材料科学与工程基础复合材料部分

FundamentalsofMaterialsScienceandEngineeringLecturer:Dr.ChunjuXuSchoolofMaterialsScience&EngineeringNorthUniversityofChina徐春菊材料科学与工程基础课程内容主讲人课时金属材料徐宏妍8材料加工李玉新8无极非金属常青8高分子材料王燕8复合材料徐春菊8

1.1材料的地位、作用与发展1.2材料的分类及基本性质1.3材料的要素1.4材料科学与工程的发展趋势

绪论广义的材料包括人们的思想意识之外的所有物质(substance)。材料：具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理形状的物质，是组成生产工具的物质基础。1.1材料的地位、作用与发展工农业生产国防科学技术人民生活材料能源信息现代技术的三大支柱信息技术新技术革命的重要标志新材料生物技术现代轨道交通--高铁京沪高铁：500万吨钢

车身轻量化、接触线、轨道、高性能混凝土......1.1目前世界聚酯总产量约5000万吨

棉花产量约2000余万吨用于织物的纤维总产量约6000万吨

1.1不粘锅：

钢铁+特氟龙（含氟的碳氢树脂，如聚四氟乙烯CF4）

人类发展的历史证明，材料是社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑。可分为以下几个时代：石器时代陶器时代青铜时代铁器时代陶瓷时代复合材料时代高分子时代1.1旧石器时代—早在100万年以前，人类开始以石头做工具石器时代新石器时代—1万年前，人类对石头进行加工1.1陶器时代新石器后期，人类发明了用粘土成型，再火烧固化而制成陶器，从而进入陶器时代。目前考古发现的陶器，在亚洲有中国江西省万年县大源乡仙人洞的陶器和日本最早的绳纹陶（公元前8000年左右）；在欧洲，在希腊半岛发现的陶瓷约在公元前6000至5000年；在美洲大陆，已发现的陶器约在公元前6000年前左右。陶器时代是人类文明史上的重要飞跃，陶器的发明不仅成为这一阶段的最重要的物质文明的创造，同时也成为这一时期最重要的生产工具。1.1烧制陶器过程中还原出金属铜和锡，创造了炼铜技术，生产出各种青铜器物，进入了青铜时代。

古希腊大约在公元前3000年以前，埃及是公元前2500年前，中国是夏代（公元前2000年左右），欧洲是公元前1800年前后进入青铜器时代。这是人类大量利用金属的开始，是人类文明发展的重要里程碑。青铜时代1.1

人们开始使用铁来制造工具和武器的时代。冶炼青铜的基础上逐渐掌握了冶炼铁的技术之后，铁器时代就到来了。世界上最早是小亚细亚的赫梯人在公元前1400年左右，古希腊和古罗马开始普遍使用在公元前1000年。中国最早在春秋战国－晋国（大致公元前700年），铁器的广泛使用，使人类的工具制造进入了一个全新的领域，生产力得到极大的提高。铁器的使用，导致了世界上一些民族从原始社会发展到奴隶社会，也推动了一些民族脱离了奴隶制的枷锁而进入了封建社会。

长沙战国凹形铁锄湖北当阳宋代铁塔沧州铁狮铁器时代1.1高分子时代——20世纪初，人工合成高分子材料问世，如1909年的酚醛树脂（胶木），1925年的聚苯乙烯，以及1941年的尼龙等，并发展十分迅速。如今，世界年产量已超过钢陶瓷时代——20世纪50年代后，通过一些特殊制备方法，制造出一系列先进陶瓷，由于其资源丰富、比重小、耐高温、耐磨等优点，很有发展前途，用途在不断扩展。复合材料时代——最具有发展前途的是复合材料，因为这类材料具有每种单质材料所不具备的性能。新材料时代1.1涤纶做基料的风帆、热气球塑料建材、产品包装、电缆护套通用高分子材料1.1日用橡胶制品割胶日化产品外包装1.1工程塑料制品各种合成橡胶制品腈纶毛织品1.1各种合成纤维制品合成纤维纱腚1.12000年德国研制的手表电视2001年日本索尼公司研制的显示器功能高分子材料1.11.1莱特兄弟的首架飞机年代：1903主要材料：木材和帆布飞行速度：16km/h二战中螺旋桨战斗机年代：1940主要材料：铝合金飞行速度：780km/h第一架喷气式飞机年代：1939关键材料：高温合金飞行速度：900km/hSR-71美国黑鸟高空高速侦察机高空：30000m钛占飞机结构重量的93%速度：4000km/h年代：1966-1990波音787按体积：80%为复合材料，而以前复合材料仅20%。按重量：61%复合材料（碳纤维），20%铝，11%钛，8%钢。航天飞机哥伦比亚号2003.2陶瓷防热瓦脱落导致返回时解体。碳碳复合材料等工程材料：主要利用其力学性能制作结构件。建筑材料工具材料按状态功能材料：主要利用其物理、化学性能或效应制作具有特定功效的器件。半导体材料磁性材料激光材料热电材料光电材料声电材料等1.2材料的分类及性质1.2.1

材料的分类金属材料：纯金属及其合金。按成份无机非金属（硅酸盐）材料：主要是硅酸盐材料，经原料处理-成型-烧制得。陶瓷材料玻璃材料水泥材料耐火材料

1.2高分子材料：以C、H、N、O元素为基础的有机聚合物。钢铁材料、有色金属热塑性塑料：尼龙聚乙烯聚氯乙稀聚丙烯……热固性塑料：树脂聚氨酯……弹性材料：天然橡胶合成橡胶

复合材料：两种或两种以上性质不同的材料组合起来的一种固体材料。根据性能：结构复合材料功能复合材料根据增强剂：粒子增强复合材料纤维复合材料1.2.2

材料的基本性质结合键为金属键，常规方法生产的金属为晶体。金属在常温下一般为固体，熔点较高。具有金属光泽。纯金属塑性、延展性大。强度较高。因自由电子的存在，金属的导热和导电性好。多数金属在空气中易被氧化。金属材料●化学健主要是离于键、共价健以及它们的混合键；

●硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感；

●熔点高，具有优良的耐高温和化学稳定性；

●一般自由电子数目少、导热性和导电性较小；

●耐化学腐蚀性好；

●耐磨损。无极非金属材料

●结合健主要为共价健，部分范德华键；

●分子量大，无明显的熔点，有玻璃化转变温度、粘流温度；

●力学状态有玻璃态、高弹态和粘流态；

●强度较高；

●质量轻；

●良好的绝缘性；

●优越的化学稳定性。

高分子材料●比强度和比模量高；

●良好的抗疲劳性能；

●耐烧蚀性和耐高温性好；

●结构件减震性能好；

●具有良好的减磨、耐磨和自润滑性能；纤维复合材料1.3材料的要素

材料科学是研究材料的成分、加工工艺与组织、性能之间的关系及其相关规律的科学。材料科学与工程的4个要素使用性能性质组成与结构合成与制备基础学科（数、理、化、生、地）成分-结构-性能（性能的表征与检测）工艺流程（制备科学与工艺）实际应用（信息、能源、交通运输、机械制造）工程材料1.4材料科学与工程的发展趋势特点：1.特殊性（超强度、超塑性、超导性等）2.制备和生产和新技术、新工艺紧密相关。3.更新换代快，式样多变。4.发展和理论的关系比传统材料更密切。趋势:1.从均质材料复合材料2.由结构材料功能材料,多功能材料并重3.材料结构的尺度向越来越小的方向发展.4.由被动性材料具有主动性的智能材料5.通过仿生途径来发展新材料.复合材料基础学习内容：

1.复合材料的优越性？（Why)2.

