復(fù)合材料

CompositeMaterials

2010年8月1

復(fù)合材料

第二部分復(fù)合材料的基體材料

第六章功能材料基體及復(fù)合材料教學(xué)目的:通過本章的學(xué)習(xí)，對(duì)半導(dǎo)體材料、磁性材料、超導(dǎo)材料、光功能材料、功能轉(zhuǎn)換材料有所了解；并對(duì)其復(fù)合材料進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。重點(diǎn)內(nèi)容:各類功能材料的定義及性能特點(diǎn)。難點(diǎn):各類功能材料的工作原理。熟悉內(nèi)容:各類功能材料的主要應(yīng)用。主要英文詞匯：Functionalmaterials---功能材料Opticsmaterial---光學(xué)材料Magneticmaterial---磁性材料Superconductmaterial---超導(dǎo)材料Semiconductormaterial---半導(dǎo)體材料Functiontransformmaterial---功能轉(zhuǎn)變材料參考教材或資料：1、復(fù)合材料學(xué)----周祖福（武漢理工大學(xué)出版社，2004年）2、現(xiàn)代復(fù)合材料----陳華輝鄧海金李明（中國物質(zhì)出版社,1998）3、復(fù)合材料概論----王榮國武衛(wèi)莉（哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1999）4、復(fù)合材料--------吳人潔（天津大學(xué)出版社,2000）5、復(fù)合材料科學(xué)與工程---倪禮忠,陳麒(科學(xué)出版社,2002)6、復(fù)合材料及其應(yīng)用—尹洪峰,任耘（陜西科學(xué)技術(shù)出版社,2003）7、高性能復(fù)合材料學(xué)---郝元愷,肖加余(化學(xué)工業(yè)出版社,2004)8、新材料概論---

譚毅,李敬鋒(冶金工業(yè)出版社,2004)

9、先進(jìn)復(fù)合材料----魯云朱世杰馬鳴圖（機(jī)械工業(yè)已出版社,2004）10、復(fù)合材料--------周曦亞（化學(xué)工業(yè)出版社,2005）6．功能材料基體及其復(fù)合材料功能復(fù)合材料是指除機(jī)械性能以外而提供其它物理性能的復(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。

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。

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。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。

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。6.1半導(dǎo)體材料

半導(dǎo)體材料是一種具有特殊導(dǎo)電性能的功能材料，電阻率處于導(dǎo)體電阻率（10-5Ωcm以下）和絕緣體電阻率（1010Ωcm以下）之間。導(dǎo)電及光電特征與電子能帶有關(guān)。少量外部能量（熱、電、磁、光等）激發(fā)下，價(jià)電子進(jìn)入導(dǎo)帶，進(jìn)入導(dǎo)帶電子可在晶體中自由運(yùn)動(dòng)。6.2磁性材料軟磁材料：合金在磁場(chǎng)作用下有磁性，磁場(chǎng)消失后即不顯示磁性?？煞譃殡姽び眉冭F（直流電場(chǎng)下繼電器鐵心、銜鐵和極靴）、電工用硅鋼片（變壓器、繼電器、電機(jī)繞組的鐵心）和鐵鎳高磁導(dǎo)率合金（高敏感度的小型功率變壓器、磁放大器、繼電器之磁導(dǎo)體）。硬磁合金：又稱為磁合金。即一般所說的磁鐵，在外磁場(chǎng)不存在時(shí)仍然保持很強(qiáng)的磁力，又成為永磁合金。永磁合金的分類：鑄造合金、變形合金。鑄造合金：主要有鐵-鋁-鎳、鐵-鋁-鎳-鈷合金。變形永磁合金：可通過鑄造、熱扎、冷扎和冷拉以及各種機(jī)械加工（切削、沖壓、彎曲）制成半成品（型材）和成品（磁鐵）。鐵氧體：磁功能材料中很重要的一種。以氧化鐵為主要成分的磁性氧化物。制備工藝：采用陶瓷工藝，原料主要由氧化物、碳酸鹽、草酸鹽和硫酸鹽。原料經(jīng)過混合后，通過高溫固態(tài)反應(yīng)轉(zhuǎn)為鐵氧體，再經(jīng)過壓制、燒結(jié)成型成為產(chǎn)品。作為永磁材料，磁性不很高，但原料豐富便宜，工藝成熟，成型容易。磁性復(fù)合材料：磁性復(fù)合材料(Magneticcompositematerials)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。

