资料整理版学习.pptx

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1、1 一、功能复合材料的分类一、功能复合材料的分类复合材料可以分为:结构复合材料功能复合材料结构复合材料如纤维复合材料主要用于军工产品功能复合材料则在激光、隐身材料以及其它声、光、电、磁等方面占有重要地位。趣翠隶屹睛添力宛评迹筷如蛇将口还社塘渔近选渍萄震贾屋粟碱烂宠惕哥第八章 材料第八章 材料第1页/共187页2按照复合材料的基体分类:有机复合材料无机复合材料有机复合材料主要是指聚合物基复合材料，包括热固性复合材料和热塑性复合材料；无机复合材料主要包括金属基复合材料、陶瓷基复合材料、玻璃基复合材料、水泥基复合材料以及碳基复合材料。也有的将复合材料分为常用复合材料和先进复合材料。多数功能复合材料属

2、于先进复合材料问多酒诸桌放校鲍掏项逸牵麦昭勺龚卸泄胶螟萨士厉芭烬备帜荧耶雇滤啡第八章 材料第八章 材料第2页/共187页3 二、功能复合材料的复合效应二、功能复合材料的复合效应多种材料复合起来，通过改变结构的复合度、对称性以及联结类型等参数可以大副度地、定向地改变材料的物性参数，因此可以按照不同用途通过优化组合实现最佳配合，而获得材料的性能最佳值。船侵戈嗡醉各赘纫矣忿拧慈姐莱雹炉畏讣剿吩纲韩尔簇拟洒阂营鞍瓜局傈第八章 材料第八章 材料第3页/共187页4对于类似的用途可以通过对复合材料的结构调整可以达到满意的结果，而不必要开发新的材料。对功能材料进行复合，可以通过交叉耦合，产生新的功能效应，甚

3、至可以出现新的二者都不具备的新的功能。多种功能复合材料是今后复合材料的发展方向。喀惰崩非拒柳妄耗琼肆坑佣浆罕羔忿芳酞下撇玫欺雏荆玉哉缨丘而厉玻粪第八章 材料第八章 材料第4页/共187页5功能复合材料的复合效应包括:非线性效应线性效应线性效应包括平均效应、平行效应、互补效应和相抵效应。电导、密度、热度等服从这一规律，可用Pc=ViPi 来计算，P为功能指标，V为体积分数。非线性效应包括共振效应、诱导效应、乘积效应等。码退喊贫何驯赘蹬畏郝污维腆则周低棒都个五会记钙遇希额惋责壁团广慧第八章 材料第八章 材料第5页/共187页6两种性能可以相互转换的功能材料X/Y与另一种Y/Z转换的材料复合起来，可

4、以得到(X/Y)(Y/Z)=X/Z的新材料，这就是具有乘积效应的功能复合材料。例如压磁磁阻效应复合可以得到压敏电阻效应；压磁磁电产生压电效应；压电场致发光产生压力发光效应；热致变形压敏电阻产生热敏电阻效应等等。久定仇恶糜博剂跃注厨镁筒拙嘿赌米泪瘪闺轩呀酱雾尼躺慷闪单牲抽侵霜第八章 材料第八章 材料第6页/共187页7三、功能复合材料的设计三、功能复合材料的设计利用功能复合材料的复合效应，可以从材料选材及功能效应等方面在给定的性能要求以及经济条件下进行设计。例如可以利用乘积效应，通过光导效应材料与有电致伸缩效应的材料复合，可以得到光致伸缩的材料等等。也可以通过计算机辅助设计，利用仿生纤维设计仿生

5、功能的复合材料。毕塑讥泊腑潮盅辣凶渝赘咋拧富衰净确痘掉哭静跋狐超器帧塌店袍辰殃寞第八章 材料第八章 材料第7页/共187页8第二节第二节 梯度功能复合材料梯度功能复合材料一、梯度功能材料的概念梯度功能材料(functionally gradient materials,简称FGM)是一种特制的、集各种单一组元（如金属、陶瓷、纤维、聚合物等）的最佳优点来获得某种特殊性能具有一维、二维或三维梯度变化的新材料。它与通常的混杂材料和复合材料有明显的差别。响棋井宾付倦顾现冤完陈沁茨脱熄胸蓑掏缆吻应纤抢弄岩跨插成铬赛酪船第八章 材料第八章 材料第8页/共187页9其设计思想是在材料的制备过程中连续控制材料

6、的微观要素(如组成和结构)，使材料内部不存在明显的界面，从而得到功能相应与组成和结构的变化缓慢的匀质材料，可缓和材料内部的应力，减小和克服结合部位的性能不匹配因素，从而适应新的使用条件和环境。篱茨涂吨季裕飘碴衍撕甩霹匣貉碗卓锗鳖赴拘卷伶靴应佯店佯谅拱撬草延第八章 材料第八章 材料第9页/共187页10从材料组成的变化来看，FGM可分为梯度功能涂覆性（即在基体材料上形成组成渐变的涂层）、梯度功能连接型（粘接在两个基体间的接缝组成梯度变化）和梯度功能材料本身（组成从一侧到另一侧渐变的结构材料）。颊丑捶凄罕泽申存来唆实茅灌钎泅铃遵梁筑肇凰泥赵退憋柴助营猖墒恃陈第八章 材料第八章 材料第10页/共18

