磁功能复合材料及其应用

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1、磁性复合材料及其应用摘要：纵观人类历史发展发现，材料是体现人类进步的重要物质基础。每种重要 的新型材料的应用，都会将人类支配和改造自然地能力提高到一个新的水平。现 在，人们又发现了一种新的材料复合材料他是一种由两种或两种以上物理和化学 性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。复合材料既可以保持原材料的某 些特点，又能发挥组合后的新特征，最重要的是它可以根据需要自行设计，从而 最合理的达到使用所要求的性能。目前，关于功能性复合材料的研究有很多，如 导电复合材料、磁性复合材料、耐火复合材料、耐高温复合材料、仿生复合材料、 智能复合材料、纳米复合材料等，还有一些增强体纤维等等。1. 磁性复合材料简

2、介磁性复合材料是 20 世纪 70 年代发展起来的一种新型高分子功能材料，是现代科学技术领 域的重要基础材料之一。磁功能复合材料按组成可分为结构型和复合型两种，结构型磁功能 复合材料是指聚合物本身具有强磁性的磁体；复合型磁功能复合材料是指以橡胶或塑料为粘 合剂与磁性粉末混合粘结加工而制成的磁体。磁性复合材料的主要优点是：密度小、耐冲击强度大，制品可进行切割、钻孔、焊接、层压 和压花纹等加工，而且使用时不会发生碎裂。它可以采用一般塑料通用的加工方法（如注射、 模压、挤出等）进行加工，易于加工成尺寸精度高、薄壁、复杂形状的制品，可成型带嵌件 制品，对电磁设备实现小型化、轻量化、精密化和高性能化的目

3、标起着关键的作用，因而越 来越多为人们所重视，是一种很有前途的基础功能材料。磁性复合材料是以高聚物或软金属为基体与磁性功能体复合而成的一类材料。聚合物基磁性 复合材料主要由强磁粉（功能体）、聚合物基体（黏结剂）和加工助剂三大部分组成。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。典型的永磁材料包裹永 磁铁氧体、铝镍钴以及稀土永磁材料。1.1 复合型磁性复合材料 复合型磁功能复合材料主要是由树脂及磁粉构成。其中树脂起粘结作用，磁粉是磁性的主要 受体，目前用于填充的磁粉主要是铁氧体磁粉和稀土永磁粉。复合型功能复合材料特性又可 分为两大类。一类是磁性粒子最大易磁化方向是杂乱无章排

4、列的，称为各向同性磁功能复合材料，这种复 合材料的磁性能较低，一般有钡铁氧体类粘结磁体和Nd-Fe-B类稀土粘结磁体；另一类是在 加工过程中通过外加磁场或机械力，使磁粉的最大易磁化方向顺序排列，称为各向异性磁功 能复合材料，使用较多的是锶铁氧体磁功能复合材料。在相同材料及配比条件下，各向同性 磁功能复合材料的磁性能仅为各向异性磁功能复合材料的1/21/3。1.1.1 铁氧体类磁性复合材料制作各向异性功能复合材料的方法主要有磁场取向法和机械取向法。磁场取向法是将特定的 磁粉与树脂、增塑剂、稳定剂、润滑剂等混合后，在混炼机中进行混炼、造粒，然后使用挤 出机或注射剂成型，在成型的同时，外加一强磁场，

5、使得磁粉发生旋转顺序排列，制成各向 异性磁功能复合材料制品。机械取向法是应用特定的片状磁粉与树脂、增塑剂、稳定剂、润 滑剂等混炼塑化后，用压延机使磁粉在机械力的作用下发生顺序排列取向。1.1.2 稀土类磁性复合材料 填充稀土类磁粉制作的磁功能复合材料属于稀土类磁性复合材料。稀土磁粉出现后，树脂粘 结磁体飞速发展。作粘结剂的高分子主要是橡胶、热固性树脂和热塑性树脂。橡胶类粘结剂 包括天然橡胶和合成橡胶，主要用于柔性复合磁体的制造，但与塑料相比，一般成型加工困 难。热塑性粘结剂主要为聚酰胺、聚丙烯、聚乙烯等。聚酰胺PA）类最为常见，综合考虑 机械加工性、耐热性、吸湿性，目前最常见的PA基体是尼龙6

6、、尼龙66等。日本一项专利 用尼龙与聚烯烃复合树脂作基体粘结稀土磁粉所得材料，其熔体流动性有所增强，可以加工 成形状相当复杂、磁性能也相当优越的磁体。2. 磁性复合材料的种类磁性复合材料可分为磁性橡胶、磁性塑料、磁性高分子微球、磁性薄膜等。磁性橡胶、磁性 塑料在技术上已较为成熟，广泛用于电子仪表、通讯、日用品等诸多领域，对电磁设备实现 小型化、轻量化、精密化和高性能化的目标起着关键的作用。磁性高分子微球、磁性聚合物 膜是目前研究的热点。2.1 磁性塑料 磁性塑料通过改变高分子聚合物基体和磁性填充物的种类，可以充分体现各组分的特性及整 体效应，获得满足不同应用要求的磁性塑料。直接填充法是制备磁性

