,上面這些都是能夠提高磁帶記錄密度的措施。但是，這些改進(jìn)都是有限度的，超過一定極限值會(huì)導(dǎo)致一些負(fù)面作用出現(xiàn)。 因此，為了進(jìn)一步改善記錄密度，就需要有新的疊層構(gòu)思和技術(shù)，即要?jiǎng)?chuàng)造出以復(fù)合技術(shù)為中心的新功能。,67,目前，研究者對(duì)此進(jìn)行兩

16、種嘗試。 一、嘗試把現(xiàn)在單一的磁性層變成雙磁性層。 二、不是用涂敷磁性粉末和粘結(jié)劑混合成的涂料的方法來制造磁性層，而是依靠真空鍍敷Co/Ni合金薄膜的方法，來制造磁帶。,68,把單一磁性層變成雙磁性層的嘗試是采用上層使用高嬌頑力的微顆粒金屬磁性材料，厚度為0.4um，下層使用低矯頑力的鈷改性的氧化鐵磁性材料，厚度為2.5um。這樣，上層能夠高效率地記錄，再生用高頻和較強(qiáng)磁場(chǎng)記錄的亮度信號(hào)。,69,另一方面，因?yàn)樯{(diào)信號(hào)和聲音信號(hào)是低頻，在磁性層深部才變?nèi)酢Ｋ赃m當(dāng)?shù)卮钆渖蠈优c下層的厚度及矯頑力可得到比只使用一種磁性材料的磁性層更高的輸出功率。 這樣，不同波長都提高了輸出功率，可獲得更清晰的圖像

17、和聲音。 然而這種雙層結(jié)構(gòu)給涂敷技術(shù)提出更高的要求，不是常規(guī)涂敷方法能實(shí)現(xiàn)的。,70,Co-Ni合金薄膜磁帶是基于將來需記錄信號(hào)的波長可能向短波長方向發(fā)展的角度出發(fā)而設(shè)計(jì)和構(gòu)思的。 短波長的磁場(chǎng)由于波及的深度淺，考慮到厚度損失的問題，那么0.2um程度的超薄膜是最理想的。要制造這樣的超薄膜，真空蒸鍍法是適合的。,71,此外，磁性材料具有較好的性能，本身就可以提高記錄密度。各種磁性粉末的特性如下表所示,72,由表中可見，剩磁最大的是Co-Ni合金，如果鍍成薄膜，磁性材料的填充率幾乎接近100。無論是剩磁大，還是填充率大都對(duì)提高輸出功率有好處。,73,2.4 磁流體 磁流體是強(qiáng)磁性(鐵磁性和亞鐵磁

18、性)細(xì)微顆粒與一種液體均勻混合而成的膠狀液體。 它既具有強(qiáng)磁性材料的多種磁特性，又具有液體的特性。,74,磁性液體由強(qiáng)磁性單疇顆粒(磁粉)、基質(zhì)液體(基液)和分散劑(表面活性劑)組成。,75,為了防止磁粉沉淀和凝聚，使磁性液體穩(wěn)定，必須選擇適當(dāng)?shù)拇欧哿健⒎稚┪镄詤⒘亢陀昧恳约盎何镄詤⒘?，使磁粉磁偶極矩間作用力和熱作用力的綜合效應(yīng)產(chǎn)生勢(shì)壘，以利于磁性液體穩(wěn)定。,76,組成中的磁粉采用金屬或非金屬強(qiáng)磁材料，通過化學(xué)沉淀法、熱分解法、機(jī)械研磨法、電解等方法制成，粒徑約1 100 nm的單疇顆粒。,77,基質(zhì)液體的種類很多，常根據(jù)用途選用。目前多采用非金屬基液，主要有以下六種。,78,(1)水

19、一種常用和經(jīng)濟(jì)的基液，可在較寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)pH值；但容易蒸發(fā)，適于制備在選礦和磁印刷等方面應(yīng)用的磁性液體。,79,(2)酯類和二酯類 蒸氣壓低，粘滯性適當(dāng)，潤滑性好，適于制備在真空密封和阻尼系統(tǒng)中應(yīng)用的磁性液體。,80,(3)烴類 粘度較低，電阻率和介電常數(shù)較高，適于制備在要求電絕緣好、粘滯性低的情況下應(yīng)用的磁性液體。,81,(4)氯碳類 適用溫度范圍寬，對(duì)氯氣等穩(wěn)定性高，不溶于其他液體，適于制備在溫度變化大和有氯氣的惡劣條件下應(yīng)用的磁性液體。,82,(5)聚苯醚類 蒸氣壓低，抗輻射性好，適于制備在高真空或輻照環(huán)境中應(yīng)用的磁性液體。,83,(6)水銀和低熔點(diǎn)金屬合金 導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性高，適于制備在

