功能复合材料

功能复合材料1.功能复合材料的设计原则•功能复合材料是指除力学性能以外还提供其他物理性能并包括部分化学和生物性能的复合材料，如有导电、超导、半导、磁性、压电、阻尼、吸声、摩擦、吸波、屏蔽、阻燃、防热等功能。功能复合材料主要由功能体一种或多种和基体组成。柔韧性磁体：磁粉功能体橡胶和塑料基体黏结和赋形作用，并同时改善材料的物理机械性能复合材料设计的目的:提高材料的综合性能,也就是材料的优值。材料的优值：复合材料有很多途径以达到高优值，即按照要求调整其特有的参数，经设计来满足材料有关的物理张量组元。2功能复合材料的设计特点1）具有提高材料优值的广泛途径和自由度调整复合度复合度是参与复合各组分的体积（或质量）分数。调整联接方式复合材料中各组分在三维空间中互相连接的形式可任意调整。调整对称性对称性是功能复合材料组分在空间几何布局上的特征。不同功能复合材料的对称性须选用不同的描述方法。如，0-3型（球形颗粒分散在基体中）复合材料各向同性；1-3型（针行颗粒按一定方向排列）产生双折射行为；2-2型（片状颗粒分散在基体中）则出现负光性。调整尺寸当功能体尺寸从微米、亚微米减小到纳米时，原有的宏观物理性质会发生变化。这是由于物体尺寸减小时表面原子数增多引起的。调整周期性2）可利用复合效应创造新型复合功能材料乘积效应热-形变材料（X/Y）与另一种形变-电导材料（Y/Z）复合，其效果就是即由于两组分的协同作用得到一种新的热-电导功能复合材料。其他非线性效应例如，彩色胶片是以红、蓝、黄三色感光材料膜组成一个系统，能显示出各种色彩，单独存在即无此作用。这是系统效应的例子。XYXYZZ3.压电复合材料•压电材料是指材料在外力作用下产生电流，或反过来在电流作用下产生力或形变的一种功能材料。•传统的压电材料(压电陶瓷如锆钛酸铅)密度高、声阻抗大、性脆，不能制成大面积薄片和复杂的形状，不易与水和人体等轻负载匹配；压电聚合物材料（PVDF聚偏二氟乙烯）密度低、柔性好、阻抗低、易与轻质负载匹配，但是压电常数低、有强的各向异性且难极化。•压电复合材料是70年代发展起来的一类功能复合材料。一般是由压电陶瓷和聚合物基体按照一定的联接方式、一定的体积或质量比例和一定的空间几何分布复合而成。压电复合材料克服了两者的困难。•压电复合材料类型及制备方法压电复合材料的联接方式是指各相材料在空间分布上的自身连通方式，它决定着压电复合材料的电场通路和应用分布形式。0-3型压电复合材料极化较难是由于压电填充相上的极化电场强度远小于外加极化电场强度。可在复合材料中加入导电相，如少量碳、锗等物质，以提高聚合物基体的导电率。工艺流程：混料-硫化（固化）-上电极-极化1-3型压电复合材料是指由一维连通的压电相平行地排列于三维连通地聚合物中而构成的两相压电复合材料。设计该构型的初衷是考虑到聚合物相比陶瓷相柔软，可以有效传输应力，使应力的放大作用及外加整体介电常数减小，从而实现压电系数gh的增加。聚合物泊松比产生的内应力减小了应力放大系数＝引入发泡剂或玻璃球4.导电复合材料•导电复合材料是由导电材料和作为基体的绝缘材料复合得到的具有导电功能的材料。基体：聚合物、金属、陶瓷、水泥导电填料：炭素、金属、金属氧化物•聚合物基导电复合材料通常是在基体聚合物中加另外一种导电聚合物或导电填料复合而成。导电聚合物通常是指分子结构本身或经过掺杂处理后具有导电功能的共轭聚合物。基体聚合物：树脂，橡胶导电填料：抗静电剂，各种导电材料•聚合物导电复合材料的制备方法共混法机械共混法溶液共混法共沉淀法（比较少）共混法制备的复合材料，导电稳定性主要取决于复合材料中“渗流途径”的变化，而渗流途径的变化则和基体聚合物的热稳定性有关化学法聚合物单体和导电粒子混合后聚合成型，如聚烯烃/炭黑非导电聚合物基体上吸附可形成导电聚合物的单体，并且使之在基体上聚合，从而获得导电复合材料。