技术综述
TECHNOLOGY SUMMARY
[摘要] 概述了聚合物基复合材料性能表征的特点，比较了国内外复合材料性能标准，分析了我国在这方面与国外的差距，并从引进国外最新技术、表达准则的编制与推广应用、力学性能测试和数据库等几方面分别简述了复合材料性能表征标准化研究的新进展。
关键词： 复合材料 性能表征 标准化 MIL-HDBK-17
[ABSTRACT] The features of property character-ization of polymer matrix composite is summarized. Ac-cording to the comparison between composites property standards at home and abroad, the difference is analyzed, and the new progress on standardization of composites property characterization is expounded from the aspects such as introduction of foreign latest technologies, drawing up expression standards and promoting their application, testing of mechanical property and building databa.
Keywords: Composites Property characterization Standardization MIL-HDBK-17
1 聚合物基复合材料性能表征标准化的意义
自材料性能表征始终是材料研究和结构应用最关心的内容之一，但对聚合物基复合材料来说，其性能表征更有着特殊的意义。其特殊性在于：
（1）与各向同性的金属不同，复合材料一般由基体和增强材料2种组分构成，为了保证结构性能，性能表征必须从组分开始；
（2）由于复合材料的失效机理与传统金属完全不同，用于金属的性能测试方法基本上都不适用，需要确定新的测试方法；
（3）由于复合材料的特点，提出了很多新的性能表征要求，特别是湿热和抗冲击性能；
寻找前世之旅抄袭
（4）复合材料是可设计的，在结构应用时其层压板可以由不同比例、不同纤维方向的铺层构成，形成了结构基本元素——层压板性能表征的复杂性；
怎样系领带
（5）复合材料的结构与材料同时形成，材料和工艺的
复合材料力学性能表征标准化研究新进展
New Progress on Standardization of Mechanical Property Characterization of Composites
中国飞机强度研究所 沈 薇 杨胜春 沈 真
变异性对材料（同时也是结构）性能有重要影响；
以冬天为题的作文（6）目前，复合材料及其结构的设计和使用经验仍很不足，对复合材料结构更强调积木式试验验证，复合材料性能表征包括组分、单层、层压板、结构元件和组合件（或更高级别）5类，种类和数量均远比金属多；
（7）复合材料性能表征在复合材料及其结构的研制、生产中有着重要的作用，根据性能数据的应用情况，又可分为以下5类：材料筛选、材料取证、材料验收、材料等同性和结构证实。
由于复合材料性能表征是复合材料及其结构研制与生产的重要组成部分，如此复杂多变的内容对其质量保证和结构验证有着极其重要的影响，同时也占了其研制和生产成本和时间的很大比重，为了缩短研制周期和降低研制成本，复合材料性能表征及其标准化一直是国外复合材料界的主要研究领域之一。标准化包含性能表征准则（包括选材、材料鉴定、材料等效、数据处理原则和统计方法等）及性能测试方法2方面的内容。随着复合材料及其结构研究的深入与应用的不断扩大，标准化的研究也在不断深入和发展。美国军用手册MIL-HDBK-17《复合材料手册》及ASTM D30下属复合材料标准的不断更新和内容不断增添，就反映了美国复合材料界在这方面的研究进展。随着复合材料在我国航空航天及其他工业领域的应用不断扩大，对复合材料性能表征标准化的要求越来越迫切，已在议事日程上占据了重要位置。孕21周
