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1 引言
纖維增強復(fù)合材料已成為先進國防裝備特別是飛行器結(jié)構(gòu)的選材料，對于減輕結(jié)構(gòu)重量、提高結(jié)構(gòu)效率、改善結(jié)構(gòu)可靠性、延長結(jié)構(gòu)壽命，具有其他材料無法比擬的優(yōu)勢，其用量已成為衡量飛行器結(jié)構(gòu)先進性的重要標志。國內(nèi)纖維增強結(jié)構(gòu)復(fù)合材料經(jīng)過20多年的研究和積累，基本形成了可在80~300℃溫度范圍使用的樹脂體系和復(fù)合材料，建立了復(fù)合材料預(yù)浸料、蜂窩生產(chǎn)線，形成了以熱壓罐和纏繞成型技術(shù)為主的高性能復(fù)合材料構(gòu)件研發(fā)和生產(chǎn)技術(shù)。但國內(nèi)纖維增強復(fù)合材料的應(yīng)用和研制水平與武器裝備自主保障生產(chǎn)和發(fā)展的需求仍然存在著很大差距。當前，國內(nèi)纖維增強復(fù)合材料總的發(fā)展趨勢是必須優(yōu)先解決國產(chǎn)炭纖維研制與國產(chǎn)炭纖維復(fù)合材料應(yīng)用，同時開展先進高效設(shè)計與制造方法研究，提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用效益，進一步擴大裝備復(fù)合材料用量；放眼國際，19世紀80年代纖維增強復(fù)合材料經(jīng)歷了從玻璃鋼到以炭纖維增強復(fù)合材料為代表的先進復(fù)合材料的跨越，隨著本世紀納米技術(shù)的突飛猛進，以納米復(fù)合材料為代表的新一代高性能復(fù)合材料己經(jīng)初見端倪，必將成為復(fù)合材料的主要研發(fā)方向。本文從纖維增強復(fù)合材料發(fā)展沿革出發(fā)，重點闡述國產(chǎn)炭纖維復(fù)合材料應(yīng)用基礎(chǔ)研究、復(fù)合材料飛行器結(jié)構(gòu)高效設(shè)計方法和納米復(fù)合材料技術(shù)研發(fā)趨勢，力圖在國內(nèi)外復(fù)合材料領(lǐng)域?qū)W術(shù)創(chuàng)新探索研究與我國未來飛行器結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用之間建立內(nèi)在關(guān)聯(lián)。
2 國產(chǎn)炭纖維復(fù)合材料應(yīng)用基礎(chǔ)研究
炭纖維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是以炭纖維為增強體，樹脂為基體，通過物理和化學(xué)方法復(fù)合而成，具
有質(zhì)量輕、比強度高、比模量高、抗疲勞、耐腐蝕等優(yōu)異特點，是目前用量大的先進復(fù)合材料，廣泛用作航空、航天、兵器、艦船等承力結(jié)構(gòu)，已成為先進武器裝備特別是飛行器結(jié)構(gòu)的基本材料，也是未來飛行器發(fā)展?jié)摿εc空間的重要決定因素。我國經(jīng)過30多年的研究，采用進口炭纖維制備的復(fù)合材料在軍機結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用取得較大發(fā)展，我國先進戰(zhàn)略導(dǎo)彈和衛(wèi)星等也都要大量使用炭纖維復(fù)合材料，擬發(fā)展的高超聲速飛行器、大型運輸機等均對炭纖維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料提出強烈需求。炭纖維作為安全戰(zhàn)略物資，絕對不能受制于人。從國防發(fā)展的戰(zhàn)略角度考慮，武器裝備的研制必須立足國產(chǎn)炭纖維，必須應(yīng)用國產(chǎn)炭纖維復(fù)合材料，必須不失時機地解決應(yīng)用基礎(chǔ)問題，以促進國產(chǎn)炭纖維復(fù)合材料在武器裝備上的高效可靠持續(xù)應(yīng)用。
長期以來，由于進口炭纖維具有優(yōu)異的復(fù)合普適性，與不同樹脂在不同工藝下復(fù)合均表現(xiàn)出良好匹配性，由此導(dǎo)致我國炭纖維復(fù)合材料應(yīng)用基礎(chǔ)研究未系統(tǒng)開展，在炭纖維與樹脂復(fù)合匹配機制、復(fù)合材料性能轉(zhuǎn)化機制、性能演化規(guī)律以及性能評價方法等方面的基礎(chǔ)研究薄弱，在相當程度上影響了炭纖維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的應(yīng)用水平。如今須要用國產(chǎn)炭纖維替代進口炭纖維，其應(yīng)用基礎(chǔ)研究薄弱問題更為突出。