两种聚合物单体在乳胶中进行氧化聚合后生成导电复合材料，如聚苯胺/聚吡咯电化学法首先利用“浸渍-蒸发法”在金属电极上涂敷一薄层塑料，然后将这一电极作为工作电极放到含有单体的电解质溶液中。由于电解质溶液对基体聚合物的溶胀作用，从而单体有机会扩散到金属电极表面放电。结果从基体聚合物内部开始导电聚合物不断聚合，形成导电复合材料。•导电机理剂影响导电性能的因素导电机理：通过导电粒子之间的直接接触而产生传导通过导电体之间的电子跃迁，即隧道效应，产生传导发射电流影响因素导电填料种类、性质及作用的影响。炭黑的结构均一、比表面积大、表面活性基团含量少，制备的复合材料的导电性能好粒子形状（絮团状粒子优于球状及片状粒子），填料用量（渗滤阈值）。聚合物种类的影响。聚合物基导电复合材料的导电性随聚合物表面张力减小而升高；对于同一聚合物基体的导电复合材料，其导电性随聚合物粘度降低而升高；结晶度越低，导电性能越好。5.磁性复合材料磁性材料应用的问题：一般无机磁性材料，形状复杂、精度要求高的物件制造难度很大，而且陶瓷磁性材料性脆，容易断裂。如果以无机磁性材料的粉末或纤维与聚合物复合，则很容易加工成形复杂的磁性物件，不仅具有韧性，甚至呈橡胶弹性状态。•聚合物基磁性复合材料无机磁性功能体：氧化铁、金镍钴合金、新型稀土永磁材料聚合物基体：橡胶类、热固性树脂类、热塑性树脂类5.磁性复合材料•成型技术–橡胶体系采用常规的混炼工艺，即将磁粉作为填料加入生胶，混合并压成胶片后再模压硫化成型。–热固性树脂基则用常规方法在未凝胶状态下与磁粉湿混，并模压固化成型；亦可将磁性材料制成预成形体，放入模具后用树脂传递模塑法成型。–热塑性树脂基的成型方法较多，例如用粉状树脂与磁粉混合，再模压或压延成型，也有用双螺杆挤出机挤出并切粒后再模压或注射成型，较新的方法是原位成型，即将聚合物单体在活化处理的磁粉表面上聚合，成为磁粉颗粒包裹聚合物的微粒，然后按需要热压成型。•材料性能与填充磁体含量的关系低填充量的颗粒状磁性材料填充的磁性复合材料，其相对磁导率与填充体积成正比。随着填充比例的增加，磁导率明显偏离线性。5.摩擦功能复合材料摩擦功能复合材料是具有高摩擦系数或低摩擦系数的复合材料。摩阻复合材料的性能要求：具有足够而稳定的摩擦系数，静、动摩擦系数之差要小，摩擦系数基本不随外界变化；具有良好的导热性、较大的热容量和一定的高温机械强度；具有良好的耐磨性和抗粘着性，且不易擦伤对偶件表面，噪音、振动小；原材料来源充足，制造工艺简单，造价低。5.摩擦功能复合材料•自润滑减摩复合材料是指不用润滑油脂或流体介质润滑，材料与金属对摩时自身就有很低的摩擦系数和很好的耐磨性的复合材料。尼龙减摩复合材料尼龙有优良的摩擦磨损性能，用增强材料和摩擦改性剂（硫化铜）改性后，可得到很低的摩擦系数和很好的承载能力。在纤维和对摩面间形成高压应立场，尼龙和硫化铜发生分解，生成铜、硫酸脂、羧酸等可以和铁化合成硫酸亚铁和硫酸铁等，通过S、O与尼龙中的氢形成氢键，提高了复合材料转移膜与钢材的粘结性。转移膜覆盖看了对摩面上的凹坑，从而减少了微切割作用，降低了磨损。碳纤维作为减摩剂的复合材料碳纤维增强复合材料具有优良的摩擦磨损性能。任意取向的短切纤维既减小了摩擦系数，又降低了磨损性能。当纤维取向于对摩面的法平面方向时，复合材料的磨损率最小。其机理为：1）纤维露在对摩面上，承受了部分载荷，因此摩擦系数一般为定值，而且磨损率减小的程度也几乎与基体无关；2）纤维磨平了对摩面，减小了局部应力•水润滑减摩复合材料水润滑减摩复合材料主要用于摩擦面有水存在的环境中。