文档介绍：功能复合材料
多种材料按照性能优势互补的原则组合在一起而产生了一种新型的材料就称之为复合材料。功能复合材料是复合材料的重要组成部分。
功能复合材料概述
功能复合材料是指除机械性能外提供其它物理性能的复合材料,如超导、磁性、阻尼、吸音、吸波、吸声、屏蔽、导电。阻燃、隔热等等的复合材料。其主要结构包括基体和功能体或两种以上功能体组成。基体用于粘接和赋形,对整体性能也有影响。功能体提供功能性。
功能复合材料的分类
复合材料可以分为结构复合材料和功能复合材料。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。按照复合材料的基体分类又可分为有机复合材料和无机复合材料,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于先进复合材料。
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,因此,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。
功能复合材料的复合效应包括非线性效应和线性效应。
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=SViPi 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。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。
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功能的复合材料。
第二节梯度功能复合材料
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。其设计思想是在材料的制备过程中连续控制材料的微观要素(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。
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)。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。
FGM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。
自蔓延高温合成法(SHS)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。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、(MoSi2—SiC)/TiAl、TiC/Ni系FGM,并研究了致密化的影响因素。日