功能复合材料.ppt

第九章第九章 功能复合材料功能复合材料1.复合材料按复合材料按使用目的使用目的可分为两类可分为两类:结构结构复合材料复合材料和和功能功能复合材料复合材料2.功能复合材料功能复合材料是指除是指除机械性能机械性能以外以外而而提供提供其他物理性能其他物理性能的复合材料，如的复合材料，如导电导电、超导超导、半导半导、磁性磁性、压电压电、阻尼阻尼、吸声吸声、摩擦摩擦、吸波吸波、屏蔽屏蔽、阻燃阻燃、防热防热、隔热隔热等等功能复合材料。功能复合材料。3.功能复合材料功能复合材料主要由主要由功能体功能体和和基体基体组成，或由组成，或由两种两种(或两种以上或两种以上)功功能体能体组成。组成。4.在在单一功能体的复合材料单一功能体的复合材料中，其中，其功能功能性质性质虽然由虽然由功能体功能体提供，但提供，但基体基体不仅起到不仅起到粘结和赋形作用粘结和赋形作用，同时也会对复合材料，同时也会对复合材料整整体的物理性能体的物理性能有影响。有影响。5.多元功能体的复合材料多元功能体的复合材料可以具有可以具有多种多种功能功能，同时还有可能由于，同时还有可能由于产生复合效应产生复合效应而而出现出现新的功能新的功能。因此，因此，多功能复合材料多功能复合材料成为成为功能复合功能复合材料的发展方向材料的发展方向。6.1、功能复合材料的复合效应、功能复合材料的复合效应材料材料在复合后在复合后所得的复合材料，依据其所得的复合材料，依据其产生产生复合效应的特征复合效应的特征，可分为两大类：，可分为两大类：一类复合效应为一类复合效应为线性效应线性效应；另一类则为另一类则为非线性效应非线性效应。在这在这两类复合效应两类复合效应中，又可以显示出不中，又可以显示出不同的特征。同的特征。7.平均效应相乘效应平均效应相乘效应平行效应诱导效应平行效应诱导效应相补效应共振效应相补效应共振效应相抵效应系统效应相抵效应系统效应线性效应线性效应线性效应线性效应非线性效应非线性效应非线性效应非线性效应复复 合合 效效 应应不同复合效应的类别不同复合效应的类别下表列出了下表列出了不同复合效应不同复合效应的类别。的类别。8.平均效应平均效应是复合材料所显示的是复合材料所显示的最典型的最典型的一种复合效一种复合效应。它可以表示为：应。它可以表示为：式中，为材料性能，为材料体积式中，为材料性能，为材料体积含量，角标含量，角标c、m、f分别表示复合材料、分别表示复合材料、基体和增强体（或功能体）。基体和增强体（或功能体）。9.复合材料的某些复合材料的某些功能性质功能性质，例如，例如电导电导、热导热导、密度密度和和弹性模量弹性模量等服从等服从平均效应平均效应这这一规律。一规律。例如，复合材料的例如，复合材料的弹性模量弹性模量，若用，若用混混合率合率来表示，则为来表示，则为10.平行效应平行效应显示这一效应的复合材料，它的显示这一效应的复合材料，它的各各组分材料组分材料在复合材料中，均在复合材料中，均保留本身保留本身的作用的作用，既，既无制约无制约，也，也无补偿无补偿。11.对于对于增强体增强体（如纤维）与（如纤维）与基体界基体界面面结合很弱结合很弱的复合材料，所显示的复的复合材料，所显示的复合效应，可以看作是合效应，可以看作是平行效应平行效应。12.相补效应相补效应组成复合材料的组成复合材料的基体基体与与增强体增强体，在性在性能上能上相互补充相互补充，从而，从而提高了综合性能提高了综合性能，则，则显示出显示出相补效应相补效应。13.对于对于脆性的高强度纤维增强体脆性的高强度纤维增强体与与韧性韧性基体基体复合时，两相间若能得到复合时，两相间若能得到适宜的结合适宜的结合而形成的复合材料，其性能显示为而形成的复合材料，其性能显示为增强体增强体与与基体的互补基体的互补。14.相抵效应相抵效应基体与增强体基体与增强体组成复合材料时，组成复合材料时，若若组分间性能组分间性能相互制约相互制约，限制了整体限制了整体性能提高性能提高，则复合后显示出，则复合后显示出相抵效应相抵效应。15.例如，例如，脆性的纤维增强体脆性的纤维增强体与与韧韧性基体性基体组成的复合材料，组成的复合材料，当两者界当两者界面结合很强时面结合很强时，复合材料整体显示，复合材料整体显示为为脆性断裂脆性断裂。16.