先进复合材料空天应用技术基础科学问题研究_先进复合材料及其应用

其他范文时间：2020-02-29 06:11:50 收藏本文下载本文

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先进复合材料空天应用技术基础科学问题研究

一、研究内容关键科学问题

1.复合材料多层次、多尺度界面结构的理解和强化建构

复合材料的共性特征是多层次、多尺度的异质、异构界面。典型的结构层次涵盖纤维单丝、纤维丝束、干态增强织物、树脂预浸料和层状化的复合材料结构等。界面状态将从本质上影响复合材料整体对载荷的响应，并控制复合材料的所有性质和服役行为。

前期的973研究成果已证实[1]，层间界面的高分子-高分子双连续相结构直接影响了细观损伤的产生和扩展，进而决定了复合材料的韧性、刚度、强度等使用性能；双连续相结构形成和演化的关键是定域设计和控制反应诱导的失稳分相、临界相反转和相粗化等过程。这对应了连接度（Connectivity）概念[2]里的0-0、0-3和3-3结构的连续的相转变过程，而由于这个连续的相变发生在2-2结构的受限空间内，必然形成尺度上梯度分布的3-3型双连续颗粒结构，从而赋予复合材料优异的韧-刚-强组合。

我们的预先研究已发现[3]，碳纤维表面在微米层次上的“结构化”或“粗糙化”对复合材料“人工界面”的建构具有重要的影响，这种“结构化”和“粗糙化”包括微尺度的颗粒和三维结构等，建构这种新型表面结构的机理包括表面成核与低温生长、表面浸润与去浸润等，但目前国内外对这种表面微结构建构的材料学和力学理解还知之甚少，也不清楚这种微结构对复合材料界面强-韧化的影响机制及其持久稳定性和高温性能等。

本研究将突破上期973课题高分子-高分子复相材料热力学和动力学的限制，在界面化学改性的同时，提出建构复合材料多层次界面有机、无机异相3-3连接度微结构（Interfacial 3-3 micro connectivity）的新概念，镶嵌体胞建模分析界面剪切对细观集束/协同/无规破坏的影响，极大地提高复合材料在关键结构层次的界面结合力和稳定性，确立复合材料界面强化的新技术和新方法。

2.复合材料多层次精细耦合协同强韧化机制

典型“纤维增强-树脂基体”两元复合材料界面的作用是将纤维和树脂，以及由它们分别控制的纤维主导性质（Fiber-dominent）和树脂基体相主导性质（Matrix-dominent）联系到一起。树脂基体相主导性质主要包括“纤维间”（Inter-fibers或Intra-tow）、“层内”（Intra-ply）和“层间”（Inter-ply或Interlaminate）等3个结构层次，它们通过各层次间的精细结构耦合和载荷传递，使复合材料发挥整体功效。

为了在现有较低品位纤维（例如国产CCF-

1、CCF-3和T800碳纤维）和树脂体系的限制下大幅度而又低成本地提升复合材料的整体性能，根据复合材料结构耦合的最简化的线性混合率，复合材料的刚度将随基体的模量线性增长，因此在复合材料的“纤维间”引入高刚度的微、纳米尺度精细微结构，将可能在“层间„离位‟增韧”的基础上实现“层内增刚”，同步提升复合材料整体的刚度和韧性；又考虑到复合材料“层内”结构与“层间”结构在载荷传递特性上的巨大差异，而复合材料的强度主要受控于体系内的薄弱结构，因此，在等密度的前提下，借助基体主导性质多层次结构间的精细耦合，调制和优化2-2层状周期结构，产生“层内增刚”与“层间增韧”性质的协同效应，可望获得复合材料整体性能的跃升。进一步地，目前国内外航空复合材料的损伤设计容限准则依赖于表面冲击的损伤可视识别阈值（BVID）。由于强韧化处理的复合材料具有较高的整体冲击损伤阻抗，其可视识别阈值很高，导致复合材料自身的性能潜力和强韧化效果都难于发挥。解决这个问题的关键是在体型复合材料层次分离其表功能和体功能，特别是提出并通过发展表面显示功能来提升复合材料冲击损伤的可视识别阈值[4]，建立损伤示踪确定分析方法及损伤显示和内部损伤的关联，从而改进国际航空复合材料的传统设计方法，以低品位的基础材料通过系统集成和优化达到复合材料高性能化的目的。3.复合材料损伤的非确定性跨层次虚拟测试与高效结构设计

