復合材料，顧名思義就是由兩種(zhong)或(huo)(huo)(huo)兩種(zhong)以上不同性質的材(cai)(cai)(cai)料(liao)，通(tong)過物理或(huo)(huo)(huo)化學的方法，在(zai)宏觀(guan)或(huo)(huo)(huo)微觀(guan)上組成具有新性能的材(cai)(cai)(cai)料(liao)。目前，復合(he)材(cai)(cai)(cai)料(liao)的應用(yong)愈發廣泛(fan)，復合(he)材(cai)(cai)(cai)料(liao)中碰到的強(qiang)度問題也是日漸突顯。今天，我們就來聽(ting)強(qiang)度君(jun)說(shuo)一說(shuo)復合(he)材(cai)(cai)(cai)料(liao)的前世今生與強(qiang)度博弈。

復合材料的前世今生

復合(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)源(yuan)于大(da)自(zi)然，昆蟲、鳥類等動物(wu)比(bi)人(ren)類更早地了解和(he)(he)應(ying)用了復合(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)，如用泥土將(jiang)植物(wu)秸稈粘(zhan)(zhan)接在(zai)一起構(gou)(gou)筑結(jie)實(shi)牢固的(de)(de)巢(chao)穴。而人(ren)類的(de)(de)復合(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)應(ying)用同樣也始(shi)于建筑，原始(shi)人(ren)利用動物(wu)的(de)(de)糞便、粘(zhan)(zhan)土、稻草和(he)(he)樹枝等材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)混(hun)合(he)(he)結(jie)構(gou)(gou)來構(gou)(gou)建房屋。眾所(suo)周(zhou)知的(de)(de)古埃及金(jin)字塔，便是使用了石(shi)灰、火山灰等作粘(zhan)(zhan)合(he)(he)劑，混(hun)合(he)(he)砂石(shi)等作為砌料(liao)(liao)，這(zhe)其實(shi)也就(jiu)是最(zui)早最(zui)原始(shi)的(de)(de)顆粒增強復合(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)。

植物(wu)纖維泥(ni)土基復合材(cai)料燕窩(wo)

到了19世(shi)紀(ji)末，人類對于復合(he)材料從無意(yi)識(shi)的(de)感性向理性認識(shi)階段(duan)發展，獨木舟建造者嘗(chang)試(shi)使用(yong)牛皮紙與紫膠粘合(he)，制作紙層(ceng)壓板就是(shi)典型的(de)代(dai)表。20世(shi)紀(ji)30年代(dai)合(he)成樹(shu)脂(zhi)的(de)出現更是(shi)推動了整個復合(he)材料產業(ye)的(de)發展，玻璃(li)纖維(wei)和合(he)成樹(shu)脂(zhi)的(de)“復合(he)產品”也(ye)被認為是(shi)現代(dai)復合(he)材料的(de)起點。

復合材料(liao)發展到今天(tian)，碳纖(xian)維(wei)(wei)樹脂基(ji)復合材料(liao)為代(dai)表的(de)先進(jin)復合材料(liao)已成(cheng)為主(zhu)流。先進(jin)復合材料(liao)由纖(xian)維(wei)(wei)增強(qiang)體(ti)與基(ji)體(ti)組成(cheng)，其(qi)中基(ji)體(ti)起(qi)到粘結、支撐(cheng)、保護纖(xian)維(wei)(wei)的(de)作用，常見基(ji)體(ti)材料(liao)有雙(shuang)馬來酰(xian)亞胺、聚酰(xian)亞胺、環氧樹脂等；纖(xian)維(wei)(wei)分布在(zai)基(ji)體(ti)中起(qi)到提高基(ji)體(ti)材料(liao)性能的(de)作用，常見纖(xian)維(wei)(wei)增強(qiang)體(ti)材料(liao)有碳纖(xian)維(wei)(wei)、玻璃(li)纖(xian)維(wei)(wei)等。

隨著復合材料技術的發展，航空飛(fei)行器復(fu)合材(cai)料(liao)的(de)用(yong)(yong)量(liang)從最初的(de)不足1％（DC-10），發展到(dao)現(xian)今的(de)50％以上(波(bo)音B787，空(kong)客A350XWB)。復(fu)合材(cai)料(liao)的(de)應用(yong)(yong)結構(gou)(gou)也由最初的(de)次承力結構(gou)(gou)（襟副翼、方向舵、擾流板(ban)、起落(luo)架(jia)艙門等）發展到(dao)主承力結構(gou)(gou)（機身(shen)、機翼、尾(wei)翼、后承壓框等）。目(mu)前復(fu)合材(cai)料(liao)的(de)用(yong)(yong)量(liang)已成(cheng)為(wei)衡量(liang)航空(kong)飛(fei)行器先進性的(de)重要(yao)標志之一。

