功能復(fù)合材料-2-磁性復(fù)合材料教材

2024/2/10功能復(fù)合材料12024/2/10功能復(fù)合材料22024/2/10功能復(fù)合材料32.2聚合物基磁性復(fù)合材料聚合物基磁性復(fù)合材料主要由強(qiáng)磁粉（功能體）

、聚合物基體（黏結(jié)劑）

和加工助劑三大部分組成。2.2.1無機(jī)磁粉功能體

磁粉性能的優(yōu)劣與其組成、顆粒大小、粒度分布以及制造工藝有關(guān)。2024/2/10功能復(fù)合材料41.鐵氧體磁粉BaO·Fe2O3或SrO·Fe2O32.SmCo5類磁粉第一代稀土復(fù)合永磁材料3.Sm2Co17類磁粉第二代稀土復(fù)合永磁材料4.NdFeB第三代稀土復(fù)合永磁材料

磁粉顆粒大小是影響磁性復(fù)合材料性能的重要因素。

鐵氧體和SmCo5類粉體的矯頑力是由磁體內(nèi)部的晶粒形核機(jī)制所控制，因此，當(dāng)磁粉顆粒尺寸大小接近或等于單疇尺寸大小時(shí)，其矯頑力明顯提高，抗外界干擾能力明顯增大。

Sm2Co17和熔融-淬火法生產(chǎn)的微晶NdFeB磁粉的矯頑力是由晶粒內(nèi)部疇壁釘扎所決定，其矯頑力不受顆粒大小影響，其顆粒大小主要由填充密度和制造工藝等因素決定。

磁粉粒度分布也對(duì)磁性復(fù)合材料性能有影響。2024/2/10功能復(fù)合材料52024/2/10功能復(fù)合材料62024/2/10功能復(fù)合材料72.2.2聚合物基體

分為橡膠類、熱固性樹脂類和熱塑性樹脂類三種。2.2.3加工助劑

為了改善復(fù)合體系的流動(dòng)性，常加入各種助劑以提高磁功能體沿易磁化軸的方向取向和提高磁粉含量，常使用一些硬脂酸鹽潤滑劑、偶聯(lián)劑及增塑劑等。其中硅烷偶聯(lián)劑同時(shí)對(duì)提高磁功能體的抗氧化能力起到一定作用。2024/2/10功能復(fù)合材料82.2.4聚合物基磁性復(fù)合材料的制備工藝常采用模壓、注塑、擠壓等工藝技術(shù)。NdFeB/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的性能與成型壓力的關(guān)系2024/2/10功能復(fù)合材料92.3磁性復(fù)合材料的性能、分類及應(yīng)用2.3.1磁性復(fù)合材料性能與填充磁體含量的關(guān)系對(duì)低填充量的顆粒狀磁性功能體填充的復(fù)合材料：

μr(V)=1+AVμr

相對(duì)磁導(dǎo)率；A依賴于磁性材料性能、形狀和填充量的系數(shù)；V磁性材料填充的體積分?jǐn)?shù)。2024/2/10功能復(fù)合材料10隨著填充比例的增加，磁導(dǎo)率明顯偏離線性。

μr(V)=1+BV2B，磁感應(yīng)強(qiáng)度。

對(duì)于填充兩種或兩種以上不同尺寸磁粉及不同尺寸分布和形狀的混雜磁性復(fù)合材料，如果其粒子形態(tài)相似而磁性能不同，則μr

與各磁性材料體積分?jǐn)?shù)Vi

的關(guān)系可表示為：

μr(V1，V2)=1+B1V22+B2V222024/2/10功能復(fù)合材料11由于磁性材料有軟磁和硬磁之分，因此也有相應(yīng)的軟磁和硬磁復(fù)合材料。此外，強(qiáng)磁性(鐵磁性和亞鐵磁性)細(xì)微顆粒涂覆在高聚物材料帶上或金屬盤上形成磁帶或磁盤用于磁記錄，也是一類非常重要的磁性復(fù)合材料，又如與液體混合形成磁流體等。2.3.2磁性復(fù)合材料的分類2.3.3磁性復(fù)合材料的應(yīng)用2024/2/10功能復(fù)合材料12

