聚合物基磁性功能复合材料研究进展

到 93. 6GPa和 195M Pa [7 ] 。针对 Terfenol2D 生产加 材料还不可能在磁性 、导电性 、机械性能 、防腐蚀性
工困难 的缺 点 , L. Ruiz de Angulo 等 [ 8 ] 先 将 Tb0. 27 Dy0. 73 Fe1. 93在氮气氛围下粉碎筛选 ,然后与环氧树
料领域中的大量应用 ,对此是近期国外研究的重要 致收缩现象 (即 z轴刚度系数 k33的出现 ) , Terfenol2
方向之一 。其中 , Fe36 Co62 Ge2 合金已证明是一个合 适的替代品 。 Fe36 Co62 Ge2 磁性复合材料在预压条 件下能达到 200ppm 磁致伸缩量 。若它做成薄片状
随着科技的高速发展与各学科间的交叉渗透 , 单一性能的材料已很难满足各种高要求的综合指 标 ,功能复合材料的研究已成为材料科学与工程领 域的研究热点 。聚合物基功能复合材料作为新材料 的一种 ,是把各种功能介质与高分子材料等组合起 来的一种多相材料 ,设计自由度大 ,不仅可以通过介 质选择调整材料的功能性 ,还可以改变各功能介质 的含量比例以满足所需的性能要求 ,同时还具有轻 质高强等综合性能 ,因而近年来发展迅猛 。具有磁 性的聚合物基复合材料可望在高尖端科技领域 ,如 航空航天 、微电子 、空间技术等部门有重要的应用而 开始受到研究者的重视 。本文对聚合物基磁性复合 材料的磁性添加颗粒 ,成型方法以及最终的性能和 相关理论进行了综述 。
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2006年第 6期
玻 璃 钢 /复 合 材 料
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格昂贵得多 ,因此研究者开始寻找它的替代品 ; ③ 脂混合并在 5 t压力和 100℃的条件下固化 1h。相
D 质量含量达到 9715%时 , k33达到最大值 0. 33 ± 0102;其次 ,在磁场作用下复合材料的特征频率反 常 。通过这种方法可检验聚合物基磁性复合材料的
粉末 ,则可进一步提高磁致伸缩 λ,但却会明显降低 特征频率的反常是共性还是特殊基体才有的特性 。
Fe36 Co62 Ge2 力学性能 ,压缩强度约下降到 40M Pa, 而 Terfenol2D 则 大于 100M Pa, 因 而限 制了 实际 应
fenol2D 磁性复合材料的 λ相当 。聚合物基磁性复 合材料表现出与传统的无机磁致伸缩材料 TbxD y1 - x Fe2 - y明显的不同 : ①定磁场下一段时间内聚合物基 磁性复合材料的磁致伸缩量 λ达到最大值 (饱和 值 ) ; ②磁场下复合材料的磁致伸缩量 λ达到饱和 值后 ,关掉磁场 ,磁致伸缩并不是在短时间内消失 , 而是在几个小时内逐渐降低到 0,有明显的滞后效 应 。由此可初步推断 ,炭黑聚丙烯复合材料中所出 现的磁致伸缩性能可能是由于其中的活化炭黑微粒 子引起的 ,而活化炭黑和碳纳米管产生磁致伸缩性 能机理则还在进一步的探讨分析中 。 212 磁性弹性体的研究
作为聚合物基磁性复合材料的一种 ,磁性弹性 体有两种方式获得磁性功能 : ①化学合成的方式原 位接入磁性或可磁化功能颗粒 ; ②采用机械共混的 方式添加磁性或可磁化材料 。对于后者 ,研究者在 弹性体交联过程中包埋金属粉末材料 ,成型方法也 与一般的聚合物基磁性复合材料的不同 。金属颗粒 加入弹性体基体并成型时 ,由于外部磁场作用 ,复合 材料在具有磁性的同时力学性能表现出各向异性 。 磁场作用下金属颗粒排列破坏了弹性体交联后的各
M itsum ata等 [ 12 ] 研 究 了 磁 性 弹 性 体 的 压 缩 性 能 ,将铁氧体颗粒与聚乙烯醇共混 ,为了使可磁化粒 子的磁性距达到饱和 ,实验过程中磁场强度为 10 kO e。实验发现磁性弹性体的轴向模量较未磁化 的弹性体有少许提高 ,磁化方向对磁性复合材料的 压缩模量影响不大 。 Farshad等 [ 13 ]在最新的研究中 发现 ,铁粉填充硅胶复合材料试样较硅胶在模量和 强度上有显著的提高 。应变为 30%时 ,模压成型的 硅胶名 义应 力为 13. 8kPa, 而 铁 粉 填 充 的 硅 胶 为 7512kPa。磁性硅胶在 0. 32T和 0. 44T磁场条件下 压缩时 ,压缩应力分别达到了 114kPa和 148kPa,比 无磁场条件下分别提高 52%和 97% ; 同时应变为 30%时 ,纯硅胶压缩切线模量为 60kPa,而铁粉填充 硅胶为 427kPa,磁场为 0. 23T和 0. 44T时 ,压缩切 线模量分别为 616kPa 和 861kPa,比无磁场下提高 了 44%和 100%。这个发现为柔软的磁性弹性体的 应用提供了更多的契机 。可变刚度材料 、大应变的 激励器及电磁感应的阻尼元器件等均可采用这种聚 合物基磁性复合材料 。 213 聚合物基磁性复合材料的理论研究
Nd2 Fe14B 和 CoSm 合金
