1、1第八章第八章 先进复合材料先进复合材料n8.1 碳/碳复合材料n8.2 纳米复合材料n8.3 功能复合材料n8.4 梯度功能复合材料28.2 纳米复合材料纳米复合材料n8.2.1 概述概述n8.2.2 聚合物基纳米复合材料聚合物基纳米复合材料n8.2.3 陶瓷基纳米复合材料陶瓷基纳米复合材料n8.2.4 金属基纳米复合材料金属基纳米复合材料n8.2.5 纳米复合材料的应用纳米复合材料的应用3思考题思考题n1、纳米复合材料根据基体可以分为哪几种？你认为哪一类纳米复合材料更有前途，为什么？（聚合物、陶瓷、金属、半导体基纳米复合材料）n2、块体铝基纳米复合材料的制备方法有哪些？请对非晶纳米晶化方法
2、的优缺点进行评价。（液态法-搅拌铸造、熔体反应等，固态法-粉末冶金、机械合金化、SHS等；工艺简单、容易实现、可制备块体材料，成本较高、体系及尺寸受到限制）4第八章第八章 先进复合材料先进复合材料n8.3 功能复合材料8.3.1 功能复合材料的设计原则8.3.2 压电复合材料8.3.3 导电复合材料8.3.4 磁性复合材料8.3.5 其它功能复合材料n8.4 梯度功能复合材料58.3 功能复合材料功能复合材料n复合材料按复合材料按使用目的使用目的可分为两类可分为两类:结构复合材料结构复合材料和和功能功能复合材料复合材料。n功能复合材料功能复合材料是指除是指除机械性能以外机械性能以外而提供而提供
3、其它物理性其它物理性能能的复合材料，如的复合材料，如压电压电、导电导电、超导超导、半导半导、磁性磁性、阻尼阻尼、吸声吸声、摩擦摩擦、吸波吸波、屏蔽屏蔽、阻燃阻燃、防热防热、隔热隔热等功能复合材料。等功能复合材料。n功能复合材料功能复合材料主要由主要由功能体功能体和和基体基体组成，或由两种组成，或由两种(或或两种以上两种以上)功能体组成。功能体组成。6n在在单一功能体的复合材料单一功能体的复合材料中，其中，其功能性质功能性质虽然由虽然由功能体功能体提供，但提供，但基体基体不仅起到不仅起到粘结和赋形作用粘结和赋形作用，同时也会对复，同时也会对复合材料合材料整体的物理性能整体的物理性能有影响。有影响
4、。n多元功能体的复合材料多元功能体的复合材料可以具有可以具有多种功能多种功能，同时还有可，同时还有可能由于能由于产生复合效应产生复合效应而出现而出现新的功能新的功能。n多功能复合材料多功能复合材料成为成为功能复合材料的发展方向功能复合材料的发展方向。78.3.1 功能复合材料的设计原则功能复合材料的设计原则n复合材料的设计要充分考虑复合材料的设计要充分考虑平均效应平均效应、相乘效应相乘效应、平行效应平行效应、诱导效应诱导效应、相补效应相补效应、共振效应共振效应、相抵相抵效应效应、系统效应系统效应等各种复合效应。等各种复合效应。n在给定的在给定的性能要求性能要求、使用环境使用环境及及经济条件限制
5、经济条件限制的前的前提下，从提下，从材料的选择途径材料的选择途径和和工艺结构途径工艺结构途径上进行设上进行设计。计。n模仿生物体中的模仿生物体中的纤维纤维与与基体基体的的合理分布合理分布，通过，通过数据数据库和计算机辅助设计库和计算机辅助设计可望设计出可望设计出性能优良的性能优良的仿生功仿生功能材料能材料。8n结构-功能的综合与统一。n界面结合的改善。n工艺实现的难易程度。n原材料与成本。98.3.2 压电复合材料压电复合材料n压电材料压电材料是指是指具有压电效应的具有压电效应的材料，它广泛应用于材料，它广泛应用于换能器换能器，实现实现机械能与电能机械能与电能之间的相互转换。之间的相互转换。n
