復(fù)合材料，顧名思義就是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)的方法，在宏觀或微觀上組成具有新性能的材料。目前，復(fù)合材料的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，復(fù)合材料中碰到的強(qiáng)度問題也是日漸突顯。今天，我們就來聽強(qiáng)度君說一說復(fù)合材料的前世今生與強(qiáng)度博弈。

01 復(fù)合材料的前世今生

復(fù)合材料源于大自然，昆蟲、鳥類等動物比人類更早地了解和應(yīng)用了復(fù)合材料，如用泥土將植物秸稈粘接在一起構(gòu)筑結(jié)實(shí)牢固的巢穴。而人類的復(fù)合材料應(yīng)用同樣也始于建筑，原始人利用動物的糞便、粘土、稻草和樹枝等材料的混合結(jié)構(gòu)來構(gòu)建房屋。眾所周知的古埃及金字塔，便是使用了石灰、火山灰等作粘合劑，混合砂石等作為砌料，這其實(shí)也就是最早最原始的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料。

——植物纖維泥土基復(fù)合材料燕窩

到了19世紀(jì)末，人類對于復(fù)合材料從無意識的感性向理性認(rèn)識階段發(fā)展，獨(dú)木舟建造者嘗試使用牛皮紙與紫膠粘合，制作紙層壓板就是典型的代表。20世紀(jì)30年代合成樹脂的出現(xiàn)更是推動了整個(gè)復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，玻璃纖維和合成樹脂的“復(fù)合產(chǎn)品”也被認(rèn)為是現(xiàn)代復(fù)合材料的起點(diǎn)。

復(fù)合材料發(fā)展到今天，碳纖維樹脂基復(fù)合材料為代表的先進(jìn)復(fù)合材料已成為主流。先進(jìn)復(fù)合材料由纖維增強(qiáng)體與基體組成，其中基體起到粘結(jié)、支撐、保護(hù)纖維的作用，常見基體材料有雙馬來酰亞胺、聚酰亞胺、環(huán)氧樹脂等；纖維分布在基體中起到提高基體材料性能的作用，常見纖維增強(qiáng)體材料有碳纖維、玻璃纖維等。

隨著復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，航空飛行器復(fù)合材料的用量從最初的不足1％（DC-10），發(fā)展到現(xiàn)今的50％以上(波音B787，空客A350XWB)。復(fù)合材料的應(yīng)用結(jié)構(gòu)也由最初的次承力結(jié)構(gòu)（襟副翼、方向舵、擾流板、起落架艙門等）發(fā)展到主承力結(jié)構(gòu)（機(jī)身、機(jī)翼、尾翼、后承壓框等）。目前復(fù)合材料的用量已成為衡量航空飛行器先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一。

——飛行器復(fù)合材料用量的發(fā)展過程

02復(fù)合材料的強(qiáng)度問題

先進(jìn)復(fù)合材料由于其高比強(qiáng)度、高比剛度、抗疲勞、耐腐蝕及可設(shè)計(jì)性等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)中，尤其是航空飛行器結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)金屬相比，采用復(fù)合材料可使結(jié)構(gòu)減重20-30%。但是，世界上沒有完美的材料，復(fù)合材料也不例外，在諸多環(huán)節(jié)中不斷出現(xiàn)的問題以及因復(fù)合材料強(qiáng)度問題所引起的飛行事故，使得工程師們逐漸意識到，復(fù)合材料的研發(fā)之路還有很長的路要走。

航空復(fù)合材料的抗沖擊性能差是其不可回避的問題，在受沖擊后復(fù)合材料層間性能非常薄弱的缺陷暴露無遺，一旦出現(xiàn)分層損傷，則會對結(jié)構(gòu)整體性能造成嚴(yán)重破壞。冰雹、雷擊、鳥撞等使飛機(jī)結(jié)構(gòu)受損從而導(dǎo)致飛機(jī)解體引發(fā)災(zāi)難性事故的案例不在少數(shù)。

相比較于飛行過程中高能量的瞬間沖擊，日常使用、維修過程中的低能量沖擊更令工程師感到頭疼，事實(shí)上飛機(jī)復(fù)合材料部件最多的損傷恰恰就是在維護(hù)過程中各種碰撞、拆卸而產(chǎn)生的，比如維修人員身上掉落的扳手砸到結(jié)構(gòu)表面造成的沖擊損傷，這不經(jīng)意的一瞬間足以造成內(nèi)部的缺陷。而與高能量沖擊不同的是，這種缺陷在外表面可能根本無跡可尋。而當(dāng)你發(fā)現(xiàn)表面有勉強(qiáng)目視損傷時(shí)，可能結(jié)構(gòu)內(nèi)部已經(jīng)受損嚴(yán)重，強(qiáng)度也驟降一半之多。

——復(fù)合材料沖擊損傷與剩余壓縮強(qiáng)度的關(guān)系

近年來，隨著航空飛行器用途和使用環(huán)境的多樣化，復(fù)雜極端天氣，如高溫、潮濕、浸潤等對復(fù)合材料的影響變得愈發(fā)不可忽視。雖然復(fù)合材料中的纖維增強(qiáng)體對環(huán)境敏感度可以忽略，但是水分子可以通過基體擴(kuò)散、纖維-樹脂基體界面間的毛細(xì)作用滲透到結(jié)構(gòu)中。這種“趁虛而入”的行為會降低其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，從而引起與基體密切相關(guān)的力學(xué)性能（如拉伸、壓縮、層間剪切強(qiáng)度、擠壓強(qiáng)度等）明顯下降。因此復(fù)合材料結(jié)構(gòu)必須考慮濕熱環(huán)境聯(lián)合作用下的強(qiáng)度問題。

