先進復(fù)合材料課件

第八章先進復(fù)合材料8.1碳/碳復(fù)合材料8.2納米復(fù)合材料8.3功能復(fù)合材料8.4梯度功能復(fù)合材料18.2納米復(fù)合材料8.2.1概述8.2.2聚合物基納米復(fù)合材料8.2.3陶瓷基納米復(fù)合材料8.2.4金屬基納米復(fù)合材料8.2.5納米復(fù)合材料的應(yīng)用2思考題1、納米復(fù)合材料根據(jù)基體可以分為哪幾種？你認為哪一類納米復(fù)合材料更有前途，為什么？（聚合物、陶瓷、金屬、半導(dǎo)體基納米復(fù)合材料）2、塊體鋁基納米復(fù)合材料的制備方法有哪些？請對非晶納米晶化方法的優(yōu)缺點進行評價。（液態(tài)法-攪拌鑄造、熔體反應(yīng)等，固態(tài)法-粉末冶金、機械合金化、SHS等；工藝簡單、容易實現(xiàn)、可制備塊體材料，成本較高、體系及尺寸受到限制）3第八章先進復(fù)合材料8.3功能復(fù)合材料

8.3.1功能復(fù)合材料的設(shè)計原則

8.3.2壓電復(fù)合材料

8.3.3導(dǎo)電復(fù)合材料

8.3.4磁性復(fù)合材料

8.3.5其它功能復(fù)合材料8.4梯度功能復(fù)合材料48.3功能復(fù)合材料復(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。功能復(fù)合材料是指除機械性能以外而提供其它物理性能的復(fù)合材料，如壓電、導(dǎo)電、超導(dǎo)、半導(dǎo)、磁性、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。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，同時也會對復(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，同時還有可能由于產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)而出現(xiàn)新的功能。多功能復(fù)合材料成為功能復(fù)合材料的發(fā)展方向。68.3.1功能復(fù)合材料的設(shè)計原則復(fù)合材料的設(shè)計要充分考慮平均效應(yīng)、相乘效應(yīng)、平行效應(yīng)、誘導(dǎo)效應(yīng)、相補效應(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)。在給定的性能要求、使用環(huán)境及經(jīng)濟條件限制的前提下，從材料的選擇途徑和工藝結(jié)構(gòu)途徑上進行設(shè)計。模仿生物體中的纖維與基體的合理分布，通過數(shù)據(jù)庫和計算機輔助設(shè)計可望設(shè)計出性能優(yōu)良的仿生功能材料。7結(jié)構(gòu)-功能的綜合與統(tǒng)一。界面結(jié)合的改善。工藝實現(xiàn)的難易程度。原材料與成本。88.3.2壓電復(fù)合材料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，實現(xiàn)機械能與電能之間的相互轉(zhuǎn)換。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。9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/質(zhì)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。同時，復(fù)合材料使加工性能，以及與水的匹配性也大為改善。將二元復(fù)合材料進一步復(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。10鋯鈦酸鉛(PZT)和聚合物(P)，即PZT／P；鈦酸鉛(PT)和聚合物(P)，即PT／P，可以再復(fù)合。PZT／P中的PZT壓電活性大，但其各向異性較??；PT／P中PT的壓電活性小，但其各向異性大。當(dāng)實現(xiàn)三相復(fù)合，即PZT＋PT／P，勢必會體現(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。11壓電復(fù)合材料的發(fā)展示意圖PZTPPTPZT/PPT/PPZT+P/P12壓電材料具有優(yōu)良的機電耦合效應(yīng)，既可用作傳感器，也能作為作動器，在結(jié)構(gòu)振動控制、形狀保持、健康監(jiān)測等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在基體材料表面粘貼或內(nèi)部嵌入適量壓電材料，構(gòu)成壓電復(fù)合(層合)結(jié)構(gòu)是常見的配置方式。建立這類結(jié)構(gòu)精確有效的機電耦合計算模型，是研究壓電層合結(jié)構(gòu)應(yīng)用的重要問題。結(jié)構(gòu)設(shè)計—原材料準備—表面處理—貼層（埋置）—壓合13直徑：10mm,16mm,20mm,25mm