6、压电材料压电材料可以分为下面五类：可以分为下面五类：1)单晶材料单晶材料，如石英、磷酸等；，如石英、磷酸等；2)陶瓷材料陶瓷材料，如锆钛酸铅，如锆钛酸铅(PZT)、钛酸铅等；、钛酸铅等；3)高分子聚合物高分子聚合物，如聚氯乙烯等；，如聚氯乙烯等；4)复合材料复合材料，如，如PZT/聚合物等；聚合物等；5)玻璃陶瓷玻璃陶瓷，如，如TiSrO3等。等。10n压电复合材料压电复合材料是将是将压电陶瓷相压电陶瓷相和和聚合物相聚合物相按一定按一定连通方式连通方式，一定的一定的体积体积/质量质量，及一定的，及一定的空间分布空间分布制作而成，它可以制作而成，它可以成倍地成倍地提高材料的压电性能提高材料的压电
7、性能。n同时，复合材料使同时，复合材料使加工性能加工性能，以及，以及与水的匹配性与水的匹配性也大为改也大为改善。善。n将将二元复合材料二元复合材料进一步复合进一步复合向向三元或更多元方向三元或更多元方向发展，可发展，可望获得望获得更为优异的压电复合材料更为优异的压电复合材料。11n锆钛酸铅锆钛酸铅(PZT)和聚合物和聚合物(P)，即，即PZTP；钛酸铅；钛酸铅(PT)和聚合物和聚合物(P)，即，即PTP，可以，可以。中的中的PZT压电活性压电活性大，但其大，但其各向异性各向异性较小；较小；中中PT的的压电活性压电活性小，但其小，但其各向异性各向异性大。大。n当实现三相复合，即当实现三相复合，即
8、PZTPTP，势必会体现，势必会体现出两相系统所没有的性能，这一方向是目前出两相系统所没有的性能，这一方向是目前的发展方向。的发展方向。12PZTPPTPZT/PPT/PPZT+P/P13l压电材料压电材料具有优良的机电耦合效应，既可用作传感器，也能作具有优良的机电耦合效应，既可用作传感器，也能作为作动器，在结构振动控制、形状保持、为作动器，在结构振动控制、形状保持、健康监测等领域得健康监测等领域得到了广泛应用。到了广泛应用。l在基体材料表面粘贴或内部嵌入适量压电材料在基体材料表面粘贴或内部嵌入适量压电材料，构成压电复，构成压电复合合(层合层合)结构是常见的配置方式。结构是常见的配置方式。l建
9、立这类结构精确有效的机电耦合计算模型，是研究压电层合建立这类结构精确有效的机电耦合计算模型，是研究压电层合结构应用的重要问题。结构应用的重要问题。结构设计结构设计原材料准备原材料准备表面处理表面处理贴层（埋置）贴层（埋置）压合压合14直径：10mm,16mm,20mm,25mm频率：1.7MHz,2.0MHz,2.4MHz镀层：镀镍，镀钛，镀玻璃釉151)结构仅发生小变形，满足线性应变位移关系；结构仅发生小变形，满足线性应变位移关系；2)压电材料与基体结构之间为理想粘贴，忽略粘贴层的影响；压电材料与基体结构之间为理想粘贴，忽略粘贴层的影响；3)仅考虑线性压电本构关系。仅考虑线性压电本构关系。1
10、68.3.3 导电复合材料导电复合材料n没有明确的数值从没有明确的数值从复合材料的电导率复合材料的电导率来划分来划分导体、半导体导体、半导体和绝缘体和绝缘体。n两种或两种以上的金属两种或两种以上的金属形成的复合材料显然是形成的复合材料显然是导体。导体。相反，相反，两种或两种以上的绝缘体两种或两种以上的绝缘体形成的复合材料形成的复合材料电导率不会很高电导率不会很高。n复合材料中如果含有复合材料中如果含有导电导电和和绝缘绝缘两种材料，那么它的两种材料，那么它的电导电导率率或是或是极端极端或是一些或是一些中间值中间值，这取决于，这取决于导体和绝缘体的导体和绝缘体的相相对含量对含量、几何分布几何分布和
11、和组元本身特性组元本身特性。17l将将金属颗粒金属颗粒混入混入高分子聚合物高分子聚合物，高分子聚合物的电阻率高分子聚合物的电阻率就会发生变化，形成就会发生变化，形成金属填充复合材料。金属填充复合材料。l但是，这个变化并非依据但是，这个变化并非依据加和法则加和法则，而是当，而是当金属填料浓金属填料浓度达到一临界体积度达到一临界体积 c时，时，金属填充聚合物金属填充聚合物发生一个如下发生一个如下图所示的图所示的突然转换突然转换，由，由绝缘体变成导电体绝缘体变成导电体。l临界浓度值临界浓度值与与金属填充颗粒金属填充颗粒的的尺寸、分布、形状以及制尺寸、分布、形状以及制造工艺造工艺有很大关系。有很大关系