2.4永磁復(fù)合材料一般情況下，永磁材料的密度較高，脆而硬，不易加工成復(fù)雜的形狀。但是，制成高聚物基或軟金屬基復(fù)合材料后，上述難加工的缺點(diǎn)可得到克服。

典型的永磁材料包括永磁鐵氧體、鋁鎳鈷以及稀土永磁材料。2024/2/10功能復(fù)合材料13

永磁復(fù)合材料的功能組元是磁性粉末，高聚物和軟金屬起到粘結(jié)劑的作用。其中，高聚物使用較為普遍，常用的有環(huán)氧樹脂、尼龍和橡膠等材料。2024/2/10功能復(fù)合材料14

永磁復(fù)合材料的制造方法常采用模壓、注塑、擠壓等工藝技術(shù)。對(duì)于軟金屬粘結(jié)工藝來說，由于它較為復(fù)雜，因此除磁體要求在較高溫度下(＞200℃)使用外，很少采用這種金屬基復(fù)合磁體。2024/2/10功能復(fù)合材料15很顯然，與高密度的金屬磁體或陶瓷磁體(鐵氧體)相比，復(fù)合磁體的優(yōu)良加工性能是以犧牲一部分磁性能為代價(jià)的。2024/2/10功能復(fù)合材料16

非磁性基體及非磁性相的比例直接影響到材料的飽和磁化強(qiáng)度及剩余磁化強(qiáng)度，它可用下述關(guān)系式來表達(dá)：2024/2/10功能復(fù)合材料17

其中，Mr為復(fù)合磁體的剩余磁化強(qiáng)度；Ms為磁性組元的飽和磁化強(qiáng)度；

為復(fù)合磁體密度；

o為磁性組元的理論密度；

為復(fù)合物中的非磁性相的體積分?jǐn)?shù)；f為鐵磁性相在外磁場(chǎng)方向的取向度。2024/2/10功能復(fù)合材料18由于復(fù)合永磁材料的易成形和良好加工性能，因此常用來制作薄壁的微型電機(jī)使用的環(huán)狀定子，例如計(jì)算機(jī)主軸電機(jī)，鐘表步進(jìn)電機(jī)等。2024/2/10功能復(fù)合材料19復(fù)合永磁材料的良好成型性，使其適用于制作體積小、形狀復(fù)雜的永磁體。如汽車儀表用磁體，磁推軸承及各類蜂鳴器等。2024/2/10功能復(fù)合材料20

復(fù)合永磁材料的功能體可看作是各類磁體粉末（如鐵氧體、鋁鎳鈷、Sm--Co、Nd--Fe--B等）制成的粘結(jié)磁體。也可以選用兩種或兩種以上的不同磁粉與高分子材料復(fù)合，以便得到更寬范圍的實(shí)用性能。2024/2/10功能復(fù)合材料21

電器元件的小型化，導(dǎo)致磁路中追求更高的驅(qū)動(dòng)頻率，為此應(yīng)用的軟磁材料，除在靜態(tài)磁場(chǎng)下經(jīng)常要求的高飽和磁化強(qiáng)度和高磁導(dǎo)率外，還要求它們具有低的交流損耗PL。

2.5軟磁復(fù)合材料2024/2/10功能復(fù)合材料22通常較大尺寸的金屬軟磁材料，其相對(duì)磁導(dǎo)率

r

隨驅(qū)動(dòng)頻率的增大而急速下降，如下圖所示：2024/2/10功能復(fù)合材料23Fe--Si---Al粉末顆粒復(fù)合體相對(duì)磁導(dǎo)率隨驅(qū)動(dòng)頻率的變化2024/2/10功能復(fù)合材料24如果把軟磁材料（例如Fe--Si--A1合金）制成粉末，表面被極薄的A12O3層或高聚物分隔絕緣，然后熱壓或模壓固化成塊狀軟磁體，則2024/2/10功能復(fù)合材料25

從圖A、B、D曲線看出，它的

r值在相當(dāng)寬的驅(qū)動(dòng)頻率范圍內(nèi)不隨交變場(chǎng)頻率的升高而下降，從而保持在一個(gè)較平穩(wěn)的恒定值。2024/2/10功能復(fù)合材料26