目前对航空航天复合材料在服役条件下跨尺度、跨层次的损伤传递模式并不清楚，一个科学的解决方案是建立基于非确定性分析的复合材料跨层次虚拟测试方法，其核心是建立复合材料多层次渐进损伤和失效的多级分析模型，理解亚临界状态下多损伤模式的相互交叉与混杂机理，建立非确定性参数化的方法，模拟复合材料结构在亚临界状态下损伤萌生-扩展-蔓延的全过程。

航空航天结构复合材料高效设计（Efficiency）的典型特征是损伤阻抗、耐久性和损伤容限等关键性能的最佳平衡，同时各项指标满足结构设计目标，其核心问题是在结构性能层面上要求这些性能指标具有协同性，并在材料选材和性能方面提供满足协同性的要求。为此，需要多层次研究和理解复合材料结构损伤阻抗、耐久性和损伤容限的影响因素及其相互作用，明确材料性能内在关联性，建立反映这种复合材料高性能指标结构的适应性的新型设计方法，从而最大限度地利用和发挥复合材料的本质性能优势。

在航空航天结构件的工程设计层次，根据典型服役环境的宏观设计要求、传力及连接、工艺可行性以及复合材料典型结构细节特点等，发展先进的结构优化设计方法，并植入大型软件系统，实现航空航天复合材料制件的高效结构设计和应用。

4.复合材料变形的结构依赖性及其模型化与功能性应用

高聚物特定的化学结构、远离材料平衡态的制备过程、以及化学反应动力学与动态外场工艺条件的相互作用等共同控制树脂相的形变，其中，树脂材料由液态粘流态通过交联固化反应转变为固体材料的体积变化过程服从热力学平衡态的压力-比容-温度（P-V-T）关系，其中最关键的“凝胶化”和“玻璃化”（Vetrification）转变过程可以用温度-时间-转变（TTT）曲线族表征；而纤维铺层及其各向异性，特别是非均衡、非对称、多变量的铺层结构，以及复杂体形结构内的残余应力状态等，将更强烈地影响复合材料结构整体的线性、非线性变形。

上期973课题的研究结果表明，凝胶对相变、流动的控制和玻璃化对初始性能的控制可以通过特征的TTT关系预测[5]。本申请拟通过合成制备零膨胀、负膨胀高聚物材料及其复配体系，数值预测材料的P-V-T热力学关系和TTT转变关系，数值模拟非等温、非等压等实际工艺条件下固化反应对材料物性的控制，结合复合材料航空典型结构的内应力计算，一方面，从本质上揭示和预测复合材料大型制件的结构变形和复合材料应力动态重分布及可逆补偿原理，形成先进的形变控制技术；另一方面，研制特征结构参数互异而界面互容的温度敏感、载荷敏感双稳态、多稳态以及线性、非线性变形的复合材料体系[6]，理解和实现复合材料的主动变形和结构-功能一体化。5.典型复合材料制造关键技术的基础问题研究

大型航空航天复合材料结构件制造的共性关键是低成本、低缺陷或无缺陷，其材料学基础是对气-液-固3相态相互作用及其浸渍、浸润、流动等过程的理解、建模、在线测试与控制、以及工艺系统优化等。复合材料制备过程是多种细观尺度材料缺陷产生的重要来源，如微观浸润与宏观流动速度的不匹配将导致纤维束内及纤维层间的密集孔隙和分层缺陷，树脂对纤维铺层与对模具内表面浸润的不匹配将导致复合材料的表面缺陷等。为此，拟建立包含表面张力的树脂黏弹性本构方程，模拟分析缺陷生成的机理与传递机制，特别是建立在高纤维体积分数渗逾阈值附近的气-液-固3相态流动和相互作用模型。

