功能复合材料 2 磁性复合材料课件.ppt
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1、11/14/2022.1磁性复合材料磁性复合材料(Magnetic composite materials)是以是以为为基体基体与与复合而成的一类材料。复合而成的一类材料。1.无机磁性材料与聚合物基体构成的复合材料。无机磁性材料与聚合物基体构成的复合材料。2.无机磁性材料与低熔点金属基体构成的复合材料。无机磁性材料与低熔点金属基体构成的复合材料。3.有机聚合物磁性材料与聚合物基体构成的固态复合材料。有机聚合物磁性材料与聚合物基体构成的固态复合材料。4.以无机磁性材料与载液构成的液态复合材料以无机磁性材料与载液构成的液态复合材料-磁流变体。磁流变体。11/14/2022.2聚合物基磁性复合材料主
2、要由聚合物基磁性复合材料主要由、和和三大部分三大部分组成。组成。2.2.1 无机磁粉功能体无机磁粉功能体 磁粉性能的优劣与其组成、颗粒大小、粒度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。分布以及制造工艺有关。11/14/2022.31.铁氧体磁粉铁氧体磁粉 BaO Fe2O3或或SrO Fe2O32.SmCo5类磁粉类磁粉 第一代稀土复合永磁材料第一代稀土复合永磁材料3.Sm2Co17类磁粉类磁粉 第二代稀土复合永磁材料第二代稀土复合永磁材料4.NdFeB 第三代稀土复合永磁材料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磁粉颗粒大小是影响磁性复合材料性能的
3、重要因素。要因素。铁氧体和铁氧体和SmCo5类粉体的矫顽力是由磁体内部的晶粒形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。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和熔融和熔融-淬火法生产的微晶淬火法生产的微晶NdFeB磁粉的矫顽力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,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。其颗粒大小主要由填充密度和制
4、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。磁粉粒度分布也对磁性复合材料性能有影响。11/14/2022.411/14/2022.511/14/2022.62.2.2 聚合物基体聚合物基体 分为橡胶类、热固性树脂类和热塑性树脂类分为橡胶类、热固性树脂类和热塑性树脂类三种。三种。2.2.3 加工助剂加工助剂 为了改善复合体系的流动性,常加入各种助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
5、高磁功能及增塑剂等。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。体的抗氧化能力起到一定作用。11/14/2022.72.2.4 聚合物基磁性复合材料的制备工艺聚合物基磁性复合材料的制备工艺常采用常采用、等工艺技术。等工艺技术。NdFeB/环氧树脂复合材料环氧树脂复合材料的性能与成型压力的关系的性能与成型压力的关系11/14/2022.82.3 磁性复合材料的性能、分类及应用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:对低填充量的颗粒状磁性功能体填充的复合材料:r(V)
6、=1+A Vr 相对磁导率;相对磁导率;A 依赖于磁性材料性能、形状和填充量的系数;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。磁性材料填充的体积分数。11/14/2022.9随着填充比例的增加,磁导率明显偏离线性。随着填充比例的增加,磁导率明显偏离线性。r(V)=1+B V 2B,磁感应强度。磁感应强度。对于填充两种或两种以上不同尺寸磁粉及不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,则粒子形态相似而磁性能不同,则r 与各磁性材料与各磁性材料体积分数体积分数V i
7、的关系可表示为的关系可表示为:r(V1,V2)=1+B1V2 2+B2V2 211/14/2022.10由于由于有有和和之分,因此也有之分,因此也有相应的软磁和硬磁复合材料相应的软磁和硬磁复合材料。此外,此外,强磁性强磁性(铁磁性和亚铁磁性铁磁性和亚铁磁性)细微颗粒细微颗粒涂涂覆在覆在或或形成形成用于磁记录,也是一类非常重要的磁性复合材料,用于磁记录,也是一类非常重要的磁性复合材料,又如又如与液体混合与液体混合形成形成等。等。2.3.2 磁性复合材料的分类磁性复合材料的分类2.3.3 磁性复合材料的应用磁性复合材料的应用11/14/2022.11 2.4 永磁复合材料永磁复合材料一般情况下,永
8、磁材料的一般情况下,永磁材料的,不易加工不易加工成复杂的形状。成复杂的形状。但是,制成但是,制成或或复合复合材料后,上述材料后,上述可得到克服。可得到克服。典型的永磁材料典型的永磁材料包括包括、以及以及材料。材料。11/14/2022.12永磁复合材料永磁复合材料的的是是,高聚物和软金属高聚物和软金属起到起到的作用。的作用。其中,其中,使用较为普遍,常用的使用较为普遍,常用的有有环氧树脂环氧树脂、尼龙尼龙和和橡胶橡胶等材料。等材料。11/14/2022.13永磁复合材料永磁复合材料的的常采用常采用、等工艺技术。等工艺技术。对于对于来说来说由于它由于它较为较为复杂复杂,因此除,因此除磁体要求在较