以 FeTbDy为基体的合金
薄膜用的 CoFe /Cu 或 Fe /Cr
Gd5 ( Si2 Ge2 )
铁磁体纳米粒 子 FePt或 FeCo
性 能
高渗透性
高矫磁性
高磁致伸缩性
高磁电阻性
高磁致热性
高密度
对于磁性复合材料的磁滞现象 ,一般认为是由 于复合材料中的微结构和磁性自由能结构造成的 。 这种解释大都用于较明显的磁滞现象 ,并不一定适 合聚合物基磁性复合材料 。处理后的炭黑和碳纳米 管与聚丙烯物理共混 ,注射成型的试样在磁场条件 下显示了与常用磁性材料 Terfenol2D 不同的效果 。 磁场作用下碳黑聚丙烯复合材料在平行磁场和垂直 磁场两个方向都出现了明显的磁致伸缩应变 。平行 于磁场 强度 方向 的最 大应 变达 到 6. 0 ×10 - 5 ( 60 ppm ) ,而垂直于磁场方向的最大应变约为 310 × 10 - 5 (30 ppm ) ,前者约为后者的 2 倍 。 H 为 3. 9 × 105 kA /m ,并作用 20m in时 ,平行方向的 λ最大达到 1115 ×10 - 4 ( 115ppm ) 左右 [ 9 ] 。碳纳米管聚丙烯复 合材料也具有类似的磁性特征 。定磁场强度下 λ随 时间的延长而线性增加 ;定时间条件下 λ随磁场强 度增加而增加 。磁场作用过程中无论 H 增大还是 减小 ,无论碳黑或碳纳米管聚丙烯复合材料的 λ都 随时间的延长而处于持续增大的状态 。这表明复合 材料的 λ不仅与 H大小有关 ,还与磁场作用时间有 关 。尤其是碳纳米管聚丙烯复合材料在磁场强度为 800kA /m 时 ,λ达到了 1163ppm ,这几乎与目前 Ter2
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聚合物基磁性功能复合材料研究进展
2006年 11月
1 聚合物基磁性复合材料
磁性复合材料一般由粉末磁性材料填充形成 , 体积含量为 2 ～98% ,而基体可以为金属 、玻璃 、聚 合物等 。磁性复合材料可将磁能转化为机械能 ,也 可将机械能转化为磁能 (见图 1[ 1 ] ) ,因此可用做激 励器和传感器的变频元件 。
早在 1983 年 , C lack 和 B elson[ 2 ] 就开始对几种 聚合物基磁性复合材料进行了研究 。其中 ,体积含 量为 50%的 TbFe2 2EPON 2815环氧树脂基复合材料 在室温下表现出 1777ppm 磁致伸缩 。不同于相应 的压电或铁电复合材料 ,此种聚合物基磁性复合材 料由于产生磁性的机理特殊 ,易于非接触性传感器 的应用 。聚合物基磁性复合材料可代替大型的磁性 材料获得高频性能 。由于纤维复合材料低密度的磁 性尖头通过非接触性传感器探测到压力引起的分 层 ,它也可用于健康程度监控 。近些年 ,机械性能与 非接触性传感能力的结合促使科研工作者对聚合物
收稿日期 : 2005212229 作者简介 : 袁华 (19652) , 女 , 博士 。
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基磁性复合材料进行了大量的研究 ,以用于制造低 成本的可扭转传感器 。磁性复合材料可用于分散相 智能结构 ,该种结构具有多维协同定位激励和传感 潜力 [ 3 ] 。
图 1 磁性复合材料能量转换示意 Fig. 1 Schematic rep resentation of M agnetostrictive behaviour
聚合物基磁性复合材料的磁性添加物通常为 Terfenol2D。这种物质的化学分子式通常为 TbxDy1 - x Fe1 - y [ 4 ] ,或者是与聚合物结合的 TbxDy1 - x Fe1 - y [ 5, 6 ] 。 Te rfeno l2D 磁性复合材料常被认为是一种大尺寸的磁 性颗粒复合材料或 GMPCs。复合材料中 Terfenol2D 的利用明显扩大了大尺寸磁性复合材料的应用范围 和潜在市场 。最近在国外 ,聚合物基大尺寸磁性复合 材料已成功用于水下声波装置的变频器。然而 , Ter2 feno l2D 作为分散相的磁性复合材料也存在着不少问 题 : ①就相对大型磁性材料而言 ,聚合物基磁性复合 材料的能量密度、输出功和应变都比较小 ; ②添加 Terfenol2D较一般的磁性材料在性能上有优势 ,但价
Te rfeno 磁性复合材料生产加工困难 。
比传统的浇铸成型方法 ,这种模压成型的方法简单
2 国内外研究进展
且较好地控制试样的密度 ,甚至获得的磁力因素也
211 Terfenol2D 替代品的研究
更加出色 。复合材料磁力因素的测量过程中发现 ,
Terfenol2D 高昂的价格限制了其在磁性复合材 首先须有一个初始磁场强度才能使复合材料产生磁
近期 ,纳米晶体磁性填充材料的利用更是为先进的 磁性设备 (能量转换装置 、大型或微型发电机和传
用 。 S. M. Na等利用 WC粉末改善了 Fe2Co磁性复 感元器件等 )的发展创造了机会 。综合性能是评估