1
第六章 功能复合材料
2
复合材料按 使用目的 可分为两类,
结构 复合材料 和 功能 复合材料
3
功能复合材料 是指除 机械性能 以外 而
提供 其他物理性能 的复合材料，如 导电,
超导, 半导, 磁性, 压电, 阻尼, 吸声,
摩擦, 吸波, 屏蔽, 阻燃, 防热, 隔热 等
功能复合材料。
4
功能复合材料 主要由 功能体 和
基体 组成，或由 两种 (或两种以上 )
功能体 组成。
5
在 单一功能体的复合材料 中，其 功能
性质 虽然由 功能体 提供，但 基体 不仅起到
粘结和赋形作用,同时也会对复合材料 整
体的物理性能 有影响。
6
多元功能体的复合材料 可以具有 多种
功能,同时还有可能由于 产生复合效应 而
出现 新的功能 。
因此,多功能复合材料 成为 功能复合
材料的发展方向 。
7
1、功能复合材料的复合效应
材料 在复合后 所得的复合材料，依据
其产生 复合效应的特征,可分为两大类：
一类复合效应为 线性效应 ；
另一类则为 非线性效应 。
在这 两类复合效应 中，又可以显示出
不同的特征。
8
平均效应 相乘效应
平行效应 诱导效应
相补效应 共振效应
相抵效应 系统效应
线性效应 非线性效应
复 合 效 应
不同复合效应的类别
下表列出了 不同复合效应 的类别。
9
平均效应
是复合材料所显示的 最典型的 一种复合效
应。它可以表示为：
ffmmc VPVPP ??
式中，Ｐ为材料性能，Ｖ为材料体积
含量，角标 c,m,f分别表示复合材料、
基体和增强体（或功能体）。
10
复合材料的某些 功能性质,例如 电导,
热导, 密度 和 弹性模量 等服从 平均效应 这
一规律。
例如，复合材料的 弹性模量,若用 混
合率 来表示，则为
ffmmc VEVEE ??
11
平行效应
显示这一效应的复合材料，它的 各
组分材料 在复合材料中，均 保留本身
的作用,既 无制约,也 无补偿 。
12
对于 增强体 （如纤维）与 基体界
面 结合很弱 的复合材料，所显示的复
合效应，可以看作是 平行效应 。
13
相补效应
组成复合材料的 基体 与 增强体, 在性
能上 相互补充,从而 提高了综合性能,则
显示出 相补效应 。
14
对于 脆性的高强度纤维增强体 与 韧性
基体 复合时，两相间若能得到 适宜的结合
而形成的复合材料，其性能显示为 增强体
与 基体的互补 。
15
相抵效应
基体与增强体 组成复合材料时，
若 组分间性能 相互制约, 限制了整体
性能提高,则复合后显示出 相抵效应 。
16
例如,脆性的纤维增强体 与 韧
性基体 组成的复合材料,当两者界
面结合很强时,复合材料整体显示
为 脆性断裂 。
17
在 玻璃纤维增强塑料 中，当 玻璃纤维表
面 选用适宜的 硅烷偶联剂 处理后，与 树脂基
体 组成的复合材料，由于 强化了界面的结合,
故致使材料的 拉伸强度 比未处理纤维 组成的
复合材料可高出 30--40%，而且 湿态强度保
留率 也明显提高。
18
但是，这种 强结合的界面 同时却导致
了复合材料 冲击性能的降低 。
因此，在 金属基, 陶瓷基增强复合材
料中, 过强的界面结合 不一定是最适宜的。
19
相补效应 和 相抵效应 常常是 共同存在的 。
显然,相补效应 是希望得到的，而 相抵
效应 要尽量能够避免。
所有这些，可通过 相应复合材料的设计
来加以实现。
20
相乘效应
两种 具有转换效应的材料 复合在一起，
即可发生 相乘效应 。
例如，把具有 电磁效应 的材料与具有
磁光效应 的材料复合时，将可能产生具有
电光效应 的复合材料。
21
因此，通常可以将一种具有 两种性能相
互转换的功能材料 X/Y和另一种 换能材料 Y/Z
复合起来，可用下列通式来表示，即：
ZXZYYX //./ ?
式中，Ｘ、Ｙ、Ｚ分别表示各种 物理性能 。
上式 符合乘积表达式,所以称之为 相
乘效应 。
22
相乘效应的组合 可以非常广泛，已
被用于 设计功能复合材料 。
常用的 物理乘积效应 见下表所示：
23
复合材料的乘积效应
Ａ相性质Ｘ／Ｙ Ｂ相性质Ｙ／Ｚ 复合后的乘积性质
（Ｘ／Ｙ）（Ｙ／Ｚ）＝Ｘ／Ｚ
压磁效应
压磁效应
压电效应
磁致伸缩效应
光导效应
闪烁效应
热致变形效应
磁阻效应
磁电效应
场致发光效应
压阻效应
电致效应
光导效应
压敏电阻效应
压敏电阻效应
压电效应
压力发光效应
磁阻效应
光致伸缩
辐射诱导导电
热敏电阻效应
24
诱导效应
在一定条件下，复合材料中的 一个组分
材料 可以 通过诱导作用 使 另一个组分材料 的
结构改变,从而 改变整体性能 或 产生新效应 。
这种 诱导行为 已在很多实验中发现，同
时也 在复合材料界面的两侧 发现。
25
例如,结晶的纤维增强体 对 非晶基体 的
诱导结晶 或 晶形基体 的 晶形取向产生作用 。
在 碳纤维 增强 尼龙或聚丙烯 中，由于 碳
纤维表面 对 基体 的 诱导作用,致使 界面上的
结晶状态与数量 发生了改变，如出现 横向穿
晶 等，这种效应对尼龙或聚丙烯起着 特殊的
作用 。
26
共振效应
两个相邻的材料 在一定条件下,会产生
机械的 或 电、磁的共振 。
由 不同材料 组成的复合材料，其 固有频
率 不同于 原组分的 固有频率,当复合材料中
某一部位的 结构发生变化 时，复合材料的 固
有频率 也会发生改变。
27
利用 共振效应,可以根据 外来的工作
频率, 改变复合材料固有频率 而 避免材料
在工作时引起的破坏 。
对于 吸波材料,同样可以根据 外来波
长的频率特征, 调整复合频率,达到 吸收
外来波 的目的。
28
系统效应
这是材料的一种 复杂效应,至目前为
止，这一 效应的机理 尚不很清楚，但在实
际现象中已经发现这种效应的存在。
29
例如,交替叠层镀膜的硬度 大于原来
各 单一镀膜的硬度 和 按线性混合率估算值,
说明 组成了复合系统 才能出现的现象。
30
平均效应, 相乘效应, 平行效应, 诱导效
应, 相补效应, 共振效应, 相抵效应, 系统效
应 等各种复合效应，都是复合材料科学所 研究
的对象 和 重要内容,这也是 开拓新型复合材料,
特别是 功能型复合材料 的 基础理论问题 。
31
2、功能复合材料的设计
复合材料的 最大特点 在于它的 可设计性 。
因此，在给定的 性能要求, 使用环境 及
经济条件限制 的前提下，从 材料的选择途径
和 工艺结构途径 上进行设计。
32
例如，利用 线性效应 的混合法则，通过
合理铺设 可以设计出某一温度区间 膨胀系数
为零 或 接近于零的构件 。
又如 XY平面是 压电, XZ平面呈 电致发光
性，通过 铺层设计 可以得到 YZ平面 压致发光
的复合材料。
33
另外，模仿 生物体中的 纤维 和 基体 的
合理分布,通过 数据库和计算机辅助设计
可望设计出 性能优良的 仿生功能材料 。
34
2.1 磁性复合材料
磁性复合材料 (Magnetic composite
materials)是以 高聚物或软金属 为 基体 与 磁
性材料 复合而成的一类材料。
35
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。
36
2.1.1 永磁复合材料
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。
37
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。
38
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。
39
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 。
40
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。
41
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：
fMM
sr
??? 3
2
0
)]1()[( ?