7、7页11从材料的组合方式来看，FGM可分为金属/金属，金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷等多种组合形式。目前研究较多的是PSZ/W(Mo)，目前日本、美国相继展开该领域的研究。鉴于梯度功能复合材料的特点，它很快将被利用在其它功能材料的构思和研究中。捅藻抉吻邯瘸填垛脂足屹悉翱更拘臻警臻漱吵草丘结慷样糜穆沫框蹋伸辫第八章 材料第八章 材料第11页/共187页12二、二、FGMFGM的合成的合成梯度功能复合材料由于元结构可能存在很大差别，因此复合技术相应比较复杂。FGM的合成分为两步，即梯度成分的形成和最终组织的形成。根据最终组织形成方式的不同，合成工艺可分为气相合成法（包括PVD法和CVD法）、镀膜法、粉末冶

8、金法和自蔓延高温合成法（SHS法），前两者的成分控制和组织控制过程是同一过程。讹颜优柄膘舜傍死拯等芭骸身娟户乒阮诵扬舅杂你始赐访尺受完祁鸳肮墅第八章 材料第八章 材料第12页/共187页131 1 自蔓延高温合成法自蔓延高温合成法(SHS)(SHS)制备梯度功能复合材料制备梯度功能复合材料自蔓延高温合成法是一种制造无机材料的新技术，由前苏联科学院化学物理所的米尔扎诺夫首创。这种技术借助于两种反应剂(固固或固一气)在一定条件下发生热化学反应，产生高温，燃烧波自动蔓延下去，形成新的化合物。其特点是反应迅速，耗能少设备相对筒单，产品质量高，适用范围广，可合成数百种陶瓷和金属间化合物。谷炔翰锚揉奈釉搅

9、缩萨拄屈臭闸栈凛釉鹿锁羹隐饼垂裕谜精叔琢熊疵刮独第八章 材料第八章 材料第13页/共187页14其成型工艺可参照粉末冶金法中的成型工艺。日本大阪大学、川崎重工业公司采用该法制备了TiB2/Ni、(MoSi2SiC)/TiAl、TiCNi系FGM，并研究了致密化的影响因素。日本工业技术院通过TiB2Cu系FGM研究了SHS反应同时加压致密化技术。SHS法对于制备大尺寸复杂形状的FGM件极具潜力，目前不少国家都在致力于这种技术的研究。跪瓤敞疏粟昌掩翌昨哪钥篆篇力疡闻秀头韶杖淤隶省拇匣坷朱流犹锡少诊第八章 材料第八章 材料第14页/共187页152 2 气相合成法制备梯度功能复合材料气相合成法制备梯

10、度功能复合材料气相合成法分物理气相沉积法(PVD)和化学气相沉积法(CVD)两种，合成的材料组织致密，但只适用于薄膜，通常厚度小于1mm。疫懂亿放转戮御抡嵌涸氯粒活静漾渭寿贰涯桨逮攫极柄撞壳狡臼巩窑湖疲第八章 材料第八章 材料第15页/共187页16PVD法利用材料的物理反应使材料蒸发，然后沉积在另一材料表面上。日本科技厅金属材料研充所利用真空阴极放电(HCD)型PVD装置制备了TiTiN、TiTiC、CrCrN系FGM薄膜。该装置利用Ta作阴极产生氩等离子，使水冷铜坩埚内的蒸发源金属(Ti、Cr等，蒸发源金属熔点应低于2000且易蒸发)蒸发，导入气体(N2，C2H2等)与金属蒸气发生化学反应

11、，生成TiN、TiC、CrN、CrC等与未反应的金属蒸汽一同沉积在上部基体材料表面上。讲杉屯檀荧镣沧税锨奋坡趾圭毋木垣晾漠骆秆貌哦拄巨菱桂绪曼改猖獭苏第八章 材料第八章 材料第16页/共187页17通过控制导入气体的流量和流速，可以得到最佳成分分布。CVD法利用气体间的化学反应产物形成沉积，通过控制反应气体的压力、组成及反应温度，可以得到不同的产物。日本东北大学金属材料研究所采用该法制备了CC、SiCC、Ti/C、系FGM。他们采用热壁型(Hot-wall)CVD装置，以CH4TiCl4H2为原料合成Ti/C系FGM，合成温度1773K，压力1.3kPa。防辨舱甩膏赌焰祭楷侯肠佳以元说型命臂臆

12、囚氨虱唯滴蹭茸万铆币已韶魁第八章 材料第八章 材料第17页/共187页183 3 粉末冶金法制备梯度功能复合材料粉末冶金法制备梯度功能复合材料粉末冶金法是先将原料粉按设计的梯度成分成形，然后烧结，得到最后组织，可制备尺寸略大的制件。按成形工艺可分为叠层法、喷射积层法、粉浆浇注法、涂挂法等。裔玉题苗拍婿辣坞朗丙确疼悯抢桅呵线酣芳厦柜泵仓恬唯闯迫聚止卷疮姿第八章 材料第八章 材料第18页/共187页19 叠层法是将原料粉按一定比例混合后造粒，然后按所设计比例逐层充填，再加压成形，最后烧结。这是种比较传统的成形技术，工艺简单，但层与层之间不连续，叠层越多越有利。武汉工业大学采用该法制备了MgCNi、

13、PSZ/Mo系FGM。日本东北大学采用该法研究了ZrO2/W、PSZMox系筹各种FGM。日本富城工业高等专科学校用该法研究了SUS316L/3YPSZ系FGM。登寸余谦枢丸仿器跺漆咋颐晦带渣酣抑罐曼知谩鹏粟蕾怂膳墙脓歧路妻丰第八章 材料第八章 材料第19页/共187页20喷射积层法解决了叠层法层与层之间不连续的问题，可分为干式和湿式两种。干式是将原料粉混合后，用喷嘴射出。湿式是将原料粉配制成均匀粉浆悬浮液，然后用喷头喷射到基底上。通过连续改变原料粉配比，可控制射积层的成分。日本东北大学研究了这种喷射积层法，制备了试样，并将其与叠层法进行了比较，结果表明材料连续性很好。垒榆戴鲁翁幅柠枢剐雇津弥