大飞机复杂结构整体制造的关键技术之一是工装模具系统，即复合材料制件与“模”和“范”材料体系物性统一问题。整体结构的前驱体是近净型的干态复合材料预制件，上期973的研究结果已为近净型预制打下了良好的基础，但预制结构的制造需要有与该复合材料制件全工艺过程适配的工装新材料，特别是CTE适配，为此，本项目申请提出一个创新性的解决方案：水溶性型芯技术[7]，在材料科学意义上，这是一个典型的有机/无机聚合物（不烧陶瓷）复合材料问题，通过水基凝胶化可以实现环境友好和无溶剂“绿色制造”。

大飞机用资源友好型天然纤维复合材料技术的关键是高效无毒阻燃和结构力学性能最大化，这是一个功能-结构一体化问题，也是飞机安全问题。天然纤维增强体自身就是一个多层次、多尺度的复合材料结构，其力学模型、浸渗、成型的工艺特性等不同于传统的碳纤维复合材料，而天然纤维复合材料的阻燃研究正是国际航空界的热点。本申请提出聚合物型（酸源、碳源、气源三位一体）膨胀阻燃剂的分子设计原理，通过膨胀-纳米复合阻燃技术处理纤维和树脂，以获得航空安全的天然纤维增强复合材料及其典型航空构件。

主要研究内容

1.“界面/表面微连接强化”（Interfacial 3-3 Connectivity）新概念和基体相主导的多层次结构协调新原理

在单丝、丝束、织物、预浸料的表面以及复合材料的层间构造有机和无机、具有微米尺度3-3连接度的新型界面结构，从新型上浆剂的合成和表面化学改性开始，在上期973浸润去浸润研究的基础上，通过扩大界面化学键合和物理吸附，特别是建立大规模的界面机械啮合等效应，极大地提高复合材料在关键结构层次的界面结合力和稳定性，建立相应的界面/表面微连接强化材料学模型和力学模型，在国内外确立复合材料界面强化的新概念、新技术和新方法。

又在纤维间层次引入特殊微米、纳米尺度的结构，在“层间增韧”的基础上实现“层内增刚”；在叠层复合层次调制“周期”的“频率”，实现复合材料截面结构的均质化，提出复合材料多层次结构协调新原理并建立材料力学模型。在体型复合材料层次准确地分解其表功能和体功能，一方面针对应用，通过混杂纤维强化薄弱层来提升复合材料的整体性能；另一方面，通过表面显示功能化来提升复合材料冲击损伤的判断和识别阈值（BVID），建立多尺度、多层次的力学模型，最大限度地发挥和利用复合材料的潜质，以低品位的基础材料通过系统集成和优化达到复合材料高性能化的目的。推动成果快速转化应用，实现航空航天领域的领先应用。2.复合材料高效结构工程设计与设计方法优化

针对复合材料典型结构，实现从材料组分到结构的载荷、性能、损伤信息的高保真传递，建立从复合材料组分到结构、从分析设计到制造缺陷和服役损伤的全寿命一体化信息模型。重点分析各层次模型的渐进损伤模式和损伤模式的混杂机理，建立主要失效模式亚临界状态的判断准则，在亚临界状态下实现各层次结构性能的准确预报。对复合材料的各组元组分、工艺过程、服役环境过程中的非确定性因素进行分析，对各分布变量对材料在使用过程中的性能演变、有效性能和使用寿命的影响规律进行定量化表征，建立复合材料结构可靠性和安全寿命的科学定量预报方法。编制复合材料典型结构跨层次虚拟测试软件模块，完成针对高性能复合材料体系的典型结构设计的可靠性评价。