12、。18苯乙烯丙烯腈共聚物中Al粉和Fe粉的体积分数与电阻率的关系电阻率对数电阻率对数/.cm金属的体积分数金属的体积分数AlFe19n很多研究表明，一些很多研究表明，一些绝缘性复合材料绝缘性复合材料当承受电压当承受电压达到临界值达到临界值时，会变成时，会变成高导电性高导电性材料。材料。n如果如果没有大的电流没有大的电流通过，则通过，则消除电压后消除电压后样品仍保样品仍保持持较低的电阻率较低的电阻率，尔后再，尔后再恢复到样品的绝缘状态恢复到样品的绝缘状态。n复合材料电导率复合材料电导率不仅与不仅与金属填加物体积分数金属填加物体积分数有关，有关，与与温度温度也有密切关系，从而显现出也有密切关系，从
13、而显现出正温度效应正温度效应和和负温度效应负温度效应。20由于电阻的由于电阻的的存在，使复的存在，使复合材料成为一种合材料成为一种。21n高临界转变温度的氧化物高临界转变温度的氧化物超导材料超导材料脆性大脆性大，虽有一定抵抗，虽有一定抵抗压缩变形压缩变形的能力，但其的能力，但其拉伸性能极差拉伸性能极差，成型性不好成型性不好，使得，使得超导体大规模实用超导体大规模实用受到了限制。受到了限制。n用用碳纤维碳纤维增强增强锡基复合材料锡基复合材料通过通过扩散粘结法扩散粘结法将将超导体超导体包覆包覆于其中，从而获得于其中，从而获得良好的力学性能良好的力学性能、电性能电性能和和热性能热性能的复的复合材料。
14、合材料。n铜基复合材料铜基复合材料也常用于也常用于超导复合材料的包覆材料超导复合材料的包覆材料。228.3.4 磁性复合材料磁性复合材料n磁性复合材料磁性复合材料(Magnetic composite materials)是以是以高聚物高聚物或软金属或软金属为为基体基体与与磁性材料磁性材料复合而成的一类材料。复合而成的一类材料。n由于由于磁性材料磁性材料有有软磁软磁和和硬磁硬磁之分，因此也有之分，因此也有相应的软磁相应的软磁和硬磁复合材料和硬磁复合材料。n强磁性强磁性(铁磁性和亚铁磁性铁磁性和亚铁磁性)细微颗粒细微颗粒涂覆在涂覆在高聚物材料带高聚物材料带上上或或金属盘上金属盘上形成形成磁带或磁
15、盘磁带或磁盘用于磁记录，也是一类非用于磁记录，也是一类非常重要的磁性复合材料。常重要的磁性复合材料。n磁性材料磁性材料与液体混合与液体混合还可以形成还可以形成磁流体磁流体等。等。23一、永磁复合材料一、永磁复合材料n典型的永磁材料典型的永磁材料包括包括永磁铁氧体永磁铁氧体、铝镍钴铝镍钴以及以及稀土永磁稀土永磁材料。材料。n一般情况下，永磁材料的一般情况下，永磁材料的密度较高密度较高，脆而硬脆而硬，不易加工不易加工成复杂成复杂的形状。的形状。n制成制成高聚物基高聚物基或或软金属基软金属基复合材料后，上述复合材料后，上述难加工的缺点难加工的缺点可得可得到克服。到克服。n永磁复合材料永磁复合材料的的
16、功能组元功能组元是是磁性粉末磁性粉末，高聚物和软金属高聚物和软金属起到起到粘粘结剂结剂的作用。的作用。n高聚物高聚物使用较为普遍，常用的有使用较为普遍，常用的有环氧树脂环氧树脂、尼龙和、尼龙和橡胶橡胶等材料。等材料。24永磁复合材料永磁复合材料的的制造方法制造方法常采用常采用模压模压、注塑注塑、挤挤压压等工艺技术。等工艺技术。对于对于软金属粘结工艺软金属粘结工艺来说，由于它来说，由于它较为复杂较为复杂，因，因此除此除磁体要求在较高温度下磁体要求在较高温度下(200)使用外，很少采使用外，很少采用这种用这种金属基复合磁体金属基复合磁体。25n与与高密度的金属磁体高密度的金属磁体或或陶瓷磁体陶瓷磁