?
?
?
42
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。
fMM
sr
??? 3
2
0
)]1()[( ?
?
?
?
43
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。
44
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。
45
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 。
46
2.1.2 软磁复合材料
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。
47
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：
48Fe--Si---Al粉末颗粒复合体相对磁导率随驱动频率的变化
49
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
50
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 。
51
这种复合软磁材料的 相对磁导率 ?r值可
由下式描述,
)2/()( ???? ccr dd ??
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 。
52
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。
53
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。
54
磁
损
耗P
L /k
W
.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Ｐ L值。
55
2.1.3 磁性记录与读出
记录 声音和图像,然后 将其读出 (再生 )
的过程，如下图所示。
56
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
57
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 。
58
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 。
59
2.2 磁性材料
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
的影啊，也受 颗粒的大小和形状 的影响。
60
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/T Hc/A.m-1
?-Fe2O3 (1400~1800)*10-4 (15.92~31.83)*103
Co- ?-Fe2O3 (1400~1800)*10-4 (47.75~71.62)*103
金属 Fe (2300~2900)*10-4 (111.41~127.33)*103
Co-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。
61
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/T Hc/A.m-1
?-Fe2O3 (1400~1800)*10-4 (15.92~31.83)*103
Co- ?-Fe2O3 (1400~1800)*10-4 (47.75~71.62)*103
金属 Fe (2300~2900)*10-4 (111.41~127.33)*103
Co-Ni 合金 (11000~12000)*10-4 (55.71~59.69)*103
62
2.3 叠层结构对磁带性能的影
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。
63
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 。
64
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
65
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。
66
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。
67
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。
68
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 。
69
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。
70
Co-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。
71
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/T Hc/A.m-1
?-Fe2O3 (1400~1800)*10-4 (15.92~31.83)*103
Co- ?-Fe2O3 (1400~1800)*10-4 (47.75~71.62)*103
金属 Fe (2300~2900)*10-4 (111.41~127.33)*103
Co-Ni 合金 (11000~12000)*10-4 (55.71~59.69)*103
72
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/T Hc/A.m-1
?-Fe2O3 (1400~1800)*10-4 (15.92~31.83)*103
Co- ?-Fe2O3 (1400~1800)*10-4 (47.75~71.62)*103
金属 Fe (2300~2900)*10-4 (111.41~127.33)*103
Co-Ni 合金 (11000~12000)*10-4 (55.71~59.69)*103
73
2.4 磁流体
磁流体 是 强磁性 (铁磁性和亚铁磁性 )细
微颗粒 与 一种液体 均匀混合而成的 胶状液体 。
它既具有强磁性材料的 多种磁特性,又
具有 液体的特性 。
74
磁性液体 由强磁性 单畴颗粒 (磁
粉 ),基质液体 (基液 )和 分散剂 (表面
活性剂 )组成。
75
为了防止 磁粉沉淀和凝聚,使磁性液
体稳定，必须选择适当的 磁粉粒径, 分散
剂 物性参量和用量 以及 基液 物性参量,使
磁粉磁偶极矩间 作用力和热作用力 的 综合
效应产生势垒,以利于 磁性液体稳定 。
76
组成中的 磁粉 采用 金属或非金属强磁
材料,通过 化学沉淀法, 热分解法, 机械
研磨法, 电解 等方法制成，粒径约 1 ~ 100
nm的 单畴颗粒 。
77
基质液体 的种类很多，常根据用
途选用。目前多采用 非金属基液,主
要有以下六种。
78
(1)水
一种 常用和经济 的基液，可在较宽范