在在玻璃纤维增强塑料玻璃纤维增强塑料中，当中，当玻璃纤维表玻璃纤维表面面选用适宜的选用适宜的硅烷偶联剂硅烷偶联剂处理后，与处理后，与树脂基树脂基体体组成的复合材料，由于组成的复合材料，由于强化了界面的结合强化了界面的结合，故致使材料的故致使材料的拉伸强度拉伸强度比未处理纤维比未处理纤维组成的组成的复合材料可高出复合材料可高出30-40%，而且，而且湿态强度保留湿态强度保留率率也明显提高。也明显提高。17.但是，这种但是，这种强结合的界面强结合的界面同时却导致同时却导致了复合材料了复合材料冲击性能的降低冲击性能的降低。因此，在因此，在金属基金属基、陶瓷基增强复合材陶瓷基增强复合材料中料中，过强的界面结合过强的界面结合不一定是最适宜的。不一定是最适宜的。18.相补效应相补效应和和相抵效应相抵效应常常是常常是共同存在的共同存在的。显然，显然，相补效应相补效应是希望得到的，而是希望得到的，而相抵相抵效应效应要尽量能够避免。要尽量能够避免。所有这些，可通过所有这些，可通过相应复合材料的设计相应复合材料的设计来加以实现。来加以实现。19.相乘效应相乘效应两种两种具有转换效应的材料具有转换效应的材料复合在一起，复合在一起，即可发生即可发生相乘效应相乘效应。例如，把具有例如，把具有电磁效应电磁效应的材料与具有的材料与具有磁光效应磁光效应的材料复合时，将可能产生具有的材料复合时，将可能产生具有电光效应电光效应的复合材料。的复合材料。20.因此，通常可以将一种具有因此，通常可以将一种具有两种性能相两种性能相互转换的功能材料互转换的功能材料X/Y和另一种和另一种换能材料换能材料Y/Z复合起来，可用下列通式来表示，即：复合起来，可用下列通式来表示，即：式中，、分别表示各种式中，、分别表示各种物理性能物理性能。上式上式符合乘积表达式符合乘积表达式，所以称之为，所以称之为相相乘效应乘效应。21.相乘效应的组合相乘效应的组合可以非常广泛，已可以非常广泛，已被用于被用于设计功能复合材料设计功能复合材料。常用的常用的物理乘积效应物理乘积效应见下表所示：见下表所示：22.复合材料的乘积效应复合材料的乘积效应相性质相性质相性质相性质复合后的乘积性质复合后的乘积性质（）（）（）（）压磁效应压磁效应压磁效应压磁效应压电效应压电效应磁致伸缩效应磁致伸缩效应光导效应光导效应闪烁效应闪烁效应热致变形效应热致变形效应磁阻效应磁阻效应磁电效应磁电效应场致发光效应场致发光效应压阻效应压阻效应电致效应电致效应光导效应光导效应压敏电阻效应压敏电阻效应压敏电阻效应压敏电阻效应压电效应压电效应压力发光效应压力发光效应磁阻效应磁阻效应光致伸缩光致伸缩辐射诱导导电辐射诱导导电热敏电阻效应热敏电阻效应23.诱导效应诱导效应在一定条件下，复合材料中的在一定条件下，复合材料中的一个组分一个组分材料材料可以可以通过诱导作用通过诱导作用使使另一个组分材料另一个组分材料的的结构改变结构改变，从而，从而改变整体性能改变整体性能或或产生新效应产生新效应。这种这种诱导行为诱导行为已在很多实验中发现，同已在很多实验中发现，同时也时也在复合材料界面的两侧在复合材料界面的两侧发现。发现。24.例如，例如，结晶的纤维增强体结晶的纤维增强体对对非晶基体非晶基体的的诱导结晶诱导结晶或或晶形基体晶形基体的的晶形取向产生作用晶形取向产生作用。在在碳纤维碳纤维增强增强尼龙或聚丙烯尼龙或聚丙烯中，由于中，由于碳碳纤维表面纤维表面对对基体基体的的诱导作用诱导作用，致使，致使界面上的界面上的结晶状态与数量结晶状态与数量发生了改变，如出现发生了改变，如出现横向穿横向穿晶晶等，这种效应对尼龙或聚丙烯起着等，这种效应对尼龙或聚丙烯起着特殊的特殊的作用作用。25.共振效应共振效应两个相邻的材料两个相邻的材料在一定条件下在一定条件下，会产生，会产生机械的机械的或或电、磁的共振电、磁的共振。由由不同材料不同材料组成的复合材料，其组成的复合材料，其固有频固有频率率不同于不同于原组分的原组分的固有频率固有频率，当复合材料中，当复合材料中某一部位的某一部位的结构发生变化结构发生变化时，复合材料的时，复合材料的固固有频率有频率也会发生改变。也会发生改变。26.利用利用共振效应共振效应，可以根据，可以根据外来的工作外来的工作频率频率，改变复合材料固有频率改变复合材料固有频率而而避免材料避免材料在工作时引起的破坏在工作时引起的破坏。对于对于吸波材料吸波材料，同样可以根据，同样可以根据外来波外来波长的频率特征长的频率特征，调整复合频率调整复合频率，达到，达到吸收吸收外来波外来波的目的。的目的。27.系统效应系统效应这是材料的一种这是材料的一种复杂效应复杂效应，至目前为，至目前为止，这一止，这一效应的机理效应的机理尚不很清楚，但在实尚不很清楚，但在实际现象中已经发现这种效应的存在。