一般为纤维增强热固性树脂复合材料。只要原因是热固性树脂脆性大，在对摩面上很难形成完整的转移膜，干摩擦时摩擦系数大；有水润滑时，对摩面上形成一层水膜，将摩擦副隔开，同时水降低了摩擦副的表面温度，也减小了摩擦和磨损。仿生的水润滑减摩复合材料西湖莼菜6.阻尼功能复合材料减振控制分为主动控制和被动控制，被动控制包括材料和结构的阻尼，通过将振动能量衰减或转化成热能、机械能。主动控制由能感知变化的传感器和减振驱动器与一个反馈回路构成6.阻尼功能复合材料•为什么要用复合材料实现阻尼功能？•复合材料具有单一材料没有的综合特性，如高比强度、高比刚度等。在工程应用中若要获得优良阻尼效果，材料阻尼层不但要有高损耗因子，还要有高弹性模量。模量越大，阻尼效果越好。然而，随着材料阻尼的增加，其刚度总会下降。所以，要求高刚度、高阻尼的综合性能，复合材料是最佳选择。阻尼功能复合材料主要有聚合物基和金属基阻尼复合材料。聚合物基阻尼复合材料的阻尼性能•聚合物基阻尼复合材料的阻尼行为（内耗）系由基体的贡献和相间界面的贡献构成。–例如，对于平纹织物复合材料，振动能量的损耗主要为：交织纤维束在弹性变形过程中相对变形阻力的影响；纤维间粘滞力作用；聚合物基体对振动的滞后阻尼作用。•对于高聚物，阻尼行为与振动频率、温度密切相关。–只有在玻璃化转变区，许多被冻结的链段开始解冻而发生高弹形变，出现内耗，即产生阻尼作用。如果聚合物集体交联密度降低或者添加适当填料，会减少分子链段的运动阻力。当材料受到外力作用时，会有更多的分子参与构型转化，使链段那摩擦运动增加，吸收外界能量；同时，由于链段运动自由度增大，也加剧了聚合物分子与填料间的相互作用。•要取得良好的阻尼效果，必须研制出在所需温度、频率范围内具有宽温域、宽频带、高内耗阻尼的材料。7.机敏复合材料与智能复合材料机敏材料是具有感知周围环境变化且能针对这种变化作出适当反应的材料，即机敏材料具有自诊断功能、自适应功能、自修复或自愈合功能。机敏材料不是一种单纯的材料，而是两种或两种以上功能材料的组合，这类材料往往以复合材料或复合结构的形式存在。•被动式机敏复合材料对外界的刺激直接作出反应，不依赖辅助系统判断。这类材料对外界的反应建立在其结构和成分与外界影响因素之间的固有关系上，反应的程度、速度都已作决定。•主动式机敏复合材料能由传感元件的信号判断出结构的工作状态、环境作用情况或所受刺激的历史，然后根据判断结构采取相应的措施。主动式机敏材料是一个系统，其功能类似于人体对外界作出的主动反应，需要由收集信息的“神经元”、分析信息的“大脑”、执行反应的“肌肉”以及联接的“神经网络”。•自诊断机敏复合材料所谓自诊断，即材料通过自身物性的变化反映外界环境对材料的作用情况，并作出材料安全与否的判断。导电式自诊断复合材料光线埋置式自诊断复合材料•自适应或自调节机敏复合材料自适应或自调节功能就是材料对外界的刺激作出相应反应的功能。•自愈合或自修复机敏复合材料这类机敏复合材料也是仿生材料，其功能类似于人体组织的伤口愈合。材料受到损伤时自身迅速作出反应，在损伤部位形成保护层或自动修复。研究思路有两种：一种着眼于材料内部损伤的修复。如将中空纤维埋设在复合材料中，纤维中预先灌入液态物质，当复合材料受到外力作用产生微裂纹时，纤维内的液体就释放出来并在微裂纹处固化补强。另一种着眼于材料表面的自愈合。•智能复合材料机敏复合材料可以看做是智能复合材料的低级形式。在机敏复合材料的基础上增加了自决策作用的材料可视为智能复合材料。是在外部信息处理系统中增加了人工智能的软件系统，使执行材料的动作达到优化状态，即人工智能的专家系统要对信息进行分析评价，根据实时情况给出最佳控制条件，发出指令传达导执行材料使之动作。