飛行器復合(he)材料(liao)用量(liang)的發(fa)展過(guo)程

復合材料的強度問題

先進(jin)復合材料(liao)(liao)(liao)由于其高比強(qiang)度、高比剛(gang)度、抗(kang)疲勞(lao)、耐腐(fu)蝕及可(ke)設(she)計性(xing)等諸多(duo)優點，被(bei)廣泛應用于工(gong)程結構中(zhong)，尤其是(shi)航(hang)空飛(fei)行器結構。與傳統(tong)金屬(shu)相比，采(cai)用復合材料(liao)(liao)(liao)可(ke)使結構減重20-30%。但是(shi)，世界(jie)上沒(mei)有(you)完美的材料(liao)(liao)(liao)，復合材料(liao)(liao)(liao)也(ye)不例外，在(zai)諸多(duo)環節中(zhong)不斷(duan)出現的問題(ti)以及因復合材料(liao)(liao)(liao)強(qiang)度問題(ti)所(suo)引起的飛(fei)行事故，使得工(gong)程師們逐(zhu)漸意識到，復合材料(liao)(liao)(liao)的研發之路(lu)還有(you)很長的路(lu)要走。

航空(kong)復(fu)合(he)(he)材料的抗沖擊(ji)(ji)性(xing)能(neng)差是(shi)其不可回避的問題，在受沖擊(ji)(ji)后復(fu)合(he)(he)材料層(ceng)間性(xing)能(neng)非(fei)常(chang)薄弱的缺陷暴露無(wu)遺，一旦出現分層(ceng)損傷，則會(hui)對結構整(zheng)體性(xing)能(neng)造成嚴重破(po)壞。冰(bing)雹、雷擊(ji)(ji)、鳥撞等使飛(fei)機(ji)結構受損從而導致飛(fei)機(ji)解體引(yin)發災難性(xing)事故的案例不在少數。

相比(bi)較于(yu)飛(fei)行過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)高能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)的(de)(de)瞬間(jian)沖(chong)擊(ji)，日常使用(yong)、維(wei)修過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)的(de)(de)低能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)沖(chong)擊(ji)更令(ling)工程(cheng)(cheng)師感(gan)到(dao)頭疼，事(shi)實上(shang)飛(fei)機復合(he)材料部(bu)件最多的(de)(de)損(sun)傷(shang)(shang)恰恰就是(shi)在維(wei)護過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)各種碰撞、拆卸而產生(sheng)的(de)(de)，比(bi)如維(wei)修人(ren)員身(shen)上(shang)掉落的(de)(de)扳手(shou)砸到(dao)結構表(biao)面(mian)(mian)(mian)造(zao)成的(de)(de)沖(chong)擊(ji)損(sun)傷(shang)(shang)，這(zhe)不(bu)經意的(de)(de)一瞬間(jian)足以造(zao)成內部(bu)的(de)(de)缺(que)陷。而與高能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)沖(chong)擊(ji)不(bu)同(tong)的(de)(de)是(shi)，這(zhe)種缺(que)陷在外(wai)表(biao)面(mian)(mian)(mian)可(ke)能(neng)(neng)(neng)根本無(wu)跡可(ke)尋。而當你發現(xian)表(biao)面(mian)(mian)(mian)有(you)勉強(qiang)目視損(sun)傷(shang)(shang)時，可(ke)能(neng)(neng)(neng)結構內部(bu)已經受損(sun)嚴重，強(qiang)度也(ye)驟降一半之多。

復合材料(liao)沖擊損傷與(yu)剩(sheng)余壓縮強度的(de)關系

近年來，隨(sui)著航空飛行器用途和使(shi)用環境的多樣化，復(fu)雜極端天氣，如(ru)高溫、潮濕(shi)、浸(jin)潤等(deng)(deng)對(dui)復(fu)合(he)材(cai)(cai)料的影(ying)響(xiang)變(bian)得愈發不可(ke)忽視。雖然復(fu)合(he)材(cai)(cai)料中(zhong)的纖維增強體對(dui)環境敏感度(du)(du)可(ke)以忽略，但是水分子(zi)可(ke)以通(tong)過基體擴散、纖維-樹脂基體界(jie)面間(jian)的毛細作用滲透到(dao)結(jie)構中(zhong)。這種“趁虛而入”的行為會降(jiang)低其(qi)玻璃(li)化轉變(bian)溫度(du)(du)，從而引起與基體密切(qie)相(xiang)關的力學(xue)性能（如(ru)拉(la)伸、壓縮(suo)、層間(jian)剪切(qie)強度(du)(du)、擠壓強度(du)(du)等(deng)(deng)）明顯(xian)下降(jiang)。因此復(fu)合(he)材(cai)(cai)料結(jie)構必(bi)須(xu)考慮濕(shi)熱環境聯合(he)作用下的強度(du)(du)問(wen)題。

