第九章 功能复合材料(讲义)

第九章 功能复合材料

具有除力学性能以外的其他物理性能的复合材料，统称为功能复合材料，属于功能材料的范畴。功能复合材料可以根据功能体的不同物理性能及材料的复合原理设计、制备种类繁多、用途各异的复合材料。仿生也可以用来作为设计功能复合材料的借鉴，因为生物体中不乏具有功能性的先例。

功能复合材料种类繁多，在电学性质方面有绝缘材料，导电材料，半导电材料、正温度系数导电材料，吸波材料、压电，电致伸缩材料等；在磁性材料方面有复合永磁、软磁材料，磁致伸缩，压磁等；光学功能方面有透光，变频、抗激光、选择吸收光波等；热性能方面包括导热，绝热，耐烧蚀、低热膨胀材料；声学方面有声纳发射和接收，吸音等。此外还有阻尼，摩擦、抗磨损，自润滑等功能复合材料。利用功能体及复合材料对声、光、电、热、磁、力及各种环境的敏感性，可以制得具有各种敏感特性的复合材料，如光敏、温敏、湿敏、压敏等机敏功能复合材料，这类敏感材料对一些特种传感器提供了新的选择，它在工业生产过程自动控制与检测、自然灾害的预防、工业污染的监控、医疗卫生检查、自然资源的探测、各种遥感信息的传递及监测等许多方面将发挥越来越重要的作用。

此外，除了利用功能体的作用，还可以利用基体材料的功能特性，来制备功能复合材料。例如，利用具有化学分离功能的聚合物基体与磁性微粒功能体制成带磁核的具有的分离功能的磁性复合分离材料，它可以从溶液中选择地分离出贵金属离子或有毒金属离子，并在磁场下形成磁滤网，提高分离效率。

功能复合材料是复合材料的一个重要分支，近十年来发展很快，并在工业中得到广泛的应用。本章简要介绍几种常见的功能复合材料的特性，制备原理及应用的概况。

9.1 压电复合材料

任何材料在受到电场作用时，都会经受体积变化，如果产生的应变与电场强度的平方成正比，这就是通常所说的电致伸缩效应。与电致伸缩效应相反，某些材料具有这一效应的逆向效应。即对材料施加应力（张应力、压应力、切向应力）使其产生应变时，会出现电极化现象。这种特性称为压电性。这种效应称为“正压电效应”；反之，在材料上施加的电场引起极化时，材料产生应变或应力，则称为“逆压电效应”，例如，应变的大小直接与施加电场的电场强度成正比。这两种正逆、压电效应总称为压电效应。也就是说，显示压电性的材料，通过压电效应能将力学量即应力X（拉、压、应力的泛指）和应变 与电学量即电场强度E、电位移D（即电感应强度）或极化强度P互相联系在一起，这就称为机电耦合。

9.1.1 压电材料及压电复合材料的特性和表征

1．压电材料的特性及表征

通常，具有压电效应的材料均为晶体材料。而压电效应与晶体的对称性有关。从结构上能产生压电现象的晶体必须具备两个条件：原子排列为非中心对称；晶格内质点，可带正电荷和负电荷。这样在应力作用下，正负电荷 作相对移动，形成偶极矩，如图9-1所示：　

图9-1 压电效应示意图

(a) 未加应力；(b) 加应力，产生极化，正负电荷中心分开；(c) 加应力，不产生极化

（摘自闻狄江编，《复合材料原理》，武汉工业大学出版社，1998年，P 172） 从几何结晶学可知，有对称中心点群的晶体不产生压电效应，因为在这样的晶体中正负电荷的对称式排列不因变形而破坏。也就是说，具有对称中心的晶体的总电矩永远为零。不具有对称中心只是产生压电性的必要条件。作为压电晶体还必须是不导电或半导电性的，同时还必须分别含有带正电荷和带负电荷的质点，这就必须是离子晶体或由离子团组成的分子晶体。　

压电性可以通过材料的有关物理量D、E、X 及χ来描述，以应力X 和应变χ表示压电材料的机械状态，以电场强极E 和电位移D 表示电学状态，用下列偏导数定义各种正电效应系数 ⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧=⎪⎪⎭⎫ ⎝

⎛∂∂-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-=⎪⎭⎫ ⎝

⎛∂∂⋅⋅⋅⋅h E e D g X E d X D T D T E T D T E χχ

(9-1)

式(9-1)中，下标表示恒定的变量，T 是温度。同样，逆压电效应系数可定义为： ⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧=⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=⎪