围内调节 pH值；但容易蒸发，适于制备 在
选矿和磁印刷等方面 应用的 磁性液体 。
79
(2)酯 类和 二酯 类
蒸气压低, 粘滞性适当, 润滑性好,
适于制备 在真空密封和阻尼系统中 应用的
磁性液体。
80
(3)烃 类
粘度较低, 电阻率和介电常数较高,
适于制备在要求 电绝缘好、粘滞性低的
情况下 应用的磁性液体。
81
(4)氯碳 类
适用 温度范围宽, 对氯气等稳定性高,
不溶于其他液体,适于制备 在温度变化大
和 有氯气的恶劣条件下 应用的磁性液体。
82
(5)聚苯醚 类
蒸气压低, 抗辐射性好,适于制备
在高真空或辐照环境中 应用的磁性液体。
83
(6)水银 和 低熔点金属合金
导热性和导电性高,适于制备在需要
高传热或导电的情况下 应用的磁性液体。
84
分散剂 使 磁粉表面 吸附一层 长链
分子,构成 缓冲层,并使磁粉在 磁场
和电场作用下 不会凝聚 。
85
因此，要求 分散剂的分子链 一端 吸附
在磁粉表面,另一端 与基液胶溶吸附 ；
另外，还要求分子链 有一定链长,以
获得有效的 防凝聚作用 。
86
分散剂 主要有 阴离子分散剂, 阳离
子分散剂, 两性分散剂 和 中性 (非离子 )
分散剂 。 分散剂用量 一般约为 磁粉重量
的 5％～ 10％。
87
2.4.1 磁流体的种类
根据组成、特性和应用要求，磁性液体
可分为三类。
(1)非金属 磁 (粉 )性液体：
(2)金属 磁 (粉 )性液体
(3)纯金属 磁性液体
88
(1)非金属磁 (粉 )性液体
以 非金属磁粉 (目前主要为 Fe3O4磁粉 )
与 非金属基液 均匀混合成的 胶状液体,是
目前应用最多的一类。
89
(2) 金属磁 (粉 )性液体
以 铁 (Fe),钴 (Co)或其合金磁粉 与 非金
属基液 均匀混合成的 胶状液体,其磁化强度
高，磁性强。目前尚处干研究阶段。
90
(3)纯金属磁性液体
以 金属磁粉 和 金属基液 均勾混合成的 胶
状液体 。其 磁性、导热性 和 导电性好,适于
制造一些特殊装臵如 磁流体发电机 。目前多
处于研究阶段，应用较少。
91
2.4.2 磁流体的特性和应用
磁性液体 与 固态磁性材料 相比具有
以下四个方面的特点,
92
(1)高度的稳定性 。能长期保持均匀状
态，在 磁场和重力场 中不会发生 凝聚和成
团现象 。
(2)可控的粘滞性 。可由 外加磁场 控制
其粘度，并使 粘度对磁场表现各向异性 。
93
(3)典型的超顺磁性 。无 磁滞回线 现象，
即 剩磁和矫顽力 都为零；
(4)可调节的磁浮力 。即可用 外加磁场
改变磁性液体的 表观密度和浮力 。
94
由于 磁性液体 兼有 强磁性 和 液态
性质,因而在 电子、电机、仪表、石
油化工和科学研究 中得到应用。
95
如用于 运动部件的阻尼, 润滑和密封,
不同密度物体的 分选和分离,失重状态下用
的磁性燃料和磁性笔,磁控印刷, 磁控染色,
由磁性液体作为工作物质的 陀螺, 声换能器,
磁流体电机 和 磁芯 等。
96
3,电性复合材料
作为 复合材料的电导率 没有 明确的数
值 来划分 导体、半导体和绝缘体 。
97
两种或两种以上的金属 形成的复合
材料显然是 导体 ；
相反,两种或两种以上的绝缘体 形
成的复合材料 电导率不会很高 。
98
但是，复合材料中如果含有 导电 和 绝
缘两种材料,那么它的 电导率 或是 极端 或
是一些 中间值,这取决于 导体和绝缘体的
相对含量, 几何分布 和 组元本身特性 。
99
3.1 金属填充材料的导电特性
将 金属颗粒 混入 高分子聚合物, 高分子
聚合物的电阻率 就会发生变化，然而这个变
化并非依据 加和法则,而是当 金属填料浓度
达到一临界体积 ?c时,金属填充聚合物 发生
一个如下图所示的 突然转换,由 绝缘体变成
导电体 。
100苯乙烯 — 丙烯腈共聚物中 Al粉和 Fe粉的体积分数和电阻率的关系
电
阻
率
对
数/ ?
.cm
金属的体积分数
Al
Fe
101
这一 临界填料量 称之为复合材料的,导电
门槛,值。
临界浓度值 与 金属填充颗粒 的 尺寸、分布、
形状以及制造工艺 有很大关系。
例如 宽粒分布 的铝粉末的临界体积分数为
0.4，而 窄颗粒分布 的粉末临界体积分数为 0.2。
102
很多研究表明，一些 绝缘性复合材料 当承
受电压 达到临界值 时，会变成 高导电性 材料。
如果 没有大的电流 通过，则 消除电压后 样
品仍保持 较低的电阻率,尔后再 恢复到样品的
绝缘状态 。
103
复合材料电导率 不仅与 金属填加物体
积分数 有关，与 温度 也有密切关系，从而
显现出 正温度效应 和 负温度效应 。
104
在一温度范围内，复合材料的 电阻随
着温度的升高而升高 (正温度效应 )。
当超过某一温度时，其 电阻值又随温
度的升高而下降 (负温度效应 )。
105
由于电阻的 正温度效应、负温度效应
的存在，使复合材料成为一种 开关材料 。
因此，可用于制备各种 电子开关器件 。
106
3.2 电磁屏蔽复合材料
解决 电磁干扰, 射频干扰 和 信息防窃
的复合材料称为 电磁屏蔽复合材料 。
107
由于 电磁波吸收率 依赖于 材料的
电导率,因此，利用具有一定 导电性
的复合材料 可满足 电磁屏蔽 的需要。
108
以 高分子材料 为基体，填充 导电材料 可
构成适合用于 电磁屏蔽的复合材料 。
由于 电磁屏蔽的复合材料 具有 性能好,
成本低, 成型工艺简单 的优点，因此成为国
际上 电子材料研究 的热点。
109
电磁屏蔽复合材料 有两种类型。
(1)填充导电体的形式；其中，填料形
成的 导电网络 是提供 屏蔽功能的基本要素 。
110
这种 电磁屏蔽复合材料 通常由 绝缘性良
好的 热塑性高分子 (如 ABS,PC,PP,PE、
PVC,PBT,PA及它们的改性和共混的树脂 )
和 导电性填料 (如炭黑、铝片粉、金属纤维及
表面金属化的有机和无机纤维 )及 其他填加物
复合而成，其屏蔽效果为 40～ 60dB。
111铝片在聚合物中体积分数与屏蔽效率关系
体积分数
屏
蔽
效
率/dB
屏蔽效果 与 导电
体填充量, 导电纤维
长径比 有关，由图中
可看出,合适的填料
体积分数 可获得好的
屏蔽效率，很多研究
发现 在临界浓度值附
近 有最好的屏蔽效果。
112铝纤维带的体积分数,长径比与屏蔽效率的关系
体积分数
屏
蔽
效
率/dB
图中表明 填充料的
长径比 与 屏蔽效果 也有
密切关系,填料长径比
越大，屏蔽性也越大,
从另一角度看,长径比
也影响着最佳体积填充
量 。通常长径比越大，
最佳体积填充分数越低。
113
电磁屏蔽材料 多用于 电子设备的屏蔽,
由于近代 电子设备的数据传输 多采用 电视显
示方式,如计算机终端显示器、监视器、仪
表的图显和数显，都要求既 透明,又能 阻隔
电磁波 的材料。从这个角度上看，复合材料
中 最佳体积填充分数 为 较低数值 是理想的。
114
(2)用 金属丝 与 无机或有机纤维的混纺纱
制成织物 可作 电磁波反射体 。
这种 反射型复合材料 主要用于 无线通信
天线的 电磁波反射装臵,但也可作计算机、
复印机、传真机等电子设备的 电磁波屏蔽板 。
115
3.3 复合材料压电性能
压电材料 是指 具有压电效应的 材料，
它广泛应用于 换能器,实现 机械能与电能