國產(chǎn)炭纖維的應(yīng)用實質(zhì)是國產(chǎn)炭纖維復(fù)合材料的應(yīng)用。對于結(jié)構(gòu)應(yīng)用而言，先應(yīng)該從承載角度考慮纖維和樹脂基體的匹配關(guān)系，使纖維的性能大轉(zhuǎn)化成復(fù)合材料性能，從纖維性能轉(zhuǎn)化到復(fù)合材料的性能是一個從微觀到宏觀變化的復(fù)雜的復(fù)合材料形成過程，有物理作用、化學(xué)作用以及物理/化學(xué)耦合作用。復(fù)合材料形成的過程也是界面相形成的過程。界面對于復(fù)合材料是至關(guān)重要的，是纖維性能轉(zhuǎn)化和復(fù)合材料性能發(fā)揮的關(guān)鍵。因此，在復(fù)合材料形成的復(fù)雜過程中如何對界面微結(jié)構(gòu)控制與表征，進而掌握界面與復(fù)合材料性能的關(guān)聯(lián)機制是需要重點研究的科學(xué)問題。另外，飛行器結(jié)構(gòu)特別是飛機結(jié)構(gòu)用炭纖維復(fù)合材料的服役過程是一個多因素綜合作用的復(fù)雜過程，既受溫度影響、濕度影響，又受載荷等影響。因此，揭示服役環(huán)境下炭纖維復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)的蛻變機制和使用性能的變化規(guī)律是關(guān)系到結(jié)構(gòu)復(fù)合材料可靠應(yīng)用的重要前提。
3 飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)高效設(shè)計
“輕質(zhì)化、長壽命、高可靠、高效能、高隱身、低成本”是新一代飛機的發(fā)展目標，先進復(fù)合材料在飛機上的應(yīng)用是實現(xiàn)這一目標的重要途徑，縱觀國內(nèi)外的發(fā)展不難發(fā)現(xiàn)，無論是軍機，還是民機，飛機結(jié)構(gòu)復(fù)合材料化是當前國際國內(nèi)航空領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢。
近年來先進復(fù)合材料在軍機、民機、直升機、無人機、發(fā)動機等領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展突飛猛進，在民用領(lǐng)域更是用到了B787機自等大型客機的主承力結(jié)構(gòu)，甚至出現(xiàn)了全復(fù)合材料飛機。然而，復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計與傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計有許多本質(zhì)區(qū)別，先進復(fù)合材料在給飛機設(shè)計帶來了許多前所未有機遇的同時，也帶來了很多問題和挑戰(zhàn)。飛機不斷追求高機動性、多功能性和高可靠性的發(fā)展對復(fù)合材料的設(shè)計與質(zhì)量提出了更為苛刻、具其他材料無法實現(xiàn)的極限要求。然而復(fù)合材料組分的多元性、結(jié)構(gòu)的多重性、材料/結(jié)構(gòu)形成的同一性以及性能蛻變行為的不確定性，極大地增加了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計難度，給設(shè)計師們帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。但是目前我國復(fù)合材料的基礎(chǔ)研究不系統(tǒng)、技術(shù)儲備不足、制造質(zhì)量不穩(wěn)定、性能演化不清楚、設(shè)計理論水平不高，使得設(shè)計人員無謂壓低設(shè)計許用值，復(fù)合材料優(yōu)勢無法凸現(xiàn)，以致軍機上復(fù)合材料用量長期在低水平徘徊。