什么是复合材料？(What)3.

复合材料的组成(Composition)4.

复合材料的分类(Classification)5.

复合材料的性能

（Properties）6.复合材料的应用（Application）7.复合材料的制备工艺（ManufacturingTechnology）

1.1概述（Summary)1.2定义及分类(Definitionandclassification)1.3复合材料的组成（CompositionofComposites）1.4复合材料的结构（StructuresofComposites)1.5复合材料的界面(InterfaceofComposites)第一章

复合材料的组成与结构CompositionandStructureofCompositeMaterials1.1概述材料发展的趋势之一:从均质材料

复合材料

Why？复合材料并不是人类发明的木材：天然复合材料（纤维素纤维+聚多糖木质素）竹子、木材、龟壳和鲍鱼壳等自然界生成的天然复合材料：天然复合材料混凝土、土墙：原始复合材料漆器：复合材料(胶为粘结剂，麻为增强体)1.1.1自然界的启示广义地讲，天然材料均处于复合状态(自然复合)原始复合，性能不能充分发挥（第一阶段）提纯合成，挖掘材料潜能（第二阶段）人为复合，发挥联合优势（第三阶段）1.1.2材料发展的启示自然法则：周而复始、螺旋上升一种材料在某一方面的性能可能是优异的。很多材料的性能已经得到了充分的发展，继续提高只能是通过复合。单一材料追求高性能价格很高，复合可以降低成本。复合技术是获得高性能低成本材料的必由之路，发挥各自组元的性能优势获得良好的综合性能1.1.3技术发展的需要塑料：低密度、易成型和连接；热稳定性差、力学性能一般陶瓷：低密度、热稳定性好、耐腐蚀、磨蚀、磨损性能好；脆；成型、加工难金属：良好热稳定性、高力学性能和韧性、好成型和连接性；高温持久性差；高密度；低模量。1.1.4传统材料及其局限性1.2

复合材料定义及分类

(definitionandclassificationofcomposites)

1.2.1

什么是复合材料广义上讲：复合材料就是用两种或两种以上不同性能、不同形态的组分材料，通过复合手段组合而成的一种多相材料。确切地说：复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料，它既能保留原组分材料的重要特点，有通过复合效应获得原组分所不具备的性能，可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得新的优越性能，与一般材料的简单混合有本质区别含义：(1)种类不同，性质差异很大的几种材料所组成（组成上）(2)多相固体材料（结构上）(3)经设计复合而成（制备上）(4)通过复合效应获得原组份材料所不具备的性能，或产生性能协同作用，与简单混合有本质的区别（性能上）其中一相是连续的，成为基体相，另一相是分散的，被基体相包容，成为增强相，基体相和增强相之间存在界面，不同于二者的一种新相，称为界面相。简言之：复合材料由连续基体相(matrixphase)和分散增强相(dispersephase)及界面相(interfacephase)所构成复合材料系统组合分散相连续相金属材料无机非金属材料有机高分子材料金属

材料金属纤维(丝)纤维金属基复合材料钢丝/水泥复合材料增强橡胶金属晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶瓷基复合材料

金属片材

金属/塑料板无机非金属材料陶瓷纤维纤维/金属基复合材料纤维/陶瓷基复合材料

晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶基复合材料

颗粒弥散强化合金材料

粒子填充塑料玻璃纤维

纤维/村脂基复合材料粒子

碳纤维碳纤维/金属基复合材料纤维/陶基复合材料纤维/树脂基复合材料炭黑

颗粒/橡胶颗粒/树脂基复合材料有机高分子材料有机纤维

纤维/树脂基复合材料塑料金属/塑料

橡胶

复合材料（聚合物)树脂基热固性环氧树脂基复合材料双马来酰亚胺基复合材料酚醛基复合材料不饱和树脂基复合材料其它热塑性聚苯硫醚基复合材料聚醚醚酮基复合材料聚砜基复合材料热塑性聚酰亚胺基复合材料其它金属基铝基复合材料钛基复合材料其它无机非金属基碳基复合材料陶瓷基复合材料水泥基复合材料其它1.2.2分类：(1)按来源：天然、人工复合材料等(2)按基体：树脂基、金属基、无机非金属基复合材料等(3)按增强体形态：颗粒增强(particle-reinforced)短纤或晶须增强(choppedfiberorwhiskersreinforced)连续长纤增强(continuousfiber-reinforced)纤维编织布增强(braidedfabricorfilamentwinding-reinforced)三维编织体增强等(4)按应用：结构、功能、智能复合材料等(5)按增强材料品种：玻纤、碳纤、有机纤维复合材料等(6)按特定含义：通用、先进、现代、近代、混杂、纳米、原位、分子、宏观复合材料等1.3

复合材料的组成（composition）

1.3.1.概述聚合物基复合材料(polyme-matrixcomposites,PMC)金属基复合材料(metal-matrixcomposites,MMC)陶瓷基复合材料(ceramic-matrixcomposites,CMC)碳/碳复合材料(carbon-carboncomposites,CCC)无机胶凝基复合材料(fiberreinforcedconcrete,FRC)共同构成现代复合材料（体系）无机非基（1）组成(composition)①基体材料②增强材料③辅助材料①基体(matrix)：基体材料是复合材料中的连续相