20、需要高傳熱或?qū)щ姷那闆r下應(yīng)用的磁性液體。,84,分散劑使磁粉表面吸附一層長鏈分子，構(gòu)成緩沖層，并使磁粉在磁場(chǎng)和電場(chǎng)作用下不會(huì)凝聚。,85,因此，要求分散劑的分子鏈一端吸附在磁粉表面，另一端與基液膠溶吸附； 另外，還要求分子鏈有一定鏈長，以獲得有效的防凝聚作用。,86,分散劑主要有陰離子分散劑、陽離子分散劑、兩性分散劑和中性(非離子)分散劑。分散劑用量一般約為磁粉重量的510。,87,2.4.1 磁流體的種類 根據(jù)組成、特性和應(yīng)用要求，磁性液體可分為三類。 (1)非金屬磁(粉)性液體： (2)金屬磁(粉)性液體 (3)純金屬磁性液體,88,(1)非金屬磁(粉)性液體 以非金屬磁粉(目前主要為Fe

21、3O4磁粉)與非金屬基液均勻混合成的膠狀液體，是目前應(yīng)用最多的一類。,89,(2)金屬磁(粉)性液體 以鐵(Fe)、鈷(Co)或其合金磁粉與非金屬基液均勻混合成的膠狀液體，其磁化強(qiáng)度高，磁性強(qiáng)。目前尚處干研究階段。,90,(3)純金屬磁性液體 以金屬磁粉和金屬基液均勾混合成的膠狀液體。其磁性、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性好，適于制造一些特殊裝置如磁流體發(fā)電機(jī)。目前多處于研究階段，應(yīng)用較少。,91,2.4.2 磁流體的特性和應(yīng)用 磁性液體與固態(tài)磁性材料相比具有以下四個(gè)方面的特點(diǎn):,92,(1)高度的穩(wěn)定性。能長期保持均勻狀態(tài)，在磁場(chǎng)和重力場(chǎng)中不會(huì)發(fā)生凝聚和成團(tuán)現(xiàn)象。 (2)可控的粘滯性?？捎赏饧哟艌?chǎng)控制其粘度

22、，并使粘度對(duì)磁場(chǎng)表現(xiàn)各向異性。,93,(3)典型的超順磁性。無磁滯回線現(xiàn)象，即剩磁和矯頑力都為零； (4)可調(diào)節(jié)的磁浮力。即可用外加磁場(chǎng)改變磁性液體的表觀密度和浮力。,94,由于磁性液體兼有強(qiáng)磁性和液態(tài)性質(zhì)，因而在電子、電機(jī)、儀表、石油化工和科學(xué)研究中得到應(yīng)用。,95,如用于運(yùn)動(dòng)部件的阻尼、潤滑和密封，不同密度物體的分選和分離，失重狀態(tài)下用的磁性燃料和磁性筆，磁控印刷，磁控染色，由磁性液體作為工作物質(zhì)的陀螺、聲換能器、磁流體電機(jī)和磁芯等。,96,3、 電性復(fù)合材料 作為復(fù)合材料的電導(dǎo)率沒有明確的數(shù)值來劃分導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。,97,兩種或兩種以上的金屬形成的復(fù)合材料顯然是導(dǎo)體； 相反，兩種或

23、兩種以上的絕緣體形成的復(fù)合材料電導(dǎo)率不會(huì)很高。,98,但是，復(fù)合材料中如果含有導(dǎo)電和絕緣兩種材料，那么它的電導(dǎo)率或是極端或是一些中間值，這取決于導(dǎo)體和絕緣體的相對(duì)含量、幾何分布和組元本身特性。,99,3.1 金屬填充材料的導(dǎo)電特性 將金屬顆粒混入高分子聚合物，高分子聚合物的電阻率就會(huì)發(fā)生變化，然而這個(gè)變化并非依據(jù)加和法則，而是當(dāng)金屬填料濃度達(dá)到一臨界體積c時(shí)，金屬填充聚合物發(fā)生一個(gè)如下圖所示的突然轉(zhuǎn)換，由絕緣體變成導(dǎo)電體。,100,苯乙烯丙烯腈共聚物中Al粉和Fe粉的體積分?jǐn)?shù)和電阻率的關(guān)系,101,這一臨界填料量稱之為復(fù)合材料的“導(dǎo)電門檻”值。 臨界濃度值與金屬填充顆粒的尺寸、分布、形狀以及制