9、高温度下磁体要求在较高温度下(200)使用外使用外,很少采用这种,很少采用这种金属基复合磁体金属基复合磁体。11/14/2022.14很显然,与很显然,与高密度的金属磁体高密度的金属磁体或或陶陶瓷磁体瓷磁体(铁氧体铁氧体)相比,相比,是以是以为为代价的。代价的。11/14/2022.15及及直接影直接影响到材料的响到材料的及及,它可用下述关系式来表达:它可用下述关系式来表达:fMMsr320)1()(11/14/2022.16 其中,其中,MrMr为复合磁体的为复合磁体的剩余磁化强度剩余磁化强度;MsMs为磁性为磁性组元的组元的饱和磁化强度饱和磁化强度;为为复合磁体密度复合磁体密度;o o为磁
10、为磁性组元的性组元的理论密度理论密度;为复合物中的为复合物中的非磁性相的体非磁性相的体积分数积分数;f f为铁磁性相在外磁场方向的取向度。为铁磁性相在外磁场方向的取向度。fMMsr320)1()(11/14/2022.17由于由于的的和和,因此常用来制作,因此常用来制作薄壁的微型电机薄壁的微型电机使用的使用的,例如,例如计算机主轴电机计算机主轴电机,钟表步进电机钟表步进电机等。等。11/14/2022.18复合永磁材料的复合永磁材料的,使其适用,使其适用于制作于制作、。如。如汽车汽车仪表用磁体仪表用磁体,磁推轴承磁推轴承及各类及各类蜂鸣器蜂鸣器等。等。11/14/2022.19复合永磁材料的复
11、合永磁材料的可看作是各类可看作是各类(如(如铁氧体铁氧体、铝镍钴铝镍钴、Sm-Co、Nd-Fe-B等)制成的等)制成的。也可以选用也可以选用两种或两种以上的两种或两种以上的与与复合,以便得到复合,以便得到更宽范围更宽范围的实用性能的实用性能。11/14/2022.20电器元件的小型化电器元件的小型化,导致,导致磁路中磁路中追求追求,为此应用的,为此应用的,除,除在在静态磁场下静态磁场下经常要求的经常要求的和和外,还要求它们具有外,还要求它们具有。2.5 软磁复合材料软磁复合材料11/14/2022.21通常通常,其,其 r 随随的的增大而急速下降增大而急速下降,如下图所示:如下图所示:11/1
12、4/2022.22Fe-Si-Al粉末颗粒复合体相对磁导率随驱动频率的变化粉末颗粒复合体相对磁导率随驱动频率的变化11/14/2022.23如果把如果把(例如(例如Fe-Si-A1合金)合金),表面被,表面被极薄的极薄的A12O3层层或或高聚物高聚物,然后,然后热压或模压固化热压或模压固化成成,则,则11/14/2022.24 从图从图A、B、D曲线看出,它的曲线看出,它的 r值值在相当宽在相当宽的驱动频率范围内的驱动频率范围内,从而保持在一个从而保持在一个。11/14/2022.25这种复合软磁材料的这种复合软磁材料的 r值可值可由下式描述由下式描述:)2/()(ccrdd式中式中d、c和和
13、 分别表示分别表示金属粒子尺寸金属粒子尺寸、块状金属相的块状金属相的磁导率磁导率和和包覆层厚度包覆层厚度。11/14/2022.26显然,选择合适的显然,选择合适的和和即可获得即可获得所需的所需的 r值值,这对这对是十分重要的。是十分重要的。11/14/2022.27由于由于,这类材料的,这类材料的比其比其母体合金母体合金高得多高得多(高高1011倍倍),因此,因此在交在交变磁场下变磁场下具有具有。下图显示了在下图显示了在1MHz高频下,复合材料高频下,复合材料与与D的关系。的关系。11/14/2022.28磁损耗磁损耗PL/kW.m-3磁粉粒度磁粉粒度/um从图中可看从图中可看出,出,。因此
14、,可以因此,可以通过通过来来调节损耗调节损耗L值。值。11/14/2022.29记录记录声音和图像声音和图像,然后,然后将其读出将其读出(再生再生)的过程,如下图所示:的过程,如下图所示:2.6 磁性记录与读出磁性记录与读出 2.6.1 磁性记录材料的工作原理磁性记录材料的工作原理11/14/2022.30音光音光电气电气信号信号磁性磁性信号信号作为磁作为磁性保留性保留磁头磁头记录材料记录材料磁记录再生的原理示意图磁记录再生的原理示意图11/14/2022.31由由麦克风及摄像机麦克风及摄像机将将变成变成,再,再由磁头由磁头变成变成,从而固定在,从而固定在上。上。读出时读出时,与记录过程相反,
15、使,与记录过程相反,使声音和声音和图像再生图像再生。11/14/2022.32理想的理想的要尽可能地要尽可能地,能能,再生时,再生时。在考虑能够实现在考虑能够实现、,大致有,大致有两方面的考虑两方面的考虑,一是,一是,二是,二是。11/14/2022.33作为记录介质的作为记录介质的,主要性能指标主要性能指标是是和和的大小。的大小。这两个性能指标不仅受这两个性能指标不仅受的影响,的影响,也受也受的影响。的影响。2.6.2 磁性记录介质的性能磁性记录介质的性能11/14/2022.34下表列出了目前使用的下表列出了目前使用的的磁的磁特性。特性。磁性材料磁性材料 Mr/T Hc/A.m-1-Fe2
16、O3(14001800)*10-4(15.9231.83)*103Co-Fe2O3(14001800)*10-4(47.7571.62)*103金属金属Fe(23002900)*10-4(111.41127.33)*103Co-Ni 合金合金(1100012000)*10-4(55.7159.69)*103各种磁性粉末的特性各种磁性粉末的特性表中的排列是表中的排列是排列的。排列的。11/14/2022.35从表中可看出,每一次材料的从表中可看出,每一次材料的重大改进重大改进都使都使产生一次质的飞跃产生一次质的飞跃,与此同时,也使,与此同时,也使获得获得一次大的提高一次大的提高。磁性材料磁性材料
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