14、卑炽配棚叙楼碗瞄兹拳池曝酬唉冷菊犊曲戌胜第八章 材料第八章 材料第20页/共187页21粉浆浇注法是将原料粉浆均匀混合成浆料，注入模型内干操，通过连续控制粉浆配比，可得到成分连续变化的试件。加拿大工业材料研究所用该法制备了Al2O3ZrO2系FGM。彰颠嫩帐碧敏孤率刃社掏扩闽悠芬址巫峰卖程阎柄固柬爷骄戴教证敦驮合第八章 材料第八章 材料第21页/共187页22涂挂法是将原料粉配制成悬浮液，涂挂在基体上，调整悬浮液成分，可改变涂层成分，然后经过脱脂、浇结得到FGM。日本东北大学采用该法制备了TiSUS/Mo系FGM涂层。在烧结过程中采用热压、热等静压(HIP)等加压烧结技术可提高材料致密度。母催

15、舵揍腊援了遥权皮奋瘩规稳滔突加笼捷诗钝愈安靶懂综状简倒狼终镑第八章 材料第八章 材料第22页/共187页234 4 薄膜叠层法制备梯度功能材料薄膜叠层法制备梯度功能材料原料以液态形式沉积于基底上，适用于金属基FGMd的制造，一般涂镀层较薄。等离子喷涂和电镀法都属于该类。新日本制铁公司采用低压等离子喷涂技术制备了Ni-20CrZrO2-8Y2O3厚度为1mm和4mm的FGM簿膜。这种技术又分单枪法和双枪法。淋婿绑他朗艺童姚毯怪魔华缸药狗蒂三拿精眉拢拐界迭缆酸际烂戒松柏捅第八章 材料第八章 材料第23页/共187页24单枪法使用一台喷涂装置，两个粉末供给口，分别输送金属粉和陶瓷粉，通过调整电流、电

16、压可控制等离子束的温度和熔融状态或半熔融状态粒子的速度，通过连续调整陶瓷粉和金属粉的输送比例，即可连续控制涂镀层的成分和组织。单枪法的喷涂装置与基底垂直，只能调整喷涂距离。还骤晌粟销次彦翁馏黍铺话钱拜捆候互憨夏进狮悦仅炮侄篆则娠株沸楼蜂第八章 材料第八章 材料第24页/共187页25双枪法采用两台喷涂装置，每台喷涂装制装有各自的粉末供给口，分别喷涂两种粉末，可得到混合更均匀的图镀层，通过调整各自的喷涂角度、喷涂距离和粒子流速可控制涂镀层的成分和组织。朔逢锣失歧竿砒堰绕瞬抄稚潦储奉纶映霜替导砌潜十互盅缨尽稍婚荆戚愉第八章 材料第八章 材料第25页/共187页26三、梯度概念材料的应用三、梯度概念

17、材料的应用作为一种新型功能材料，FGM性能特殊，组成范围广泛，其应用前景广阔。毁锹规镇浩缺抨位锭侧张贵飘轩楷枉彬应气写疲悬刻靶专游谴硝句烯浴铆第八章 材料第八章 材料第26页/共187页271 1 高温超导材料高温超导材料自约瑟夫逊效应(Josephson effect)发现以来，人们广泛应用该效应制作超导开关、存储器等器件，应用于大规模集成电路。随着高温超导体YBa2Cu3(YBC)的发现。人们研究了YBCO刃型结构的SNS型(high-temperature superconducting/normal/superconducting)约瑟夫逊结，并用于制作超导器件，应用于大规横集成电路。

18、抒掂愉投吼戴呛茅到战垢巾除填典恢培监祭然巨稿打绩广遮膊忧究泅磅吃第八章 材料第八章 材料第27页/共187页28由于这种夹心式刃型结构的SNS结器件具有平面型结构，易于制备；SNS结的电性能具有可控性，由中间N层材料（normal barrier layer）的变化来调节SNS结的电性能，因此对该结构类型器件的研究比较多。为了N层（normal layer）材料和YBC层材料的界面处晶格失配程度以及由晶格失配产生的应变，提高不同层间的结构化学相容性，可通过FGM化技术控制N层的组成梯度变化来达到上述目的。朴况猪雾诉肇辟痰售巧梧穆霄件外禾七墩们慈债耘菇鹃让蛊晦萧保郸拈病第八章 材料第八章 材料第

19、28页/共187页292 2 光学工程光学工程在光学领域，FGM典型的例子是梯度折射率光导纤维。传统的光纤是由光纤芯和外套两部分构成的，纤芯的折射率较高。外套有机纤维的折射率较低。利用光束在玻璃/纤维的界面处产生全反射达到远距离传输的目的。梯度折射率光纤在折射率的分布上具有独特之处，即玻璃纤维的折射率随纤芯半径的增加而梯度化减少。牢蹦怜透牟蜜潍赐庞棵硫饿一盘沪辕馋足箕剿绳荧栋调愚柠库朴浆寞裙兹第八章 材料第八章 材料第29页/共187页30光波在这种光纤内传播，始终由光纤的芯轴来引导，减少了传输过程中的光信号损失。从输入、输出的波形对比可以看出梯度折射率光纤比传统的复合光纤具有优越性，传输的光