建立不同载荷、材料形态下损伤过程分阶段的多参量、多损伤指标分析模型；应用损伤度概念对复合材料失效过程相应不同损伤模式及其程度进行定量化表征，确定损伤度对本构关系及剩余强度变化影响规律；建立材料和结构破坏模式相关性为基础的关联度定义及分析方法；建立损伤示踪确定分析方法及损伤显示性和内部损伤关联性研究，发展的结构损伤阻抗、耐久性和损伤容限性能协调的典型结构设计分析方法。

在航空航天结构件的工程设计层次，根据典型服役环境的宏观设计要求、传力及连接、工艺可行性以及复合材料典型结构细节特点等，发展先进的、基于拓扑学特性的结构优化设计方法，并植入大型软件系统，实现航空航天复合材料制件的高效结构设计和应用。

复合材料结构分析设计与评价一体化软件等研究成果争取在大飞机等重大专项计划中取得应用。3.复合材料变形的结构模型与结构-功能一体化应用

合成制备研制零膨胀、负膨胀高聚物新材料及其复配体系，研究材料化学结构对温度-比容-压力性质的影响，有关材料形成标准；建立数值模型和实验方法，预测典型材料的P-V-T热力学关系和TTT转变关系；模拟非等温、非等压等实际工艺条件下树脂固化反应-材料物性之间的行为，优化复合材料的制备工艺；建模分析增强纤维主导性质对复合材料变形的影响，特别是非对称、非均衡铺层结构对复合材料变形的强烈控制，设计合理的多层次、多尺度复合材料结构，控制大型制件的变形；有关的模型力争实现软件化，可以嵌入或与商业工程软件兼容。

在理论分析和结构优化设计的基础上，设计具有多重玻璃化转变温度的多组分、多相高分子材料，其热机械性能图谱中呈现多重转变的“台阶”，利用其发展特征结构参数互异而界面互容的双稳态、多稳态以及线性、非线性温控变形的复合材料体系，主动响应外界环境（制备工艺环境、服役环境等），理解和实现复合材料的结构-功能一体化。4.制造技术建模、工艺系统控制和绿色材料技术典型基础问题

在树脂基体材料方面，重点研究共性的气-液-固3相态之间的相互作用，预报气泡成核生长、团聚和输运的特征过程，建立复合材料工艺缺陷的实验判据；在纤维增强材料方面，建立复杂织物结构的渗透率（K值）模型，结合仪器化的实验，数值预报和确定典型增强材料的渗透率。

设计特定的水溶性成份均匀吸附在无机颗粒表面，在固体材料内部形成了双连续网络结构，当固体材料功能完成后，水溶性组分遇水溶解，陶瓷颗粒彼此分离，导致原有固体结构溃散，全面考察无机聚合物基复合材料的结构-性能-工艺的关系以及固体材料与溃散功能的动力学关系，形成创新性的水溶性无机聚合物复合材料技术，支撑复合材料整体化高效结构制造技术的发展。

采用多尺度的复合材料力学方法和概率断裂力学的概念，建立适合于天然纤维增强复合材料的力学分析和建模方法；设计聚合物型新型膨胀阻燃剂，在其分子结构中引入活性端基与天然纤维接枝，在提高天然纤维阻燃性能的同时改善其与树脂基体的相容性、提高界面强度、热稳定性和耐久性差；在此基础上，研究膨胀阻燃与纳米阻燃的协同阻燃及凝聚态阻燃机理，提高阻燃效率。

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

复合材料科学与技术

ISSN: 0266-3538

IF2007=2.171 2.COMPOSITES PART A-APPLIED SCIENCE AND MANUFACTURING

复合材料 A-应用科学与制备

ISSN: 1359-835X

IF2007=1.662 3.COMPOSITES PART B-ENGINEERING 复合材料B工程

ISSN: 1359-8368

IF2007=1.311 4.COMPOSITE STRUCTURES

复合材料结构

ISSN: 0263-8223

IF2007=1.116 5.JOURNAL OF COMPOSITE MATERIALS