际现象中已经发现这种效应的存在。28.例如，例如，交替叠层镀膜的硬度交替叠层镀膜的硬度大于原来大于原来各各单一镀膜的硬度单一镀膜的硬度和和按线性混合率估算值按线性混合率估算值，说明说明组成了复合系统组成了复合系统才能出现的现象。才能出现的现象。29.平均效应平均效应、相乘效应相乘效应、平行效应平行效应、诱导效诱导效应应、相补效应相补效应、共振效应共振效应、相抵效应相抵效应、系统效系统效应应等各种复合效应，都是复合材料科学所等各种复合效应，都是复合材料科学所研究研究的对象的对象和和重要内容重要内容，这也是，这也是开拓新型复合材料开拓新型复合材料，特别是特别是功能型复合材料功能型复合材料的的基础理论问题基础理论问题。30.2、功能复合材料的设计、功能复合材料的设计复合材料的复合材料的最大特点最大特点在于它的在于它的可设计性可设计性。因此，在给定的因此，在给定的性能要求性能要求、使用环境使用环境及及经经济条件限制济条件限制的前提下，从的前提下，从材料的选择途径材料的选择途径和和工工艺结构途径艺结构途径上进行设计。上进行设计。31.例如，利用例如，利用线性效应线性效应的混合法则，通过的混合法则，通过合合理铺设理铺设可以设计出某一温度区间可以设计出某一温度区间膨胀系数为零膨胀系数为零或或接近于零的构件接近于零的构件。又如又如XY平面是平面是压电压电，XZ平面呈平面呈电致发光电致发光性，通过性，通过铺层设计铺层设计可以得到可以得到YZ平面平面压致发光压致发光的复合材料。的复合材料。32.另外，模仿另外，模仿生物体中的生物体中的纤维纤维和和基体基体的的合理分布合理分布，通过，通过数据库和计算机辅助设计数据库和计算机辅助设计可望设计出可望设计出性能优良的性能优良的仿生功能材料仿生功能材料。33.2.1 磁性复合材料磁性复合材料磁性复合材料磁性复合材料(Magnetic composite materials)是以是以高聚物或软金属高聚物或软金属为为基体基体与与磁磁性材料性材料复合而成的一类材料。复合而成的一类材料。34.由于由于磁性材料磁性材料有有软磁软磁和和硬磁硬磁之分，因此之分，因此也有也有相应的软磁和硬磁复合材料相应的软磁和硬磁复合材料。此外，此外，强磁性强磁性(铁磁性和亚铁磁性铁磁性和亚铁磁性)细微细微颗粒颗粒涂覆在涂覆在高聚物材料带上高聚物材料带上或或金属盘上金属盘上形成形成磁带或磁盘磁带或磁盘用于磁记录，也是一类非常重要用于磁记录，也是一类非常重要的磁性复合材料，又如的磁性复合材料，又如与液体混合与液体混合形成形成磁流磁流体体等。等。35.2.1.1 永磁复合材料永磁复合材料典型的永磁材料典型的永磁材料包括包括永磁铁氧体永磁铁氧体、铝镍铝镍钴钴以及以及稀土永磁稀土永磁材料。材料。36.一般情况下，永磁材料的一般情况下，永磁材料的密度较高密度较高，脆而硬脆而硬，不易加工不易加工成复杂的形状。成复杂的形状。但是，制成但是，制成高聚物基高聚物基或或软金属基软金属基复合复合材料后，上述材料后，上述难加工的缺点难加工的缺点可得到克服。可得到克服。37.永磁复合材料永磁复合材料的的功能组元功能组元是是磁性粉末磁性粉末，高聚物和软金属高聚物和软金属起到起到粘结剂粘结剂的作用。的作用。其中，其中，高聚物高聚物使用较为普遍，常用的使用较为普遍，常用的有有环氧树脂环氧树脂、尼龙和、尼龙和橡胶橡胶等材料。等材料。38.永磁复合材料永磁复合材料的的制造方法制造方法常采用常采用模压模压、注塑注塑、挤压挤压等工艺技术。等工艺技术。对于对于软金属粘结工艺软金属粘结工艺来说来说，由于它由于它较为较为复杂复杂，因此除，因此除磁体要求在较高温度下磁体要求在较高温度下(200)使用外使用外，很少采用这种，很少采用这种金属基复合磁体金属基复合磁体。39.很显然，与很显然，与高密度的金属磁体高密度的金属磁体或或陶陶瓷磁体瓷磁体(铁氧体铁氧体)相比，相比，复合磁体的复合磁体的优良加优良加工性能工性能是以是以牺牲一部分牺牲一部分磁性能磁性能为为代价的。代价的。40.非磁性基体非磁性基体及及非磁性相非磁性相的比例的比例直接影响直接影响到材料的到材料的饱和磁化强度饱和磁化强度及及剩余磁化强度剩余磁化强度，它，它可用下述关系式来表达：可用下述关系式来表达：41.