第六章 功能复合材料..pptVIP

功能复合材料 功能复合材料 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和一种或多种基体组成。 在单一功能体的复合材料中，功能性质由功能体提供；基体既起到粘接和赋形的作用，也会对复合材料整体的物理性能合影响。 多元功能体的复合材料具有多种功能，还可能因复合效应出现新的功能。 未来的功能复合材料比重将超过结构复合材料，成为复合学科发展的主流。 功能复合材料的设计 功能材料很难用一种物理量来衡量，需要用材料的优值进行综合评价。 材料的优值是由几个物理参数组合起来对材料使用性能进行表征的量。 一般单质材料很难达到高优值，但复合材料可按照要求调整其特有的参数，达到高优值 。此外还可应用复合材料的复合效应设计、制造各种功能复合材料。 由于功能复合材料是由两种(或两种以上)材料组分所组成的，由此功能复合材料具有很大的设计自出度。 功能复合材料调整优值的途径 功能复合材料可以通过改变复合结构的因素，即复合度、联接方式、对称性、尺度和周期性等，大幅度定向化地调整物理张量组元的数值，找到最佳组合，获得最高优值。 调整复合度 复合度是参与复合各组分的体积分数。 把物理性质不同的物质复合在一起，可以改变各组分的含量，使复合材料的某物理参数在较大范围内任意调节。 例如，介电性质为εA的A物质和εB的B物质做成复合材料： 混合法则 并联时： 串联时： 上述公式即为常用的混合法则（或称混合率）。 调整联接方式 复合材料中各组分在三维空间中的联接方式可任意调整 材料组分具有多种几何形状： 颗粒状（零维，以0表示）； 纤维状（一维，以1表示）； 片膜状（二维，以2表示）； 网络状（三维，以3表示） 可以选择不同形状的组分进行复合 例如： 需要功能材料各向同性时，可用0－3型； 需要具有单向性能则可用1－3型。 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。 调整尺度 当功能体尺寸从微米、亚微米减小到纳米时，原有的宏观物理性能会发生变化。它与基体之间的界面还能产生协同效应，使复合材料的电学、光学、光化学、非线性光学等出现异常的行为。 调整周期性 使功能体在基体内呈结构上的周期分布，并使外加作用场（光、声、电磁波）的波长与此周期呈一定的匹配关系，而产生功能作用 利用复合效应创造新型功能复合材料 复合材料的复合效应 乘积效应的作用 乘积效应是在复合材料两组分之间产生可以用乘积关系表达的协同作用 热－形变材料 形变－导电材料 压电复合材料 压电陶瓷和聚合物基体按照一定的联接方式、一定的体积比例和一定的空间几何分布复合而成。 在电场的作用下，可以引起电介质中带电粒子的相对位移而发生极化。但是，在某些电介质晶体中，也可以通过纯粹的机械作用(拉应力、压应力或切应力)而发生极化，并导致介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与外力成比例。这种由于机械力的作用而使电介质晶体产生极化并形成表面荷电的效应，称为压电效应。晶体的这一性质就叫压电性。 压电性 当在某些各向异性的晶体上施加应力时，晶体的某些表面上就会有电荷产生，这一效应被称为正压电效应， 在晶体上施加电场时，晶体会产生几何形变，这一效应被称为逆压电效应。 晶体的这一性质被称为压电性 。 压电材料能够自适应环境的变化实现机械能和电能之间的相互转化，具有集传感、执行和控制于一体的特有属性和响应速度快、测量精度高、性能稳定等特点，可广泛用作传感材料和驱动材料。 虽然压电陶瓷材料提供了较高的机电耦合性能，较宽的介电选择范围以及较低的介电和机械损耗，但是在水声、超声换能器的应用中，由于压电陶瓷的高密度，高声速，高声阻抗，难以实现与水及人体相匹配，更难实现空气的匹配。此外，压电陶瓷的脆性大，耐机械冲击和非对称应力小，成型加工困难、不能获得任意形状以及耐冲击性较差等缺点，使其应用受到一定限制。 压电聚合物具有密度低，声速低，声学阻抗与水或人体软组织匹配；弹性柔顺性好，可制成大面积均匀的薄膜或异型件;低介电常数、高热释电优值等优点，但其压电系数和机电藕合系数很小，介电和机械损耗很高，温度和老化特性差，因而限制了它们的应用。 用于压电复合材料的压电陶瓷主要有钛酸铅PT)、锆钛酸铅（PZT）及其改性材料、钛酸钡（BT）及其改性材料等。 压电陶瓷的应用范围 能量转换 压电陶瓷可以将机械能转换为电能,故可用于制造压电打火机,压电点火机,移动