5功能复合材料

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对于脆性的高强度纤维增强体与韧性 基体复合时，两相间若能得到适宜的结合 而形成的复合材料，其性能显示为增强体 与基体的互补。
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相抵效应
基体与增强体组成复合材料时， 若组分间性能相互制约，限制了整体 性能提高，则复合后显示出相抵效应。
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例如，脆性的纤维增强体与韧 性基体组成的复合材料，当两者界 面结合很强时，复合材料整体显示 为脆性断裂。
对于吸波材料，同样可以根据外来波 长的频率特征，调整复合频率，达到吸收 外来波的目的。
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系统效应
这是材料的一种复杂效应，至目前为 止，这一效应的机理尚不很清楚，但在实 际现象中已经发现这种效应的存在。
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例如，交替叠层镀膜的硬度大于原来 各单一镀膜的硬度和按线性混合率估算值， 说明组成了复合系统才能出现的现象。
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因此，通常可以将一种具有两种性能相 互转换的功能材料X/Y和另一种换能材料Y/Z 复合起来，可用下列通式来表示，即：
X Y X YZ Z
式中，Ｘ、Ｙ、Ｚ分别表示各种物理性能。
上式符合乘积表达式，所以称之为相乘 效应。
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相乘效应的组合可以非常广泛，已 被用于设计功能复合材料。
常用的物理乘积效应见下表所示：
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共振效应
两个相邻的材料在一定条件下，会产生 机械的或电、磁的共振。
由不同材料组成的复合材料，其固有频 率不同于原组分的固有频率，当复合材料中 某一部位的结构发生变化时，复合材料的固 有频率也会发生改变。
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利用共振效应，可以根据外来的工作 频率，改变复合材料固有频率而避免材料 在工作时引起的破坏。
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复合材料电导率不仅与金属填加物体 积分数有关，与温度也有密切关系，从而 显现出正温度效应和负温度效应。
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在一温度范围内，复合材料的电阻随 着温度的升高而升高(正温度效应)。
当超过某一温度时，其电阻值又随温 度的升高而下降(负温度效应)。
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由于电阻的正温度效应、负温度效应 的存在，使复合材料成为一种开关材料。
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例如，利用线性效应的混合法则，通过 合理铺设可以设计出某一温度区间膨胀系数 为零或接近于零的构件。
又如XY平面是压电，XZ平面呈电致发光 性，通过铺层设计可以得到YZ平面压致发光 的复合材料。
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另外，模仿生物体中的纤维和基体的 合理分布，通过数据库和计算机辅助设计 可望设计出性能优良的仿生功能材料。
下图显示了在1MHz高频下，复合材料 磁损耗与粉末颗粒尺寸D的关系。
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从图中可看
出，粉末尺寸越
磁 损
小，损耗越低。 耗
因此，可以 通过调整磁性粉 末颗粒的尺寸来 调节损耗ＰL值。
PL/kW.m-3
磁粉粒度/ um 磁损耗与软磁粉粒度的关系
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3、 导电复合材料
作为复合材料的电导率没有明确的数 值来划分导体、半导体和绝缘体。
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2.1.1 永磁复合材料
典型的永磁材料包括永磁铁氧体、铝镍 钴以及稀土永磁材料。
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一般情况下，永磁材料的密度较高， 脆而硬，不易加工成复杂的形状。
但是，制成高聚物基或软金属基复合 材料后，上述难加工的缺点可得到克服。
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永磁复合材料的功能组元是磁性粉末， 高聚物和软金属起到粘结剂的作用。
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这一临界填料量称之为复合材料的“渗流 阈值” 。
临界浓度值与金属填充颗粒的尺寸、分布、 形状以及制造工艺有很大关系。
例如宽粒分布的铝粉末的临界体积分数为 0.4，而窄颗粒分布的粉末临界体积分数为0.2。
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很多研究表明，一些绝缘性复合材料当承 受电压达到临界值时，会变成高导电性材料。
如果没有大的电流通过，则消除电压后样 品仍保持较低的电阻率，尔后再恢复到样品的 绝缘状态。
T V T
T, V和R分别为复合材料的温度、体积和电阻变化
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PTC材料的应用
● 自限温加热器：广泛用于液体输送管道、罐体 等的防冻保温、地暖及各类融雪装置。
Ec EmVm E fVf
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平行效应
显示这一效应的复合材料，它的各 组分材料在复合材料中，均保留本身 的作用，既无制约，也无补偿。
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对于增强体（如纤维）与基体界 面结合很弱的复合材料，所显示的复 合效应，可以看作是平行效应。
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相补效应
组成复合材料的基体与增强体，在性 能上相互补充，从而提高了综合性能，则 显示出相补效应。
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平均效应、相乘效应、平行效应、诱导效 应、相补效应、共振效应、相抵效应、系统效 应等各种复合效应，都是复合材料科学所研究 的对象和重要内容，这也是开拓新型复合材料， 特别是功能型复合材料的基础理论问题。