頻率：1.7MHz,2.0MHz,2.4MHz

鍍層：鍍鎳，鍍鈦，鍍玻璃釉

141)結(jié)構(gòu)僅發(fā)生小變形，滿足線性應(yīng)變位移關(guān)系；2)壓電材料與基體結(jié)構(gòu)之間為理想粘貼，忽略粘貼層的影響；3)僅考慮線性壓電本構(gòu)關(guān)系。158.3.3導(dǎo)電復(fù)合材料沒有明確的數(shù)值從復(fù)合材料的電導(dǎo)率來劃分導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。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，兩種或兩種以上的絕緣體形成的復(fù)合材料電導(dǎo)率不會很高。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)體和絕緣體的相對含量、幾何分布和組元本身特性。16將金屬顆?；烊敫叻肿泳酆衔?，高分子聚合物的電阻率就會發(fā)生變化，形成金屬填充復(fù)合材料。但是，這個變化并非依據(jù)加和法則，而是當(dāng)金屬填料濃度達到一臨界體積c時，金屬填充聚合物發(fā)生一個如下圖所示的突然轉(zhuǎn)換，由絕緣體變成導(dǎo)電體。臨界濃度值與金屬填充顆粒的尺寸、分布、形狀以及制造工藝有很大關(guān)系。17苯乙烯—丙烯腈共聚物中Al粉和Fe粉的體積分數(shù)與電阻率的關(guān)系電阻率對數(shù)/.cm金屬的體積分數(shù)AlFe18很多研究表明，一些絕緣性復(fù)合材料當(dāng)承受電壓達到臨界值時，會變成高導(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)。復(fù)合材料電導(dǎo)率不僅與金屬填加物體積分數(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)和負溫度效應(yīng)。19由于電阻的正溫度效應(yīng)、負溫度效應(yīng)的存在，使復(fù)合材料成為一種開關(guān)材料。20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)模實用受到了限制。用碳纖維增強錫基復(fù)合材料通過擴散粘結(jié)法將超導(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。銅基復(fù)合材料也常用于超導(dǎo)復(fù)合材料的包覆材料。218.3.4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。強磁性(鐵磁性和亞鐵磁性)細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。磁性材料與液體混合還可以形成磁流體等。22一、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。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。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。23

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。24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使用的環(huán)狀定子。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。25二、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)動頻率，為此應(yīng)用的軟磁材料，除在靜態(tài)磁場下經(jīng)常要求的高飽和磁化強度和高磁導(dǎo)率外，還要求它們具有低的交流損耗。通常較大尺寸的金屬軟磁材料，其相對磁導(dǎo)率

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隨驅(qū)動頻率的增大而急速下降。26Fe-Si-Al粉末顆粒復(fù)合體相對磁導(dǎo)率隨驅(qū)動頻率的變化27磁損耗PL/kW.m-3磁粉粒度/um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ＰL值。28三、磁性記錄材料由麥克風(fēng)及攝像機將聲音及光變成電信號，再由磁頭變成磁信號，從而固定在磁記錄介質(zhì)上。讀出時，與記錄過程相反，使聲音和圖像再生。理想的磁記錄介質(zhì)要盡可能地高密度，能長期保存記錄，再生時盡可能高輸出。29音光電氣信號磁性信號作為磁性保留磁頭記錄材料磁記錄再生的原理示意圖30在現(xiàn)有材料基礎(chǔ)上，為了進一步提高記錄密度，就應(yīng)考慮在疊層結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化。一般對于粉狀磁性材料，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行涂敷、干燥。31磁粉粘結(jié)劑添加劑磁層下涂層背涂層基膜記錄磁帶的結(jié)構(gòu)32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。33四、磁流體磁流體是強磁性(鐵磁性和亞鐵磁性)細微顆粒與一種液體均勻混合而成的膠狀液體。它既具有強磁性材料的多種磁特性，又具有液體的特性。磁性液體由強磁性單疇顆粒(磁粉)、基質(zhì)液體(基液)和分散劑(表面活性劑)組成。34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)生勢壘，以利于磁性液體穩(wěn)定。35組成中的磁粉采用金屬或非金屬強磁材料，通過化學(xué)沉淀法、熱分解法、機械研磨法、電解等方法制成，粒徑約1~100nm的單疇顆粒。368.3.5其它功能復(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。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，因此成為國際上電子材料研究的熱點。37隱身材料按照電磁波吸收劑的使用，可分為涂料型和結(jié)構(gòu)型兩類，它們都是以樹脂為基體的復(fù)合材料。作為兼具隱身和承載雙重功能的材料，主要有混雜型和蜂窩形復(fù)合材料兩大類。混雜型是基體為高聚物，增強體是不同類型纖維材料。蜂窩結(jié)構(gòu)型隱身復(fù)合材料是一種外形上類似于泡沫塑料的纖維增強型材料，對電磁波有極好的吸收效果。38摩擦功能復(fù)合材料，具有低摩擦系數(shù)或高摩擦系數(shù)的復(fù)合材料?？箈射線輻射復(fù)合材料，用于抵抗x射線輻射造成對材料結(jié)構(gòu)的破壞效應(yīng)的一類復(fù)合材料。仿生復(fù)合材料；透光復(fù)合材料；熱性能復(fù)合材料；…………398.4梯度功能復(fù)合材料梯度功能材料是一種集各種組分、結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性能等單一或綜合性能等都呈連續(xù)變化，以適應(yīng)不同環(huán)境，實現(xiàn)某一特殊功能的一類新型材料。梯度功能材料的設(shè)計一般采用逆設(shè)計系統(tǒng)，即根據(jù)結(jié)構(gòu)形狀和環(huán)境條件，得出相應(yīng)的邊界條件——選擇材料和方法——采用混合法則，得出體系物理參數(shù)——合成梯度功能材料——測試與評價。主要制備