2 美国军用标准手册MIL-HDBK-17和ASTM
复合材料性能标准简介
复合材料力学性能表征的标准化工作主要体现在MIL-HDB-17第一卷和ASTM D30委员会制订的整套标准上。
被国外的复合材料与结构研制的工程技术人员称为“复合材料的圣经”的MIL-HDBK-17《复合材料手册》是由美国国防部下属的MIL-HDBK-17协调委员会编制，作为复合材料性能表征、性能数据以及在结构中应用的指南的军用手册，它是对美国和欧洲复合材料研
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究、设计和使用经验的全面总结，同时也是美国陆海空三军、NASA（美国国家航空和宇宙航行局）、FAA（美国联邦航空管理局）及工业界应用复合材料及其结构的最具权威的指导文件。MIL-HDBK-17手册于1971年1月首次颁布，美国数百位复合材料专家参与了手册的编写和改版，迄今已进行过6次改版，特别是上世纪90年代后期以来，美国的研究工作有了巨大的进展，2002年6月17日颁布的MIL-HDBK-17F就反映了这方面的研究成果，目前的版本反映美国复合材料性能表征已初步实现
了标准化和定量化，从而为新的复合材料结构研制节约了大量时间和金钱。目前正在进行第7次修订，并将更名为CMH-17。
高性能纤维增强复合材料诞生于1960年代初，1960年代末期开始用于飞机次承力结构，由于设计的需求，提出了复合材料力学性能的测试要求。最初这项工作主要在材料研究和飞机设计部门进行，以企业标准的形式出现。随后，为了复合材料的推广使用，出现了先进材料供应商协会(SACMA)的测试标准，其中得到广泛认可的则成为ASTM标准，相当于美国的国家标准，它基本上引领着国际复合材料力学性能测试方法的潮流。
ASTM标准通常每5年审查一次。最初的复合材料力学性能测试ASTM标准建立于20世纪70年代初期。由于对复合材料的特性和破坏机理认识很少，当时这些标准的制订主要参照相应的金属力学性能标准。在迄今为止的30多年里，对复合材料力学性能表征方法的研究有了迅猛的进展，特别是由于复合材料与金属的破坏机理完全不同，同时，还由于在复合材料飞机构件的使用中发现湿热影响和冲击损伤对复合材料性能表征有着重要的意义，因此，复合材料力学性能的测试标准在这30多年里已经多次修订，ASTM D30委员会专门负责先进复合材料性能测试方法的制订、审查、修订，目前复合材料试验标准ASTM标准大部分是在21世纪初制订和增添的（总共72项标准中有52项是2000年以后编制的）。
3 我国复合材料性能表征标准化现状
我国在20世纪80年代复合材料刚刚开始用于结构时，曾对性能表征标准化开展过一定的研究，但主要集中在力学性能测试方法的建立方面，而没有表达准则标准化的概念，这时期的研究为随后的复合材料体系研究和结构应用奠定了基础。20世纪90年代以后，复合材料研究规划的制订者和研究人员都把研究的重点转向新材料、新工艺及各种复合材料结构件的研制与应用
上，这本是无可非议的，但与此同时，本来就比较薄弱的复合材料性能表征标准化研究却没有得到相应的重视，基本上处于停顿状态。
与国外相比，除了看得到的新材料、新工艺及复合材料应用范围和规模方面的差距外，在它们的背后，表征复合材料具体性能所用的试验标准，以及材料和结构研制各阶段（包括选材、材料替换、各级别积木式验证试验）的数据获取、处理和应用等深层次的标准化方面存在着更大的差距。回顾国内这20多年来走过的历程，对照MIL-HDBK-17F为我们提供的经验，可以发现我们曾经走过了许多弯路。
目前，我国复合材料及其结构的研究和应用已进入了新的历史时期。首先，航空航天结构中的复合材料应用已不再只是复合材料专业人员的迫切愿望，也已成了各级领导和管理人员的共识；其次，先进复合材料的应用不再仅仅限于航空航天这样的传统领域，已经越来越多地进入了能源（特别是风能）、交通运输（高速列车、汽车等）、石油化工等其他领域。特别是民机复合材料结构的研制提出
了经济性和适航审定的要求，因此致力于降低研制成本、减少试验数量和保证性能数据可靠性的复合材料性能表征标准化研究已迫在眉睫。
4 复合材料性能表征标准化研究的进展