⎭⎫ ⎝⎛∂∂*

⋅*⋅*⋅*⋅h D X e E X g D d E T T T X T

X χχχχ (9-2) 利用热力学理论，可以证明上述8个系数有如下关系：　

⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧====****

h

h e

e g g d d (9-3) 同时，描述材料的压电特性还有以下参数：

(1) 介电损耗tgδ　

可以把电压为U 0时，通过电介质的电流看成两支：一支是通过介质中损耗电阻R n 的电流I R ，此时有I R =U 0/R n ；另一支电流I C 是通过介质纯电容部分，此时有I C =ωU 0·C，其中ω代表交变电场的角频率，C 为带有电极的介质样品的静电容值，则介质损耗角正切值为： n

C R CR I I tg ωδ1== (9-4) 因为tgδ与介质中能量损耗成正比，所以tgδ称为损耗因子或介质损耗。产生介质损耗的原因有两个：一是介质漏电；二是由于介质受电场交变迅速，极化存在滞后。　

(2) 机械品质因数Q m

压电材料制作谐振换能器和频率振子等器件是利用压电晶体的谐振效应。压电振子谐振时，要克服内摩擦而消耗能量，造成机械损失。机械品质因数Q m 反映压电振子在谐振时的损耗程度。Q m 定义为： 能量

每周期振子机械损耗的谐振子储存的机械能π2=m Q (9-5) (3) 机电耦合系数k eff

k eff 反映压电材料的机械能与电能之间的耦合关系。它定义为：　

输入的电能总量机械能的电能通过逆压电效应转换成=

2eff k (9-6) 或 输入的机械能总量

能的机械能通过压电效应转换成电=2eff k (9-7) 由于压电振子的机械能与振子的形状和振动模式有关，因此，对不同模式有不同的耦合系数。机电耦合系数是无量纲的综合参数，它是综合反映压电材料性能(介电常数、弹性模量、压电常数)的系数。　

2．压电复合材料的特性　

自1947年，S. Robents 发现钛酸钡BaTiO 3的压电性以来，压电陶瓷的发展十分迅速，

至今已研制出许多性能优异的材料，诸如钛酸铅PbTiO 3

(PT)、锆钛酸铅(PZT)、铌镁钛酸铅(PCM)、掺镧锆钛酸铅(PLZT)、铌酸锂LiNbO 3、钽酸锂LiTaO 3等，应用也广泛涉及到电子、传感、变压、水声换能、超声、光电等诸多领域。然而，单相材料在某些应用领域具有难以克服的缺点。如用作水声换能材料，压电陶瓷的密度大，与水声匹配不良，脆性大，受到较大的冲击易碎。因此，人们转向通过复合材料来试图寻找新的解决途径。从而使陶瓷聚合物复合材料在近十多年来作为一类新的压电材料得到较快的发展。陶瓷聚合物压电复合材料综合了压电陶瓷和聚合物的优点，这在应用于水声换能材料中得到了充分体现。

压电陶瓷的压电应变系数d 比压电聚合物(如聚偏二氟乙烯PVF 2)高得多，

但由于其介电常数ε也很高(约为聚合物的400倍)，则压电电压系数g=d/ε将变得很小，于是作为水声材料的重要特性参数静水压压电电压系数g h 及压电优质因子g h ·d h (d h 为静水压压电应变系数)就相应变小。而聚合物基压电复合材料的介电常数小，密度小，具有很好的韧性，很适于用作水声换能材料。此外，还可用于医学传感器和用作机敏材料等。　

人们只是在十多年前才知道通过复合技术可以显著改善材料的压电性能，对于特定的目的，设计一种复合材料不仅需要选择适当的组成和性质，而且需要选择联接它们的最佳方式。0-3型聚合物基压电复合材料是最常见压电复合材料结构。它是指具有压电活性的粉末分散于三维连续的聚合物基体中形成的复合材料，人们对这类压电复合材料表现出极

大的兴趣，其原因是除了能与其他类型的压电复合材料一样提高单相压电材料的g h 和g h ·

d h 值、改善脆性、降低密度外，还有以下优点：易于制成多种形状，如薄片、挤出成柱状和纤维状以及可浇铸成型等；易于制造，适于大量生产。可制成弹性体而适于弯曲状态下使用。因此，各国研究人员正采用不同的材料和工艺，致力于提高0-3型聚合物基压电复合材料的敏感性，使复合材料的d c 、d hc 及g hc 、g hc ·d hc 在一定程度上得到提高，某些参数已超过了压电陶瓷(如PZT 等)。