17、体(铁氧体铁氧体)相比，相比，复合磁复合磁体的体的优良加工性能优良加工性能是以是以牺牲一部分牺牲一部分磁性能磁性能为为代价的。代价的。n由于由于复合永磁材料复合永磁材料的的易成形易成形和和良好加工性能良好加工性能，因此常用，因此常用来制作来制作薄壁的微型电机使用的薄壁的微型电机使用的环状定子。环状定子。n复合永磁材料的复合永磁材料的良好成型性良好成型性，使其适用于制作，使其适用于制作体积小体积小、形状复杂的永磁体形状复杂的永磁体。如。如汽车仪表用磁体汽车仪表用磁体，磁推轴承磁推轴承及各及各类类蜂鸣器蜂鸣器等。等。26二、软磁复合材料二、软磁复合材料n电器元件的小型化电器元件的小型化，导致，导致
18、磁路中磁路中追求追求更高的驱动频率更高的驱动频率，为此应用的为此应用的软磁材料软磁材料，除，除在静态磁场下在静态磁场下经常要求的经常要求的高高饱和磁化强度饱和磁化强度和和高磁导率高磁导率外，还要求它们具有外，还要求它们具有低的交低的交流损耗。流损耗。n通常通常较大尺寸的较大尺寸的金属软磁材料金属软磁材料，其，其相对磁导率相对磁导率 r 随随驱驱动频率动频率的的增大而急速下降增大而急速下降。27Fe-Si-Al粉末颗粒复合体相对磁导率随驱动频率的变化28磁损耗磁损耗PL/kW.m-3磁粉粒度磁粉粒度/um磁损耗与软磁粉粒度的关系磁损耗与软磁粉粒度的关系从图中可看从图中可看出，出，。因此，可以因此
19、，可以通过通过来来调节损耗调节损耗L值。值。29三、三、磁性记录材料磁性记录材料n由由麦克风及摄像机麦克风及摄像机将将声音及光声音及光变成变成电信号电信号，再，再由磁头由磁头变成变成磁信号磁信号，从而固定在，从而固定在磁记录介质磁记录介质上。上。n读出时读出时，与记录过程相反，使，与记录过程相反，使声音和图像再生声音和图像再生。n理想的理想的磁记录介质磁记录介质要尽可能地要尽可能地高密度高密度，能，能长期保存记长期保存记录录，再生时，再生时尽可能高输出尽可能高输出。30音光音光电气电气信号信号磁性磁性信号信号作为磁作为磁性保留性保留磁头磁头记录材料记录材料磁记录再生的原理示意图磁记录再生的原理
20、示意图31n在现有材料基础上，为了在现有材料基础上，为了进一步提高记录密度进一步提高记录密度，就应考虑就应考虑在叠层结构上在叠层结构上的优化。的优化。n一般对于一般对于粉状磁性材料粉状磁性材料，先制造，先制造以适当高分子以适当高分子为粘结剂的涂料为粘结剂的涂料，然后把该涂料，然后把该涂料用适当的方法用适当的方法进行涂敷、干燥进行涂敷、干燥。32记录磁带的结构记录磁带的结构33到目前为止，为到目前为止，为提高涂敷型磁带的性能提高涂敷型磁带的性能采取了下面采取了下面一些措施：一些措施：(1)提高磁性层中磁性材料的填充率；提高磁性层中磁性材料的填充率；(2)尽可能缩小磁性材料的颗粒；尽可能缩小磁性材
21、料的颗粒；(3)缩小磁头与磁带间的空隙，防止磁损失。缩小磁头与磁带间的空隙，防止磁损失。34四、磁流体四、磁流体n磁流体磁流体是是强磁性强磁性(铁磁性和亚铁磁性铁磁性和亚铁磁性)细微颗粒细微颗粒与与一种液体一种液体均匀混合而成的均匀混合而成的胶状液体胶状液体。n它既具有强磁性材料的它既具有强磁性材料的多种磁特性多种磁特性，又具有，又具有液液体的特性体的特性。n磁性液体磁性液体由强磁性单畴颗粒由强磁性单畴颗粒(磁粉磁粉)、基质液体、基质液体(基液基液)和分散剂和分散剂(表面活性剂表面活性剂)组成。组成。35为了防止为了防止磁粉沉淀和凝聚磁粉沉淀和凝聚，使磁性液体稳定，使磁性液体稳定，必须选择适当
