功能复合材料-2-磁性复合材料

2020/3/10功能复合材料12020/3/10功能复合材料22020/3/10功能复合材料32.2聚合物基磁性复合材料聚合物基磁性复合材料主要由强磁粉（功能体）、聚合物基体（黏结剂）和加工助剂三大部分组成。2.2.1无机磁粉功能体磁粉性能的优劣与其组成、颗粒大小、粒度分布以及制造工艺有关。2020/3/10功能复合材料41.铁氧体磁粉BaO·Fe2O3或SrO·Fe2O32.SmCo5类磁粉第一代稀土复合永磁材料3.Sm2Co17类磁粉第二代稀土复合永磁材料4.NdFeB第三代稀土复合永磁材料磁粉颗粒大小是影响磁性复合材料性能的重要因素。铁氧体和SmCo5类粉体的矫顽力是由磁体内部的晶粒形核机制所控制，因此，当磁粉颗粒尺寸大小接近或等于单畴尺寸大小时，其矫顽力明显提高，抗外界干扰能力明显增大。Sm2Co17和熔融-淬火法生产的微晶NdFeB磁粉的矫顽力是由晶粒内部畴壁钉扎所决定，其矫顽力不受颗粒大小影响，其颗粒大小主要由填充密度和制造工艺等因素决定。磁粉粒度分布也对磁性复合材料性能有影响。2020/3/10功能复合材料52020/3/10功能复合材料62020/3/10功能复合材料72.2.2聚合物基体分为橡胶类、热固性树脂类和热塑性树脂类三种。2.2.3加工助剂为了改善复合体系的流动性，常加入各种助剂以提高磁功能体沿易磁化轴的方向取向和提高磁粉含量，常使用一些硬脂酸盐润滑剂、偶联剂及增塑剂等。其中硅烷偶联剂同时对提高磁功能体的抗氧化能力起到一定作用。2020/3/10功能复合材料82.2.4聚合物基磁性复合材料的制备工艺常采用模压、注塑、挤压等工艺技术。NdFeB/环氧树脂复合材料的性能与成型压力的关系2020/3/10功能复合材料92.3磁性复合材料的性能、分类及应用2.3.1磁性复合材料性能与填充磁体含量的关系对低填充量的颗粒状磁性功能体填充的复合材料：μr(V)=1+AVμr相对磁导率；A依赖于磁性材料性能、形状和填充量的系数；V磁性材料填充的体积分数。2020/3/10功能复合材料10随着填充比例的增加，磁导率明显偏离线性。μr(V)=1+BV2B，磁感应强度。对于填充两种或两种以上不同尺寸磁粉及不同尺寸分布和形状的混杂磁性复合材料，如果其粒子形态相似而磁性能不同，则μr与各磁性材料体积分数Vi的关系可表示为：μr(V1，V2)=1+B1V22+B2V222020/3/10功能复合材料11由于磁性材料有软磁和硬磁之分，因此也有相应的软磁和硬磁复合材料。此外，强磁性(铁磁性和亚铁磁性)细微颗粒涂覆在高聚物材料带上或金属盘上形成磁带或磁盘用于磁记录，也是一类非常重要的磁性复合材料，又如与液体混合形成磁流体等。2.3.2磁性复合材料的分类2.3.3磁性复合材料的应用2020/3/10功能复合材料122.4永磁复合材料一般情况下，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。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。2020/3/10功能复合材料13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。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。2020/3/10功能复合材料14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。2020/3/10功能复合材料15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。2020/3/10功能复合材料16非磁性基体及非磁性相的比例直接影响到材料的饱和磁化强度及剩余磁化强度，它可用下述关系式来表达：fMMsr320)]1()[(2020/3/10功能复合材料17其中，Mr为复合磁体的剩余磁化强度；Ms为磁性组元的饱和磁化强度；为复合磁体密度；o为磁性组元的理论密度；为复合物中的非磁性相的体积分数；f为铁磁性相在外磁场方向的取向度。fMMsr320)]1()[(2020/3/10功能复合材料18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。2020/3/10功能复合材料19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。2020/3/10功能复合材料20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。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。2020/3/10功能复合材料21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。2.5软磁复合材料2020/3/10功能复合材料22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：2020/3/10功能复合材料23Fe--Si---Al粉末颗粒复合体相对磁导率随驱动频率的变化2020/3/10功能复合材料24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2020/3/10功能复合材料25从图A、B、D曲线看出，它的r值在相当宽的驱动频率范围内不随交变场频率的升高而下降，从而保持在一个较平稳的恒定值。2020/3/10功能复合材料26这种复合软磁材料的相对磁导率r值可由下式描述:)2/()(ccrdd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。