面对国内与国外在复合材料性能表征标准化方面的差距，中国飞机强度研究所结合国内新材料及军用和民用飞机复合材料结构的研制，近年来与中国航空工业有关厂所合作开展了大量的研究工作，并取得了一些进展。
4.1 引进国外最新技术
从2003年开始，陆续翻译出版了MIL-HDBK-17F 《复合材料手册》（共5卷，340万字）、ASTM D30委员会属下及其他常用的70多项复合材料性能试验标准（上下两册，约200万字），和FAA文件DOT/FAA/AR-03/19“聚合物基复合材料体系的材料取证与等效”，并已推广到国内几乎所有与复合材料及其结构研制和应用有关的院所、厂商，为国内了解和推行复合材料力学性能表征标准化提供了基本条件。
4.2 复合材料力学性能表达准则的制订和推广应用
在对MIL-HDBK-17F《复合材料手册》第1卷“结构材料表征用聚合物基复合材料指南”和DOT/FAA/ AR-
03/19“聚合物基复合材料体系的材料取证与等效”消化吸收的基础上，结合国产碳纤维复合材料工程化应用和多个复合材料体系及其在军民机结构中应用研究
项目和型号研制的实践基础上，于2008年完成了对航空行业标准HB 7618《聚合物基复合材料力学性能数据表达准则》的修订，通过了评审，已上报待批。其中部分研究成果已写入国军标GJB 67.14A-2009《军用飞机结构强度规范-复合材料结构》及其使用说明中。在该修订稿中主要完成了下述内容的标准化：
（1）明确了材料许用值的定义和范围，包括2部分内容，即材料单向性能和与结构设计有关的性能，并明确了数据获取的方法及数据要求；
（2）明确给出了结构选材、制订材料规范、材料鉴定（俗称取证）、材料验收和材料等效性验证所推荐的力学性能试验矩阵、数据要求和处理方法；
解决问题的英文（3）结合MIL-HDBK-17和FAA所推荐的方法给出了符合中国国情的数据处理方法，在此基础上编制了材料力学性能数据B基准值计算软件。数据处理时对不同厚度数据的正则化处理、异常数据的剔除原则、首选的数据分布、不同环境条件下性能数据的回归分析等给出了原则和可操作的步骤；
(4)对力学性能测试方法和冲击后压缩强度用冲击能量的选取给出了推荐选用的方法。
上述研究成果已在国产碳纤维工程化应用、大型客机选材、材料规范及材料许用值的试验方案编制、国产复合材料体系在直升机结构中应用的研制方案编制、新机复合材料结构研制等研究和型号研制中得到应用。4.3 复合材料力学性能测试
我国目前执行的由于复合材料力学性能标准大部分是20世纪80年代初期制订的，有些虽然进行过修订，但修订参照的蓝本基本上仍是美国20世纪80年代的版本，与ASTM D30委员会的试验标准相比，无论从包含的试验项目来自，还是从具体的方法来自都有巨大的差距。自2004年以来，中国飞机强度研究所与有关单位合作，对常用的力学性能测试标准进行了试验研究，研究内容包括与国内现行标准的对比分析和在国内条件下执行ASTM标准存在的问题。
研究表明，ASTM标准的基本内容是先进的，确实大大降低了性能数据由于试验方法引入的变异性；同时也发现有些细节不一定适合中国国情，在发表的文本中甚至有些错误，不能完全照搬，需要在理解的基础上制订出符合中国国情并与此等效、有自主知识产权的相关标准。研究还发现，对同一性能可能有多个ASTM标准，例如压缩性能测试，至少有4个标准可选；又如吸湿方法也有多种选择，需要通过研究确定最适合中国国情的试验标准和方法。按照上述原则，2008年先后完成了基本上与ASTM标准等效，同时又适合于中国国情的9项国标（包括拉伸、开孔与充填孔拉伸和压缩、纵横剪切和面内剪切、挤压、短梁强度与弯曲性能）制订与修订(已提交报批稿)，并申请了2项国标（压缩和吸湿）的制订计划。
在ARJ21飞机结构研制时，提出了大量复合材料力学性能测试的任务，而适航审定当局只允许使用ASTM 标准。由于进行了先期的研究，中国飞机强度研究所已具备承担该项任务的试验能力，并通过了适航当局的审查，从而承担并完成了有关的试验任务。与此同时，采用先进的ASTM标准也逐渐成了航空复合材料及其结构研究与设计人员的共识，并已越来越多地要求复合材料力学性能测试采用ASTM标准，中国飞机强度研究所复合材料性能测试组已承担了其中的绝大部分任务。