大家最為熟悉的F-22等戰(zhàn)斗機(jī)，由于超聲速巡航需求，機(jī)身外表面長時(shí)間與空氣高速摩擦產(chǎn)生高溫，在機(jī)翼復(fù)合材料的選擇上不惜使用韌性和抗沖擊性能更差的雙馬來酰亞胺樹脂基體，以獲得260℃的最大工作溫度。B787在發(fā)動機(jī)吊架等高溫結(jié)構(gòu)中，仍堅(jiān)持選用鈦、鋼等材料。

另外，復(fù)合材料靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的分散性均高于金屬，特別是疲勞強(qiáng)度尤為突出，因此在對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞驗(yàn)證時(shí)，除壽命分散系數(shù)外，有時(shí)還考慮載荷放大系數(shù)。

以上異于金屬材料的特殊性能和特征，在力學(xué)性能表征、設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估與驗(yàn)證等方面給復(fù)合材料帶來了一些特殊要求和強(qiáng)度問題。隨著復(fù)合材料在飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，這些強(qiáng)度問題也變得越來越突出。

03復(fù)合材料的強(qiáng)度力量

航空工業(yè)強(qiáng)度所在復(fù)合材料強(qiáng)度領(lǐng)域有一支長期從事設(shè)計(jì)、分析與試驗(yàn)的專業(yè)團(tuán)隊(duì)。主要針對航空航天、軌道交通、車輛裝備及工業(yè)建筑等領(lǐng)域的工程應(yīng)用需求，圍繞復(fù)合材料耐久性/損傷容限、穩(wěn)定性、連接、積木式試驗(yàn)及輕質(zhì)多功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)等五個(gè)專業(yè)方向，開展基礎(chǔ)理論、技術(shù)攻關(guān)以及前沿探索等科研工作，并承擔(dān)相關(guān)驗(yàn)證任務(wù)。

——復(fù)合材料專業(yè)著作、試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)等

作為國內(nèi)復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)型號研制與預(yù)先研究積木式驗(yàn)證的中堅(jiān)力量，完成了大量的典型構(gòu)件、大尺寸構(gòu)件及全尺寸部件的強(qiáng)度驗(yàn)證與評估工作，具有滿足適航要求的積木式驗(yàn)證試驗(yàn)技術(shù)及分析能力。

——積木式驗(yàn)證體系

在理論分析方面，可開展復(fù)合材料連接傳載特性與連接強(qiáng)度分析評估、連接區(qū)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)規(guī)劃與評定；復(fù)合材料構(gòu)件、壁板和盒段等結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析及后屈曲強(qiáng)度評估；含缺陷/損傷復(fù)材疲勞壽命預(yù)計(jì)與剩余強(qiáng)度分析；復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理容限和修理方法分析，可維修性設(shè)計(jì)，修理結(jié)構(gòu)強(qiáng)度/剛度/耐久性評估等方面的技術(shù)研究。

——復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

在試驗(yàn)?zāi)芰Ψ矫?，配?kN-6000kN等不同規(guī)格的靜力和疲勞試驗(yàn)機(jī)20余臺，具備在低溫(-80℃)、室溫和高溫(1200℃)等不同環(huán)境條件下進(jìn)行材料及結(jié)構(gòu)力學(xué)性能測試的能力。自主設(shè)計(jì)研發(fā)了平直壁板雙向壓縮試驗(yàn)平臺、平直壁板壓-剪復(fù)合試驗(yàn)平臺、曲板（機(jī)身壁板）拉（壓）-剪-氣密載荷復(fù)合加載試驗(yàn)平臺。并擁有一系列的多通道測控系統(tǒng)、非接觸式全場變形測量系統(tǒng)等關(guān)鍵試驗(yàn)條件。測試技術(shù)與自主研制的試驗(yàn)夾具、裝置能力已達(dá)國際先進(jìn)、國內(nèi)領(lǐng)先水平。

——壁板壓-剪復(fù)合載荷試驗(yàn)裝置

隨著先進(jìn)飛行器結(jié)構(gòu)的發(fā)展，新設(shè)計(jì)方法、新材料/工藝/結(jié)構(gòu)及自動化制造設(shè)備不斷涌現(xiàn)，未來飛機(jī)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)復(fù)合材料化、整體化、結(jié)構(gòu)功能一體化的特點(diǎn)。復(fù)合材料在設(shè)計(jì)、制造、分析及試驗(yàn)等方面將面臨巨大的挑戰(zhàn)及機(jī)遇，同時(shí)隨著更輕質(zhì)、更節(jié)能、更高效、更綠色等理念的深度融合，也給復(fù)合材料的應(yīng)用提出了更高的要求。

強(qiáng)度所復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度專業(yè)將緊密圍繞我國軍民用型號飛機(jī)發(fā)展需求，著重解決復(fù)合材料在型號研制過程中遇到的強(qiáng)度瓶頸技術(shù)問題，以及面向未來先進(jìn)飛行器的新材料、新工藝及新結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度基礎(chǔ)技術(shù)問題。以探索復(fù)合材料強(qiáng)度理論、創(chuàng)造復(fù)合材料強(qiáng)度技術(shù)、提供復(fù)合材料強(qiáng)度工具、驗(yàn)證復(fù)合材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)為使命，支撐低成本、國產(chǎn)復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，進(jìn)一步提升我國復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)、分析與評估以及試驗(yàn)驗(yàn)證等方面的技術(shù)水平，為我國工業(yè)復(fù)合材料的發(fā)展持續(xù)提供澎湃的強(qiáng)度力量。

——文字：王喆    袁菲

——編輯：湯淇

——校審：李晨希

——審核：蔣華

來源：中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所

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