這種復(fù)合軟磁材料的相對(duì)磁導(dǎo)率

r值可由下式描述:式中d、

c和

分別表示金屬粒子尺寸、塊狀金屬相的磁導(dǎo)率和包覆層厚度。2024/2/10功能復(fù)合材料27顯然，選擇合適的金屬粒子尺寸和包覆層厚度即可獲得所需的相對(duì)磁導(dǎo)率

r值，這對(duì)電感器和軛源圈的設(shè)計(jì)是十分重要的。2024/2/10功能復(fù)合材料28

由于絕緣物質(zhì)的包覆，這類材料的電阻率比其母體合金高得多(高1011倍)，因此在交變磁場(chǎng)下具有低的磁損耗PL。下圖顯示了在1MHz高頻下，復(fù)合材料磁損耗與粉末顆粒尺寸D的關(guān)系。2024/2/10功能復(fù)合材料29磁損耗PL/kW.m-3磁粉粒度/um磁損耗與軟磁粉粒度的關(guān)系

從圖中可看出，粉末尺寸越小，損耗越低。因此，可以通過調(diào)整磁性粉末顆粒的尺寸來調(diào)節(jié)損耗ＰL值。2024/2/10功能復(fù)合材料30

記錄聲音和圖像，然后將其讀出(再生)的過程，如下圖所示：

2.6磁性記錄與讀出

2.6.1磁性記錄材料的工作原理2024/2/10功能復(fù)合材料31音光電氣信號(hào)磁性信號(hào)作為磁性保留磁頭記錄材料磁記錄再生的原理示意圖2024/2/10功能復(fù)合材料32由麥克風(fēng)及攝像機(jī)將聲音及光變成電信號(hào)，再由磁頭變成磁信號(hào)，從而固定在磁記錄介質(zhì)上。

讀出時(shí)，與記錄過程相反，使聲音和圖像再生。2024/2/10功能復(fù)合材料33理想的磁記錄介質(zhì)要盡可能地高密度，能長期保存記錄，再生時(shí)盡可能高輸出。在考慮能夠?qū)崿F(xiàn)高密度、長期保存、高輸出時(shí)，大致有兩方面的考慮，一是磁性材料的種類，二是以磁性層為中心的疊層結(jié)構(gòu)的構(gòu)成。2024/2/10功能復(fù)合材料34作為記錄介質(zhì)的強(qiáng)磁性材料，主要性能指標(biāo)是矯頑力Hc和剩余磁化強(qiáng)度Mr的大小。這兩個(gè)性能指標(biāo)不僅受磁性材料種類的影響，也受顆粒的大小和形狀的影響。

2.6.2磁性記錄介質(zhì)的性能2024/2/10功能復(fù)合材料35下表列出了目前使用的磁記錄介質(zhì)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金屬Fe(2300~2900)*10-4(111.41~127.33)*103Co-Ni合金(11000~12000)*10-4(55.71~59.69)*103各種磁性粉末的特性表中的排列是按發(fā)展的順序排列的。2024/2/10功能復(fù)合材料36從表中可看出，每一次材料的重大改進(jìn)都使介質(zhì)材料的磁性產(chǎn)生一次質(zhì)的飛躍，與此同時(shí)，也使磁記錄密度獲得一次大的提高。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金屬Fe(2300~2900)*10-4(111.41~127.33)*103Co-Ni合金(11000~12000)*10-4(55.71~59.69)*1032024/2/10功能復(fù)合材料37在現(xiàn)有材料基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步提高記錄密度，就應(yīng)考慮在疊層結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化。