基体材料（聚合物）树脂热固性环氧树脂双马来酰亚胺树脂酚醛树脂不饱和树脂热塑性聚苯硫醚聚醚醚酮聚砜热塑性聚酰亚胺

金属铝钛

无机非金属碳陶瓷水泥树脂图片

②增强材料(reinforcement)：增强材料在复合材料中呈现为分散相形态种类代表增强材料纤维及其织物有机合成纤维Kevlar纤维，超高分子量聚乙烯、超高分子量聚乙烯醇、尼龙纤维等无机合成纤维玻璃、碳、硼、陶瓷、碳化硅、氧化铝、氮化硅、氧化锆、氧化铍、氧化镁、氧化钛、氮化朋和硼化钛纤维等短纤维与晶须D：1～10μm，长径比：5～100金属Ni、Fe、Cu、Si、Ag、Ti、Cd等氧化物MgO、ZnO、BeO、Al2O3、TiO2、Y2O3、Cr2O3等氮化物Si3N4、TiN、ZrN、BN、AlN等硼化物TiB2、ZrB、TaB2、CrB、NbB2无机盐类K2Ti6O和Al18B4O33陶瓷SiC、TiC、ZrC、WC、B4C颗粒10μm以下陶瓷和石墨SiC、TiC、Al2O3、Si3N4、B4C、石墨、细金刚粉种类成分形态使用形式增强材料玻璃纤维无碱短纤维磨碎、短切；直接纱、合股纱；方格布、斜纹、缎纹、罗纹织物；单向布、多轴向、立体织物等；表面毡、短切毡、连续毡、针刺毡、缝编毡等中碱无捻粗纱高碱织物其它特种玻纤毡碳纤维粘胶基短纤维磨碎、短切；短纤维；长纤维；平纹、斜纹、缎纹织物；多轴向缝编织物；立体编织物；表面毡；毛毡PAN基长丝沥青基织物毡芳纶纤维芳香族聚酰胺短纤维、长丝、织物高强聚乙烯纤维PE绳、缆、索、网、线；机织/针织物；无纺织物陶瓷纤维碳化硅为主晶须、连续纤维几种常用增强材料

增强材料图片增强材料图片玻璃纤维芳纶纤维碳纤维都是一个庞大的材料体系、品种繁多，结构与性能呈多样化，复合体系的系统组合、排列给复合材料的巨大的发展空间基体与增强体结构与性能差异越大，愈具复合价值更为重要的是基体与增强体之间的匹配。（2）基体与增强体选择原则阻燃型添加剂低收缩型添加剂增韧剂抗静电剂着色剂稀释剂

③辅助材料(auxiliary)（3）复合材料的特性(character)

一般特性：

a.可设计性

b.构件复合与成型一次性完成，整体性好

c.性能分散性大，性能对工艺工程及工艺参数甚至一些偶然性因素都十分敏感，难以精确控制结构和性能

d.复合效应（多种复合效应）

一般性能特点：

a.比强度、比模量大

b.破坏安全性高

c.耐疲劳性好

d.阻尼减震性好

e.耐烧蚀性能好

1.3.2.几种典型复合体系1.

聚合物基复合材料（PMC）的组成(1)基体

a.热固性基体(thermosettingmatrix)：

i)熔体或溶液粘度低，易于浸渍与浸润，成型工艺性好

ii)交联固化成网状结构，尺寸稳定性、耐热性好，但性脆

iii)制备过程伴有复杂化学反应

b.热塑性基体(thermoplasticmatrix)

b.热塑性基体(thermoplasticmatrix)：

i)溶体或溶液粘度大，浸渍与浸润困难，需较高温度和压力下成型，工艺性差

ii)线性分子结构，抗蠕变和尺寸稳定性差，但韧性好

iii)制备过程中伴有聚集态结构转变及取向、结晶等物理现象)(2)

增强体：

主要有碳纤、玻纤维、芳纶纤维、硼纤维等树脂基体与增强体相容性、浸润性较差，多经过表面处理与表面改性，浸润剂、偶联剂、涂复层的使用，使其组成复杂化。2.金属基复合材料（MMC）(1)

基体：Al、Mg、Ti、Ni

等轻金属及其它们的合金（比强度、比模量高）

(2)增强体：强度、模量和熔点远高于金属基体的金属或非金属材料。

主要有：硼纤维、碳纤维、SiC纤维、Al2O3纤维；钨丝、钢丝、不锈钢丝；陶瓷颗粒、晶须等

金属基复合材料的特点：保持金属材料特性外，与金属基体相比具有高强、高模、高韧性、高抗冲、尺寸稳定性好、抗疲劳性能好等特点，可沿用大部分金属成型加工方法，适合于用作中、高温结构材料。(1)基体：氧化铝、氮化硅、碳化硅、玻璃等特种陶瓷陶瓷本身：高模量、耐高温、耐化学腐蚀、耐磨、抗氧化等。陶瓷致命缺点：性脆、抗热震性（抗热冲击性）差，抗震性差且对裂纹、气孔和混杂物等细微缺陷敏感，易突然失效。(2)增强材料：碳纤维、硼纤维、α-Al2O3纤维、氧化铝-硼酸盐、纤维\钨丝、铌丝、不锈钢丝、SiC晶须、SiN4晶须、ZrO颗粒等。

复合的目的不是提高模量与强度，而是对陶瓷基体增韧。

CMC仍以烧结成型为主，由于基体与增强体都具有高模量、高耐温特点，残余应力很大，导致微裂纹，因此，两相的CTE必须匹配,CMC适合于作高温结构材料，被称为“材料的梦想”。3.陶瓷基复合材料（CMC）

4.C/C复合材料化学组成单一，C元素，但C的形态与结构十分复杂(1)基体碳：i)CVD碳；ii)树脂碳；iii)沥青碳(2)增强体：高性能碳纤维及其织物(3)性能特点：保持碳材料（石墨）的特性，如：密度低、低蠕变、高导热、低CTE、高抗热震性、高耐温、耐烧蚀等的同时，还具有高强、高模、抗疲劳、力学性能随温度升高而升高的特点缺点：高温下易氧化，材料多孔而疏松

高温结构材料和耐烧蚀材料，近年发展很快。6.无机胶凝复合材料

（1）基体：①气硬性胶凝材料：只能在空气中不能在水中硬化。如石灰、石膏、镁质胶凝材料等②水硬性胶凝材料：既能在空气中，又能在水中硬化（常称为水泥）。如：硅酸盐水泥、锂酸盐水泥、硫酸铝水泥、磷酸盐水泥等。

水泥的凝结硬化过程是一个复杂的物理和化学过程，硬化后的水泥是由晶体、凝胶体、未水化颗粒、游离水、气孔等组成的多相不均质结构体，这一结构特征——→材料抗拉强度低，冲击韧性差（性脆），易突然失效，不能作结构材料。(2)增强纤维：金属纤维、无机纤维、合成纤维、植物纤维等。

复合的目的，是增强、增韧，用作结构材料。

1.4

复合材料的结构(structureofcomposites)

①

无规分散（弥散）增强结构（含颗粒、晶须、短纤维）(randomlyoriented)②

连续长纤单向增强结构（单向板）(aligned)③

层合(板)结构(二维织布或连续纤维铺层，每层

不同)(laminate)④

三维编织体增强结构(braidedfabricorfilamentwinding)⑤

夹层结构（蜂窝夹层等）(sandwichconstructure)⑥

混杂结构(hybridconstructure)