之间的相互转换。
116
压电材料 可以分为下面五类：
(1)单晶材料,如石英、磷酸等；
(2)陶瓷材料,如锆钛酸铅 (PZT),钛酸铅等；
(3)高分子聚合物,如聚氯乙烯等；
(4)复合材料,如 PZT/聚合物等；
(5)玻璃陶瓷,如 TiSrO3等。
117
压电复合材料 是将 压电陶瓷相 和 聚合
物相 按一定 连通方式,一定的 体积 /重量,
及一定的 空间分布 制作而成，它可以 成倍
地 提高材料的压电性能 。
118
以 PZT/聚合物为例，其 dh gb值提高 l~3倍
(dh为压电体的 电荷系数 ； gb为压电体的 电压
系数 )。
此外，复合材料使 加工性能,以及 与水
的匹配性 也大为改善。
119
为了从本质上极大地 提高材料的压电
性能,将 二元复合材料 进一步复合 向 三元
或更多元方向 发展，可望获得 更为优异的
压电复合材料 。
120
例如：
锆钛酸铅 (PZT)和聚合物 (P),即 PZT／ P；
钛酸铅 (PT)和聚合物 (P),即 PT／ P；
两大 二元系复合材料的再复合 。
121
这两大复合材料各有优缺点：
其中,PZT／ P中的 PZT压电活性 大，
但其 各向异性 较小；
PT／ P中 PT的 压电活性 小，但其 各向
异性 大。
122
当实现三相复合，即 PZT＋ PT／ P,势
必会体现出两相系统所没有的性能，这一方
向是目前 复合压电材料 的发展方向。
123
下面的关系图说明了这一方向的发展
压电复合材科的发展
PZT P PT
PZT/ P PT/ P
PZT+P/ P
124
3.4 超导复合材料
超导材料 被誉为 第三代电子技术的核心,
它在 导弹与航天器跟踪, 制导, 通信与防御
以及 激光武器电源 上都具有广泛的应用潜力，
可用于 高性能高速计算机, 远红外探测器,
光通信, (远 )红外成像 以及 磁悬浮列车 等。
125
然而,高临界转变温度的氧化物 超导
材料 脆性大,虽有一定抵抗 压缩变形 的能
力，但其 拉伸性能极差, 成型性不好,使
得 超导体大规模实用 受到了限制。
126
用 碳纤维 增强 锡基复合材料 通过 扩散粘
结法 (成型压力为 4MPa,150~170 ℃,保温
15min)将 YBa2Cu3O7超导体 包覆于其中，从
而获得 良好的力学性能, 电性能 和 热性能 的
复合材料。
127
试验发现，随着 碳纤维体积含量 增加，
碳纤维／锡钇氧钡铜 复合材料的 拉伸强度 随
着不断提高。
由于 碳纤维 基本承担了全部的 拉伸载荷,
所以 在断裂点之前, 碳纤维／锡材料 包覆的
超导体 一直都保持超导性能。
铜基复合材料 也常用于 超导复合材料的
包覆材料 。
128
4、隐身复合材料
由于 探测技术 的 飞速发展 和 多种探测器的
综合使用,使得 隐身材料 也必须朝着 多功能化、
宽频带 方向发展。
原来的 金属、陶瓷、半导体、高分子 隐身
材料很难适应这一要求，因此 复合隐身材料的
发展 就显得格外重要。
129
隐身材料的基本原理
(1)降低目标 自身发出的 或 反射外来
的信号强度 ；
(2)减小 目标与环境 的 信号反差,使
其低于探测器的门槛值；
(3)使目标与环境反差 规律混乱,造
成目标 几何形状识别上 的困难。
130
隐身材料 按照 电磁波吸收剂的使用,
可分为 涂料型 和 结构型 两类，它们都是
以树脂为基体 的复合材料。
131
涂料型复合材料
能使 被涂目标 与它 所处背景 有尽可能
接近的反射、透过、吸收电磁波和声波特
性 的一类无机涂层，又称为 伪装层 。
132
隐身涂层种类很多，有 防紫外侦察 隐
身涂层,防红外侦察 隐身涂层，以及 防可
见光, 防激光, 防雷达 等侦察隐身涂层，
还有 吸声 涂层等。
133
隐身涂层 多采用 涂料涂覆工艺 。
涂料 由 粘结剂, 填料, 改性剂 和 稀释
剂 等组成。
134
粘结剂 可以是 有机树脂,也可以是
无机胶粘剂 。
填料 是调节涂层与电磁波、声波相
互作用特性的关键性 粉末状原料 。
135
金属、半导体、陶瓷等不同类型的粉末可
以作为 填料使用,由于它们在能带结构上的差
别，可针对不同的 探测装臵 进行隐身。
由于 探测技术 不断提高,隐身涂层 也向具
有 多功能的多层涂层 及 多层复合膜 方向发展。
136
结构型隐身复合材料
由于 涂料型隐身材料 存在 重量, 厚度,
粘接力 等问题，在使用范围上受到了一定
限制；
因此兼具 隐身 和 承载 双重功能的 结构
型隐身材料 应运而生。
137
电磁波 在材料中传播的 衰减特性 是 复
合材料吸波的关键 。
实际上振幅不同的波来往传播，包括
折射和散射 。最后使 射入复合材料的电磁
波 能得到衰减，达到吸收的目的。
138
此外，在设计中，使复合材料 表面
介质的特性 尽量 接近空气的特性,就会
使 表面反射小,从而达到隐身作用。
139
作为兼具 隐身 和 承载 双重功能的材料
的设计，主要有 混杂型 和 蜂窝形 复合材料
两大类。
所谓 混杂型 是 基体为高聚物, 增强体
是不同类型纤维材料 。
140
例如，选择 酚醛材脂 为基体，选择 碳纤
维、玻璃纤维、芳纶 等为增强体，选择合适
的 混杂结构参数,界面尽量增多，这种复合
材料不仅有较好的 承载功能,同时也只有良
好的 吸收雷达波的性能 。
141
蜂窝结构型隐身复合材料 是一种外形
上 类似于泡沫塑料 的 纤维增强型材料,对
电磁波有极好的吸收效果。
如采用 多层结构,频率为 8～ 12GHz时，
吸收性能 达到 15dB。
142
5、其他功能复合材料
5.1 抗 x射线辐射 复合材料； （用于抵抗 x射线
辐射造成对材料结构的破坏效应的一类复合材料） 。
5.2 仿生 复合材料；
5.3 摩擦功能 复合材料； （具有低摩擦系数或高
摩擦系数的复合材料）
5.4 透光 复合材料；
5.5 热性能 复合材料。
第六章 功能复合材料
2
复合材料按 使用目的 可分为两类,
结构 复合材料 和 功能 复合材料
3
功能复合材料 是指除 机械性能 以外 而
提供 其他物理性能 的复合材料，如 导电,
超导, 半导, 磁性, 压电, 阻尼, 吸声,
摩擦, 吸波, 屏蔽, 阻燃, 防热, 隔热 等
功能复合材料。
4
功能复合材料 主要由 功能体 和
基体 组成，或由 两种 (或两种以上 )
功能体 组成。
5
在 单一功能体的复合材料 中，其 功能
性质 虽然由 功能体 提供，但 基体 不仅起到
粘结和赋形作用,同时也会对复合材料 整
体的物理性能 有影响。
6
多元功能体的复合材料 可以具有 多种
功能,同时还有可能由于 产生复合效应 而
出现 新的功能 。
因此,多功能复合材料 成为 功能复合
材料的发展方向 。
7
1、功能复合材料的复合效应
材料 在复合后 所得的复合材料，依据
其产生 复合效应的特征,可分为两大类：
一类复合效应为 线性效应 ；
另一类则为 非线性效应 。
在这 两类复合效应 中，又可以显示出
不同的特征。
8
平均效应 相乘效应
平行效应 诱导效应
相补效应 共振效应
相抵效应 系统效应
线性效应 非线性效应
复 合 效 应
不同复合效应的类别
下表列出了 不同复合效应 的类别。
9
平均效应
是复合材料所显示的 最典型的 一种复合效
应。它可以表示为：
ffmmc VPVPP ??