7、塑料最常用的方法，操 作简单，经济实用。但用该法制备纳米磁性物质/高分子聚合物复合材料时，极易形成较大 粒径的团聚体，这样磁性塑料中的纳米物质很难发挥其独特作用。可通过以高分子微球的形 式，将纳米铁氧体引入到高分子聚合物基体中，组成新的磁性物质填充体系，赋予纳米铁氧 体在聚合物基体中更佳分散性。2.1 磁性高分子微球磁性高分子微球是将高分子与磁性无机物通过包埋、单体聚合等方法结合形成的具有磁性、 粒径为几纳米到几百微米不等的特殊结构微球，具有超顺磁特性，即在外部磁场作用下，磁 性微球可迅速从分散介质中分离出来；撤去外部磁场，磁性微球又可重新悬浮于分散介质中， 无残余磁性。它具有高分子微球的特征

8、，可通过聚合、表面修饰等在磁球表面引入各种不同 性质的官能团，广泛应用于分子生物学、体外临床诊断、环境与食品分析等领域。2.3 纳米磁性复合材料 纳米磁性复合材料有氧化物纳米磁性复合材料和金属合金类纳米磁性复合材料两大类。 氧化物纳米磁性复合材料是纳米磁性功能复合材料中最重要的一类。由于该类复合材料中的 纳米微粒的表面容易被改性，因此较容易获得物理稳定和化学稳定的纳米复合材料，具有储 存、运输和进一步加工等特点。金属合金类纳米磁性复合材料是有两种及两种以上的纳米级金属元素或者是纳米级金属元 素与纳米级非金属元素，通过熔化或烧结等适当方法结合在一起的磁性复合材料。众所周知， 单一的纳米铁磁金属可

9、以成为很好的磁性材料。但是，应该看到绝大多数的金属磁性材料都 是有合金组成的。这是一类新型纳米磁性复合材料，其性质取决于组成复合纳米材料的各元 素存在的状态。如果纳米磁性复合材料中没有各自独立相态的元素彼此相互作用共同形成一 个相态，那么这种纳米复合材料就不再是组成元素性质的叠加，而是产生了新的性质。 除了上述两大类纳米磁性复合材料外，按照纳米微粒的属性分类还有其他一些，如氮类和铁 酸盐类纳米磁性复合材料等。3. 磁性复合材料的应用 次幸福和材料发展前景良好，应用领域广泛，在军事装备电子化及高新技术产业发展中起着 重要作用。其在计算机产业、汽车产业和消费类电子产品市场具有重大应用，其中产量增长

10、 最高的是各向同性 Nd-Fe-B 粘结磁体，它是稀土类功能复合材料所占份额最大的一种材料 Nd-Fe-B 粘结磁体，它是稀土类功能复合材料所占份额最大的一种材料。目前生产的磁条在市场上有很大的应用，如冰箱的门上封条，银行卡上的磁条，身份证上的 磁条等。目前国内应用较多的是铁氧体磁功能复合材料和稀土类磁功能复合材料。铁氧体磁 性材料有一个重要的特性是不导电，因而适用于具有高频磁场的地方，如直流微电机用磁体、 气动元件磁环、汽车仪表磁环和装饰减震磁体等。 磁功能复合材料和导电塑料作为新型功 能材料，以其固有的特性而广泛用于电子、电气、仪器仪表、通讯、文教、医疗卫生以及日 常生活中的诸多领域中，其

11、产量和需求量正在不断地增加，生产技术日益完善。 纳米磁性复合材料近来被广泛研究，其巨大的应用潜力特别是在生物医学、生物工程等领域 的应用引起了各国研究者的高度重视，成为生物医学材料研究领域中的一个热门课题。在磁 记录和巨磁电阻方面同时纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似线性的关系，所以 也可以用作新型的磁传感材料。高分子复合纳米材料对可见光具有良好的透射率，对可见光 的吸收系数比传统粗晶材料低得多，而且对红外波段的吸收系数至少比传统粗晶材料低3个 数量级，磁性比FeB03和FeF3透明体至少高1个数量级，从而在光磁系统、光磁材料中有 着广泛的应用。 纳米磁性粒子与高分子材料或其他材料复合具有良好的微波吸收特性和宽频带红外吸收性 能，因此纳米隐身材料大多是以磁性金属纳米材料为主体构成的纳米复合材料。 纳米材料 具有极好的吸波特性，同时具有宽频带、兼容好、质量轻和厚度薄等特点，美国、俄罗斯、 法国、德国、日本等都把纳米材料作为新一代隐身材料加以研究和探索，对磁性纳米材料的 微波电磁谱理论、材料系列、制备方法、性能表征与测量方法等进行了系统研究，研制出多 种不同结构的纳米隐身材料，取得了实质性进展。