航空複合材料強度技術的前世今生與未來發展

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

複合材料源於大自然，昆蟲、鳥類等動物比人類更早地了解和應用了複合材料，如用泥土將植物秸稈粘接在一起構築結實牢固的巢穴。而人類的複合材料應用同樣也始於建築，原始人利用動物的糞便、粘土、稻草和樹枝等材料的混合結構來構建房屋。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，這其實也就是最早最原始的顆粒增強複合材料。

植物纖維泥土基複合材料燕窩

到了19世紀末，人類對於複合材料從無意識的感性向理性認識階段發展，獨木舟建造者嘗試使用牛皮紙與紫膠粘合，製作紙層壓板就是典型的代表。20世紀30年代合成樹脂的出現更是推動了整個複合材料產業的發展，玻璃纖維和合成樹脂的「複合產品」也被認為是現代複合材料的起點。

複合材料發展到今天，碳纖維樹脂基複合材料為代表的先進複合材料已成為主流。先進複合材料由纖維增強體與基體組成，其中基體起到粘結、支撐、保護纖維的作用，常見基體材料有雙馬來醯亞胺、聚醯亞胺、環氧樹脂等；纖維分布在基體中起到提高基體材料性能的作用，常見纖維增強體材料有碳纖維、玻璃纖維等。

隨著複合材料技術的發展，航空飛行器複合材料的用量從最初的不足1％（DC-10），發展到現今的50％以上(波音B787，空客A350XWB)。複合材料的應用結構也由最初的次承力結構（襟副翼、方向舵、擾流板、起落架艙門等）發展到主承力結構（機身、機翼、尾翼、後承壓框等）。目前複合材料的用量已成為衡量航空飛行器先進性的重要標誌之一。

飛行器複合材料用量的發展過程

複合材料的強度問題

先進複合材料由於其高比強度、高比剛度、抗疲勞、耐腐蝕及可設計性等諸多優點，被廣泛應用於工程結構中，尤其是航空飛行器結構。與傳統金屬相比，採用複合材料可使結構減重20-30%。但是，世界上沒有完美的材料，複合材料也不例外，在諸多環節中不斷出現的問題以及因複合材料強度問題所引起的飛行事故，使得工程師們逐漸意識到，複合材料的研發之路還有很長的路要走。

航空複合材料的抗衝擊性能差是其不可迴避的問題，在受衝擊後複合材料層間性能非常薄弱的缺陷暴露無遺，一旦出現分層損傷，則會對結構整體性能造成嚴重破壞。冰雹、雷擊、鳥撞等使飛機結構受損從而導致飛機解體引發災難性事故的案例不在少數。

相比較於飛行過程中高能量的瞬間衝擊，日常使用、維修過程中的低能量衝擊更令工程師感到頭疼，事實上飛機複合材料部件最多的損傷恰恰就是在維護過程中各種碰撞、拆卸而產生的，比如維修人員身上掉落的扳手砸到結構表面造成的衝擊損傷，這不經意的一瞬間足以造成內部的缺陷。而與高能量衝擊不同的是，這種缺陷在外表面可能根本無跡可尋。而當你發現表面有勉強目視損傷時，可能結構內部已經受損嚴重，強度也驟降一半之多。

複合材料衝擊損傷與剩餘壓縮強度的關係

近年來，隨著航空飛行器用途和使用環境的多樣化，複雜極端天氣，如高溫、潮溼、浸潤等對複合材料的影響變得愈發不可忽視。雖然複合材料中的纖維增強體對環境敏感度可以忽略，但是水分子可以通過基體擴散、纖維-樹脂基體界面間的毛細作用滲透到結構中。這種「趁虛而入」的行為會降低其玻璃化轉變溫度，從而引起與基體密切相關的力學性能（如拉伸、壓縮、層間剪切強度、擠壓強度等）明顯下降。因此複合材料結構必須考慮溼熱環境聯合作用下的強度問題。

大家最為熟悉的F-22等戰鬥機，由於超聲速巡航需求，機身外表面長時間與空氣高速摩擦產生高溫，在機翼複合材料的選擇上不惜使用韌性和抗衝擊性能更差的雙馬來醯亞胺樹脂基體，以獲得260℃的最大工作溫度。B787在發動機吊架等高溫結構中，仍堅持選用鈦、鋼等材料。

另外，複合材料靜強度和疲勞強度的分散性均高於金屬，特別是疲勞強度尤為突出，因此在對複合材料結構進行疲勞驗證時，除壽命分散係數外，有時還考慮載荷放大係數。

以上異於金屬材料的特殊性能和特徵，在力學性能表徵、設計、結構強度評估與驗證等方面給複合材料帶來了一些特殊要求和強度問題。隨著複合材料在飛機主承力結構中應用的不斷擴大，這些強度問題也變得越來越突出。

複合材料的強度力量

航空工業強度所在複合材料強度領域有一支長期從事設計、分析與試驗的專業團隊。主要針對航空航天、軌道交通、車輛裝備及工業建築等領域的工程應用需求，圍繞複合材料耐久性/損傷容限、穩定性、連接、積木式試驗及輕質多功能複合材料結構等五個專業方向，開展基礎理論、技術攻關以及前沿探索等科研工作，並承擔相關驗證任務。

複合材料專業著作、試驗標準等

作為國內複合材料飛機結構型號研製與預先研究積木式驗證的中堅力量，完成了大量的典型構件、大尺寸構件及全尺寸部件的強度驗證與評估工作，具有滿足適航要求的積木式驗證試驗技術及分析能力。

積木式驗證體系

在理論分析方面，可開展複合材料連接傳載特性與連接強度分析評估、連接區設計和試驗規劃與評定；複合材料構件、壁板和盒段等結構穩定性分析及後屈曲強度評估；含缺陷/損傷復材疲勞壽命預計與剩餘強度分析；複合材料結構修理容限和修理方法分析，可維修性設計，修理結構強度/剛度/耐久性評估等方面的技術研究。

複合材料結構強度分析

在試驗能力方面，配備1kN-6000kN等不同規格的靜力和疲勞試驗機20餘臺，具備在低溫(-80℃)、室溫和高溫(1200℃)等不同環境條件下進行材料及結構力學性能測試的能力。自主設計研發了平直壁板雙向壓縮試驗平臺、平直壁板壓-剪複合試驗平臺、曲板（機身壁板）拉（壓）-剪-氣密載荷複合加載試驗平臺。並擁有一系列的多通道測控系統、非接觸式全場變形測量系統等關鍵試驗條件。測試技術與自主研製的試驗夾具、裝置能力已達國際先進、國內領先水平。

壁板壓-剪複合載荷試驗裝置

隨著先進飛行器結構的發展，新設計方法、新材料/工藝/結構及自動化製造設備不斷湧現，未來飛機結構呈現複合材料化、整體化、結構功能一體化的特點。複合材料在設計、製造、分析及試驗等方面將面臨巨大的挑戰及機遇，同時隨著更輕質、更節能、更高效、更綠色等理念的深度融合，也給複合材料的應用提出了更高的要求。

強度所複合材料結構強度專業將緊密圍繞我國軍民用型號飛機發展需求，著重解決複合材料在型號研製過程中遇到的強度瓶頸技術問題，以及面向未來先進飛行器的新材料、新工藝及新結構的強度基礎技術問題。以探索複合材料強度理論、創造複合材料強度技術、提供複合材料強度工具、驗證複合材料強度設計為使命，支撐低成本、國產複合材料產業化發展，進一步提升我國複合材料結構強度設計、分析與評估以及試驗驗證等方面的技術水平，為我國工業複合材料的發展持續提供澎湃的強度力量。