針對飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的非確定性分析設(shè)計方法是高效結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法的新發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)的規(guī)定安全系數(shù)以覆蓋未知量的飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計確定性方法至少有2個基本的缺陷。，這些過程對于非常規(guī)結(jié)構(gòu)的飛機難于應(yīng)用，如使用新材料、新的結(jié)構(gòu)要領(lǐng)等；比如針對復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計，考慮到復(fù)合材料性能的分散性、對環(huán)境與損傷的敏感性，通常假設(shè)所有設(shè)計條件如溫度、濕度、操作、載荷等等同時達到惡劣的狀況，因而導(dǎo)致非常保守的設(shè)計和較低的結(jié)構(gòu)效率。第二，無法得到安全可靠性的定量評價，其結(jié)果是無法確定不同設(shè)計選擇對于飛機安全的相對重要性，而且也不能保障整個飛機結(jié)構(gòu)上的具有協(xié)調(diào)的安全級別，無法在設(shè)計中體現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)部位的相對重要性，可能導(dǎo)致即使超重也無法保障整體安全性。而非確定性方法是用統(tǒng)計模式來表征部件尺寸、環(huán)境因子、材料特性和外載茶等設(shè)計變量，在設(shè)計中利用統(tǒng)計學(xué)特征并提供一個期望的可靠度。非確定性方法是在確定性方法的基礎(chǔ)上進一步使安全程度定量化，并使設(shè)計者可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)風(fēng)險的策動源，是保障結(jié)構(gòu)安全與效率平衡的新研發(fā)熱點，可以在設(shè)計中使整個飛機達到統(tǒng)一的安全效率水平，避免非必要的“過度設(shè)計”。
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有宏-細觀強耦合關(guān)聯(lián)的多尺度特征，而飛機復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計需要跨越材料-層合板-結(jié)構(gòu)元件（板、肋、梁）-次部件-部件（機翼、機身）不同的尺度，設(shè)計過程需要了解局部細節(jié)到整體部件跨越多個數(shù)量級的關(guān)聯(lián)信息。由于缺乏飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的支撐，國內(nèi)在建立積木式方法的試驗框架結(jié)構(gòu)驗收標準的時候只能基本照搬國外的經(jīng)驗，缺乏針對國內(nèi)實際情況進行自主創(chuàng)新的能力。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)集成化跨尺度分析方法，在同一個模型中實現(xiàn)多尺度變量同步關(guān)聯(lián)的高效分析，克服傳統(tǒng)有限元方法在處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)中局部細節(jié)與損傷狀態(tài)的困難，建立結(jié)構(gòu)設(shè)計約束條件的跨尺度同步關(guān)聯(lián)，為積木式方法提代系統(tǒng)的理論指導(dǎo)，是充分考慮復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性、促進多尺度方法在飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用的創(chuàng)新性理論研究。
復(fù)合材料具有突出的高比強度和比剛度特點，同時可使一些采用金屬材料無法實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)設(shè)想成為現(xiàn)實。因此，復(fù)合材料已成為現(xiàn)代飛行器量主要的結(jié)構(gòu)材料。復(fù)合材料的效益潛力并不能簡單沿用金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計/制造觀念和方法得以發(fā)揮，必須將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造的特點與高效結(jié)構(gòu)形式設(shè)計緊密結(jié)合，才可以大限度地發(fā)揮復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)因其制造工藝的特殊性，不同的結(jié)構(gòu)組分既可直接通過纖維的連續(xù)鋪放或編織結(jié)為一體，也可通過共固化或膠接共固化等途徑在復(fù)合材料本身的形成過程中結(jié)為一體。