采用ASTM标准的另一关键是试验夹具，虽然在标准文本中给出了所用试验夹具的形状和尺寸，但实际上只是比较详细的原理图，其中某些尺寸甚至有误，而从美国进口则价格非常昂贵，中国飞机强度研究所通过试验和分析研究，已设计和制造出了具有自主知识产权的试验夹具。
目前，中国飞机强度研究所正在与国外公司接触，争取获得NADCAP（National Aerospace & Defen Con-tractors Accreditation Program）的认证，希望不仅在测试标准、试验夹具方面与国际接轨，而且在试验质量控制方面也能获得国外的认可，从而达到全面与国际接轨的水平。
4.4 复合材料力学性能数据库
复合材料力学性能表征标准化的目的是为了得到准确可靠且有效的性能数据，而为了在研制材料和进行结构设计时能方便可靠地得到这些数据，必须将它们存放在数据库中，因此数据库是研制材料和结构设计的基础。
长期以来，国内虽然多次进行过复合材料数据库的研制，但建库理念没有考虑复合材料的特点，已有的数据库均无法满足用户的需求。中国飞机强度研究所参照MIL-HDBK-17委员会对建立复合材料力学性能数据库的理念，结合复合材料力学性能试验及用户对数据的需求特点，以国产碳纤维工程化应用为背景，正在编制复合材料力学性能数据库。其特点为：（1）数据库内容包括两部分材料许用值，即单层级材料许用值和与结构设计有关的材料许用值；（2）其数据共分5个层次：汇总数据、单项性能数据汇总、每批次单项性能数据、原始记
（下转第29页）
3 自动铺带技术
在大飞机项目中，由于加大了复合材料壁板尺寸并提高了复合材料构件的质量要求，已经无法用手工完成大型蒙皮的铺叠工作。为了提高生产效率，保证大型复合材料蒙皮铺叠质量，自动铺带技术得到迅速发展，并广泛应用于尺寸较大、复杂型面的复合材料结构件的制造。目前，自动铺带技术在欧美已成熟，铺带机机械系统、CAD/CAM 软件、铺放工艺技术大规模应用于航空复合材料结构件的制造。其中，NavyA6轰炸机机翼，F-22战斗机机翼，波音777飞机机翼、水平和垂直安定面蒙皮，波音787机翼中央翼盒，A380中央翼盒等都使用了该项技术。
自动铺带技术主要分为铺带设计和铺带制造2部分。铺带设计是以CATIA 的CPD 模块为平台，结合设
备和工艺要求对复合材料铺层进行料带的设计；铺带制造则由铺带设备数控系统实现。首先进行铺带轨迹的仿真模拟，然后对机床参数设定，创建一个铺设操作，图3为自动铺带设备。该技术实现了大型复合材料构件制造的自动化，节约了成本、时间，提高了效率。
4 纤维丝束铺放技术万里明
对于机身等曲率变化较大的结构，可采用纤维丝束铺放技术，该技术应用专用的纤维铺放设备，设备制造商主要集中在欧美一些国家，纤维丝束铺放设备融合了纤维缠绕、复杂型面铺放和计算机控制的优点，实现了复杂外形复合材料制造的自动化。其中，铺丝指纤维丝束或窄的纤维丝带的铺设，通常窄的纤维丝带即可满足要求，适用于双曲面以上的产品表面制备，铺设时没有皱折，无需作剪裁或其他处理。铺丝可以代替铺带，只是成本较高；但铺带代替不了铺丝，复杂的曲面加工必
须用铺丝解决。目前波音787的中机身和前机身的复杂段都采用了纤维丝束铺放技术。图4为纤维丝束铺放设备。
图2 激光定位系统Fig.2
Lar positioning system
图3 纤维自动铺带设备Fig.3
Automated tape laying machine
图4 纤维丝束铺放设备Fig.4
Fiber placement machine
参 考 文 献现代酒柜
[1] 陈利平，曹正华.复合材料构件数字化制造的实现途径.第十五届复合材料学术会议，黑龙江：哈尔滨，2008.
总是口渴
（责编 金卯）
录Excel 汇总和试验原始记录，汇总数据可通过数据库数据处理程序由原始记录直接形成；（3） 本数据库的汇总数据也可按用户要求对不同生产厂家、不同批次分别处理得到；（4）所有的数据均具有可追溯性。
5 结束语
复合材料力学性能表征标准化是复合材料及其结构研制的一个新领域，中国飞机强度研究所在这方面已取得了一定的进展，但这是一项长期的任务，仍有大量的研究工作亟需开展和坚持，希望能引起有关部门的重
视，设立常设机构，主持相关的研究和管理工作。
（责编 依然）
（上接第27页）