大家最(zui)為熟悉的F-22等戰(zhan)斗機，由(you)于超聲速(su)巡(xun)航(hang)需求，機身(shen)外(wai)表面(mian)長(chang)時(shi)間(jian)與空(kong)氣高(gao)速(su)摩(mo)擦產(chan)生高(gao)溫，在機翼復合材料的選(xuan)擇(ze)上不惜使用韌性和抗沖擊性能更差(cha)的雙馬來酰亞胺(an)樹脂基體(ti)，以獲得260℃的最(zui)大工(gong)作溫度。B787在發動機吊架等高(gao)溫結構中(zhong)，仍堅(jian)持選(xuan)用鈦、鋼等材料。

另外(wai)，復合材(cai)料靜(jing)強度(du)和疲勞(lao)強度(du)的分散性均高于金屬，特(te)別(bie)是疲勞(lao)強度(du)尤為突出，因此在(zai)對復合材(cai)料結構進行疲勞(lao)驗證時，除壽命(ming)分散系(xi)(xi)數外(wai)，有時還(huan)考慮載荷放(fang)大系(xi)(xi)數。

以上異(yi)于金屬材(cai)料(liao)的特(te)(te)殊(shu)性(xing)能和特(te)(te)征(zheng)，在力(li)學性(xing)能表征(zheng)、設計、結(jie)構強(qiang)度評估與驗證等方(fang)面給復合(he)材(cai)料(liao)帶來了一些特(te)(te)殊(shu)要求和強(qiang)度問(wen)題。隨著復合(he)材(cai)料(liao)在飛機主承力(li)結(jie)構中應用的不(bu)斷擴大，這些強(qiang)度問(wen)題也變(bian)得越來越突出。

復合材料的強度力量

航(hang)空工業(ye)強度(du)所在(zai)復(fu)(fu)合材(cai)料(liao)強度(du)領域(yu)(yu)有一(yi)支(zhi)長(chang)期從事設(she)計、分析與試驗(yan)的(de)專業(ye)團(tuan)隊。主要(yao)針對航(hang)空航(hang)天(tian)、軌(gui)道交通、車輛裝備(bei)及工業(ye)建筑(zhu)等領域(yu)(yu)的(de)工程應用需求，圍(wei)繞(rao)復(fu)(fu)合材(cai)料(liao)耐久(jiu)性(xing)/損傷容限、穩定性(xing)、連(lian)接、積木式試驗(yan)及輕質多功能復(fu)(fu)合材(cai)料(liao)結構等五個專業(ye)方向，開展基礎(chu)理論、技術攻關以及前(qian)沿探索等科研工作，并(bing)承擔(dan)相關驗(yan)證(zheng)任務(wu)。

復合材料專業著(zhu)作、試(shi)驗標準等

作為(wei)國內復(fu)合(he)材料飛機結(jie)構(gou)型號(hao)研制(zhi)與預先(xian)研究積(ji)木式驗(yan)證的(de)中堅力(li)量，完成了(le)大量的(de)典(dian)型構(gou)件(jian)、大尺(chi)寸構(gou)件(jian)及全尺(chi)寸部件(jian)的(de)強度驗(yan)證與評(ping)估工作，具有滿足適(shi)航要求的(de)積(ji)木式驗(yan)證試驗(yan)技術及分(fen)析能力(li)。

積木式驗證體系

在(zai)理論分(fen)析(xi)方(fang)面，可開展(zhan)復(fu)合材料連接傳載特性與(yu)連接強度(du)分(fen)析(xi)評估(gu)、連接區設計(ji)和試驗規劃與(yu)評定；復(fu)合材料構(gou)件、壁板和盒段等結(jie)構(gou)穩定性分(fen)析(xi)及后屈曲強度(du)評估(gu)；含缺陷/損傷復(fu)材疲(pi)勞壽命預計(ji)與(yu)剩余(yu)強度(du)分(fen)析(xi)；復(fu)合材料結(jie)構(gou)修(xiu)理容限和修(xiu)理方(fang)法(fa)分(fen)析(xi)，可維(wei)修(xiu)性設計(ji)，修(xiu)理結(jie)構(gou)強度(du)/剛(gang)度(du)/耐久性評估(gu)等方(fang)面的技術研究。