引入相的“连通性”概念，理论上可将复合材料结构划分为

0-3型、1-3型2-2型、2-3型、3-3型等几种典型结构三维编织纤维结构三维正交非织造的纤维结构

(a)非线性法平面增强(b)一种开式格状结构(c）一种柔性结构

管、容器的螺旋缠绕平面缠绕线型

各种玻璃夹层结构单向及准各向同性板的铺层结构混杂复合材料的混杂类型1.5

复合材料的界面(interfaceofcomposites)基本概念和界面现象

基本概念：复合材料的界面是指基体与增强物之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。

界面现象：①表面吸附作用与浸润②扩散与粘结（含界面互穿网络结构）③界面上分子间相互作用力（范氏力和化学键合力）1、外力场2、基体3、基体表面区4、相互渗透区5、增强剂表面区6、增强剂复合材料的界面示意图2.复合材料的界面形成过程(formationoftheinterfaceofcomposites)：

PMC、MMC、CMC、C/C等复合材料体系对界面要求各不相同，它们的成型加工方法与工艺差别很大，各有特点，使复合材料界面形成过程十分复杂，理论上可分为三个阶段。（1）第一阶段：增强体表面预处理或改性阶段。

i)界面设计与控制的重要手段

ii)改性层成为最终界面层的重要组成部分

iii)为第二阶段作准备（2）第二阶段：增强体与基体在一组份为液态（或粘流态）时的接触与浸润过程

i)

接触—吸附与浸润；交互扩散—化学结合或物理结合。这种结合可看作是一种特殊的浸润过程

ii)

界面形成与发展的关键阶段（3）第三阶段：液态（或粘流态）组分的固化过程，即凝固或化学反应固化

i)界面的固定（亚稳态、非平衡态）

ii)界面的稳定（稳态、平衡态）在复合材料界面形成过程中涉及：

i)

界面间的相互置换：如，润湿过程是一个固-液界面置换固-气表面的过程

ii)

界面间的相互转化：如，固化过程是固-液界面向固-固界面转化的过程

后处理过程：固-固界面自身完善与平衡的过程3.复合材料的界面特点(propertycharactersoftheinterface)：

i)性能和结构上不同于基体和增强材料，非单分子层，其组成、结构形态、形貌十分复杂。形式多样界面区至少包括：基体表面层、增强体表面层、基体/增强体界面层三个部分

ii)

具有一定厚度的界面相（层），其组成、结构、性能随厚度方向变化而变化，具有“梯度”材料

性能特征

iii)

界面的比表面积或界面相的体积分数很大（尤其是纳米复合材料）界面效应显著：复合材料复合效应产生的根源

iv)

界面缺陷形式多样（包括残余应力）(residualstress)，对复合材料性能影响十分敏感iiv）连接基体与增强体材料，能够传递载荷。

复合材料的绝大部分性能很大程度上取决于界面层的状态和性质，材料的破坏与失效机制往往是从界面破坏与失效开始的。复合材料的力学性能，对界面层的状态和性质，界面缺陷都十分敏感，并很大程度上取决于界面层的状态和性质。几乎所有协同效应（复合效应的本质特征）都是由界面层的存在带来的，这就是所谓界面效应的内涵。而界面效应的表现方式却多种多样。从数学上可以由混合律和二次混合律加以简述（见图129，4-130）4.复合材料的界面效应(interfaceeffect)：界面上力的传递与残余应力

有一定结合强度的界面（层），可在基体与增强体之间进行a.

力的转递b.

力的分配c.基体或增强体破坏过程中的应力再分配→组合力学性能在复合材料未受外力时，界面上仍存在应力或应力分布，这就是“残余应力”。

残余应力来源：①

增强相与基体相CTE不匹配②

相与相之间的弹性系数不匹配，相内的应力分布不均③成型过程中，由高温-室温由化学和物理变化引起的各组元体积

收缩的不同，如：基体固化、聚集态转变、晶相转变等④

层合板中，铺层方向不同带来的层间残余应力（层合板的翘曲）⑤

流变过程中，组元间的塑性变形差异→流变残余应力(1)传递效应界面能传递力，即将外力传递给增强物，起到基体和增强物之间的桥梁作用。(2)阻断效应结合适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料破坏、减缓应力集中的作用。阻止裂纹扩展(3)不连续效应在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦出现的现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。电阻R1电阻R2电阻R1不连续效应(4)散射和吸收效应光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射和吸收，如透光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热冲击性等。散射和吸收效应(5)诱导效应一种物质(通常是增强物)的表面结构使另一种(通常是聚合物基体)与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改变，由此产生一些现象，如强的弹性、低的膨胀性、耐冲击性和耐热性等。ROMHOHOHOHMHOOHSiRSiH2ORMHOOHSi无机表面聚合物表面

界面效应是任何一种单一材料所没有的特性，它对复合材料具有重要的作用。界面效应既与界面结合状态、形态和物理-化学性质有关，也与复合材料各组分的浸润性、相容性、扩散性等密切相关。

5.复合材料界面破坏机制(interfacefailureofcomposites)

基体内、增强体内和层面层上均存在微裂纹、气孔、内应力在力场或外界环境（如介质、水）———————→微裂纹和缺陷按本身的规律发展，并消散能量

（1）破坏来源

（2）破坏形式

5种基本破坏形式———————→i)

基体断裂ii)纤维断裂iii)纤维脱粘iv)纤维拔出(摩擦功)v)裂纹扩展与偏转5种形式————→综合体现复合材料的破坏与失效

复合材料的破坏机制则是上述5种基本破坏形式的组合与综合体现的结果。6.界面设计与控制的概念(designandcontrolofinterlayer)

界面具有双重功能①传递应力，需要一定界面结合强度，但不是愈高愈好。②界面破坏

界面的结合状态和强度对复合材料的性能有重要影响，对于每一种复合材料都要求有合适的界面结合强度。界面结合较差的复合材料大多呈剪切破坏，且在材料的断面可观察到脱粘、纤维拔出、纤维应力松弛等现象。界面结合过强的复合材料则呈脆性断裂，也降低了复合材料的整体性能。界面最佳态的衡量是当受力发生开裂时，裂纹能转化为区域化而不进一步界面脱粘，即这时的复合材料具有最大断裂能和一定的韧性。

许多因素影响着界面结合强度，如表面几何形状、分布状况、纹理结构、表面杂质、吸附气体程度、吸水情况、表面形态、在界面的溶解、扩散和化学反应、表面层的力学特性、润湿速度等。

要求界面：

①适宜的粘接强度②最佳的界面结构和状态③与界面相联系的理想的微观破坏机制

这就是所谓界面设计与界面控制的基本概念因此，研究和设计界面时，不应只追求界面结合强度而应考虑到复合材料综合力学性能。7.复合材料的界面理论(TheInterfaceTheories)

（1）

浸润理论

（2）

化学键理（3）

优先吸附理（4）

可变形层理论（5）

束缚层理论每一理论只能部分解释某些现象或某些结果。都有一定局限性。实际的界面现象复杂的多，需多方面、多角度加以分析。迄今，未能建立一个统一的界面响应理论模型。

（1）浸润理论浸润性是表示液体在固体表面上铺展的程度。当>90º，液体不润湿固体；当=180º,固体表面完全不能被液体润湿；当<90º，液体润湿固体；当=0º，液体完全平铺在固体表面该理论主要应用于聚合物基复合材料