2.6.3疊層結(jié)構(gòu)對(duì)磁帶性能的影響一般對(duì)于粉狀磁性材料，先制造以適當(dāng)高分子為粘結(jié)劑的涂料，然后把該涂料用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行涂敷、干燥，制造出如下圖所示的一種層壓薄片，這就是記錄磁帶。顯然，它屬于疊層型的功能復(fù)合材料。2024/2/10功能復(fù)合材料38磁粉粘結(jié)劑添加劑磁層下涂層背涂層基膜記錄磁帶的結(jié)構(gòu)2024/2/10功能復(fù)合材料39到目前為止，為提高涂敷型磁帶的性能采取了下面一些措施：(1)提高磁性層中磁性材料的填充率；(2)盡可能縮小磁性材料的顆粒；(3)縮小磁頭與磁帶間的空隙，防止磁損失。2024/2/10功能復(fù)合材料40上面這些都是能夠提高磁帶記錄密度的措施。但是，這些改進(jìn)都是有限度的，超過一定極限值會(huì)導(dǎo)致一些負(fù)面作用出現(xiàn)。因此，為了進(jìn)一步改善記錄密度，就需要有新的疊層構(gòu)思和技術(shù)，即要?jiǎng)?chuàng)造出以復(fù)合技術(shù)為中心的新功能。2024/2/10功能復(fù)合材料41目前，研究者對(duì)此進(jìn)行兩種嘗試。一、嘗試把現(xiàn)在單一的磁性層變成雙磁性層。二、不是用涂敷磁性粉末和粘結(jié)劑混合成的涂料的方法來制造磁性層，而是依靠真空鍍敷Co/Ni合金薄膜的方法，來制造磁帶。2024/2/10功能復(fù)合材料42把單一磁性層變成雙磁性層的嘗試是采用上層使用高嬌頑力的微顆粒金屬磁性材料，厚度為0.4um，下層使用低矯頑力的鈷改性的氧化鐵磁性材料，厚度為2.5um。這樣，上層能夠高效率地記錄，再生用高頻和較強(qiáng)磁場(chǎng)記錄的亮度信號(hào)。2024/2/10功能復(fù)合材料43另一方面，因?yàn)樯{(diào)信號(hào)和聲音信號(hào)是低頻，在磁性層深部才變?nèi)?。所以適當(dāng)?shù)卮钆渖蠈优c下層的厚度及矯頑力可得到比只使用一種磁性材料的磁性層更高的輸出功率。這樣，不同波長都提高了輸出功率，可獲得更清晰的圖像和聲音。然而這種雙層結(jié)構(gòu)給涂敷技術(shù)提出更高的要求，不是常規(guī)涂敷方法能實(shí)現(xiàn)的。2024/2/10功能復(fù)合材料44

Co-Ni合金薄膜磁帶是基于將來需記錄信號(hào)的波長可能向短波長方向發(fā)展的角度出發(fā)而設(shè)計(jì)和構(gòu)思的。

短波長的磁場(chǎng)由于波及的深度淺，考慮到厚度損失的問題，那么0.2um程度的超薄膜是最理想的。要制造這樣的超薄膜，真空蒸鍍法是適合的。2024/2/10功能復(fù)合材料45此外，磁性材料具有較好的性能，本身就可以提高記錄密度。各種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金屬Fe(2300~2900)*10-4(111.41~127.33)*103Co-Ni合金(11000~12000)*10-4(55.71~59.69)*1032024/2/10功能復(fù)合材料46由表中可見，剩磁最大的是Co-Ni合金，如果鍍成薄膜，磁性材料的填充率幾乎接近100％。無論是剩磁大，還是填充率大都對(duì)提高輸出功率有好處。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金屬Fe(2300~2900)*10-4(111.41~127.33)*103Co-Ni合金(11000~12000)*10-4(55.71~59.69)*1032024/2/10功能復(fù)合材料472.7磁流體

磁流體是強(qiáng)磁性(鐵磁性和亞鐵磁性)細(xì)微顆粒與一種液體均勻混合而成的膠狀液體。它既具有強(qiáng)磁性材料的多種磁特性，又具有液體的特性。2024/2/10功能復(fù)合材料48

磁性液體由強(qiáng)磁性單疇顆粒(磁粉)、基質(zhì)液體(基液)和分散劑(表面活性劑)組成。2024/2/10功能復(fù)合材料49為了防止磁粉沉淀和凝聚，使磁性液體穩(wěn)定，必須選擇適當(dāng)?shù)拇欧哿?、分散劑物性參量和用量以及基液物性參量，使磁粉磁偶極矩間作用力和熱作用力的綜合效應(yīng)產(chǎn)生勢(shì)壘，以利于磁性液體穩(wěn)定。2024/2/10功能復(fù)合材料50組成中的磁粉采用金屬或非金屬強(qiáng)磁材料，通過化學(xué)沉淀法、熱分解法、機(jī)械研磨法、電解等方法制成，粒徑約1~100nm的單疇顆粒。2024/2/10功能復(fù)合材料51