其中，其中，MrMr为复合磁体的为复合磁体的剩余磁化强度剩余磁化强度；MsMs为磁性为磁性组元的组元的饱和磁化强度饱和磁化强度；为为复合磁体密度复合磁体密度；o o为磁为磁性组元的性组元的理论密度理论密度；为复合物中的为复合物中的非磁性相的体非磁性相的体积分数积分数；f f为铁磁性相在外磁场方向的取向度。为铁磁性相在外磁场方向的取向度。42.由于由于复合永磁材料复合永磁材料的的易成形易成形和和良好加工良好加工性能性能，因此常用来制作，因此常用来制作薄壁的微型电机使用薄壁的微型电机使用的的环状定子环状定子，例如，例如计算机主轴电机计算机主轴电机，钟表步钟表步进电机进电机等。等。43.复合永磁材料的复合永磁材料的良好成型性良好成型性，使其适用，使其适用于制作于制作体积小体积小、形状复杂的永磁体形状复杂的永磁体。如。如汽车汽车仪表用磁体仪表用磁体，磁推轴承磁推轴承及各类及各类蜂鸣器蜂鸣器等。等。44.复合永磁材料的复合永磁材料的功能体功能体可看作是各类可看作是各类磁体粉末磁体粉末（如（如铁氧体铁氧体、铝镍钴铝镍钴、Sm-Co、Nd-Fe-B等）制成的等）制成的粘结磁体粘结磁体。也可以选用也可以选用两种或两种以上的两种或两种以上的不同磁不同磁粉粉与与高分子材料高分子材料复合，以便得到复合，以便得到更宽范围更宽范围的实用性能的实用性能。45.2.1.2 软磁复合材料软磁复合材料电器元件的小型化电器元件的小型化，导致，导致磁路中磁路中追求追求更更高的驱动频率高的驱动频率，为此应用的，为此应用的软磁材料软磁材料，除，除在在静态磁场下静态磁场下经常要求的经常要求的高饱和磁化强度高饱和磁化强度和和高高磁导率磁导率外，还要求它们具有外，还要求它们具有低的交流损耗低的交流损耗PL。46.通常通常较大尺寸的较大尺寸的金属软磁材料金属软磁材料，其，其相对相对磁导率磁导率 r 随随驱动频率驱动频率的的增大而急速下降增大而急速下降，如下图所示：如下图所示：47.Fe-Si-Al粉末颗粒复合体相对磁导率随驱动频率的变化粉末颗粒复合体相对磁导率随驱动频率的变化48.如果把如果把软磁材料软磁材料（例如（例如Fe-Si-A1合金）合金）制成粉末制成粉末，表面被，表面被极薄的极薄的A12O3层层或或高聚物高聚物分隔绝缘分隔绝缘，然后，然后热压或模压固化热压或模压固化成成块状软块状软磁体磁体，则，则49.从图从图A、B、D曲线看出，它的曲线看出，它的 r值值在相当宽的驱动在相当宽的驱动频率范围内频率范围内不随交变场频率的升高而下降不随交变场频率的升高而下降不随交变场频率的升高而下降不随交变场频率的升高而下降，从而保，从而保持在一个持在一个较平稳的恒定值较平稳的恒定值较平稳的恒定值较平稳的恒定值。50.这种复合软磁材料的这种复合软磁材料的相对磁导率相对磁导率 r值可值可由下式描述由下式描述:式中式中d、c和和 分别表示分别表示金属粒子尺寸金属粒子尺寸、块状金属相的块状金属相的磁导率磁导率和和包覆层厚度包覆层厚度。51.显然，选择合适的显然，选择合适的金属粒子尺寸金属粒子尺寸和和包包覆层厚度覆层厚度即可获得即可获得所需的所需的相对磁导率相对磁导率 r值值，这对这对电感器和轭源圈的设计电感器和轭源圈的设计是十分重要的。是十分重要的。52.由于由于绝缘物质的包覆绝缘物质的包覆，这类材料的，这类材料的电阻电阻率率比其比其母体合金母体合金高得多高得多(高高1011倍倍)，因此，因此在交在交变磁场下变磁场下具有具有低的磁损耗低的磁损耗PL。下图显示了在下图显示了在1MHz高频下，复合材料高频下，复合材料磁损耗磁损耗与与粉末颗粒尺寸粉末颗粒尺寸D的关系。的关系。53.磁磁损损耗耗PL/kW.m-3磁粉粒度磁粉粒度/um磁损耗与软磁粉粒度的关系磁损耗与软磁粉粒度的关系磁损耗与软磁粉粒度的关系磁损耗与软磁粉粒度的关系从图中可看从图中可看出，出，粉末尺寸越粉末尺寸越粉末尺寸越粉末尺寸越小小小小，损耗越低损耗越低损耗越低损耗越低。因此，可以因此，可以通过通过调整磁性粉调整磁性粉调整磁性粉调整磁性粉末颗粒的尺寸末颗粒的尺寸末颗粒的尺寸末颗粒的尺寸来来调节损耗调节损耗L值。值。54.2.1.3 磁性记录与读出磁性记录与读出记录记录声音和图像声音和图像，然后，然后将其读出将其读出(再生再生)的过程，如下图所示。的过程，如下图所示。55.音光音光电气电气信号信号磁性磁性信号信号作为磁作为磁性保留性保留磁头磁头记录材料记录材料磁记录再生的原理示意图磁记录再生的原理示意图56.由由麦克风及摄像机麦克风及摄像机将将声音及光声音及光变成变成电电信号信号，再，再由磁头由磁头变成变成磁信号磁信号，从而固定在，从而固定在磁记录介质磁记录介质上。