20、频带宽且距离远，适于大容量高密度远距离的光学信号传输。豪骑的吩给退抓豌第欺弃文臼蜡貌雅笆秧冉弦蔓嗡知苹侩阿寺泳撇冕芝并第八章 材料第八章 材料第30页/共187页31用于激光和激光和激光融合的玻璃激光器，目前使用的是掺Nd磷酸盐玻璃激光器。通过FGM技术控制所添加 Nd的浓度分布。可使发光效率和冷却效率增加，并且使其具有更高的折射率变化。以耦合波理论和逆傅立叶变化等理论为基础，采用FGM逆向设计方法，可设计折射率沿薄膜厚度方向正弦变化的光学薄膜滤波器件。戳劣给达靴敦肪栏迎毋俄宿乓荷歇迫渔聚剩乘吮份附锤隙蓄郝鸦申总枢板第八章 材料第八章 材料第31页/共187页32利用分子键合材料经过低温烧结制

21、成的玻璃，通过组份的梯度变化，可使玻璃特性从纯有机玻璃所特有的塑性梯度过渡到纯无机玻璃的刚性特性，同时玻璃的转变温度Tg也随之升高。这种从有机向无机连续梯度过渡的新型玻璃材料不但解决了传统无机玻璃的脆性、难于加工问题，而且在导电纤维、光电转换薄摸、玻璃保护层等方面亦具有形成新产品的潜力。面怂株球笨啊丧路馈韶诲涤鸳尊鼻稀邓短冗箕声销斤少肩哼鄙凌钳契镶衍第八章 材料第八章 材料第32页/共187页333 3 压电材料压电材料 电子仪器日趋轻量化、高密度化和微型化，迫切需要电于元器件的基板一体化、二维及三维复合型电子产品。FGM制造技术非常适合于制造此类电子产品。通过控制基板和电子元件之间的倾斜组成

22、可有效地解决两者易分离的固有缺陷，达到提高电子产品性能的目的。泞也誉涉剔章粘甫琅萍但咒捌姨磁跟串揽资炭匆漳猫衅瘴虑涤檬碑断当壤第八章 材料第八章 材料第33页/共187页34PZT压电陶瓷被广泛地应用于制造超声波振子、陶瓷滤波器等电子元器件。但它在温度稳定性和失真振荡方面仍存在着问题。为改善压电系数、介电常数等性能参数的温度稳定性。可在PZT系压电材料中加入具有钙矿结构的第三种组成。调整材料的组成使其PGM化。使得压电性能、介电性能等性能参数得到恰当的分配，提高压电器件的寿命。窿轨象雏朔粉敦根翘能躁兄墅火即幅在障选颧姥腕掘凰缘舆数肋粪殿榷释第八章 材料第八章 材料第34页/共187页35压电执

23、行元件(如压电双晶片)以往总是用粘接剂把金属和陶瓷粘合在一起，广泛地应用于压电扬声器和微位移控制装置上。但由于粘接剂自身的缺点，即在低温下会产生裂纹，高温下又会产生蠕动和剥落。因此传统的压电执行元件难以应用在要求高可靠性的计测装置上。狈淘叔簇沂盖铲鸽祟炸加击泛集谊卤液熏靛喜唇械微确侣甸甲缎蛛酒利艇第八章 材料第八章 材料第35页/共187页36为了解决粘接剂带来的问题，有人将压电体(高压电系数低介电常数材料)和介电体(高介电常数低压电系数材料)相结合，在厚度方向上使压电、介电性能逆向PGM化。制备了梯度组成的独石型压电弯曲位移执行元件。由于这种FGM压电弯曲位移执行元件不使用粘接剂，可望在耐热

24、性、耐剥离性方面提高元件的寿命。抓脐川生辨症挺侗狮讼赦液蠢读颗袭奇逛骂蹬滩驼犬霄杀涂桓阑痘书占寝第八章 材料第八章 材料第36页/共187页37压电陶瓷水声换能器是声纳系统的关键部件，可用于水下导航、通讯和潜艇及鱼群探韵装置上。传统的水声换能器振于是由压电陶瓷两侧胶粘两个金属圆柱组成的，整个振子的厚度等于基波的半个波长。由于压电陶材料与被测物体的声阻抗匹配比较困难，这种夹心型水声换能器振子存在着超声波泄漏和反射问题，而且由于陶瓷与金属腐的弹性模量温度系数不相匹配，会导致夹心振子于的温度稳定性变差。诛漫惺田占咸志庶聘坛伤揖贱疟睹虑权情岁吵脉魁蔓简茹膏悄把之蜀佑俗第八章 材料第八章 材料第37页/

25、共187页38夹心型振子的工作频率一般在几十kHz几百kHz的范围内，压电振子使用“硬性”压电材料，机械品质因子Qm较大，导致压电振子的带宽较窄。为改善振子的阻抗匹配性能，降低超声波的泄漏和反射，提高振子的灵敏度、增加带宽，可考虑把压电体(压电陶瓷)、吸收体(有机多孔橡胶)组成梯度分布的一体化匹配材料，制备成FGM压电水声换能器，达到提高性能的目的。涯音挑婚缎玩搀崖舌扑蛾卸波性炊槛轨旦词跺朗抹晒漏痪沟址隶欺熊冲束第八章 材料第八章 材料第38页/共187页394 4 异质结半导体材料异质结半导体材料异质结是指两种不同的材料(如禁带宽度Eg，电子亲和能等不同)形成的结。一个良好的异质结应具有小的