復合材料結構強度分析(xi)

在試(shi)驗(yan)能力(li)(li)(li)方面，配備1kN-6000kN等不同規格的(de)靜力(li)(li)(li)和疲勞試(shi)驗(yan)機20余臺，具備在低溫(-80℃)、室溫和高(gao)溫(1200℃)等不同環境條(tiao)件(jian)(jian)下進行(xing)材料及結構(gou)力(li)(li)(li)學性能測(ce)試(shi)的(de)能力(li)(li)(li)。自主設計(ji)研(yan)發了平(ping)直壁板(ban)(ban)(ban)雙向壓縮試(shi)驗(yan)平(ping)臺、平(ping)直壁板(ban)(ban)(ban)壓-剪復合試(shi)驗(yan)平(ping)臺、曲板(ban)(ban)(ban)（機身壁板(ban)(ban)(ban)）拉（壓）-剪-氣(qi)密載(zai)荷(he)復合加載(zai)試(shi)驗(yan)平(ping)臺。并擁有一系(xi)(xi)列的(de)多(duo)通(tong)道(dao)測(ce)控系(xi)(xi)統、非接觸(chu)式全場變形(xing)測(ce)量系(xi)(xi)統等關(guan)鍵試(shi)驗(yan)條(tiao)件(jian)(jian)。測(ce)試(shi)技術與自主研(yan)制(zhi)的(de)試(shi)驗(yan)夾具、裝(zhuang)置能力(li)(li)(li)已達(da)國際先進、國內(nei)領(ling)先水平(ping)。

壁板壓-剪復合載荷試驗裝置

隨著先進飛(fei)行器結構的(de)發展，新設計(ji)方(fang)法、新材料/工藝/結構及(ji)自動(dong)化(hua)制造設備不斷涌現(xian)(xian)，未來飛(fei)機結構呈現(xian)(xian)復(fu)合材料化(hua)、整體(ti)化(hua)、結構功能一體(ti)化(hua)的(de)特點。復(fu)合材料在(zai)設計(ji)、制造、分析及(ji)試驗等(deng)方(fang)面將面臨巨大的(de)挑戰及(ji)機遇，同時隨著更(geng)輕(qing)質、更(geng)節能、更(geng)高(gao)效、更(geng)綠色等(deng)理念的(de)深度(du)融合，也給復(fu)合材料的(de)應用提出(chu)了更(geng)高(gao)的(de)要(yao)求。

強(qiang)度(du)(du)所復(fu)(fu)合(he)(he)材料(liao)結構強(qiang)度(du)(du)專(zhuan)業(ye)(ye)將緊(jin)密圍繞我(wo)國軍民用型(xing)號(hao)飛機發(fa)展需求，著重解決復(fu)(fu)合(he)(he)材料(liao)在型(xing)號(hao)研制過程中遇到的(de)強(qiang)度(du)(du)瓶(ping)頸技(ji)(ji)術問題(ti)(ti)，以及(ji)面向未來先(xian)進飛行器的(de)新(xin)材料(liao)、新(xin)工(gong)藝(yi)及(ji)新(xin)結構的(de)強(qiang)度(du)(du)基(ji)礎技(ji)(ji)術問題(ti)(ti)。以探索復(fu)(fu)合(he)(he)材料(liao)強(qiang)度(du)(du)理論、創造復(fu)(fu)合(he)(he)材料(liao)強(qiang)度(du)(du)技(ji)(ji)術、提(ti)(ti)供(gong)復(fu)(fu)合(he)(he)材料(liao)強(qiang)度(du)(du)工(gong)具、驗證(zheng)復(fu)(fu)合(he)(he)材料(liao)強(qiang)度(du)(du)設(she)計為(wei)使命(ming)，支撐低成本、國產復(fu)(fu)合(he)(he)材料(liao)產業(ye)(ye)化(hua)發(fa)展，進一步提(ti)(ti)升我(wo)國復(fu)(fu)合(he)(he)材料(liao)結構強(qiang)度(du)(du)設(she)計、分析與(yu)評估以及(ji)試(shi)驗驗證(zheng)等方面的(de)技(ji)(ji)術水(shui)平(ping)，為(wei)我(wo)國工(gong)業(ye)(ye)復(fu)(fu)合(he)(he)材料(liao)的(de)發(fa)展持續提(ti)(ti)供(gong)澎湃的(de)強(qiang)度(du)(du)力(li)量。