上。读出时读出时，与记录过程相反，使，与记录过程相反，使声音和声音和图像再生图像再生。57.理想的理想的磁记录介质磁记录介质要尽可能地要尽可能地高密度高密度，能能长期保存记录长期保存记录，再生时，再生时尽可能高输出尽可能高输出。在考虑能够实现在考虑能够实现高密度高密度、长期保存长期保存、高高输出时输出时，大致有，大致有两方面的考虑两方面的考虑，一是，一是磁性材磁性材料的种类料的种类，二是，二是以磁性层为中心的叠层结构以磁性层为中心的叠层结构的构成的构成。58.2.2 磁性材料磁性材料作为记录介质的作为记录介质的强磁性材料强磁性材料，主要性能主要性能指标指标是是矫顽力矫顽力Hc和和剩余磁化强度剩余磁化强度Mr的大小。的大小。这两个性能指标不仅受这两个性能指标不仅受磁性材料种类磁性材料种类的的影啊，也受影啊，也受颗粒的大小和形状颗粒的大小和形状的影响。的影响。59.下表列出了目前使用的下表列出了目前使用的磁记录介质材料磁记录介质材料磁记录介质材料磁记录介质材料的磁的磁特性。特性。磁性材料磁性材料 Mr/T Hc/A.m-1-Fe2O3(14001800)*10-4(15.9231.83)*103Co-Fe2O3(14001800)*10-4(47.7571.62)*103金属金属Fe(23002900)*10-4(111.41127.33)*103Co-Ni 合金合金(1100012000)*10-4(55.7159.69)*103各种磁性粉末的特性各种磁性粉末的特性表中的排列是表中的排列是按发展的顺序按发展的顺序按发展的顺序按发展的顺序排列的。排列的。60.从表中可看出，每一次材料的从表中可看出，每一次材料的重大改进重大改进都使都使介质介质介质介质材料的磁性材料的磁性材料的磁性材料的磁性产生一次质的飞跃产生一次质的飞跃，与此同时，也使，与此同时，也使磁磁磁磁记录密度记录密度记录密度记录密度获得获得一次大的提高一次大的提高。磁性材料磁性材料 Mr/T Hc/A.m-1-Fe2O3(14001800)*10-4(15.9231.83)*103Co-Fe2O3(14001800)*10-4(47.7571.62)*103金属金属Fe(23002900)*10-4(111.41127.33)*103Co-Ni 合金合金(1100012000)*10-4(55.7159.69)*10361.2.3 叠层结构对磁带性能的影叠层结构对磁带性能的影在现有材料基础上，为了在现有材料基础上，为了进一步提高记进一步提高记录密度录密度，就应考虑，就应考虑在叠层结构上在叠层结构上的优化。的优化。62.一般对于一般对于粉状磁性材料粉状磁性材料，先制造，先制造以适当以适当高分子为粘结剂的涂料高分子为粘结剂的涂料，然后把该涂料，然后把该涂料用适用适当的方法进行涂敷、干燥当的方法进行涂敷、干燥，制造出如下图所，制造出如下图所示的一种示的一种层压薄片层压薄片，这就是，这就是记录磁带记录磁带。显然，。显然，它属于它属于叠层型的功能复合材料叠层型的功能复合材料。63.磁粉磁粉磁粉磁粉粘结剂粘结剂粘结剂粘结剂添加剂添加剂添加剂添加剂磁层磁层磁层磁层下涂层下涂层下涂层下涂层背涂层背涂层背涂层背涂层基膜基膜基膜基膜记录磁带的结构记录磁带的结构64.到目前为止，为到目前为止，为提高涂敷型磁带的性提高涂敷型磁带的性能能采取了下面一些措施：采取了下面一些措施：(1)提高磁性层中提高磁性层中磁性材料的填充率磁性材料的填充率；(2)尽可能尽可能缩小磁性材料的颗粒缩小磁性材料的颗粒；(3)缩小磁头与磁带间的空隙缩小磁头与磁带间的空隙，防止磁损失。，防止磁损失。65.上面这些都是能够提高磁带记录密度的上面这些都是能够提高磁带记录密度的措施。但是，这些改进都是措施。但是，这些改进都是有限度的有限度的，超过超过一定极限值一定极限值会导致一些会导致一些负面作用负面作用出现。出现。因此，为了因此，为了进一步改善记录密度进一步改善记录密度，就需，就需要有要有新的叠层构思和技术新的叠层构思和技术，即要创造出，即要创造出以复以复合技术为中心合技术为中心的新功能。的新功能。66.目前，研究者对此进行两种尝试。目前，研究者对此进行两种尝试。一、尝试把现在一、尝试把现在单一的磁性层单一的磁性层变成变成双磁性层双磁性层。