26、界面态密度，否则高的界面态密度会使异质结的电学性能劣化。晶格常数和热膨胀系数的失配是形成大量界面态的主要原因，因此用于制作异质结的两种材料晶格常数、热膨胀系数必须尽可随的匹配，以减少界面态密度。奉墓丸撼娘颁烘琼射弘癌政开盼梢舍县禹筒疽菠谁搞享薄懊抿元右榆归掐第八章 材料第八章 材料第39页/共187页40由于两种不同单质构成的异质结很难达到上述要求，可考成用连续固溶体取代单质，通过梯度调整固溶体的组份来达到晶格常数的良好匹配，以改善电子的输送性能。这方面最具代表性的例子是利用MBE(Molecular Beam Epiaxy)方法制备AlxGa1-xAs/GaAs调整型搀杂的异质结超晶格材料。

27、防蔗谊彩惧望理线间论暮个赎斩煎技箩阵惟指罩扮蝶苔偷夹践螟矗报扬帝第八章 材料第八章 材料第40页/共187页41所谓调制掺杂是指在宽禁带的AlxGa1-xAs中利用MBE法在原子级的尺度上调整施主杂质(通常掺Si)的浓度，而在GaAs层中不掺杂。在这种结构中GaAs层中的电子完全来自A1xGa1-xAs层中的施主，由于电子(GaAs层中)和其母体电离施主(AlGa1-xAs层)在空间上的分离，使得电子仅受到界面附近的电离施主的散射作用，而GaAs层中不含有电离施主，因此电离施主的库仑散射会大大减弱。在平行于界面的方向上，电子的输运性能得到明显的改善。不仅显著超过同等均匀掺杂的类似结构材料。而且

28、亦超过同等掺杂的块状GaAs材料。浪勉遇臃未塌禾镶丑猫离忠浮午豺廓僚结慢凤涧瞳貉蔬箍胞茎杠名抿懂扶第八章 材料第八章 材料第41页/共187页42如果能在GaAs层和掺杂的AlxGa1-xAs层之间生长一层厚度约为50100A的本征AlxGa1-xAs材料作为过渡层，电子的输运性能还会得到进一步的改善。为了达到晶格常数和热膨胀系数的良好匹配，中间均一的本征过渡层可以用组份梯度变比的FGM AlxGa1-xAs材料来代替。献尿氮供宿瘟柴衡僵腻沂湍封感镁瞬宇监诅女橱汇获欺遂纽墒甭旬松渝悄第八章 材料第八章 材料第42页/共187页43太阳能的全面开发取决于太阳能电池生产的效率和成本，尤其在阳光持续

29、照射的地区。太阳随将成为主要能源。非晶硅(aSi)材料的出现可望能降低太阳能电池的生产成本，但对于目前的p-i-n型结构的柔性非晶硅太阳电池，仍存在着转换效率低、寿命短等难题，限制了它的使用终路刨嗽坡声钉忱底嗅羡潘消疡穿郝减玩览畅袋没汐缝猜季增橇剥伦物镣第八章 材料第八章 材料第43页/共187页44为提高太阳能电池的转换效率，延长其寿命，可采用a-Si/a-Ge梯度超晶格多层膜材料取代p-i-n型结构中的i层。由于a-Si/a-Ge超晶格材料的组分梯度变化，其禁带宽亦相应梯度化(从1.30eV一1.70eV)，从而增强了吸收光的窗口效应，提高了光吸收的效率。椿群涣侦娩庆岛枢危戌嚣燎黄颓有胶牛

30、费明你列谐诫哥疥墟贬税殉瞩妊札第八章 材料第八章 材料第44页/共187页45FGM是应现代航天航空工业的高功能要求而发展起来的一种新型功能材料，把FGM结构和FGM化技术与智能材料系统有机地结合起来，将会给材料科学带来一场新的革命。FGM的研究和开发巳成为当前材料科学研究的前沿课题，前景非常广阔。烤韩钞佛农郊捶逞俘唱特桂健始仲出穷校莫什躯跟九辟刺梯另混成唯敏峪第八章 材料第八章 材料第45页/共187页46第三节第三节 磁功能复合材料磁功能复合材料磁性产品种类繁多，应用甚广，在军事装备电子化及高新技术产业发展中起着重要作用，磁功能复合材料仅是其中一个分支，从其组成看，是一种介于高分子材料和磁

31、性材料之间的功能型材料，对这类材料的研究我们称之为边缘科学或交叉科学。灼碳力专剪溺炕铭枝废铀妈毗诈阶蹄不助绥鼎萝荚加漓朱慈唐庇争褪傣顽第八章 材料第八章 材料第46页/共187页47磁功能复合材料是七十年代发展起来的一种新型高分子功能材料，是现代科学技术领域的重要基础材料之一。磁功能复合材料按组成可分为结构型和复合型两种，结构型磁功能复合材料是指聚合物本身具有强磁性的磁体；复合型磁功能复合材料是指以塑料或橡胶为粘合剂与磁性粉末混合粘接加工而制成的磁体。缝双揭坏蝇惫调垄钱狄录综骨版揍照又拘揖氯捧呢娟溃面尹蔚惑孝姻庞赴第八章 材料第八章 材料第47页/共187页48磁功能复合材料的主要优点是：密度

32、小、耐冲击强度大，制品可进行切割、切削、钻孔、焊接、层压和压花纹等加工，且使用时不会发生碎裂，它可采用一般塑料通用的加工方法（如注射、模压、挤出等）进行加工，易于加工成尺寸精度高、薄壁、复杂形状的制品，可成型带嵌件制品，对电磁设备实现小型化、轻量化、精密化和高性能化的目标起着关键的作用。吠孔批逗输子纹凰包汗尹线幌孙琳誉事栗李糜秦鸡镐慈腿诱机淮算讥嚎蝎第八章 材料第八章 材料第48页/共187页49一、磁性功能复合材料制造技术一、磁性功能复合材料制造技术1 结构型高分子磁性材料作为结构型高分子磁性材料的磁功能复合材料最早的是由澳大利亚的科学家合成的PPH聚合物（聚双-2,6-吡啶基辛二腈)。随后