式中，Ｐ为材料性能，Ｖ为材料体积
含量，角标 c,m,f分别表示复合材料、
基体和增强体（或功能体）。
10
复合材料的某些 功能性质,例如 电导,
热导, 密度 和 弹性模量 等服从 平均效应 这
一规律。
例如，复合材料的 弹性模量,若用 混
合率 来表示，则为
ffmmc VEVEE ??
11
平行效应
显示这一效应的复合材料，它的 各
组分材料 在复合材料中，均 保留本身
的作用,既 无制约,也 无补偿 。
12
对于 增强体 （如纤维）与 基体界
面 结合很弱 的复合材料，所显示的复
合效应，可以看作是 平行效应 。
13
相补效应
组成复合材料的 基体 与 增强体, 在性
能上 相互补充,从而 提高了综合性能,则
显示出 相补效应 。
14
对于 脆性的高强度纤维增强体 与 韧性
基体 复合时，两相间若能得到 适宜的结合
而形成的复合材料，其性能显示为 增强体
与 基体的互补 。
15
相抵效应
基体与增强体 组成复合材料时，
若 组分间性能 相互制约, 限制了整体
性能提高,则复合后显示出 相抵效应 。
16
例如,脆性的纤维增强体 与 韧
性基体 组成的复合材料,当两者界
面结合很强时,复合材料整体显示
为 脆性断裂 。
17
在 玻璃纤维增强塑料 中，当 玻璃纤维表
面 选用适宜的 硅烷偶联剂 处理后，与 树脂基
体 组成的复合材料，由于 强化了界面的结合,
故致使材料的 拉伸强度 比未处理纤维 组成的
复合材料可高出 30--40%，而且 湿态强度保
留率 也明显提高。
18
但是，这种 强结合的界面 同时却导致
了复合材料 冲击性能的降低 。
因此，在 金属基, 陶瓷基增强复合材
料中, 过强的界面结合 不一定是最适宜的。
19
相补效应 和 相抵效应 常常是 共同存在的 。
显然,相补效应 是希望得到的，而 相抵
效应 要尽量能够避免。
所有这些，可通过 相应复合材料的设计
来加以实现。
20
相乘效应
两种 具有转换效应的材料 复合在一起，
即可发生 相乘效应 。
例如，把具有 电磁效应 的材料与具有
磁光效应 的材料复合时，将可能产生具有
电光效应 的复合材料。
21
因此，通常可以将一种具有 两种性能相
互转换的功能材料 X/Y和另一种 换能材料 Y/Z
复合起来，可用下列通式来表示，即：
ZXZYYX //./ ?
式中，Ｘ、Ｙ、Ｚ分别表示各种 物理性能 。
上式 符合乘积表达式,所以称之为 相
乘效应 。
22
相乘效应的组合 可以非常广泛，已
被用于 设计功能复合材料 。
常用的 物理乘积效应 见下表所示：
23
复合材料的乘积效应
Ａ相性质Ｘ／Ｙ Ｂ相性质Ｙ／Ｚ 复合后的乘积性质
（Ｘ／Ｙ）（Ｙ／Ｚ）＝Ｘ／Ｚ
压磁效应
压磁效应
压电效应
磁致伸缩效应
光导效应
闪烁效应
热致变形效应
磁阻效应
磁电效应
场致发光效应
压阻效应
电致效应
光导效应
压敏电阻效应
压敏电阻效应
压电效应
压力发光效应
磁阻效应
光致伸缩
辐射诱导导电
热敏电阻效应
24
诱导效应
在一定条件下，复合材料中的 一个组分
材料 可以 通过诱导作用 使 另一个组分材料 的
结构改变,从而 改变整体性能 或 产生新效应 。
这种 诱导行为 已在很多实验中发现，同
时也 在复合材料界面的两侧 发现。
25
例如,结晶的纤维增强体 对 非晶基体 的
诱导结晶 或 晶形基体 的 晶形取向产生作用 。
在 碳纤维 增强 尼龙或聚丙烯 中，由于 碳
纤维表面 对 基体 的 诱导作用,致使 界面上的
结晶状态与数量 发生了改变，如出现 横向穿
晶 等，这种效应对尼龙或聚丙烯起着 特殊的
作用 。
26
共振效应
两个相邻的材料 在一定条件下,会产生
机械的 或 电、磁的共振 。
由 不同材料 组成的复合材料，其 固有频
率 不同于 原组分的 固有频率,当复合材料中
某一部位的 结构发生变化 时，复合材料的 固
有频率 也会发生改变。
27
利用 共振效应,可以根据 外来的工作
频率, 改变复合材料固有频率 而 避免材料
在工作时引起的破坏 。
对于 吸波材料,同样可以根据 外来波
长的频率特征, 调整复合频率,达到 吸收
外来波 的目的。
28
系统效应
这是材料的一种 复杂效应,至目前为
止，这一 效应的机理 尚不很清楚，但在实
际现象中已经发现这种效应的存在。
29
例如,交替叠层镀膜的硬度 大于原来
各 单一镀膜的硬度 和 按线性混合率估算值,
说明 组成了复合系统 才能出现的现象。
30
平均效应, 相乘效应, 平行效应, 诱导效
应, 相补效应, 共振效应, 相抵效应, 系统效
应 等各种复合效应，都是复合材料科学所 研究
的对象 和 重要内容,这也是 开拓新型复合材料,
特别是 功能型复合材料 的 基础理论问题 。
31
2、功能复合材料的设计
复合材料的 最大特点 在于它的 可设计性 。
因此，在给定的 性能要求, 使用环境 及
经济条件限制 的前提下，从 材料的选择途径
和 工艺结构途径 上进行设计。
32
例如，利用 线性效应 的混合法则，通过
合理铺设 可以设计出某一温度区间 膨胀系数
为零 或 接近于零的构件 。
又如 XY平面是 压电, XZ平面呈 电致发光
性，通过 铺层设计 可以得到 YZ平面 压致发光
的复合材料。
33
另外，模仿 生物体中的 纤维 和 基体 的
合理分布,通过 数据库和计算机辅助设计
可望设计出 性能优良的 仿生功能材料 。
34
2.1 磁性复合材料
磁性复合材料 (Magnetic composite
materials)是以 高聚物或软金属 为 基体 与 磁
性材料 复合而成的一类材料。
35
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。
36
2.1.1 永磁复合材料
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。
37
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。
38
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。
39
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 。
40
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。
41
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：
fMM
sr
??? 3
2
0
)]1()[( ?