二、不是用二、不是用涂敷磁性粉末和粘结剂涂敷磁性粉末和粘结剂混合成的涂料的方法混合成的涂料的方法来制造来制造磁性层磁性层，而，而是依靠是依靠真空镀敷真空镀敷Co/Ni合金薄膜合金薄膜的方法，的方法，来制造磁带。来制造磁带。67.把把单一磁性层单一磁性层变成变成双磁性层双磁性层的尝试是采的尝试是采用用上层使用高娇顽力的微颗粒金属磁性材料上层使用高娇顽力的微颗粒金属磁性材料，厚度为厚度为0.4um，下层使用低矫顽力的钴改性下层使用低矫顽力的钴改性的氧化铁磁性材料的氧化铁磁性材料，厚度为，厚度为2.5um。这样，这样，上层能够高效率地记录上层能够高效率地记录，再生用，再生用高频和较强高频和较强磁场记录的亮度信号磁场记录的亮度信号。68.另一方面，因为另一方面，因为色调信号色调信号和和声音信号声音信号是是低频，低频，在磁性层深部在磁性层深部才变弱。所以适当地搭才变弱。所以适当地搭配配上层与下层的厚度上层与下层的厚度及及矫顽力矫顽力可得到比可得到比只使只使用一种磁性材料的磁性层用一种磁性材料的磁性层更高的输出功率。更高的输出功率。这样，这样，不同波长都提高了输出功率不同波长都提高了输出功率，可，可获得获得更清晰的图像和声音更清晰的图像和声音。然而这种然而这种双层结构双层结构给涂敷技术给涂敷技术提出更高提出更高的要求，不是的要求，不是常规涂敷方法常规涂敷方法能实现的。能实现的。69.Co-Ni合金薄膜磁带合金薄膜磁带是基于将来是基于将来需记录信号需记录信号的波长的波长可能可能向短波长方向发展向短波长方向发展的角度出发而设的角度出发而设计和构思的。计和构思的。短波长的磁场短波长的磁场由于由于波及的深度浅波及的深度浅，考虑到，考虑到厚度损失的问题，那么厚度损失的问题，那么0.2um程度的超薄膜程度的超薄膜是是最理想的。要制造这样的超薄膜，最理想的。要制造这样的超薄膜，真空蒸镀法真空蒸镀法是适合的。是适合的。70.此外，此外，磁性材料磁性材料具有较好的性能，本具有较好的性能，本身就可以身就可以提高记录密度提高记录密度。各种磁性粉末的特各种磁性粉末的特性如下表所示性如下表所示磁性材料磁性材料 Mr/T Hc/A.m-1-Fe2O3(14001800)*10-4(15.9231.83)*103Co-Fe2O3(14001800)*10-4(47.7571.62)*103金属金属Fe(23002900)*10-4(111.41127.33)*103Co-Ni 合金合金(1100012000)*10-4(55.7159.69)*10371.由表中可见，由表中可见，剩磁最大剩磁最大的是的是Co-Ni合金，合金，如果镀成薄膜，如果镀成薄膜，磁性材料的填充率磁性材料的填充率几乎接几乎接近近100。无论是。无论是剩磁大剩磁大，还是，还是填充率大填充率大都都对对提高输出功率提高输出功率有好处。有好处。磁性材料磁性材料 Mr/T Hc/A.m-1-Fe2O3(14001800)*10-4(15.9231.83)*103Co-Fe2O3(14001800)*10-4(47.7571.62)*103金属金属Fe(23002900)*10-4(111.41127.33)*103Co-Ni 合金合金(1100012000)*10-4(55.7159.69)*10372.2.4 磁流体磁流体磁流体磁流体是是强磁性强磁性(铁磁性和亚铁磁性铁磁性和亚铁磁性)细细微颗粒微颗粒与与一种液体一种液体均匀混合而成的均匀混合而成的胶状液体胶状液体。它既具有强磁性材料的它既具有强磁性材料的多种磁特性多种磁特性，又，又具有具有液体的特性液体的特性。73.磁性液体磁性液体由强磁性由强磁性单畴颗粒单畴颗粒(磁粉磁粉)、基质液体基质液体(基液基液)和和分散剂分散剂(表面活表面活性剂性剂)组成。组成。74.为了防止为了防止磁粉沉淀和凝聚磁粉沉淀和凝聚，使磁性液体，使磁性液体稳定，必须选择适当的稳定，必须选择适当的磁粉粒径磁粉粒径、分散剂分散剂物物性参量和用量性参量和用量以及以及基液基液物性参量物性参量，使磁粉磁，使磁粉磁偶极矩间偶极矩间作用力和热作用力作用力和热作用力的的综合效应产生综合效应产生势垒势垒，以利于，以利于磁性液体稳定磁性液体稳定。75.组成中的组成中的磁粉磁粉采用采用金属或非金属强磁金属或非金属强磁材料材料，通过，通过化学沉淀法化学沉淀法、热分解法热分解法、机械机械研磨法研磨法、电解电解等方法制成，粒径约等方法制成，粒径约1 100 nm的的单畴颗粒单畴颗粒。76.基质液体基质液体的种类很多，常根据用的种类很多，常根据用途选用。目前多采用途选用。