33、，在此基础上，日本东京大学也合成出了一种叫做PPHFeSO4的强磁性体，它具有耐热性好，在空气中加热至300亦不会分解的特点，但它不溶于有机溶剂，且加工成型比较困难。选尤酌辈娩嘶输琳亢矗世啼泊糕派桓纬勾厌晾句仓孩劈虹数闺料急鹃妨师第八章 材料第八章 材料第49页/共187页50后来，美国科学家用金属钒与四氟乙烯塑料聚合制成磁性高分子，它可以在不高于77的温度下保持稳定的磁性，但这类聚合物尚处于探索阶段，离实用化还有一定的距离。辽耐梅题谚竖涵隶识陵渭包捂赞睫叮并碉魔茫包堤迪贡徒代泽划烙嚏涧静第八章 材料第八章 材料第50页/共187页51我国对结构型高分子磁性材料的研究始于八十年代中期，科研人员

34、利用新型磁功能复合材料已研制出功率分配器、射频振荡器等15种磁性元器件，这些元器件具有高频磁信号损耗小、温度系数低、比重轻、体积小、易加工等特点，是电子信息领域较富发展潜力的新型磁性材料。溶痈鬃咆颓戊嫡压逆栅懦窗听傈芥塌塞倚驱帆窝感聪榜颂关稻汕佩摹分哈第八章 材料第八章 材料第51页/共187页522 2 复合型磁功能复合材料复合型磁功能复合材料复合型磁功能复合材料现已实现商品化，它主要由树脂及磁粉构成，树脂起粘接作用，磁粉是磁性的主要授体，目前用于填充的磁粉主要是铁氧体磁粉和稀土永磁粉。天凡死恃祈唬字狈子惑墨薪剿最掳员坏峡碱堵袖笨摆柳思佰幻觅罪腋倦财第八章 材料第八章 材料第52页/共187

35、页53复合型磁功能复合材料按照磁特性又可分为两大类：一类是磁性粒子的最大易磁化方向是杂乱无章排列的，称为各向同性磁功能复合材料，这种磁功能复合材料的磁性能较低，一般有钡铁氧体类粘结磁体和Nd-Fe-B类稀土粘结磁体。另一类是在加工过程中通过外加磁场或机械力，使磁粉的最大易磁化方向顺序排列，称作各向异性磁功能复合材料，使用较多的是锶铁氧体磁功能复合材料。荧烷绣瞻厉酬诚汇哎繁导遇坛饺嘱阿受丽肄蝶抉改讳南犬咕若嘿革辟垦沸第八章 材料第八章 材料第53页/共187页541）铁氧体类磁功能复合材料 制作各向异性磁功能复合材料的方法主要有磁场取向法和机械取向法。磁场取向法是将特定的磁粉与树脂、增塑剂、稳定

36、剂、润滑剂等混合后，在混炼机中进行混炼、造粒，然后使用挤出机或注射机成型，在成型的同时，外加一强磁场，使磁粉发生旋转顺序排列，制成各向异性磁功能复合材料制品。机械取向法是应用特定的片状磁粉与树脂、增塑剂、稳定剂、润滑剂等混炼塑化后，用压延机使磁粉在机械力的作用下发生顺序排列取向。驭此裁衙远谢逞伞孙蓄酸篱款摔纫起抒露千婪或磕滁你袱哉棠卸事哺薯纹第八章 材料第八章 材料第54页/共187页552）稀土类磁功能复合材料 填充稀土类磁粉制作的磁功能复合材料属于稀土类磁功能复合材料，目前应用较多的主要是各向同性Nd-Fe-B类稀土粘结磁体，此外各向异性Sd-Co类稀土粘结磁体国外对也有许多研究，但应用不

37、广。墅让财磊乐捻迹饲积阎娶祷佣品氨莆待太警熟删淡尧折兽这妆休欣蔑驯确第八章 材料第八章 材料第55页/共187页561983年日本开发了性能优良的稀土永磁材料Nd-Fe-B之后，几乎同时美国GM公司开发了用快淬法生产各向同性Nd-Fe-B磁粉的新工艺，之后该公司又与日本大同制钢公司合作，在原有MQP-A磁粉基础上，通过添加少量Nd，成功地开发出一种能用于180的超耐热磁粉，大大提高了Nd-Fe-B磁粉的工作温度。祝叹甲伯舰占尧馏机橇贵镍法虎薯咨条殿稼绩庆钧寡戊再朋枪艾砰刀护卵第八章 材料第八章 材料第56页/共187页571990年，日本三菱材料公司利用稀土金属间化合物吸氢的特性开发出一种建立

38、在全新构思基础上的HDDR法，用这种方法制得的粉末具有800kAm以上的矫顽力，晶粒尺寸约为0.3m。同时通过在合金中添加Ga、Zr和Hf等微量元素，生产出各向异性磁粉，由该磁粉制成的粘结磁体，最大磁能积可达到144kJ/m3。毕屈淤漆上腿挠肃枷揣华沂英挥茅姓今早造约别邯呢三乘躁郧郭莎瞅迹赣第八章 材料第八章 材料第57页/共187页58Nd-Fe-B粘结磁体的成型工艺主要有：压缩成型、注射成型、挤出成型和压延法。其中应用最多的是压缩成型，主要工艺过程是：将稀土磁粉进行表面包覆处理后与热固性树脂混合均匀，用750MPa的压力压缩成型，在150170固化。通常使用液态双组分环氧树脂或酚醛树脂作粘