主要观点：①基体浸润增强体，浸润作用使界面分子充分接触，进而进行分子运动达到吸附平衡。②分子在界面的进一步扩散形成扩散界面去，在界面区由于两种分子间的相互吸引或化学反应而形成跨界面的黏合或键合。③因此，浸润充分是增强体与基体形成紧密接触进而导致界面良好结合的必要条件。条件：液态基体的表面张力必须低于增强体的临界表面张力

在制备聚合物基复合材料时，树脂对增强材料的浸润性是指树脂能否均匀地分布在增强材科的周围，这是树脂与增强材料能否形成良好粘结的重要前提。如果树脂与增强体浸润性不好，由于固体表面的粗糙和不均匀性以及空气截留等原因，使得浸润时在界面上产生空隙，导致界面缺陷和应力集中，使界面强度下降纤维或基体局部裂纹，裂纹发展导致材料破坏失效。良好的或完全浸润将使界面强度大大提高，甚至优于基体本身的内聚强度。在制备金属基复合材料时，液态金属对增强材料的浸润性，则直接影响到界面粘结强度。如W/Cu、W/Ni、C/Ni、BN/ZrO2的复合体系(2)化学键理论：

主要观点：基体表面的活性官能团与增强体表面的官能团能起化学反应，从而在基本与增强体之间形成化学键，两相间主要通过主键键力的作用而结合在一起。简言之：在复合材料组分之间发生化学作用，在界面上形成共价键结合。理论上可获得最强的界面粘结能（210-220J/mol）化学作用理论最成功的应用是偶联剂用于增强材料表面与聚合物基体的粘结。如硅烷偶联型具有两种性质不同的官能团，一端为亲玻璃纤维的官能团(X)，一端为亲树脂的官能团(R)，将玻璃纤维与树脂粘结起来，在界面上形成共价键结合。8.复合材料的界面处理(interfacefinishing)（1）玻纤的表面处理有机硅烷类偶联剂硅醇的羟基与玻璃表面之间形成氢键接在玻璃表面的聚硅氧烷与聚合物反应的R官能团偶联剂的作用(functionsofcouplingagent)：①在两相界面形成化学键，大幅度提高界面粘接强度②改善了界面对应力的传递效果③提供了一个可塑界面层，可部分消除界面残余应力④提供了一个防水层，保护了界面，阻止了脱粘和腐蚀的发生偶联剂对不同复合体系具有较强的选择性（2）碳纤维的表面处理

碳纤维处理氧化处理①

氧等离子气体的干法氧化②化学或电解进行的湿法氧化

非氧化处理①

表面沉积无定型碳②化学气相沉积（CVD）法加涂碳化硅、碳化硼、碳化铬等③

等离子体气体聚合及共聚涂层改性④

高效晶须化

碳纤维氧化处理后：①能改善碳纤维表面与基体的浸润性、相容性②能在表面形成许多活性官能团，这些官能团能与树脂基体形成化学键合非氧化处理，主要用于C/C复合、CMC、MMC复合体系碳纤维表面官能团与树脂之间相互作用示意图

小结:1.复合材料的概念、类型。2.复合材料组成和结构类型。3.界面、界面层、界面效应及界面的处理。第二章复合材料的性能

propertiesofcomposites

2.1复合材料的特性（Propertiesofcomposites）2.2复合效应（propertiesofcomposites)2.3复合材料的力学性能

（mechanicalpropertiesofcomposite)

2.1复合材料的性能(propertiesofcomposites)

一般特性：

a.可设计性

b.构件复合与成型一次性完成，整体性好

c.性能分散性大，性能对工艺工程及工艺参数甚至一些偶然性因素都十分敏感，难以精确控制结构和性能

d.复合效应（多种复合效应）

一般性能特点：

a.比强度、比模量大

b.破坏安全性高

c.耐疲劳性好

d.阻尼减震性好

e.耐烧蚀性能好

1.

复合材料各组元（相）相互作用

基体：①将增强材料粘合成整体并使增强材料的位置固定。②

增强材料间传递载荷，并使载荷均匀，自身承受一定载荷。③

保护增强体免受各种损伤。④很大程度上决定成型工艺方法及工艺参数选择。⑤决定部分性能。

增强体：主要承受绝大部分载荷、增强、增韧

功能体：赋予一定功能

界面相层：复合材料产生组合力学及其它性能，复合效应产生的根源

2.2复合效应(combinedeffectofcomposites)

2、复合效应

复合效应表现形式多种多样大致可分为：线性效应：

固有性质:如密度、模量、比热

非固有性质:如强度、泊松比等

非线性/协同效应：定义：复合材料中的组元材料之间的协同作用与交互作用的复合材料所具有的一种特殊的物理现象。协同效应：①复合材料的本质特征,使复合材料的性能与组份材料相比，发生飞跃式提高，甚至具有组份材料没有的性能，这些潜在性能是研制开发新材料的源泉。复合材料追求的就是这种协同效应。②对微观非均匀性、薄弱环节、界面、制备工艺，甚至某些偶然因素都十分敏感。平均效应相乘效应平行效应诱导效应相补效应共振效应相抵效应系统效应线性效应

非线性效应复合效应不同复合效应的类别（1）混合效应：平均效应或组份效应，是复合材料所显示的最典型的一种复合效应。是复合材料各组份材料性能取长补短共同作用的结果，是组份材料性能比较稳定的总体反应，局部的挠动、薄弱环节、界面、工艺因素等通常对混合效应没有明显的作用，表现为各种形式的混合律。

混合律

Xc=XmVm+Xf1V1+Xf2V2+……复合材料性能与各组元性能及分量的关系（线性关系）

XC：复合材料性能指标；f1，f2，...：多于一种的增强材料；

m：基体使用混合律时，需要满足的条件：①复合材料宏观上是均质，不存在内应力；②各组分材料是均质的各向同性及线弹性；③各组分材料之间粘结牢固、无空隙。

复合材料的物理性质较好的服从混合律：密度、模量、比热容、热导率、磁导率、介电常数等注意：由纤维和基体组成的单向复合材料的各个方向性能不同，为各向异性，沿纤维方向为纵向，垂直与纤维方向令为横向，故二者表达方式不同：

纵向的性质（弹性模量、热导率、热膨胀系数等）：

Xc=XfVf+Xm（1-Vf）

横向的性质，则由倒数混合定律表达：

1/Xc=Vf/Xf+（1-Vf）/Xm如：①密度：C=m(1Vf)+fVf②比热容：

CC=Cm(1Vf)+CfVf（2）平行效应显示这一效应的复合材料，它的各组分材料在复合材料中，均保留本身的作用，既无制约，也无补偿。对于增强体（如纤维）与基体界面结合很弱的复合材料，所显示的复合效应，可以看作是平行效应。（3）相补效应组成复合材料的基体与增强体，在性能上相互补充，从而提高了综合性能，则显示出相补效应。对于脆性的高强度纤维增强体与韧性基体复合时，两相间若能得到适宜的结合而形成的复合材料，其性能显示为增强体与基体的互补。（4）相抵效应