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2、功能复合材料的设计
复合材料的最大特点在于它的可设计性。 因此，在给定的性能要求、使用环境及 经济条件限制的前提下，从材料的选择途径 和工艺结构途径上进行设计。
功能复合材料
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复合材料按使用目的可分为两类: 结构复合材料和功能复合材料
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功能复合材料是指除机械性能以外而 提供其他物理性能的复合材料，如导电、 超导、半导、磁性、压电、阻尼、吸声、 摩擦、吸波、屏蔽、阻燃、防热、隔热等 功能复合材料。
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功能复合材料主要由功能体和 基体组成，或由两种(或两种以上)功 能体组成。
其中，高聚物使用较为普遍，常用的 有环氧树脂、尼龙和橡胶等材料。
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永磁复合材料的制造方法常采用模压、 注塑、挤压等工艺技术。
对于软金属粘结工艺来说，由于它较为 复杂，因此除磁体要求在较高温度下(＞200 ℃)使用外，很少采用这种金属基复合磁体。
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很显然，与高密度的金属磁体或陶 瓷磁体(铁氧体)相比，复合磁体的优良加 工性能是以牺牲一部分磁性能为代价的。
将金属颗粒混入高分子聚合物，高分子 聚合物的电阻率就会发生变化，然而这个变 化并非依据加和法则，而是当金属填料浓度 达到一临界体积c时，金属填充聚合物发生 一个如下图所示的突然转换，由绝缘体变成 导电体。
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电
Al
阻
率
对
数
Fe
/ .cm
金属的体积分数
苯乙烯—丙烯腈共聚物中Al粉和Fe粉的体积分数和电阻率的关系
也可以选用两种或两种以上的不同磁 粉与高分子材料复合，以便得到更宽范围 的实用性能。
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2.1.2 软磁复合材料
电器元件的小型化，导致磁路中追求更 高的驱动频率，为此应用的软磁材料，除在 静态磁场下经常要求的高饱和磁化强度和高 磁导率外，还要求它们具有低的交流损耗PL。
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通常较大尺寸的金属软磁材料，其相对 磁导率 r 随驱动频率的增大而急速下降， 如下图所示：
因此，可用于制备各种电子开关器件。
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导电高分子复合材料的正温度系数电阻效应
Positive Temperature Coefficient ( PTC )
log / . cm
9
8
7
6
5
4
3
2
0
20
40
60
80 100 120 140 160 180
T / oC
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复合材料的乘积效应 PTC效应 V R R
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由于复合永磁材料的易成形和良好加工 性能，因此常用来制作薄壁的微型电机使用 的环状定子，例如计算机主轴电机，钟表步 进电机等。
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复合永磁材料的良好成型性，使其适用 于制作体积小、形状复杂的永磁体。如汽车 仪表用磁体，磁推轴承及各类蜂鸣器等。
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复合永磁材料的功能体可看作是各类 磁体粉末（如铁氧体、铝镍钴、Sm--Co、 Nd--Fe--B等）制成的粘结磁体。
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在单一功能体的复合材料中，其功能 性质虽然由功能体提供，但基体不仅起到 粘结和赋形作用，同时也会对复合材料整 体的物理性能有影响。
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多元功能体的复合材料可以具有多种 功能，同时还有可能由于产生复合效应而 出现新的功能。
因此，多功能复合材料成为功能复合 材料的发展方向。
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1、功能复合材料的复合效应
是复合材料所显示的最典型的一种复合效 应。它可以表示为：
Pc PmVm Pf V f
式中，Ｐ为材料性能，Ｖ为材料体积 含量，角标c、m、f分别表示复合材料、 基体和增强体（或功能体）。
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复合材料的某些功能性质，例如电导、 热导、密度和弹性模量等服从平均效应这 一规律。
例如，复合材料的弹性模量，若用混 合率来表示，则为
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复合材料的乘积效应
Ａ相性质Ｘ／Ｙ
压磁效应 压磁效应 压电效应 磁致伸缩效应 光导效应 闪烁效应 热致变形效应
Ｂ相性质Ｙ／Ｚ
复合后的乘积性质
（Ｘ／Ｙ）（Ｙ／Ｚ）＝Ｘ／Ｚ
磁阻效应
压敏场致发光效应
压力发光效应
压阻效应
磁阻效应
电致效应
光致伸缩
光导效应
辐射诱导导电
压敏电阻效应
热敏电阻效应
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这种复合软磁材料的相对磁导率r值可 由下式描述:
r (cd ) /(d 2c )
式中d、c和分别表示金属粒子尺寸、 块状金属相的磁导率和包覆层厚度。
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显然，选择合适的金属粒子尺寸和包 覆层厚度即可获得所需的相对磁导率r值， 这对电感器和轭源圈的设计是十分重要的。
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由于绝缘物质的包覆，这类材料的电阻 率比其母体合金高得多(高1011倍)，因此在交 变磁场下具有低的磁损耗PL。
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Fe--Si---Al粉末颗粒复合体相对磁导率随驱动频率的变化
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如果把软磁材料（例如Fe--Si--A1合金） 制成粉末，表面被极薄的A12O3层或高聚物 分隔绝缘，然后热压或模压固化成块状软 磁体，则
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