22、的必须选择适当的磁粉粒径磁粉粒径、分散剂分散剂物性参量和用物性参量和用量量以及以及基液基液物性参量物性参量，使磁粉磁偶极矩间，使磁粉磁偶极矩间作用力作用力和热作用力和热作用力的的综合效应产生势垒综合效应产生势垒，以利于，以利于磁性液磁性液体稳定体稳定。36组成中的组成中的磁粉磁粉采用采用金属或非金属强磁材料金属或非金属强磁材料，通过通过化学沉淀法化学沉淀法、热分解法热分解法、机械研磨法机械研磨法、电电解解等方法制成，粒径约等方法制成，粒径约1 100 nm的的单畴颗粒单畴颗粒。378.3.5 其它功能复合材料其它功能复合材料n解决解决电磁干扰电磁干扰、射频干扰射频干扰和和信息防窃信息防窃的复合
23、材料称为的复合材料称为电磁屏蔽复合材料电磁屏蔽复合材料。n以以高分子材料高分子材料为基体，填充为基体，填充导电材料导电材料可构成适合用于可构成适合用于电磁屏蔽的复合材料电磁屏蔽的复合材料。n由于由于电磁屏蔽的复合材料电磁屏蔽的复合材料具有具有性能好性能好、成本低成本低、成型成型工艺简单工艺简单的优点，因此成为国际上的优点，因此成为国际上电子材料研究电子材料研究的热的热点。点。38n隐身材料隐身材料按照按照电磁波吸收剂的使用电磁波吸收剂的使用，可分为，可分为涂料型涂料型和和结构型结构型两类，它们都是两类，它们都是以树脂为基体以树脂为基体的复合材料。的复合材料。n作为兼具作为兼具隐身隐身和和承载承
24、载双重功能的材料，主要有双重功能的材料，主要有混杂型混杂型和和蜂窝形蜂窝形复合材料两大类。复合材料两大类。n混杂型混杂型是是基体为高聚物基体为高聚物，增强体是不同类型纤维材料增强体是不同类型纤维材料。n蜂窝结构型隐身复合材料蜂窝结构型隐身复合材料是一种外形上是一种外形上类似于泡沫塑料类似于泡沫塑料的的纤维增强型材料纤维增强型材料，对电磁波有极好的吸收效果。，对电磁波有极好的吸收效果。39l摩擦功能摩擦功能复合材料，具有低摩擦系数或高摩擦系数的复合材料，具有低摩擦系数或高摩擦系数的复合材料。复合材料。l抗抗x射线辐射射线辐射复合材料，用于抵抗复合材料，用于抵抗x射线辐射造成对材射线辐射造成对材料
25、结构的破坏效应的一类复合材料。料结构的破坏效应的一类复合材料。l仿生仿生复合材料；复合材料；l透光透光复合材料；复合材料；l热性能热性能复合材料；复合材料；l408.4 梯度功能复合材料梯度功能复合材料n梯度功能材料梯度功能材料是一种集各种组分、结构、物理化学性能等是一种集各种组分、结构、物理化学性能等单一或综合性能等都呈连续变化，以适应不同环境，实现单一或综合性能等都呈连续变化，以适应不同环境，实现某一特殊功能的一类新型材料。某一特殊功能的一类新型材料。n梯度功能材料梯度功能材料的设计一般采用的设计一般采用逆设计系统逆设计系统，即根据结构形，即根据结构形状和环境条件，得出相应的边界条件状和环
26、境条件，得出相应的边界条件选择材料和方选择材料和方法法采用混合法则，得出体系物理参数采用混合法则，得出体系物理参数合成梯度功合成梯度功能材料能材料测试与评价。测试与评价。n主要制备方法包括：主要制备方法包括：粉末冶金法粉末冶金法、等离子喷涂法等离子喷涂法、化学气化学气相沉积法相沉积法、物理气相沉积法物理气相沉积法、激光熔覆法激光熔覆法、自蔓延高温合自蔓延高温合成法等成法等。41第八章第八章 先进复合材料先进复合材料n8.3 功能复合材料功能复合材料8.3.1 功能复合材料的设计原则功能复合材料的设计原则8.3.2 压电复合材料压电复合材料8.3.3 导电复合材料导电复合材料8.3.4 磁性复合材料磁性复合材料8.3.5 其它功能复合材料其它功能复合材料n8.4 梯度功能复合材料梯度功能复合材料42思考题思考题n1、请结合一种具体的功能复合材料阐述功能复合材、请结合一种具体的功能复合材料阐述功能复合材料的设计原则。料的设计原则。n2、请对导电复合材料开发中遇到的主要问题进行说、请对导电复合材料开发中遇到的主要问题进行说明，并提出解决这些问题的建议。明，并提出解决这些问题的建议。43