2020/3/10功能复合材料27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。2020/3/10功能复合材料28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。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。2020/3/10功能复合材料29磁损耗PL/kW.m-3磁粉粒度/um磁损耗与软磁粉粒度的关系从图中可看出，粉末尺寸越小，损耗越低。因此，可以通过调整磁性粉末颗粒的尺寸来调节损耗ＰL值。2020/3/10功能复合材料30记录声音和图像，然后将其读出(再生)的过程，如下图所示：2.6磁性记录与读出2.6.1磁性记录材料的工作原理2020/3/10功能复合材料31音光电气信号磁性信号作为磁性保留磁头记录材料磁记录再生的原理示意图2020/3/10功能复合材料32由麦克风及摄像机将声音及光变成电信号，再由磁头变成磁信号，从而固定在磁记录介质上。读出时，与记录过程相反，使声音和图像再生。2020/3/10功能复合材料33理想的磁记录介质要尽可能地高密度，能长期保存记录，再生时尽可能高输出。在考虑能够实现高密度、长期保存、高输出时，大致有两方面的考虑，一是磁性材料的种类，二是以磁性层为中心的叠层结构的构成。2020/3/10功能复合材料34作为记录介质的强磁性材料，主要性能指标是矫顽力Hc和剩余磁化强度Mr的大小。这两个性能指标不仅受磁性材料种类的影响，也受颗粒的大小和形状的影响。2.6.2磁性记录介质的性能2020/3/10功能复合材料35下表列出了目前使用的磁记录介质材料的磁特性。磁性材料Mr/THc/A.m-1-Fe2O3(1400~1800)*10-4(15.92~31.83)*103Co--Fe2O3(1400~1800)*10-4(47.75~71.62)*103金属Fe(2300~2900)*10-4(111.41~127.33)*103Co-Ni合金(11000~12000)*10-4(55.71~59.69)*103各种磁性粉末的特性表中的排列是按发展的顺序排列的。2020/3/10功能复合材料36从表中可看出，每一次材料的重大改进都使介质材料的磁性产生一次质的飞跃，与此同时，也使磁记录密度获得一次大的提高。磁性材料Mr/THc/A.m-1-Fe2O3(1400~1800)*10-4(15.92~31.83)*103Co--Fe2O3(1400~1800)*10-4(47.75~71.62)*103金属Fe(2300~2900)*10-4(111.41~127.33)*103Co-Ni合金(11000~12000)*10-4(55.71~59.69)*1032020/3/10功能复合材料37在现有材料基础上，为了进一步提高记录密度，就应考虑在叠层结构上的优化。2.6.3叠层结构对磁带性能的影响一般对于粉状磁性材料，先制造以适当高分子为粘结剂的涂料，然后把该涂料用适当的方法进行涂敷、干燥，制造出如下图所示的一种层压薄片，这就是记录磁带。显然，它属于叠层型的功能复合材料。2020/3/10功能复合材料38磁粉粘结剂添加剂磁层下涂层背涂层基膜记录磁带的结构2020/3/10功能复合材料39到目前为止，为提高涂敷型磁带的性能采取了下面一些措施：(1)提高磁性层中磁性材料的填充率；(2)尽可能缩小磁性材料的颗粒；(3)缩小磁头与磁带间的空隙，防止磁损失。2020/3/10功能复合材料40上面这些都是能够提高磁带记录密度的措施。但是，这些改进都是有限度的，超过一定极限值会导致一些负面作用出现。因此，为了进一步改善记录密度，就需要有新的叠层构思和技术，即要创造出以复合技术为中心的新功能。2020/3/10功能复合材料41目前，研究者对此进行两种尝试。一、尝试把现在单一的磁性层变成双磁性层。二、不是用涂敷磁性粉末和粘结剂混合成的涂料的方法来制造磁性层，而是依靠真空镀敷Co/Ni合金薄膜的方法，来制造磁带。2020/3/10功能复合材料42把单一磁性层变成双磁性层的尝试是采用上层使用高娇顽力的微颗粒金属磁性材料，厚度为0.4um，下层使用低矫顽力的钴改性的氧化铁磁性材料，厚度为2.5um。这样，上层能够高效率地记录，再生用高频和较强磁场记录的亮度信号。2020/3/10功能复合材料43另一方面，因为色调信号和声音信号是低频，在磁性层深部才变弱。所以适当地搭配上层与下层的厚度及矫顽力可得到比只使用一种磁性材料的磁性层更高的输出功率。这样，不同波长都提高了输出功率，可获得更清晰的图像和声音。然而这种双层结构给涂敷技术提出更高的要求，不是常规涂敷方法能实现的。2020/3/10功能复合材料44Co-Ni合金薄膜磁带是基于将来需记录信号的波长可能向短波长方向发展的角度出发而设计和构思的。短波长的磁场由于波及的深度浅，考虑到厚度损失的问题，那么0.2um程度的超薄膜是最理想的。要制造这样的超薄膜，真空蒸镀法是适合的。2020/3/10功能复合材料45此外，磁性材料具有较好的性能，本身就可以提高记录密度。各种磁性粉末的特性如下表所示磁性材料Mr/THc/A.m-1-Fe2O3(1400~1800)*10-4(15.92~31.83)*103Co--Fe2O3(1400~1800)*10-4(47.75~71.62)*103金属Fe(2300~2900)*10-4(111.41~127.33)*103Co-Ni合金(11000~12000)*10-4(55.71~59.69)*1032020/3/10功能复合材料46由表中可见，剩磁最大的是Co-Ni合金，如果镀成薄膜，磁性材料的填充率几乎接近100％。无论是剩磁大，还是填充率大都对提高输出功率有好处。磁性材料Mr/THc/A.m-1-Fe2O3(1400~1800)*10-4(15.92~31.83)*103Co--Fe2O3(1400~1800)*10-4(47.75~71.62)*10