與相同功能的金屬結(jié)構(gòu)相比，可大幅度減少緊固件和零件數(shù)量。這一特點稱為結(jié)構(gòu)的整體化。由于緊固件和結(jié)構(gòu)中相應(yīng)釘孔數(shù)量的下降，結(jié)構(gòu)的減重效果和承載能力可得到顯著提升。因此，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的整體化被普遍認為是實現(xiàn)復(fù)合材料效益潛力的重要途徑之一。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的整體化是對材料優(yōu)勢特性進行深入分析和充分利用得到的結(jié)果，并非簡單地將復(fù)合材料應(yīng)用于結(jié)構(gòu)即可自然形成。整體化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制造先必須了解多種類型結(jié)合界面的承載傳載特性和失效機理，針對操作/缺陷對整體化結(jié)構(gòu)性能的影響作用進行科學(xué)評價，發(fā)展大尺寸/多組分整體化結(jié)構(gòu)固化變形控制、結(jié)構(gòu)內(nèi)部纖維取向控制以及缺陷控制等制造技術(shù)，建立整體化結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學(xué)、系統(tǒng)的工藝適用性評價方法。
4 納米復(fù)合材料
納米材料是20世紀80年代剛剛發(fā)展起來的新材料，從其一誕生，就因廣泛的商業(yè)前景而被美國材料學(xué)會雀為“21世紀有前途的材料”納米材料是指由一些超微單元組成的材料，這些超微單元至少有一維的平均尺寸在100nm以下。納米材料分為納米陶瓷材料、納米金屬材料、納米聚合物材料以及由上述材料組成的納米復(fù)合材料。納米材料由于其仍大的比表面而產(chǎn)生一系列效應(yīng)：小尺寸效應(yīng)、界面效應(yīng)、量子效應(yīng)和量子隧道效應(yīng)等，使其具有許多新異的特性。納米塑料或納米聚合物材料是近幾十年發(fā)展起來的新型材料。納米聚合物材料可定義為：材料由單一的聚合物組成，且基本尺寸至少有一維在100nm以內(nèi)。聚合物基納米復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能。納米材料作為增強劑使用時，即使添加量很少，也能使復(fù)合材料的力學(xué)性能與基體相比有顯著提高。
航空航天應(yīng)用特別是結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用為關(guān)注的其實是聚合物基納米復(fù)合材料性能與炭纖維增強復(fù)合材料性能的比較。近十年來納米上、聚合物基體相、連續(xù)纖維增強相三相復(fù)合材料的研究已經(jīng)取得一些突破性進展。聚合物基納米復(fù)合材料與傳統(tǒng)的炭纖維增強聚合物基復(fù)合材料相比，能夠以很低的添加量來實現(xiàn)模量、氣體陰隔性、熱性能、阻燃性、抵抗原子氧和抵抗小分子滲透等性能的顯著增加。在強度和剛度方面，多壁碳納米管比其他類型的納米管具有更高的楊低模量，加入少量碳納米管到聚合物中會使拉伸剛度、彎曲剛度、屈服應(yīng)力和屈服強度線拉伸剛度、彎曲剛度、屈服應(yīng)力和屈服強度線性地增加，并且不影響基體的延展性。重量百分比含量為1%的碳納米管對基體彈性模量的增加效果能夠達含量為10%的碳納米管對基體彈性模量的增加效果能夠達含量為10%的傳統(tǒng)炭纖維的增強效果。2007年在日本舉行的第十六屆國際復(fù)合材料大會上，東京大學(xué)研究人員報告的結(jié)果具有一定代表性：將Cup-stacked型碳納米管（CSCNT）引入環(huán)氧樹脂基體中制成的炭纖維增強復(fù)合材料靜態(tài)壓縮強度提高25%；層間剪切強度提高10%~20%。層間斷裂韌性少提高20%，有些配比的試件甚至超過200%。