?
?
?
42
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。
fMM
sr
??? 3
2
0
)]1()[( ?
?
?
?
43
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。
44
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。
45
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 。
46
2.1.2 软磁复合材料
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。
47
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：
48Fe--Si---Al粉末颗粒复合体相对磁导率随驱动频率的变化
49
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
50
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 。
51
这种复合软磁材料的 相对磁导率 ?r值可
由下式描述,
)2/()( ???? ccr dd ??
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 。
52
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。
53
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。
54
磁
损
耗P
L /k
W
.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Ｐ L值。
55
2.1.3 磁性记录与读出
记录 声音和图像,然后 将其读出 (再生 )
的过程，如下图所示。
56
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
57
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 。
58
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 。
59
2.2 磁性材料
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
的影啊，也受 颗粒的大小和形状 的影响。
60
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/T Hc/A.m-1
?-Fe2O3 (1400~1800)*10-4 (15.92~31.83)*103
Co- ?-Fe2O3 (1400~1800)*10-4 (47.75~71.62)*103
金属 Fe (2300~2900)*10-4 (111.41~127.33)*103
Co-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。
61
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/T Hc/A.m-1
?-Fe2O3 (1400~1800)*10-4 (15.92~31.83)*103
Co- ?-Fe2O3 (1400~1800)*10-4 (47.75~71.62)*103
金属 Fe (2300~2900)*10-4 (111.41~127.33)*103
Co-Ni 合金 (11000~12000)*10-4 (55.71~59.69)*103
62
2.3 叠层结构对磁带性能的影
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。
63
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 。
64
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
65
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。
66
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。
67
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。
68
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 。
69
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。
70
Co-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。
71
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/T Hc/A.m-1
?-Fe2O3 (1400~1800)*10-4 (15.92~31.83)*103
Co- ?-Fe2O3 (1400~1800)*10-4 (47.75~71.62)*103
金属 Fe (2300~2900)*10-4 (111.41~127.33)*103
Co-Ni 合金 (11000~12000)*10-4 (55.71~59.69)*103
72
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/T Hc/A.m-1
?-Fe2O3 (1400~1800)*10-4 (15.92~31.83)*103
Co- ?-Fe2O3 (1400~1800)*10-4 (47.75~71.62)*103
金属 Fe (2300~2900)*10-4 (111.41~127.33)*103
Co-Ni 合金 (11000~12000)*10-4 (55.71~59.69)*103
73
2.4 磁流体
磁流体 是 强磁性 (铁磁性和亚铁磁性 )细
微颗粒 与 一种液体 均匀混合而成的 胶状液体 。
它既具有强磁性材料的 多种磁特性,又
具有 液体的特性 。
74
磁性液体 由强磁性 单畴颗粒 (磁
粉 ),基质液体 (基液 )和 分散剂 (表面
活性剂 )组成。
75
为了防止 磁粉沉淀和凝聚,使磁性液
体稳定，必须选择适当的 磁粉粒径, 分散