24、造工藝有很大關(guān)系。 例如寬粒分布的鋁粉末的臨界體積分?jǐn)?shù)為0.4，而窄顆粒分布的粉末臨界體積分?jǐn)?shù)為0.2。,102,很多研究表明，一些絕緣性復(fù)合材料當(dāng)承受電壓達(dá)到臨界值時(shí)，會(huì)變成高導(dǎo)電性材料。 如果沒有大的電流通過，則消除電壓后樣品仍保持較低的電阻率，爾后再恢復(fù)到樣品的絕緣狀態(tài)。,103,復(fù)合材料電導(dǎo)率不僅與金屬填加物體積分?jǐn)?shù)有關(guān)，與溫度也有密切關(guān)系，從而顯現(xiàn)出正溫度效應(yīng)和負(fù)溫度效應(yīng)。,104,在一溫度范圍內(nèi)，復(fù)合材料的電阻隨著溫度的升高而升高(正溫度效應(yīng))。 當(dāng)超過某一溫度時(shí)，其電阻值又隨溫度的升高而下降(負(fù)溫度效應(yīng))。,105,由于電阻的正溫度效應(yīng)、負(fù)溫度效應(yīng)的存在，使復(fù)合材料成為一種開關(guān)材

25、料。 因此，可用于制備各種電子開關(guān)器件。,106,3.2 電磁屏蔽復(fù)合材料 解決電磁干擾、射頻干擾和信息防竊的復(fù)合材料稱為電磁屏蔽復(fù)合材料。,107,由于電磁波吸收率依賴于材料的電導(dǎo)率，因此，利用具有一定導(dǎo)電性的復(fù)合材料可滿足電磁屏蔽的需要。,108,以高分子材料為基體，填充導(dǎo)電材料可構(gòu)成適合用于電磁屏蔽的復(fù)合材料。 由于電磁屏蔽的復(fù)合材料具有性能好、成本低、成型工藝簡單的優(yōu)點(diǎn)，因此成為國際上電子材料研究的熱點(diǎn)。,109,電磁屏蔽復(fù)合材料有兩種類型。 (1)填充導(dǎo)電體的形式；其中，填料形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)是提供屏蔽功能的基本要素。,110,這種電磁屏蔽復(fù)合材料通常由絕緣性良好的熱塑性高分子(如ABS

26、、PC、PP、PE、PVC、PBT、PA及它們的改性和共混的樹脂)和導(dǎo)電性填料(如炭黑、鋁片粉、金屬纖維及表面金屬化的有機(jī)和無機(jī)纖維)及其他填加物復(fù)合而成，其屏蔽效果為4060dB。,111,鋁片在聚合物中體積分?jǐn)?shù)與屏蔽效率關(guān)系,屏蔽效果與導(dǎo)電體填充量，導(dǎo)電纖維長徑比有關(guān)，由圖中可看出，合適的填料體積分?jǐn)?shù)可獲得好的屏蔽效率，很多研究發(fā)現(xiàn)在臨界濃度值附近有最好的屏蔽效果。,112,鋁纖維帶的體積分?jǐn)?shù)、 長徑比與屏蔽效率的關(guān)系,圖中表明填充料的長徑比與屏蔽效果也有密切關(guān)系，填料長徑比越大，屏蔽性也越大，從另一角度看，長徑比也影響著最佳體積填充量。通常長徑比越大，最佳體積填充分?jǐn)?shù)越低。,113,電磁

27、屏蔽材料多用于電子設(shè)備的屏蔽，由于近代電子設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸多采用電視顯示方式，如計(jì)算機(jī)終端顯示器、監(jiān)視器、儀表的圖顯和數(shù)顯，都要求既透明，又能阻隔電磁波的材料。從這個(gè)角度上看，復(fù)合材料中最佳體積填充分?jǐn)?shù)為較低數(shù)值是理想的。,114,(2)用金屬絲與無機(jī)或有機(jī)纖維的混紡紗制成織物可作電磁波反射體。 這種反射型復(fù)合材料主要用于無線通信天線的電磁波反射裝置，但也可作計(jì)算機(jī)、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)等電子設(shè)備的電磁波屏蔽板。,115,3.3 復(fù)合材料壓電性能 壓電材料是指具有壓電效應(yīng)的材料，它廣泛應(yīng)用于換能器，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能之間的相互轉(zhuǎn)換。,116,壓電材料可以分為下面五類： (1)單晶材料，如石英、磷酸等；