納米復(fù)合材料的諸多優(yōu)勢是傳統(tǒng)復(fù)合材料所不具備或不同時具備的，為了滿足航天航空的材料需要在苛刻的真空條件下同時具有更多的功能，例如：低滲透性、抗輻射、在寬溫范圍內(nèi)的耐久性、能夠長期循環(huán)使用、耐熱性和安全性。而且不能具有污染光學(xué)器件、電子短路、腐蝕金屬表面等破壞作用。此外，由于是有人的飛行操作，所以對可燃性、起煙和有毒副產(chǎn)物的排放有諸多的限制。因此，除了已經(jīng)研究多年的力學(xué)性能、熱性能和氣體阻隔性之外，納米復(fù)合材料的防滲透性、靜電放電保護性能、導(dǎo)電生、作為涂料的而磨擦、耐腐蝕性和耐久性方面都是具有發(fā)展的納米復(fù)合材料的功能性。
阻燃性和熱穩(wěn)定性方面，層狀硅酸鹽增強聚合物納米復(fù)合材料的由于片層結(jié)構(gòu)的存在限制聚合物分子的熱運動，從而提高了聚合物基的熱稱定性。如果再引入Si-C結(jié)構(gòu)，還會使耐熱性能進一步提高。只用很低含量的無序的脫層納米粘土增強的聚合物的降解溫度比純聚合物有了顯著提高。有實驗表現(xiàn)使用溫度高的輕質(zhì)聚合物基無機納米復(fù)合材料擁有在175~200℃長期使用的熱穩(wěn)定優(yōu)勢。納米填料的加入不僅使聚合物的熱釋放率降低而且也能阻止聚合物中的揮發(fā)性可燃物質(zhì)排放到燃燒區(qū)域，因此產(chǎn)生阻燃作用。附著力方面，由于納米填料的加入，納米粘土充填復(fù)合材料顯示出好的力學(xué)性能、熱性能和抗水性，因此可用在涂料、粘合劑、泡沫等航空應(yīng)用中。納米顆料充填的涂料可能涂覆在金屬表面來抗擦傷，抗反射和抗腐蝕等。在涂料方面，納米粒子在抗熱性、剛度、強度和導(dǎo)師電性方面比傳統(tǒng)在炭黑充填物容易控制與設(shè)計，具有更高的靈活性。性能就是對航天航空設(shè)備靜電放電保護，這是通過使用應(yīng)用于這些設(shè)備的高電壓降低到不會產(chǎn)生破壞的水平，也就是能在短時間內(nèi)能免抵抗放電和過熱。光學(xué)性質(zhì)方面，碳納米管還是一種好的光學(xué)限制器，它的限制范圍從可見光到近紅外外光波段內(nèi)的，并且它的脈沖持續(xù)時間僅為幾個納秒。碳納米管還是導(dǎo)電添加劑，只需很低的含量它在聚合物基體中就能夠形成一個導(dǎo)電網(wǎng)。在航天耐久性方面，含有均勻分散的納米無機顆米的復(fù)合材料能夠抵抗苛刻的太空環(huán)境。運載火箭將大大地受益于納米復(fù)合材料的應(yīng)用，因為它不僅能夠提供優(yōu)異的阻隔性能和梯度形態(tài)，有利于制造非線性復(fù)合材料烯料儲箱，而且能夠高度抵抗太空中的顆料和電磁輻射的降解作用，同時還能夠全面減輕航天器的重量。
納米復(fù)合材料研究已經(jīng)取得令人鼓舞的進展，預(yù)計二十年內(nèi)仍將是創(chuàng)新赤道產(chǎn)學(xué)的研究熱點。概括起來的研發(fā)趨勢可以分為制備、表征、分析評價3個方面。在納米復(fù)合材料的制備方面，研發(fā)熱點主要集中在聚合物基碳納米管復(fù)合材料和聚合物基納米蒙脫土復(fù)合材料及碳納米管的制備上。為了有效的利用碳納米管來提高聚合物的導(dǎo)電性、強度、彈性、韌性和耐久性，必須將碳納米管均勻分布于基體中，并且不破壞其完整性，好的碳納米管與基體的界面粘合力也有利于傳遞載荷。由于碳納米管在溶劑和基體樹脂中易于團聚，即使分散了，由于靜電吸引還會重新團聚，因此，這對制備的技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。制造均勻的納米復(fù)合材料不僅需要控制個體結(jié)構(gòu)單元還要控制更高一級別的結(jié)構(gòu)，增加納米填料與聚合物基體界面的粘合能力并且合成純的納米粒子是為航天航空應(yīng)用提供更強性能的聚合物基納米復(fù)合材料的關(guān)鍵。表征分析方面顯微和光譜技術(shù)常用來對納米復(fù)合材料進行分子水平上的研究。關(guān)于纖維在復(fù)合材料中的排列、纖維和基體的粘合和纖維的分布等影響復(fù)合材料品質(zhì)的方面使得表征方法變得至關(guān)重要。通過闡明熔融結(jié)構(gòu)、制備過程和性能之間的關(guān)系，流變學(xué)實驗?zāi)軌蚨康亟o出關(guān)于這些問題的有價值的信息，但顯微和光譜技術(shù)是其有力的補充。聚合物基納米復(fù)合材料面臨的大挑戰(zhàn)是納米增強相與聚合物基體相之間界面應(yīng)力轉(zhuǎn)換效率的評價。為了促進材料的發(fā)展，必須建立聚合物分子結(jié)構(gòu)、納米管和界面的本征聯(lián)系，發(fā)展復(fù)合材料宏觀性能的預(yù)報方法。