目前多采用非金属基液非金属基液，主，主要有以下六种。要有以下六种。77.(1)水水一种一种常用和经济常用和经济的基液，可在较宽范的基液，可在较宽范围内调节围内调节pH值；但容易蒸发，适于制备值；但容易蒸发，适于制备在在选矿和磁印刷等方面选矿和磁印刷等方面应用的应用的磁性液体磁性液体。78.(2)酯酯类和类和二酯二酯类类蒸气压低蒸气压低，粘滞性适当粘滞性适当，润滑性好润滑性好，适于制备适于制备在真空密封和阻尼系统中在真空密封和阻尼系统中应用的应用的磁性液体。磁性液体。79.(3)烃烃类类粘度较低粘度较低，电阻率和介电常数较高电阻率和介电常数较高，适于制备在要求适于制备在要求电绝缘好、粘滞性低的电绝缘好、粘滞性低的情况下情况下应用的磁性液体。应用的磁性液体。80.(4)氯碳氯碳类类适用适用温度范围宽温度范围宽，对氯气等稳定性高对氯气等稳定性高，不溶于其他液体不溶于其他液体，适于制备，适于制备在温度变化大在温度变化大和和有氯气的恶劣条件下有氯气的恶劣条件下应用的磁性液体。应用的磁性液体。81.(5)聚苯醚聚苯醚类类蒸气压低蒸气压低，抗辐射性好抗辐射性好，适于制备，适于制备在高真空或辐照环境中在高真空或辐照环境中应用的磁性液体。应用的磁性液体。82.(6)水银水银和和低熔点金属合金低熔点金属合金导热性和导电性高导热性和导电性高，适于制备在需要，适于制备在需要高传热或导电的情况下高传热或导电的情况下应用的磁性液体。应用的磁性液体。83.分散剂分散剂使使磁粉表面磁粉表面吸附一层吸附一层长链长链分子分子，构成，构成缓冲层缓冲层，并使磁粉在，并使磁粉在磁场磁场和电场作用下和电场作用下不会凝聚不会凝聚。84.因此，要求因此，要求分散剂的分子链分散剂的分子链一端一端吸附吸附在磁粉表面在磁粉表面，另一端，另一端与基液胶溶吸附与基液胶溶吸附；另外，还要求分子链另外，还要求分子链有一定链长有一定链长，以，以获得有效的获得有效的防凝聚作用防凝聚作用。85.分散剂分散剂主要有主要有阴离子分散剂阴离子分散剂、阳离阳离子分散剂子分散剂、两性分散剂两性分散剂和和中性中性(非离子非离子)分散剂分散剂。分散剂用量分散剂用量一般约为一般约为磁粉重量磁粉重量的的510。86.2.4.1 磁流体的种类磁流体的种类根据组成、特性和应用要求，磁性液体根据组成、特性和应用要求，磁性液体可分为三类。可分为三类。(1)非金属非金属磁磁(粉粉)性液体：性液体：(2)金属金属磁磁(粉粉)性液体性液体(3)纯金属纯金属磁性液体磁性液体87.(1)非金属磁非金属磁(粉粉)性液体性液体以以非金属磁粉非金属磁粉(目前主要为目前主要为Fe3O4磁粉磁粉)与与非金属基液非金属基液均匀混合成的均匀混合成的胶状液体胶状液体，是，是目前应用最多的一类。目前应用最多的一类。88.(2)金属磁金属磁(粉粉)性液体性液体以以铁铁(Fe)、钴钴(Co)或其合金磁粉或其合金磁粉与与非金非金属基液属基液均匀混合成的均匀混合成的胶状液体胶状液体，其磁化强度，其磁化强度高，磁性强。目前尚处干研究阶段。高，磁性强。目前尚处干研究阶段。89.(3)纯金属磁性液体纯金属磁性液体以以金属磁粉金属磁粉和和金属基液金属基液均勾混合成的均勾混合成的胶胶状液体状液体。其。其磁性、导热性磁性、导热性和和导电性好导电性好，适于，适于制造一些特殊装置如制造一些特殊装置如磁流体发电机磁流体发电机。目前多。目前多处于研究阶段，应用较少。处于研究阶段，应用较少。90.2.4.2 磁流体的特性和应用磁流体的特性和应用磁性液体磁性液体与与固态磁性材料固态磁性材料相比具有相比具有以下四个方面的特点以下四个方面的特点:91.(1)高度的稳定性高度的稳定性。能长期保持均匀状。能长期保持均匀状态，在态，在磁场和重力场磁场和重力场中不会发生中不会发生凝聚和成凝聚和成团现象团现象。(2)可控的粘滞性可控的粘滞性。可由。可由外加磁场外加磁场控制控制其粘度，并使其粘度，并使粘度对磁场表现各向异性粘度对磁场表现各向异性。92.(3)典型的超顺磁性典型的超顺磁性。无。无磁滞回线磁滞回线现象，现象，即即剩磁和矫顽力剩磁和矫顽力都为零；都为零；(4)可调节的磁浮力可调节的磁浮力。即可用。即可用外加磁场外加磁场改变磁性液体的改变磁性液体的表观密度和浮力表观密度和浮力。93.由于由于磁性液体磁性液体兼有兼有强磁性强磁性和和液态液态性质性质，因而在，因而在电子、电机、仪表、石电子、电机、仪表、石油化工和科学研究油化工和科学研究中得到应用。中得到应用。94.