28、(2)陶瓷材料，如鋯鈦酸鉛(PZT)、鈦酸鉛等； (3)高分子聚合物，如聚氯乙烯等； (4)復(fù)合材料，如PZT/聚合物等； (5)玻璃陶瓷，如TiSrO3等。,117,壓電復(fù)合材料是將壓電陶瓷相和聚合物相按一定連通方式，一定的體積/重量，及一定的空間分布制作而成，它可以成倍地提高材料的壓電性能。,118,以PZT/聚合物為例，其dh gb值提高l3倍(dh為壓電體的電荷系數(shù)；gb為壓電體的電壓系數(shù))。 此外，復(fù)合材料使加工性能，以及與水的匹配性也大為改善。,119,為了從本質(zhì)上極大地提高材料的壓電性能，將二元復(fù)合材料進(jìn)一步復(fù)合向三元或更多元方向發(fā)展，可望獲得更為優(yōu)異的壓電復(fù)合材料。,120,例

29、如： 鋯鈦酸鉛(PZT)和聚合物(P)，即PZTP； 鈦酸鉛(PT)和聚合物(P)，即PTP； 兩大二元系復(fù)合材料的再復(fù)合。,121,這兩大復(fù)合材料各有優(yōu)缺點(diǎn)： 其中，PZTP中的PZT壓電活性大，但其各向異性較小； PTP中PT的壓電活性小，但其各向異性大。,122,當(dāng)實(shí)現(xiàn)三相復(fù)合，即PZTPTP，勢(shì)必會(huì)體現(xiàn)出兩相系統(tǒng)所沒有的性能，這一方向是目前復(fù)合壓電材料的發(fā)展方向。,123,下面的關(guān)系圖說明了這一方向的發(fā)展,壓電復(fù)合材科的發(fā)展,124,3.4超導(dǎo)復(fù)合材料 超導(dǎo)材料被譽(yù)為第三代電子技術(shù)的核心，它在導(dǎo)彈與航天器跟蹤、制導(dǎo)、通信與防御以及激光武器電源上都具有廣泛的應(yīng)用潛力，可用于高性能高速計(jì)算

30、機(jī)，遠(yuǎn)紅外探測(cè)器，光通信，(遠(yuǎn))紅外成像以及磁懸浮列車等。,125,然而，高臨界轉(zhuǎn)變溫度的氧化物超導(dǎo)材料脆性大，雖有一定抵抗壓縮變形的能力，但其拉伸性能極差，成型性不好，使得超導(dǎo)體大規(guī)模實(shí)用受到了限制。,126,用碳纖維增強(qiáng)錫基復(fù)合材料通過擴(kuò)散粘結(jié)法(成型壓力為4MPa，150170 ，保溫15min)將YBa2Cu3O7超導(dǎo)體包覆于其中，從而獲得良好的力學(xué)性能、電性能和熱性能的復(fù)合材料。,127,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著碳纖維體積含量增加，碳纖維錫釔氧鋇銅復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨著不斷提高。 由于碳纖維基本承擔(dān)了全部的拉伸載荷，所以在斷裂點(diǎn)之前，碳纖維錫材料包覆的超導(dǎo)體一直都保持超導(dǎo)性能。 銅基復(fù)合材料也常用于超導(dǎo)復(fù)合材料的包覆材料。,128,4、隱身復(fù)合材料 由于探測(cè)技術(shù)的飛速發(fā)展和多種探測(cè)器的綜合使用，使得隱身材料也必須朝著多功能化、寬頻帶方向發(fā)展。 原來的金屬、陶瓷、半導(dǎo)體、高分子隱身材料很難適應(yīng)這一要求，因此復(fù)合隱身材料的發(fā)展就顯得格外重要。,129,隱身材料的基本原理 (1)降低目標(biāo)自身發(fā)出的或反射外來的信號(hào)強(qiáng)度； (2)減小目