基体与增强体组成复合材料时，若组分间性能相互制约，限制了整体性能提高，则复合后显示出相抵效应。例如，脆性的纤维增强体与韧性基体组成的复合材料，当两者界面结合很强时，复合材料整体显示为脆性断裂。在玻璃纤维增强塑料中，当玻璃纤维表面选用适宜的硅烷偶联剂处理后，与树脂基体组成的复合材料，由于强化了界面的结合，故致使材料的拉伸强度比未处理纤维组成的复合材料可高出30--40%，而且湿态强度保留率也明显提高。但是，这种强结合的界面同时却导致了复合材料冲击性能的降低。因此，在金属基、陶瓷基增强复合材料中，过强的界面结合不一定是最适宜的。

相补效应和相抵效应常常是共同存在的。显然，相补效应是希望得到的，而相抵效应要尽量能够避免。所有这些，可通过相应复合材料的设计来加以实现。（5）乘积效应两种具有转换效应的材料复合在一起，即可发生乘积效应。乘积效应是在复合材料两组分之间产生可用乘积关系表达的协同作用。例如，把具有电磁效应的材料与具有磁光效应的材料复合时，将可能产生具有电光效应的复合材料。因此，通常可以将一种具有两种性能相互转换的功能材料X/Y和另一种换能材料Y/Z复合起来，可用下列通式来表示，即：式中，Ｘ、Ｙ、Ｚ分别表示各种物理性能。上式符合乘积表达式，所以称之为乘积效应。

相乘效应的组合可以非常广泛，已被用于设计功能复合材料。热-形变材料（X/Y）与另一种形变-电导材料（Y/Z）复合，其效果就是即由于两组分的协同作用得到一种新的热-电导功能复合材料。常用的物理乘积效应见下表所示：Ａ相性质Ｘ／ＹＢ相性质Ｙ／Ｚ复合后的乘积性质（Ｘ／Ｙ）（Ｙ／Ｚ）＝Ｘ／Ｚ压磁效应压磁效应压电效应磁致伸缩效应光导效应闪烁效应热致变形效应磁阻效应磁电效应场致发光效应压阻效应电致效应光导效应压敏电阻效应压敏电阻效应压电效应压力发光效应磁阻效应光致伸缩辐射诱导导电热敏电阻效应（6）诱导效应在一定条件下，复合材料中的一个组分材料可以通过诱导作用使另一个组分材料的结构改变，从而改变整体性能或产生新效应。这种诱导行为已在很多实验中发现，同时也在复合材料界面的两侧发现。

例如，结晶的纤维增强体对非晶基体的诱导结晶或晶形基体的晶形取向产生作用。在碳纤维增强尼龙或聚丙烯中，由于碳纤维表面对基体的诱导作用，致使界面上的结晶状态与数量发生了改变，如出现横向穿晶等，这种效应对尼龙或聚丙烯起着特殊的作用。（7）共振效应

两个相邻的材料在一定条件下，会产生机械的或电、磁的共振。由不同材料组成的复合材料，其固有频率不同于原组分的固有频率，当复合材料中某一部位的结构发生变化时，复合材料的固有频率也会发生改变。利用共振效应，可以根据外来的工作频率，改变复合材料固有频率而避免材料在工作时引起的破坏。对于吸波材料，同样可以根据外来波长的频率特征，调整复合频率，达到吸收外来波的目的。（8）系统效应这是材料的一种复杂效应，至目前为止，这一效应的机理尚不很清楚，但在实际现象中已经发现这种效应的存在。例如，交替叠层镀膜的硬度大于原来各单一镀膜的硬度和按线性混合率估算值，说明组成了复合系统才能出现的现象。彩色胶片是以红、蓝、黄三色感光材料膜组成一个系统，能显示出各种色彩，单独存在即无此作用。这也是系统效应的例子。

（10）几何尺寸效应

复合材料性能不仅与各组元分量有关，还强烈依赖于增加相的几何形状、尺寸、排布与分布状态。复合材料中纤维上受力状态和界面受力状态，随纤维的长径比变化而变化，见图4-126、4-127，表4-42

临界长度lc和临界长径比lc/d的概念见书P419-420，表4-43

(9)

界面效应

纤维拉应力和界面上的剪应力分布纤维末端的拉应力为零，界面剪应力最大，在纤维的中点拉应力最大，界面剪应力几乎为零。

界面剪应力的变化才引起纤维上拉应力的变化不同材料的lc结论:l/lc越大，复合材料的拉伸强度越大；l=lc时，短纤维增强的效果仅是连续纤维的50%左右；l=10lc时，短纤维增强的效果可达到连续纤维的95%所以，为了提高复合材料的强度，应尽量使用长纤维。纳米量子尺寸效应：固体物理研究表明，固体颗粒尺寸减少到某一临界值时（一般为0.1m或100nm），颗粒的某些性质（如光、电、磁、热、化学特性等）会发生质的变化，呈现与物体宏观状态下差异很大的特性。具有显著的量子尺寸效应。

纳米复合材料是指分散相尺度至少有一维小于102nm量级的复合材料。由于其纳米量子尺寸效应，大的比表面积及强的界面相互作用，使纳米复合材料的性能远优于相同组份常规复合材料的物理力学性能。纳米复合材料是获得高性能复合材料的重要途径之一如分子复合材料：是以单个棒状刚性分子为增强剂。包括：溶致液晶聚合物，热致液晶聚合物和其他刚性高分子。特点：长径比和界面结合强度几乎达到最大值，材料的内微观结构几乎消除，所得到的复合材料强度接近理论估算值，而传统纤维增强复合材料的强度较理论值低20～50倍。即用少量增强剂（5%～10%）就可达到大量纤维才能达到增强效果纳米材料的基本物理效应

小尺寸效应①

当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长、以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，导致声、光、电、磁、热、力学等物性与宏观尺寸物体相比发生很大变化，甚至完全相反。②

表面效应随粒径的减少，微粒的比表面积，表面原子比例、表面能会成倍或成数量级增加。表面原子配位严重失配及高的表面能，使表面原子具有高的活性，易与其它原子结合。掌握比表面积计算式SW=K/e·D③

量子尺寸效应当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续能级变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据轨道和最低被占据的分子轨道能级，能隙变宽的现象称为量子尺寸效应。根据久保公式：

对于宏观物体 N→∞，δ→O对于纳米微粒 N很小，δ有一定值，即能级发生分裂当δ大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，会导致纳米粒子电、光、声、磁及超导性与宏观特性显著不同。2.2复合材料的力学性能（mechanicalpropertiesofcomposites)

