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航空航天复合材料与力学
    时间:2010-1-8     点击率:28765
    作者:杜善义

    哈尔滨工业大学

    材料是社会发展的物质基础和先导,而新材料则是社会进步的里程碑。新材料技术是支撑当今人类文明的现代工业关键技术,新材料技术一直是世界各国科技发展规划之中一个十分重要的领域,它与信息技术、生物技术、能源技术一起,被公认为是当今社会及今后相当长时间内总揽人类全局的高技术。复合化是新材料技术的重要发展方向,复合材料也是新材料的重要组成部分和最具生命力的分支之一,已经发展成为与金属材料、无机非金属材料、高分子材料并列的四大材料体系之一。

    复合材料是指由有机高分子、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性能的新型材料,它既能保留原有组分材料的主要特色,又通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联与协同,从而获得新的组分材料无法比拟的优越性能,与一般材料的简单混合有本质的区别[1]。所谓先进复合材料(Advanced Composite Materials,简称ACM)是指高性能树脂基复合材料,即用碳纤维等高性能纤维增强的树脂基复合材料,在综合性能上与铝合金相当,但比刚度比强度高于铝合金的复合材料。先进复合材料在航空航天等各领域日益受到青睐,高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳性能好、阻尼减震性好、破损安全性好、性能可设计等优势已被世人所共识。

    复合材料作为多相体(夹杂、基体、界面相等)材料,其自身具有显著和丰富的细观结构特征,因此其宏观性能和损伤、失效规律不仅取决于每一组分材料的特性,同时还依赖于复合材料的细观结构特征,其中包括夹杂(如纤维、晶须、颗粒、裂纹、空洞等)的体积份数、形状、尺寸、分布规律及界面形式等。复合材料还具有材料/结构/工艺一体化的特征,尤其对多向编织复合材料和纤维缠绕先进复合材料来说,构件的材料和结构的设计和制造都包含组分材料/复合材料/结构三个层次上的同时性,没有复合材料的成品或中间产品。因此,对复合材料的研究必须采用 “设计/分析/评价”一体化的研究思想。

    复合材料细观力学研究的主要目的在于建立复合材料的宏观力学性能同其组分材料性能及细观结构之间的定量关系,这不仅可以揭示复合材料不同的材料复合具有不同的宏观性能的内在机制,进而可为材料及结构分析提供理论依据及方法,同时也可以对复合材料进行细观层次上的设计,即根据工程的不同需求选取适当的组分材料及优化的细观结构形式。但由于复合材料损伤和破坏过程的多层次性和相互关联性,目前还不能有效地描述其复杂的损伤演化过程和断裂行为。因此,应结合现代先进的试验测试技术,从更细微观层次上探索和发现其损伤演化和破坏的新规律,同时,针对先进复合材料的结构材料同一性的特点,借助计算机辅助设计从材料的细观设计出发,实现复合材料的材料与结构一体化优化设计,最大效能地发挥复合材料的潜力,这不仅对复合材料科学具有促进作用,而且对复合材料的工程应用具有重要的指导意义。复合材料的性能分散性和环境依赖性使其设计问题相当复杂,设计准则和结构设计值的确定还很保守。现有的方法需要大量试验造成设计周期长成本高,美国的“材料插入计划”(图11)就是以过去的试验为主设计方法,向以分析为主转变。这就需要高效的设计理论和方法,实现跨层次的高可信度设计和分析。另外,由于载荷和环境的非确定性以及复合材料性能的分散性等,国外也正开展用非确定性方法设计和分析复合材料结构的研究。

    国防、航空航天以及其他领域的先进复合材料的服役环境大都比较特殊,对服役环境下复合材料的考核是其能够应用的基本前提,直接在服役条件下进行材料实验,有时会无法获得演变过程的信息和控制因素,风险大、试验费用昂贵且难以实现,通过服役环境与材料作用过程的建模,建立实验模拟平台和数值模拟平台、发展先进和原位实时测试技术,为研究材料的环境行为打下基础,为材料优化设计提供验证手段;掌握材料行为对环境的响应规律是主动控制材料演变进而设计新材料的基础,确定并获取演变过程的材料信息和提炼使用性能的表征参数是控制材料演变和破坏的先决条件,获得材料失效过程的控制因素和控制方程,建立服役条件下材料性能的科学表征方法及材料环境行为数据库,实现失效过程的计算机拟实与控制;研究先进复合材料优化设计理论和方法,建立材料设计的数据库、知识库和程序库,进行多层次跨尺度的材料设计及性能预测,实现科学设计,实现从被动到主动、从定性到定量的飞跃。