剂 物性参量和用量 以及 基液 物性参量,使
磁粉磁偶极矩间 作用力和热作用力 的 综合
效应产生势垒,以利于 磁性液体稳定 。
76
组成中的 磁粉 采用 金属或非金属强磁
材料,通过 化学沉淀法, 热分解法, 机械
研磨法, 电解 等方法制成，粒径约 1 ~ 100
nm的 单畴颗粒 。
77
基质液体 的种类很多，常根据用
途选用。目前多采用 非金属基液,主
要有以下六种。
78
(1)水
一种 常用和经济 的基液，可在较宽范
围内调节 pH值；但容易蒸发，适于制备 在
选矿和磁印刷等方面 应用的 磁性液体 。
79
(2)酯 类和 二酯 类
蒸气压低, 粘滞性适当, 润滑性好,
适于制备 在真空密封和阻尼系统中 应用的
磁性液体。
80
(3)烃 类
粘度较低, 电阻率和介电常数较高,
适于制备在要求 电绝缘好、粘滞性低的
情况下 应用的磁性液体。
81
(4)氯碳 类
适用 温度范围宽, 对氯气等稳定性高,
不溶于其他液体,适于制备 在温度变化大
和 有氯气的恶劣条件下 应用的磁性液体。
82
(5)聚苯醚 类
蒸气压低, 抗辐射性好,适于制备
在高真空或辐照环境中 应用的磁性液体。
83
(6)水银 和 低熔点金属合金
导热性和导电性高,适于制备在需要
高传热或导电的情况下 应用的磁性液体。
84
分散剂 使 磁粉表面 吸附一层 长链
分子,构成 缓冲层,并使磁粉在 磁场
和电场作用下 不会凝聚 。
85
因此，要求 分散剂的分子链 一端 吸附
在磁粉表面,另一端 与基液胶溶吸附 ；
另外，还要求分子链 有一定链长,以
获得有效的 防凝聚作用 。
86
分散剂 主要有 阴离子分散剂, 阳离
子分散剂, 两性分散剂 和 中性 (非离子 )
分散剂 。 分散剂用量 一般约为 磁粉重量
的 5％～ 10％。
87
2.4.1 磁流体的种类
根据组成、特性和应用要求，磁性液体
可分为三类。
(1)非金属 磁 (粉 )性液体：
(2)金属 磁 (粉 )性液体
(3)纯金属 磁性液体
88
(1)非金属磁 (粉 )性液体
以 非金属磁粉 (目前主要为 Fe3O4磁粉 )
与 非金属基液 均匀混合成的 胶状液体,是
目前应用最多的一类。
89
(2) 金属磁 (粉 )性液体
以 铁 (Fe),钴 (Co)或其合金磁粉 与 非金
属基液 均匀混合成的 胶状液体,其磁化强度
高，磁性强。目前尚处干研究阶段。
90
(3)纯金属磁性液体
以 金属磁粉 和 金属基液 均勾混合成的 胶
状液体 。其 磁性、导热性 和 导电性好,适于
制造一些特殊装臵如 磁流体发电机 。目前多
处于研究阶段，应用较少。
91
2.4.2 磁流体的特性和应用
磁性液体 与 固态磁性材料 相比具有
以下四个方面的特点,
92
(1)高度的稳定性 。能长期保持均匀状
态，在 磁场和重力场 中不会发生 凝聚和成
团现象 。
(2)可控的粘滞性 。可由 外加磁场 控制
其粘度，并使 粘度对磁场表现各向异性 。
93
(3)典型的超顺磁性 。无 磁滞回线 现象，
即 剩磁和矫顽力 都为零；
(4)可调节的磁浮力 。即可用 外加磁场
改变磁性液体的 表观密度和浮力 。
94
由于 磁性液体 兼有 强磁性 和 液态
性质,因而在 电子、电机、仪表、石
油化工和科学研究 中得到应用。
95
如用于 运动部件的阻尼, 润滑和密封,
不同密度物体的 分选和分离,失重状态下用
的磁性燃料和磁性笔,磁控印刷, 磁控染色,
由磁性液体作为工作物质的 陀螺, 声换能器,
磁流体电机 和 磁芯 等。
96
3,电性复合材料
作为 复合材料的电导率 没有 明确的数
值 来划分 导体、半导体和绝缘体 。
97
两种或两种以上的金属 形成的复合
材料显然是 导体 ；
相反,两种或两种以上的绝缘体 形
成的复合材料 电导率不会很高 。
98
但是，复合材料中如果含有 导电 和 绝
缘两种材料,那么它的 电导率 或是 极端 或
是一些 中间值,这取决于 导体和绝缘体的
相对含量, 几何分布 和 组元本身特性 。
99
3.1 金属填充材料的导电特性
将 金属颗粒 混入 高分子聚合物, 高分子
聚合物的电阻率 就会发生变化，然而这个变
化并非依据 加和法则,而是当 金属填料浓度
达到一临界体积 ?c时,金属填充聚合物 发生
一个如下图所示的 突然转换,由 绝缘体变成
导电体 。
100苯乙烯 — 丙烯腈共聚物中 Al粉和 Fe粉的体积分数和电阻率的关系
电
阻
率
对
数/ ?
.cm
金属的体积分数
Al
Fe
101
这一 临界填料量 称之为复合材料的,导电
门槛,值。
临界浓度值 与 金属填充颗粒 的 尺寸、分布、
形状以及制造工艺 有很大关系。
例如 宽粒分布 的铝粉末的临界体积分数为
0.4，而 窄颗粒分布 的粉末临界体积分数为 0.2。
102
很多研究表明，一些 绝缘性复合材料 当承
受电压 达到临界值 时，会变成 高导电性 材料。
如果 没有大的电流 通过，则 消除电压后 样
品仍保持 较低的电阻率,尔后再 恢复到样品的
绝缘状态 。
103
复合材料电导率 不仅与 金属填加物体
积分数 有关，与 温度 也有密切关系，从而
显现出 正温度效应 和 负温度效应 。
104
在一温度范围内，复合材料的 电阻随
着温度的升高而升高 (正温度效应 )。
当超过某一温度时，其 电阻值又随温
度的升高而下降 (负温度效应 )。
105
由于电阻的 正温度效应、负温度效应
的存在，使复合材料成为一种 开关材料 。
因此，可用于制备各种 电子开关器件 。
106
3.2 电磁屏蔽复合材料
解决 电磁干扰, 射频干扰 和 信息防窃
的复合材料称为 电磁屏蔽复合材料 。
107
由于 电磁波吸收率 依赖于 材料的
电导率,因此，利用具有一定 导电性
的复合材料 可满足 电磁屏蔽 的需要。
108
以 高分子材料 为基体，填充 导电材料 可
构成适合用于 电磁屏蔽的复合材料 。
由于 电磁屏蔽的复合材料 具有 性能好,
成本低, 成型工艺简单 的优点，因此成为国
际上 电子材料研究 的热点。
109
电磁屏蔽复合材料 有两种类型。
(1)填充导电体的形式；其中，填料形
成的 导电网络 是提供 屏蔽功能的基本要素 。
110
这种 电磁屏蔽复合材料 通常由 绝缘性良
好的 热塑性高分子 (如 ABS,PC,PP,PE、
PVC,PBT,PA及它们的改性和共混的树脂 )
和 导电性填料 (如炭黑、铝片粉、金属纤维及
表面金属化的有机和无机纤维 )及 其他填加物
复合而成，其屏蔽效果为 40～ 60dB。
111铝片在聚合物中体积分数与屏蔽效率关系
体积分数
屏
蔽
效
率/dB
屏蔽效果 与 导电
体填充量, 导电纤维
长径比 有关，由图中
可看出,合适的填料
体积分数 可获得好的
屏蔽效率，很多研究
发现 在临界浓度值附
近 有最好的屏蔽效果。
112铝纤维带的体积分数,长径比与屏蔽效率的关系