1.单向板的强度与模量（strengthandmodulusofanalignedfiber-reinforcedcomposites)图4-131单向板纵、横向受力模型单向板的应力-应变曲线单向板组成中，基体为模量和强度较低的韧性材料，纤维为模量和强度较高的脆性材料图4-132单向板复合材料、基体、纤维和复合材料（纵向）拉伸应力-应变曲线（a）脆性纤维和韧性基体拉伸应力-应变曲线（b）复合材料（纵向）拉伸应力-应变曲线σ：应力，ε：应变，E：弹性模量应力应变I阶段：弹性应变区II阶段：基体性屈服应变区(1)纵向载荷弹性行为（ElasticBehavior–longitudinalloading)条件：Fc=Fm+Ffεc=εm=εfVm+Vf=1即：

σcAc

=σmAm+σfAf

已知弹性模量因此，复合材料的纵向模量：Ecl=Em

Vm+EfVf

（4-170）

问题：由Ecl=Em

Vm+EfVf

推导出（4-171）

Ef》Em

，

Vf>VmVm+Vf=1即：

增强纤维承载的载荷Ff

将远远高于基体承载的载荷Fm，从而可充分发挥增强作用

（2）横向载荷弹性行为（ElasticBehavior-transverseloading)条件：σc=σm=σf=σ

Vm+Vf=1根据：

Ec=Em

Vm+EfVf

（纵向）及倒数混合律横向模量为：或

（3）不连续短纤增强单向板纵向拉伸强度（Longitudinaltensilestrengthofdiscontinuousandalignedfiber(composites)l>lc:2)l<lc:

(4)单向板纵向拉伸的三种破坏模式：①基体断裂；②界面脱粘；③纤维断裂，

（5）单向板横向拉伸强度

单向板横向拉伸的三种破坏模式：①基体破坏；②界面脱粘；③纤维破坏Yc＝Vffy＋Vmmy

Yc＝［１＋Vf（1/y－1）］my应力分配系数

单向板复合材料的拉伸强度与拉伸方向关系，图4-138（6）单向板纵向压缩强度失效模式单向纤维增强环氧树脂材料的典型性能

几种典型金属基复合材料的性能

浸渍法制造的单向碳/碳复合材料的力学性能2.

复合材料的冲击韧性冲击韧性是复合材料的重要性能，可由①冲击强度；②断裂韧性Gc；③冲击后的压缩强度（CAI）来表征。冲击实验中的典型加载历程见图4-140韧性指数裂纹扩展能Qp与裂纹引发能Qi之比

冲击过程中裂纹扩展模式见图4-142，受界面显著影响冲击过程的能量吸收包括：①基体变形和开裂；②纤维破坏；③纤维拔出（摩擦功）；④分层裂纹等多个方面。基体变形吸收较多的能量。

热固性基体性脆，变形很小，冲击韧性差。

热塑性基体可产生较大塑性变形，冲击强度高。

CMC、纤维与基体------脆性特征，陶瓷基体中加入连续纤维、短纤维和晶须时，能得到韧性大幅度提高的复合材料。图4-141

3.

复合材料的疲劳性能疲劳的概念：低于静态强度极限条件下的动载荷（交变载荷）作用，经过不同时间（或次数）都会破坏失效。疲劳过程—→内部损伤（或疲劳裂纹）—→内部损伤累积至一定程度—→材料突然破坏失效

四种疲劳损伤：基体开裂、分层、界面脱胶和纤维断裂疲劳S-N曲线见图4-143，4-144，4-145,复合材料的疲劳性能一般高于基体的疲劳性能。铝合金复合材料的疲劳特性不同纤维含量GF/EP复合材料的疲劳特性几种金属基纤维增强复合材料的疲劳特性本章小结：1.复合材料的特性2.复合材料的复合效应：线性效应和非线性效应。3.复合材料的力学性能：单向板复合材料的力学性能（纵向、横向、临界纤维体积含量)；单向板复合材料的破坏失效模型；复合材料的冲击韧性和疲劳性能第三章复合材料的制备工艺

3-1概述

§3-1-1总过程模具：开模，闭模，热模，冷模。根据效率，成本的要求，以及性能的要求选择可能的方式完成。一、树脂基复合材料§3-1-2成型方法1、接触成型：手糊成型；喷射成型。2、压力成型：模压、袋压或层压成型。3、缠绕成型：生产PMC回转体结构。4、编织成型：制备多向、三维复合材料。6、其他成型：注射、拉挤或树脂传递成型。5、夹层结构制造成型二、金属基复合材料1、固态成型：扩散结合或粉末冶金成型。2、液态成型：压铸、半固态复合铸造或无压渗透成型。3、喷涂和喷射沉积成型4、原位复合成型：共晶合金定向凝固法、直接金属氧化法和反应生成法。§3-2聚合物基复合材料的制备工艺§3-2-1预浸料和预混料的制备工艺预浸料和预混料是复合材料生产过程中由增强纤维与树脂系统、填料混合或浸渍而成的半成品形式，可由它们直接通过各种成型工艺制成最终构件或产品。预浸料通常是指定向排列的连续纤维(单向、织物)等浸渍树脂后所形成的厚度均匀的薄片状半成品。预混料是指由不连续纤维浸渍树脂或与树脂混合后形成的较厚的片状、团状或粒状半成品，包括片状模塑料、团状模塑料和注射模塑料。主要采用两种工艺方法：溶液浸渍法和热熔法。1、预浸料的制备A、热固性预浸料的制备溶液浸渍法：溶液浸渍法是将树脂基体各组分按规定比例溶入低沸点溶液中，使其成为一定浓度的溶液，然后将纤维束或织物以一定速度通过树脂基体溶液，使其浸渍上定量的树脂基体，并通过加热除去溶剂，使树脂得到合适的粘性。是在热熔预浸机上进行的，其工艺原理是熔融态树脂从漏槽流到隔离纸上，通过刮刀在隔离纸上形成一层厚度均匀的胶膜，经导向辊与经过整经后平行排列的纤维或织物叠合，通过热鼓时树脂熔融并浸渍纤维，再经辊压使树脂充分浸渍纤维，冷却后收卷。热熔法：预浸渍技术包括溶液浸渍法和熔融浸渍法两种，其特点是：预浸渍料中树脂完全浸渍纤维。溶液浸渍法：与热固性预浸料的类似，但需要增加熔炉，使树脂熔融并粘附在增强材料上。熔融浸渍法：是将熔融态树脂由挤出机挤到专用模具中，树脂呈流态，再将增强材料从熔融树脂中连续通过，随后经辊压，形成预浸料。主要采用两种工艺方法：预浸渍技术和后浸渍技术。B、热塑性预浸料的制备预浸渍技术：后浸渍技术包括膜层叠、粉末浸渍、纤维混杂、纤维混编等方法，其特点是：预浸渍料中树脂是以粉末、纤维或包层等形式存在，对纤维的完全浸渍要在复合材料成型过程中完成。薄膜层叠法：是将增强剂与树脂薄膜交替铺层，在高温高压下使树脂熔融并浸渍纤维。纤维混编法：是将基体先纺成纤维，再使其与增强纤维共同纺成适当形式的织物，然后在成型过程中树脂纤维熔融并浸渍增强纤维。后浸渍技术：2、预混料的制备A、片状模塑料（SMC）的制备SMC是一类可以直接进行模压成型而不需要事先进行固化、干燥等其他工序的一类纤维增强热固性塑料(通常为不饱和聚酯树脂)。其组成包括短切玻璃纤维(3.2—32mm)、树脂(常用聚酯树脂)、引发剂、固化剂或催化剂、填料(常用碳酸钙)、内脱模剂(常用硬脂酸锌)、颜料、增稠剂及具有热塑性低收缩率填加剂。SMC的生产一般是在专用SMC机组上进行。生产上，一般先把除纤维以外的其他组分配成树脂糊，再在SMC机组上与增强纤维复合成SMC。B、玻璃纤维毡增强热塑性塑料片材（GMT）的制备GMT是一种类似于热固性SMC的复合材料半成品，它除了具有与热固性SMC相似甚至更好的力学性能外，还具有生产过程无污染、成型周期短，废品可回收利用等优点。GMT所采用的增强剂是无碱玻璃纤维无纺毡或连续纤维。其玻璃纤维含量一般在20％~45％。最常用的热塑性树脂是聚丙烯，其次为热塑性聚酯PET及PET和聚碳酸酯PC，其他如聚氯乙烯等也有使用。制造GMT的工艺有两类，即熔融浸渍法和悬浮浸渍法。熔融浸渍法是最普通的GMT制造工艺，其工艺原理如图所示。两层玻璃毡与三层树脂膜叠合在一起，在高温(树脂熔点以上)、高压下使树脂熔化并浸渍纤维，冷却后即得GMT。熔触浸渍可采用不连续的层压方法，也可采用连续的双带碾压机碾压的方法悬浮浸渍法也称造纸法，它是利用造纸机，采用类似于造纸的工艺。将玻纤切成长6~25mm的短切纤维，分散在含树脂粉、乳胶的水中，添加絮凝剂后，各原材料呈悬浮状态，在筛网上凝聚，与水分离、烘干后，于高温、高压下使树脂熔融并浸渍纤维，冷却后即为GMT。手糊成型工艺是复合材料最早的一种成型方法，也是一种最简单的方法，其具体工艺过程如下：模具准备涂脱模剂手糊成型树脂胶液配制增强材料准备固化脱模后处理检验制品手糊成型工艺流程图§3-2-2手糊成型工艺