如用于如用于运动部件的阻尼运动部件的阻尼、润滑和密封润滑和密封，不同密度物体的不同密度物体的分选和分离分选和分离，失重状态下用，失重状态下用的磁性燃料和磁性笔，的磁性燃料和磁性笔，磁控印刷磁控印刷，磁控染色磁控染色，由磁性液体作为工作物质的由磁性液体作为工作物质的陀螺陀螺、声换能器声换能器、磁流体电机磁流体电机和和磁芯磁芯等。等。95.3、电性复合材料电性复合材料作为作为复合材料的电导率复合材料的电导率没有没有明确的数明确的数值值来划分来划分导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体。96.两种或两种以上的金属两种或两种以上的金属形成的复合形成的复合材料显然是材料显然是导体导体；相反，相反，两种或两种以上的绝缘体两种或两种以上的绝缘体形形成的复合材料成的复合材料电导率不会很高电导率不会很高。97.但是，复合材料中如果含有但是，复合材料中如果含有导电导电和和绝绝缘两种材料缘两种材料，那么它的，那么它的电导率电导率或是或是极端极端或或是一些是一些中间值中间值，这取决于，这取决于导体和绝缘体的导体和绝缘体的相对含量相对含量、几何分布几何分布和和组元本身特性组元本身特性。98.3.1 金属填充材料的导电特性金属填充材料的导电特性将将金属颗粒金属颗粒混入混入高分子聚合物高分子聚合物，高分子高分子聚合物的电阻率聚合物的电阻率就会发生变化，然而这个变就会发生变化，然而这个变化并非依据化并非依据加和法则加和法则，而是当，而是当金属填料浓度金属填料浓度达到一临界体积达到一临界体积 c时，时，金属填充聚合物金属填充聚合物发生发生一个如下图所示的一个如下图所示的突然转换突然转换，由，由绝缘体变成绝缘体变成导电体导电体。99.苯乙烯苯乙烯丙烯腈共聚物中丙烯腈共聚物中Al粉和粉和Fe粉的体积分数和电阻率的关系粉的体积分数和电阻率的关系电电阻阻率率对对数数/.cm金属的体积分数金属的体积分数AlFe100.这一这一临界填料量临界填料量称之为复合材料的称之为复合材料的“导电导电门槛门槛”值。值。临界浓度值临界浓度值与与金属填充颗粒金属填充颗粒的的尺寸、分布、尺寸、分布、形状以及制造工艺形状以及制造工艺有很大关系。有很大关系。例如例如宽粒分布宽粒分布的铝粉末的临界体积分数为的铝粉末的临界体积分数为0.4，而，而窄颗粒分布窄颗粒分布的粉末临界体积分数为的粉末临界体积分数为0.2。101.很多研究表明，一些很多研究表明，一些绝缘性复合材料绝缘性复合材料当承当承受电压受电压达到临界值达到临界值时，会变成时，会变成高导电性高导电性材料。材料。如果如果没有大的电流没有大的电流通过，则通过，则消除电压后消除电压后样样品仍保持品仍保持较低的电阻率较低的电阻率，尔后再，尔后再恢复到样品的恢复到样品的绝缘状态绝缘状态。102.复合材料电导率复合材料电导率不仅与不仅与金属填加物体金属填加物体积分数积分数有关，与有关，与温度温度也有密切关系，从而也有密切关系，从而显现出显现出正温度效应正温度效应和和负温度效应负温度效应。103.在一温度范围内，复合材料的在一温度范围内，复合材料的电阻随电阻随着温度的升高而升高着温度的升高而升高(正温度效应正温度效应)。当超过某一温度时，其当超过某一温度时，其电阻值又随温电阻值又随温度的升高而下降度的升高而下降(负温度效应负温度效应)。104.由于电阻的由于电阻的正温度效应、负温度效应正温度效应、负温度效应的存在，使复合材料成为一种的存在，使复合材料成为一种开关材料开关材料。因此，可用于制备各种因此，可用于制备各种电子开关器件电子开关器件。105.3.2 电磁屏蔽复合材料电磁屏蔽复合材料解决解决电磁干扰电磁干扰、射频干扰射频干扰和和信息防窃信息防窃的的复合材料称为复合材料称为电磁屏蔽复合材料电磁屏蔽复合材料。106.由于由于电磁波吸收率电磁波吸收率依赖于依赖于材料的材料的电导率电导率，因此，利用具有一定，因此，利用具有一定导电性导电性的复合材料的复合材料可满足可满足电磁屏蔽电磁屏蔽的需要。的需要。107.以以高分子材料高分子材料为基体，填充为基体，填充导电材料导电材料可可构成适合用于构成适合用于电磁屏蔽的复合材料电磁屏蔽的复合材料。由于由于电磁屏蔽的复合材料电磁屏蔽的复合材料具有具有性能好性能好、成本低成本低、成型工艺简单成型工艺简单的优点，因此成为国的优点，因此成为国际上际上电子材料研究电子材料研究的热点。的热点。108.电磁屏蔽复合材料电磁屏