体积分数
屏
蔽
效
率/dB
图中表明 填充料的
长径比 与 屏蔽效果 也有
密切关系,填料长径比
越大，屏蔽性也越大,
从另一角度看,长径比
也影响着最佳体积填充
量 。通常长径比越大，
最佳体积填充分数越低。
113
电磁屏蔽材料 多用于 电子设备的屏蔽,
由于近代 电子设备的数据传输 多采用 电视显
示方式,如计算机终端显示器、监视器、仪
表的图显和数显，都要求既 透明,又能 阻隔
电磁波 的材料。从这个角度上看，复合材料
中 最佳体积填充分数 为 较低数值 是理想的。
114
(2)用 金属丝 与 无机或有机纤维的混纺纱
制成织物 可作 电磁波反射体 。
这种 反射型复合材料 主要用于 无线通信
天线的 电磁波反射装臵,但也可作计算机、
复印机、传真机等电子设备的 电磁波屏蔽板 。
115
3.3 复合材料压电性能
压电材料 是指 具有压电效应的 材料，
它广泛应用于 换能器,实现 机械能与电能
之间的相互转换。
116
压电材料 可以分为下面五类：
(1)单晶材料,如石英、磷酸等；
(2)陶瓷材料,如锆钛酸铅 (PZT),钛酸铅等；
(3)高分子聚合物,如聚氯乙烯等；
(4)复合材料,如 PZT/聚合物等；
(5)玻璃陶瓷,如 TiSrO3等。
117
压电复合材料 是将 压电陶瓷相 和 聚合
物相 按一定 连通方式,一定的 体积 /重量,
及一定的 空间分布 制作而成，它可以 成倍
地 提高材料的压电性能 。
118
以 PZT/聚合物为例，其 dh gb值提高 l~3倍
(dh为压电体的 电荷系数 ； gb为压电体的 电压
系数 )。
此外，复合材料使 加工性能,以及 与水
的匹配性 也大为改善。
119
为了从本质上极大地 提高材料的压电
性能,将 二元复合材料 进一步复合 向 三元
或更多元方向 发展，可望获得 更为优异的
压电复合材料 。
120
例如：
锆钛酸铅 (PZT)和聚合物 (P),即 PZT／ P；
钛酸铅 (PT)和聚合物 (P),即 PT／ P；
两大 二元系复合材料的再复合 。
121
这两大复合材料各有优缺点：
其中,PZT／ P中的 PZT压电活性 大，
但其 各向异性 较小；
PT／ P中 PT的 压电活性 小，但其 各向
异性 大。
122
当实现三相复合，即 PZT＋ PT／ P,势
必会体现出两相系统所没有的性能，这一方
向是目前 复合压电材料 的发展方向。
123
下面的关系图说明了这一方向的发展
压电复合材科的发展
PZT P PT
PZT/ P PT/ P
PZT+P/ P
124
3.4 超导复合材料
超导材料 被誉为 第三代电子技术的核心,
它在 导弹与航天器跟踪, 制导, 通信与防御
以及 激光武器电源 上都具有广泛的应用潜力，
可用于 高性能高速计算机, 远红外探测器,
光通信, (远 )红外成像 以及 磁悬浮列车 等。
125
然而,高临界转变温度的氧化物 超导
材料 脆性大,虽有一定抵抗 压缩变形 的能
力，但其 拉伸性能极差, 成型性不好,使
得 超导体大规模实用 受到了限制。
126
用 碳纤维 增强 锡基复合材料 通过 扩散粘
结法 (成型压力为 4MPa,150~170 ℃,保温
15min)将 YBa2Cu3O7超导体 包覆于其中，从
而获得 良好的力学性能, 电性能 和 热性能 的
复合材料。
127
试验发现，随着 碳纤维体积含量 增加，
碳纤维／锡钇氧钡铜 复合材料的 拉伸强度 随
着不断提高。
由于 碳纤维 基本承担了全部的 拉伸载荷,
所以 在断裂点之前, 碳纤维／锡材料 包覆的
超导体 一直都保持超导性能。
铜基复合材料 也常用于 超导复合材料的
包覆材料 。
128
4、隐身复合材料
由于 探测技术 的 飞速发展 和 多种探测器的
综合使用,使得 隐身材料 也必须朝着 多功能化、
宽频带 方向发展。
原来的 金属、陶瓷、半导体、高分子 隐身
材料很难适应这一要求，因此 复合隐身材料的
发展 就显得格外重要。
129
隐身材料的基本原理
(1)降低目标 自身发出的 或 反射外来
的信号强度 ；
(2)减小 目标与环境 的 信号反差,使
其低于探测器的门槛值；
(3)使目标与环境反差 规律混乱,造
成目标 几何形状识别上 的困难。
130
隐身材料 按照 电磁波吸收剂的使用,
可分为 涂料型 和 结构型 两类，它们都是
以树脂为基体 的复合材料。
131
涂料型复合材料
能使 被涂目标 与它 所处背景 有尽可能
接近的反射、透过、吸收电磁波和声波特
性 的一类无机涂层，又称为 伪装层 。
132
隐身涂层种类很多，有 防紫外侦察 隐
身涂层,防红外侦察 隐身涂层，以及 防可
见光, 防激光, 防雷达 等侦察隐身涂层，
还有 吸声 涂层等。
133
隐身涂层 多采用 涂料涂覆工艺 。
涂料 由 粘结剂, 填料, 改性剂 和 稀释
剂 等组成。
134
粘结剂 可以是 有机树脂,也可以是
无机胶粘剂 。
填料 是调节涂层与电磁波、声波相
互作用特性的关键性 粉末状原料 。
135
金属、半导体、陶瓷等不同类型的粉末可
以作为 填料使用,由于它们在能带结构上的差
别，可针对不同的 探测装臵 进行隐身。
由于 探测技术 不断提高,隐身涂层 也向具
有 多功能的多层涂层 及 多层复合膜 方向发展。
136
结构型隐身复合材料
由于 涂料型隐身材料 存在 重量, 厚度,
粘接力 等问题，在使用范围上受到了一定
限制；
因此兼具 隐身 和 承载 双重功能的 结构
型隐身材料 应运而生。
137
电磁波 在材料中传播的 衰减特性 是 复
合材料吸波的关键 。
实际上振幅不同的波来往传播，包括
折射和散射 。最后使 射入复合材料的电磁
波 能得到衰减，达到吸收的目的。
138
此外，在设计中，使复合材料 表面
介质的特性 尽量 接近空气的特性,就会
使 表面反射小,从而达到隐身作用。
139
作为兼具 隐身 和 承载 双重功能的材料
的设计，主要有 混杂型 和 蜂窝形 复合材料
两大类。
所谓 混杂型 是 基体为高聚物, 增强体
是不同类型纤维材料 。
140
例如，选择 酚醛材脂 为基体，选择 碳纤
维、玻璃纤维、芳纶 等为增强体，选择合适
的 混杂结构参数,界面尽量增多，这种复合
材料不仅有较好的 承载功能,同时也只有良
好的 吸收雷达波的性能 。
141
蜂窝结构型隐身复合材料 是一种外形
上 类似于泡沫塑料 的 纤维增强型材料,对
电磁波有极好的吸收效果。
如采用 多层结构,频率为 8～ 12GHz时，
吸收性能 达到 15dB。
142
5、其他功能复合材料
5.1 抗 x射线辐射 复合材料； （用于抵抗 x射线
辐射造成对材料结构的破坏效应的一类复合材料） 。
5.2 仿生 复合材料；
5.3 摩擦功能 复合材料； （具有低摩擦系数或高
摩擦系数的复合材料）
5.4 透光 复合材料；
5.5 热性能 复合材料。