手糊工艺：在模具上涂刷含有固化剂的树脂混合物，再在其上铺贴一层按要求剪裁好的纤维织物，用刷子、压辊或刮刀压挤织物，使其均匀浸胶并排除气泡后，再涂刷树脂混合物和铺贴第二层纤维织物，反复上述过程直至达到所需厚度为止。

手糊成型工艺优点：①不受产品尺寸和形状限制，适宜尺寸大、批量小、形状复杂产品的生产；②设备简单、投资少、设备折旧费低；③工艺简单；④易于满足产品设计要求，可以在产品不同部位任意增补增强材料；⑤制品树脂含量较高，耐腐蚀性好。手糊成型工艺缺点：

①生产效率低，劳动强度大，劳动卫生条件差；②产品质量不易控制，性能稳定性不高；③产品力学性能较低。将手糊法成型的制品或预浸料（预浸树脂的纤维或织物）放到模具内，并在制品上覆盖橡胶袋或塑料袋，将气体压力施加到尚未固化的制品表面使其成型的工艺方法。(1)真空袋压法1—真空泵2、8—坯件3—柔性膜4、5—模具6—压力袋7—空气压缩机

(2)压力袋压法

制品两面都比较平滑，质量好；成型周期短、适应的树脂类型广且制品的形状可较复杂。成本较高，制品尺寸受设备的限制。

§3-2-3袋压成型工艺将浸过树脂胶液的连续纤维或布带，按照一定规律缠绕到芯模上，然后固化脱模成为增强塑料制品的工艺过程，称为缠绕工艺。§3-2-4连续缠绕成型工艺缠绕工艺流程图纱团集束胶液配制浸胶烘干络纱胶纱纱绽张力控制纵、环向缠绕芯模纵、环向缠绕张力控制加热粘流固化脱模打模喷漆成品湿法缠绕成型工艺干法缠绕成型工艺利用连续纤维缠绕技术制作复合材料制品时，有两种不同的方式可供选择：一是将纤维或带状织物浸树脂后，再缠绕在芯模上；二是先将纤维或带状织物缠好后，再浸渍树脂。目前普遍采用前者。连续纤维缠绕技术的优点:

纤维按预定要求排列的规整度和精度高，通过改变纤维排布方式、数量，可以实现等强度设计，因此，能在较大程度上发挥增强纤维抗张性能优异的特点。用连续纤维缠绕技术所制得的成品，结构合理，比强度和比模量高，质量比较稳定和生产效率较高等。连续纤维缠绕技术的缺点：

设备投资费用大，只有大批量生产时才可能降低成本。

连续纤维缠绕法适于制作承受一定内压的中空型容器，如固体火箭发动机壳体、导弹放热层和发射筒、压力容器、大型贮罐、各种管材等。近年来发展起来的异型缠绕技术，可以实现复杂横截面形状的回转体或断面呈矩形、方形以及不规则形状容器的成型。拉挤成型工艺中，首先将浸渍过树脂胶液的连续纤维束或带状织物在牵引装置作用下通过成型模而定型；其次，在模中或固化炉中固化，制成具有特定横截面形状和长度不受限制的复合材料，如管材、棒材、槽型材、工字型材、方型材等。§3-2-5拉挤成型工艺一般情况下，只将预制品在成型模中加热到预固化的程度，最后固化是在加热箱中完成的。

拉挤成型过程中，要求增强纤维的强度高、集束性好、不发生悬垂和容易被树脂胶液浸润。常用的增强纤维如玻璃纤维、芳香族聚酰胺纤维、碳纤维以及金属纤维等。用作基体材料的树脂以热固性树脂为主，要求树脂的粘度低和适用期长等。大量使用的基体材料有不饱和聚酯树脂和环氧树脂等。另外，以耐热性较好、熔体粘度较低的热塑性树脂为基体的拉挤成型工艺也取得了很大进展。其拉挤成型的关键在于增强材料的浸渍。

在拉挤成型工艺中，目前常用的方法如热熔涂覆法和混编法。

热熔涂覆法是使增强材料通过熔融树脂，浸渍树脂后在成型模中冷却定型。混编法中，首先按一定比例将热塑性聚合物纤维与增强材料混编织成带状、空芯状等几何形状的织物；然后，利用具有一定几何形状的织物通过热模时基体纤维熔化并浸渍增强材料，冷却定型后成为产品。