復合材料(Composite Materials)是由兩種或兩種以上的具有不同性質(zhì)的材料通過物理或化學方法,在宏觀上組成的具有新性質(zhì)的材料。復合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料,從而能滿足各種不同的要求。復合材料的使用歷史可追溯到古代,從古至今沿用的稻草或麥秸增強黏土和已使用上百年的鋼筋混凝土均由兩種材料復合而成。20世紀60年代中期,以碳纖維為增強體的復合材料問世,70年代初開始應用于飛機結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)材料相比,復合材料具有比強度、比模量大,耐疲勞性能好,具有可設計性、材料與結(jié)構(gòu)的同一性等特點,在飛機結(jié)構(gòu)上的應用量不斷提升,空客A350上復合材料的用量已經(jīng)接近機體總質(zhì)量的40%,波音787的機翼和機身上使用的復合材料超過了50%,空客A380僅機身壁板采用的碳纖維復合材料就高達30多噸。
民用航空對飛機飛行首先關(guān)心的問題是飛行安全。世界各國成立了航空局,對民用航空擬定了適航規(guī)章,并對民用飛機安全性要求進行了科學合理的等級劃分。適航是指民用航空器(包括其部件和子系統(tǒng)的整體性能和操縱性能)在預期的服役使用環(huán)境中和使用限制下,飛行的安全性和物理完整性的一種品質(zhì)。這種品質(zhì)要求航空器應始終處于保持符合其型號設計標準和始終處于安全運行狀態(tài)。美國聯(lián)邦航空局(Federal Aviation Agency,FAA)從材料、工藝、結(jié)構(gòu)靜強度、損傷容限和疲勞評定等方面給出了樹脂基復合材料結(jié)構(gòu)的適航標準及其符合性方法。與樹脂基復合材料(PMCs)相比,陶瓷基復合材料(CMCs)與其存在相似點,例如:各向異性、編織結(jié)構(gòu)、高強度/高模量的纖維、制造工藝敏感性與多樣性等;但也存在不同點,例如,使用環(huán)境溫度高(>500℃),材料組分多樣性(氧化基體、非氧化基體、碳化硅基體、氮化硅基體、碳基體等),制備工藝多樣性(聚合物浸漬裂解工藝(PIP)、化學氣相滲透工藝(CVI)、反應浸滲工藝(RI)、反應熔融滲透工藝(RMI)等),基體失效應變低,高溫環(huán)境下性能衰退/損傷/失效機制復雜,高溫環(huán)境結(jié)構(gòu)連接難,無損檢測與修理技術(shù)要求高等。針對陶瓷基復合材料(CMCs)的上述特點,為了保證其在飛機和航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)中使用的可靠性與安全性,F(xiàn)AA將陶瓷基復合材料性能評估、損傷演化、強度與壽命預測工具的開發(fā)作為陶瓷基復合材料結(jié)構(gòu)部件適航取證的關(guān)鍵。
本書介紹了民用飛機與航空發(fā)動機復合材料結(jié)構(gòu)適航驗證與審定領(lǐng)域涉及的理論與方法,全書包括6章,分別介紹了適航與合格審定、復合材料的原材料、復合材料的成型工藝與質(zhì)量控制、復合材料積木式驗證方法及應用、復合材料結(jié)構(gòu)疲勞與損傷容限適航符合性驗證及高溫陶瓷基復合材料。
在本書的編寫過程中,成震杰、周萌萌、徐冬蕾、郎璽博、潘姝越、費航、李栩進、丁圓圓、李夢蝶、孫麗、黃倩、王春江、代定強、趙志鵬、邢翔宇、繆奎宗、楊慧婷、董曉旭、桑益芹、文謙協(xié)助編者整理資料,在此向他們的辛勤付出表示誠摯的感謝。
本書可作為高等院校航空器適航等相關(guān)專業(yè)的教材或教學參考書,也可供飛機復合材料結(jié)構(gòu)適航審定人員及其他工程技術(shù)人員和研究人員參考。由于作者水平有限,書中不妥之處在所難免,希望讀者不吝批評指正。
李龍彪
2019年2月
第1章 適航與合格審定 1
1.1 適 航 1
1.1.1 適航性及其品質(zhì)特征 2
1.1.2 適航要求的安全水平 3
1.1.3 民用飛機與軍用飛機適航要求差異 7
1.2 適航規(guī)章和型號合格審定 9
1.2.1 適航規(guī)章 10
1.2.2 型號合格審定 13
1.3 符合性驗證方法 17
1.3.1 符合性驗證方法概述 17
1.3.2 符合性方法實施要點 18
1.4 持續(xù)適航 19
1.4.1 EASA 持續(xù)適航與維修 19
1.4.2 FAA 持續(xù)適航與維修 20
1.5 適航管理及各方責任 20
1.5.1 適航管理主要內(nèi)容和特點 20
1.5.2 保障飛行安全相關(guān)各方責任 22
1.5.3 設計保證系統(tǒng) 23
1.5.4 安全管理系統(tǒng) 24
第2章 復合材料的原材料 26
2.1 纖 維 26
2.1.1 碳纖維 27
2.1.2 芳綸纖維 32
2.1.3 玻璃纖維 33