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。

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。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。

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。

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，很少采用這種金屬基復(fù)合磁體。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。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。復(fù)合永磁材料的良好成型性，使其適用于制作體積小、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。

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。

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。6.3超導(dǎo)材料

有些物質(zhì)在一定轉(zhuǎn)變溫度下，改變?yōu)橥瓿蓻]有電阻的狀態(tài)，同時(shí)有完全抗磁性，這就是超導(dǎo)（電）現(xiàn)象。具有這種性質(zhì)材料就是超導(dǎo)材料。

1911年，昂尼斯發(fā)現(xiàn)，液氦沸點(diǎn)溫度（約4.2K），汞電阻率降為零。

1933年邁斯納發(fā)現(xiàn)，物體進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)后，內(nèi)部磁導(dǎo)率為零，進(jìn)入完全抗磁性狀態(tài)。應(yīng)用：超導(dǎo)材料放于永磁鐵上，之間產(chǎn)生斥力，使超導(dǎo)體懸浮于磁鐵上方。

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。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。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，150~170℃，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。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。6.4光功能材料

制能夠?qū)饽苓M(jìn)行傳輸、吸收、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換的一類材料。種類：激光材料、紅外材料、電光材料、磁光材料、光敏材料、發(fā)光材料、光色材料、聲光材料、光導(dǎo)纖維材料、信息記錄材料（光盤）。激光材料：發(fā)生激光的物質(zhì)叫做激光工作物質(zhì)。在固體、氣體、液體三類激光工作物質(zhì)中，固體激光物質(zhì)為最重要的一種。在基體固體中、摻入適當(dāng)?shù)募せ铍x子，來自于三價(jià)和二價(jià)的鐵類、鑭類和錒系系元素。特點(diǎn)：外殼電子層中存在未添滿的d層和f層，激光的波長由激活離子種類決定的。激光特點(diǎn)：高能密度、單色性、方向性以及相干性好等特點(diǎn)。應(yīng)用：激光雷達(dá)用于軍事測(cè)試距離，工業(yè)自動(dòng)化，激光武器系統(tǒng)工業(yè)中，激光束加工，激光束切割薄膜，激光手術(shù)。紅外材料：紅外光學(xué)材料和紅外接受材料（即探測(cè)器材料）。紅外光學(xué)：用于紅外光學(xué)系統(tǒng)的透鏡、棱鏡、整流器等；要求：光譜投過率要高，透射短波限要低，玻璃，晶體，熱壓多晶體，透明陶瓷，塑料。6.5功能轉(zhuǎn)換材料

范疇：能量密度的變化（電壓的變化、光波長的改變等）、空間的變化（能量的傳遞、電力輸送、通訊等）以及沿著時(shí)間尺度上的變化（能力儲(chǔ)存、蓄電池等），都可以納入功能材料。種類：壓電材料，電光材料，磁光材料，聲光材料，光敏材料，光電轉(zhuǎn)化材料，熱電材料，熱敏材料，熱釋電材料等。介紹：壓電材料：是進(jìn)行機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的工作物質(zhì)（受機(jī)械應(yīng)力時(shí)，產(chǎn)生電極化；在電場(chǎng)作用下，產(chǎn)生應(yīng)變）。

壓電材料可以分為下面五類：(1)單晶材料，如石英、磷酸等；(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。

較早研究的石英晶體，磷酸二氫銨和、酒石酸乙二胺；應(yīng)用更多的是陶瓷多晶材料，典型的是鈦酸鋇和鈦酸鉛。一般壓電材料為無機(jī)單晶和多晶，不少有機(jī)聚合物也有壓電性能。電光材料：電場(chǎng)作用下，光折射率隨著電場(chǎng)發(fā)生變化的材料為電光（電光效應(yīng)）；電光材料用于光調(diào)制元件，還用于變諧濾波、光偏轉(zhuǎn)和電場(chǎng)測(cè)定。磁光材料