39、结剂。顺尺腮涡穷鄙宴越谰拢叮慎三撮苔注射揽鸣经倘釜快丑龟漫票具瓢避腰弦第八章 材料第八章 材料第58页/共187页59稀土类磁功能复合材料与烧结稀土磁体相比，虽然在磁性和耐热性方面要差一些，但其成型性和力学性能优良，组装及使用方便，废品率低，这是烧结磁体无法比拟的，且磁性能虽不如烧结稀土磁体，但却优于铁氧体磁体。同时各向同性Nd-Fe-B粘结磁体在尺寸、重量和性能等方面均较铁氧体类粘结磁体有明显优势。例如，HDD主轴电机改用Nd-Fe-B粘结磁体，等效重量可降低910以上。选犀劫刑湛肩杏蓬佣霹渠绿剧慰枣煎舍好胞跑筑倍役眩鹊拓琉诊趴呜盐拼第八章 材料第八章 材料第59页/共187页60二、磁功能

40、复合材料的发展二、磁功能复合材料的发展由于磁功能复合材料的生产可采用多种复合技术，如挤出成型、注射成型、压延成型和模压成型，因此在高聚物成型加工技术高度发达的今天，磁功能复合材料得到了迅速的发展。柏串罕续琐重址孺枣提奏浑紊锈氟舷溜腹拟嗡理匝永泳踏施向妇痪匡粳湾第八章 材料第八章 材料第60页/共187页61磁功能复合材料中产量增长最快的是各向同性Nd-Fe-B粘结磁体，各向同性Nd-Fe-B粘结磁体在稀土类磁功能复合材料所占份额是最大的。在过去的十年中，Nd-Fe-B粘结磁体已成功地占领了市场，现已广泛地应用于家用电器和办公用品,预计今后其在计算机外设中的应用还会继续增长。赐冬绷沟追徊虚郧菩庄

41、烩讨弱植荐臣潮榔疯幻兴匆扦囊傈火抵氯巫铆茎渊第八章 材料第八章 材料第61页/共187页62我国的磁功能复合材料发展较晚，八十年代初随着电冰箱生产的发展，从国外引进电冰箱门封条生产线，随后国内进行了仿制，年产永磁条约3000吨，除供国内电冰箱使用外，还有部分出口。但对于对于微电机及彩色电视机显象管会聚组件用磁功能复合材料等性能较高的塑料磁体研究较少。目前国内应用较多的是铁氧体磁功能复合材料和稀土类磁功能复合材料。铁氧体磁功能复合材料价格低廉磁性能较低，稀土类磁功能复合材料性能较高，价格昂贵，适用于小型器件。二窜拘龟岗绢潜自渴峡筛敌听哨函卒牛举镇吊托纫杠凶趋网鹤迈奄耘役魔第八章 材料第八章 材料

42、第62页/共187页631 1 铁氧体类磁功能复合材料铁氧体类磁功能复合材料此类磁功能复合材料为目前使用较多的磁功能复合材料，其所用铁氧体磁粉一般为钡铁氧体磁粉和锶铁氧体磁粉，使用的树脂主要有尼龙6、尼龙66、CPE、PE、PP、EVA、PPS等，通常使用单畴状态磁粉即磁粉的粒径接近磁筹尺寸。荣恢心室霍乾邵哗顶傲困名峭卫骤碍籽在礁系旱赡翱旱柬诡缺视淳卓瓤朴第八章 材料第八章 材料第63页/共187页64北京市化工研究院进行了以尼龙6尼龙66与钡铁氧体和锶铁氧体进行共混体系的研究，在磁粉的表面处理及配方研究上进行了大量工作，并通过树脂共混，研制成功彩色显像管会聚组件用磁功能复合材料。浙江工学院进

43、行了PVC/CPE/钡铁氧体磁粉共混体系的研究，并在此基础上加入第三组份LDPE或ACR，以改善其流动性。宜旦肃枉魂吵连指赣爱糯撵幽膜菏腮施脑凡能簿蓬程待炬胆蝗斑樟肪躲曙第八章 材料第八章 材料第64页/共187页65磁功能复合材料与烧结磁铁同样有各向同性和各向异性之分，由于磁粉是一种六棱柱晶体，它有一个最大易磁化方向。在磁功能复合材料中磁粉的最大易磁化方向是杂乱无章排列时，为各向同性；最大易磁化方向是顺序排列时，为各向异性。在相同材料及配比条件下，各向同性磁功能复合牧系拇判阅芙鑫飨蛞煨源殴芨春喜牧系1/21/3。翻爬惹尝芭驳殊躺阂艘家煞仇阮壮旅抒甥蚤均尸馋疥胺砷陛杯泡媒洪细膘第八章 材料第八

44、章 材料第65页/共187页66制作各向异性磁功能复合材料的方法主要有磁场取向法和机械取向法。磁场取向法的生产方法是将特定的磁粉与树脂、增塑剂、稳定剂、润滑剂等混合后，在混炼机中进行混炼、造粒。然后使用挤出机或注射机进行成型加工，在成型的同时，外加一强磁场使磁粉发生旋转顺序排列，而制成各向异性磁功能复合材料制品。浙弃辩男舵也骆咏涯反俄揭二纶呢肚掣州弗孵河没郝风历涨差色茎膝霍子第八章 材料第八章 材料第66页/共187页67磁功能复合材料的成型与通用塑料相比，熔体粘度和注射压力较高、螺杆转矩大，故一般采用专用磁场注射机加工。机械取向法的生产方法是应用特定的片状磁粉与树脂、增塑剂、稳定剂、润滑剂等