2.1.4 其他纖維 34
2.2 織 物 39
2.3 夾芯材料 40
2.3.1 蜂窩類型 40
2.3.2 典型蜂窩芯材特點 40
2.4 基體材料 41
2.4.1 聚合物基體 41
2.4.2 金屬基體 49
2.5 預浸料 50
2.5.1 預浸料的分類 51
2.5.2 預浸料的特點 51
2.5.3 預浸料的制備方法 52
2.6 膠黏劑 53
2.6.1 膠黏劑類型 53
2.6.2 膠黏劑選用條件 55
2.7 涂層材料 56
2.7.1 防水和防紫外線涂層 56
2.7.2 絕緣涂層 57
2.7.3 抗靜電及耐沙石涂層 57
第3章 復合材料的成型工藝與質(zhì)量控制 58
3.1 復合材料成型工藝 58
3.1.1 手工鋪層 58
3.1.2 自動鋪帶 59
3.1.3 自動絲束鋪放 59
3.1.4 熱壓罐固化成型 61
3.1.5 液體成型 61
3.1.6 熱隔膜成型 62
3.1.7 復合材料構(gòu)件加工與裝配 62
3.2 成型工藝控制程序與工藝流程檢驗 63
3.2.1 成型工藝控制程序 63
3.2.2 工藝流程檢驗 64
3.3 成品檢測 68
3.3.1 制造缺陷 68
3.3.2 無損檢測 70
3.3.3 破壞性試驗 73
3.3.4 檢測工藝流程 75
3.3.5 驗收/拒收標準 76
3.4 制造符合性檢查與質(zhì)量控制體系 78
3.4.1 制造符合性檢查 78
3.4.2 質(zhì)量控制體系和最終驗收 81
第4章 復合材料積木式驗證方法及應用 83
4.1 各層級積木塊的功用 85
4.1.1 復合材料結(jié)構(gòu)研制的三個階段 85
4.1.2 積木式方法的基本構(gòu)型 86
4.1.3 材料性能的確定 86
4.1.4 設計值的確定 87
4.1.5 最終驗證 89
4.2 積木式方法的應用實例試驗 89
4.2.1 波音777型飛機尾翼的積木塊試驗 89
4.2.2 空客A310-300型飛機尾翼的符合性驗證試驗 94
4.2.3 空客A320型飛機垂直尾翼的符合性驗證試驗 97
4.2.4 空客A380型飛機水平安定面符合性驗證試驗 103
第5章 復合材料結(jié)構(gòu)疲勞與損傷容限適航符合性驗證 105
5.1 結(jié)構(gòu)疲勞和損傷容限評定依據(jù)和證實方法 105
5.1.1 結(jié)構(gòu)疲勞和損傷容限評定依據(jù) 105
5.1.2 結(jié)構(gòu)疲勞和損傷容限符合性證明方法選擇指南 107
5.2 復合材料疲勞和損傷容限特性 108
5.2.1 復合材料疲勞特性 108
5.2.2 復合材料損傷容限特性 109
5.2.3 結(jié)構(gòu)復合材料疲勞和損傷容限主要特點 114
5.3 復合材料結(jié)構(gòu)損傷容限原理 114
5.3.1 損傷容限的基本要求 114
5.3.2 損傷容限設計準則 115
5.3.3 損傷容限評定技術(shù)體系 117
5.4 結(jié)構(gòu)損傷危害性評定和損傷類別定義 118
5.4.1 結(jié)構(gòu)損傷危害性評定要求 118
5.4.2 外來物沖擊調(diào)查的內(nèi)容和目的 118
5.4.3 外來物沖擊環(huán)境和沖擊損傷定義 119
5.4.4 5個損傷類別定義和結(jié)構(gòu)證實要求 126
5.4.5 初始損傷假設和意外沖擊損傷設計考慮 128
5.4.6 損傷結(jié)構(gòu)剩余強度曲線和剩余強度要求 131
5.5 損傷擴展確認和檢查間隔確定 135
5.5.1 損傷“無擴展”“緩慢擴展”“阻止擴展”方法設計概念 135
5.5.2 損傷擴展特性確認 137
5.5.3 檢查間隔確定 137
第6章 高溫陶瓷基復合材料 139
6.1 陶瓷基復合材料的分類 139
6.2 陶瓷基復合材料的研究與開發(fā)現(xiàn)狀 140
6.3 增強體、基體和界面 141
6.3.1 陶瓷纖維 141
6.3.2 晶須、晶片和顆粒 144
6.3.3 基體材料 145
6.3.4 界面控制 145
6.4 制造與加工方法 146
6.4.1 粉末燒結(jié)法 146
6.4.2 氣體浸滲法 147
6.4.3 液體浸滲法 148
6.4.4 溶膠凝膠浸滲法 148
6.4.5 自蔓延高溫合成法 148
6.5 物理與化學性能 149
6.5.1 熱膨脹 149
6.5.2 熱傳導 149
6.5.3 氧 化 149
6.6 力學性能 150
6.6.1 拉伸、壓縮和剪切力學行為 150
6.6.2 斷裂韌性 151
6.6.3 熱沖擊與機械沖擊抗力 152
6.6.4 疲 勞 152
6.6.5 蠕 變 154
6.7 損傷模型 156
6.7.1 基體初始開裂 156
6.7.2 基體裂紋演化 164
6.7.3 界面力學及性能評價 170
6.7.4 纖維失效 187
參考文獻 195