基質(zhì)液體的種類很多，常根據(jù)用途選用。目前多采用非金屬基液，主要有以下六種。2024/2/10功能復(fù)合材料52

(1)水

一種常用和經(jīng)濟(jì)的基液，可在較寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)pH值；但容易蒸發(fā)，適于制備在選礦和磁印刷等方面應(yīng)用的磁性液體。2024/2/10功能復(fù)合材料53

(2)酯類和二酯類

蒸氣壓低，粘滯性適當(dāng)，潤滑性好，適于制備在真空密封和阻尼系統(tǒng)中應(yīng)用的磁性液體。2024/2/10功能復(fù)合材料54

(3)烴類

粘度較低，電阻率和介電常數(shù)較高，適于制備在要求電絕緣好、粘滯性低的情況下應(yīng)用的磁性液體。2024/2/10功能復(fù)合材料55

(4)氯碳類適用溫度范圍寬，對(duì)氯氣等穩(wěn)定性高，不溶于其他液體，適于制備在溫度變化大和有氯氣的惡劣條件下應(yīng)用的磁性液體。2024/2/10功能復(fù)合材料56

(5)聚苯醚類

蒸氣壓低，抗輻射性好，適于制備在高真空或輻照環(huán)境中應(yīng)用的磁性液體。2024/2/10功能復(fù)合材料57

(6)水銀和低熔點(diǎn)金屬合金

導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性高，適于制備在需要高傳熱或?qū)щ姷那闆r下應(yīng)用的磁性液體。2024/2/10功能復(fù)合材料58

分散劑使磁粉表面吸附一層長鏈分子，構(gòu)成緩沖層，并使磁粉在磁場(chǎng)和電場(chǎng)作用下不會(huì)凝聚。2024/2/10功能復(fù)合材料59因此，要求分散劑的分子鏈一端吸附在磁粉表面，另一端與基液膠溶吸附；另外，還要求分子鏈有一定鏈長，以獲得有效的防凝聚作用。2024/2/10功能復(fù)合材料60

分散劑主要有陰離子分散劑、陽離子分散劑、兩性分散劑和中性(非離子)分散劑。分散劑用量一般約為磁粉重量的5％～10％。2024/2/10功能復(fù)合材料61

2.7.1磁流體的種類根據(jù)組成、特性和應(yīng)用要求，磁性液體可分為三類。

(1)非金屬磁(粉)性液體：

(2)金屬磁(粉)性液體

(3)純金屬磁性液體2024/2/10功能復(fù)合材料62

(1)非金屬磁(粉)性液體以非金屬磁粉(目前主要為Fe3O4磁粉)與非金屬基液均勻混合成的膠狀液體，是目前應(yīng)用最多的一類。2024/2/10功能復(fù)合材料63

(2)金屬磁(粉)性液體以鐵(Fe)、鈷(Co)或其合金磁粉與非金屬基液均勻混合成的膠狀液體，其磁化強(qiáng)度高，磁性強(qiáng)。目前尚處干研究階段。2024/2/10功能復(fù)合材料64(3)純金屬磁性液體以金屬磁粉和金屬基液均勾混合成的膠狀液體。其磁性、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性好，適于制造一些特殊裝置如磁流體發(fā)電機(jī)。目前多處于研究階段，應(yīng)用較少。2024/2/10功能復(fù)合材料652.7.2磁流體的特性和應(yīng)用

磁性液體與固態(tài)磁性材料相比具有以下四個(gè)方面的特點(diǎn):2024/2/10功能復(fù)合材料66

(1)高度的穩(wěn)定性。能長期保持均勻狀態(tài)，在磁場(chǎng)和重力場(chǎng)中不會(huì)發(fā)生凝聚和成團(tuán)現(xiàn)象。

(2)可控的粘滯性?？捎赏饧哟艌?chǎng)控制其粘度，并使粘度對(duì)磁場(chǎng)表現(xiàn)各向異性。2024/2/10功能復(fù)合材料67

(3)典型的超順磁性。無磁滯回線現(xiàn)象，即剩磁和矯頑力都為零；

(4)可調(diào)節(jié)的磁浮力。即可用外加磁場(chǎng)改變磁性液體的表觀密度和浮力。2024/2/10功能復(fù)