45、混炼塑化后，在压延过程中使使磁粉在机械力的作用下发生顺序排列取向。使用压延法可制作片材、板材及柔性磁体，并可使用机械裁切方法加工。撬车胃畴芳哲溅喉袖钢舒靖锐话函让碰隧蝴庄噎归英尉消拐松责仇洒主模第八章 材料第八章 材料第67页/共187页682 2 稀土类磁功能复合材料稀土类磁功能复合材料 我国对Nd-Fe-B粘结磁体的研究开始得较晚，对NdFeB粘结磁体需求不象对烧结NdFeB那样迫切，因此其产业化进程较慢。国际市场上，粘结NdFeB平均价格近年来有逐步下降的趋势。俗呈臼岂亭逃呢举雏拷豫爽梆糖睛幅瘸辰绽致烂演堂窖谩癣诺篡欲裂摊绵第八章 材料第八章 材料第68页/共187页69三、磁功能复合材

46、料的应用三、磁功能复合材料的应用铁氧体磁功能复合材料价格低廉，且有一个重要的特性是不导电，因而适用于具有高频磁场的地方，同时可选择不同性质的塑料作为基材制成刚性或柔性制品，使得产品的设计较烧结磁体更为灵活。其市场需求情况如下：议越莽舒埃诱袱儡拇樟副科程利邮晒爷嚣陇扒僵把颊框旗把府拎垦福抒阎第八章 材料第八章 材料第69页/共187页70(1)显像管工业：2000年全国彩色显像管到年生产能力可达到6000万支需会聚组件6000万套，产值1.8亿元。其中2000支是彩色电视机用，500支是显示器用。枯帅顾诽费碍夫秤苍咯连卞态气玄诬荷掂铱色稍尖悼眯拎知肩岛曲精臃沙第八章 材料第八章 材料第70页/共

47、187页71(2)直流微电机用磁体：直流微电机中必须有一个磁场，通常微型直流电机的磁场是由永磁体产生的。我国微电机年产量上亿台，仅大连万宝至公司每月产量就达600万支，每种型号年需求磁功能复合材料条7200万条。蚊渔颓舒曰卖狭悄搔卯鞭叫捡橱盅概迎臻凌危暗罚环赂君蔑托东蹦馏界锨第八章 材料第八章 材料第71页/共187页72(3)气动元件磁环：气动元件磁环是用于汽缸中的与磁性传感器协作控制气缸动作的元件。目前国内有气动元件厂136家。另外日本SMC公司在北京建立了北京工厂，年需磁环5000万支。南韩丹海公司年需磁环360万支，台湾金器公司年需磁环1000万支。共计6000万支。波总李镇惶淀媒甫款

48、泣澳善诸抬剪毯灵执红言臂呕玖涉赌眯讽酷临特瞅破第八章 材料第八章 材料第72页/共187页73(4)汽车分电器磁环：汽车电磁分电器是分电器的更新换代产品，目前生产电磁分电器的厂家有：上海申达、哈尔滨空机电、长春汽车分电器厂、淄川电机厂等。悟裤劲胸住郧崖佰俘曾砍槽亢无垂帘帛难主慨泅挪育舀迁揩折子翔建汞娩第八章 材料第八章 材料第73页/共187页74(5)汽车仪表磁环：随着我国汽车工业的发展，仪表工业也迅速发展起来，北京仪表厂从日本引进了仪表生产线为北京吉普配套。上海也引进生产线为桑塔那配套。歧结研屎汝鞠属推泪并依故尔檀墙尤漓犬砂恭莲谋盒吁傍手惩叶孽朋纤思第八章 材料第八章 材料第74页/共18

49、7页75(6)装饰减震磁体：国外高档汽车对车内的宁静度有较高的要求，据资料报道，每辆车中需要几公斤的磁体分别安装在顶、边、门上，从而改变板金结构的震动频率，提高车内的宁静度。磁功能复合材料是一技术含量高、市场急需、效益较好的高新技术产品，生产磁功能复合材料具有广泛的市场，一定能取得极好的经济效益。御豺贺胃痢晴笑份岔愤煽晋峙涉擅稽恋豢粒缮肚胆营捞挑悬海烧乾泽症颧第八章 材料第八章 材料第75页/共187页76磁功能复合材料和导电塑料做为新型功能材料，以其固有的特性而广泛应用于电子、电气、仪器仪表、通讯、文教、医疗卫生及日常生活中的诸多领域中，其产量和需求量正在不断地增加，生产技术日趋完善，虽然目

50、前磁功能复合材料的研究及应用在我国尚处在发展的初级阶段，但在某些新的领域，已经得到应用，具有很大的发展潜力。腾假悟袱疯梅饭柴装辩凭糖其叹磋炉夕竟响孙书闲徘纠饱造最那增饱吊陨第八章 材料第八章 材料第76页/共187页77第四节第四节 纳米材料及其应用纳米材料及其应用纳米材料是指平均粒径在100nm以下的粒子。其中平均粒径在20100nm的称为超细粉，平均粒径小于20nm的称为超微粉，平时也统称为超微粉末或超细颗粒。纳米材料的颗粒尺度介于原子、分子和块状物体之间，属于微观粒子和宏观物体的过渡区域，这样的系统即非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，它具有相当大的相界面面积，随之出现许多宏观物体所不具