波音787飞机上的复合材料

  复合材料是经过选择含有一定数量比的两种或两种以上的组分（或组元），通过人工复合，组成多相、三维结合且各相之间有明显界限、具有特殊性能的材料。先进复合材料以其高的比强度、比刚度、良好的抗疲劳断裂性能。

  先进复合材料首先在飞机一般结构上应用，随后在次承力结构、主承力结构上应用。20世纪80年代起，世界各国正在研制的性能先进的飞机机翼一级部件几乎全都采用先进复合材料，很多机身和机翼等主承力结构都使用了复合材料，且用量超过20%。而先进复合材料无损检测技术的发展水平和应用广度，对复合材料的研究深度和应用广度，有着至关重要的作用。随着复合材料在飞机上应用的不断扩大，复合材料的设计、制造、应用、损伤检测及修复也愈加规范。本文将从探究复合材料细观的损伤机理出发，分析典型材料的损伤机理。

  民机常用复合材料性能及结构典型复合材料介绍

  复合材料的分类方法有多种，通常是按基体、增强体或用途的不同进行分类。复合材料设计不同于传统材料的设计，传统材料设计是根据项目的使用目的和性能要求，拟定材料、结构、工艺及费用等方面的计划与估算，类似于材料选择，而非严格意义上的材料设计。

  高聚合物复合材料（树脂基复合材料）。它是用量最广的复合材料。其增强体常为纤维状、粒状、片状的纤维及其织物等。该类材料因具有高强度和高模量而作为结构材料。

  金属基复合材料。金属叠层材料有时也纳入金属基复合材料范畴，其主要应用于航空航天领域。

  陶瓷基复合材料。陶瓷基复合材料的增强体为陶瓷、碳纤维和难熔金属的纤维、晶须、晶片和颗粒等材料。

  碳基复合材料。通常其增强体为碳纤维（织物）或碳化硅等陶瓷纤维（织物）。

  普通复合材料。普通复合材料是用性能较低的增强体（如玻璃纤维）与普通高聚物（树脂）构成的复合材料。

  蜂窝结构和蜂窝复合材料。蜂窝结构是一种夹层结构或夹层复合材料，其夹芯层是由一系列六边形、四边形及其他形状的孔格组成形似蜂窝夹心材料，上下两表面层是与夹芯层接的薄板。

  复合材料失效、服役缺陷及损伤复合材料的失效

  复合材料和复合材料结构在经历了某些物理、化学过程后发生了尺寸、形状和性能的变化从而丧失了原来具有的设计功能的现象称为复合材料的失效。引发这些过程的作用可能是外载荷、材料老化、环境温度和湿度变化等。

  大多数失效问题主要集中于用作承力结构件的纤维增强复合材料，特别是纤维增强层压复合材料。失效的四种基本模式是基体开裂、纤维断裂、界面脱粘和分层。

  服役中发生的缺陷及损伤

  冲击损伤。冲击损伤是复合材料由于外界冲击而产生的损伤。对聚合物基结构复合材料安全构成最大威胁的是冲击损伤。

  芯材脱粘。夹层复合材料是一种层合型复合材料。夹层复合材料一般由性质不同的表面材料和芯材组合而成，通常表面材料强度高而薄，芯材强度低、重量轻而厚。

  芯材破碎。芯材结构在服役期间，可能会因为受过大的弯曲、压缩或冲击等导致芯材破坏，并往往伴随着界面剥离，这被称为芯材破碎。

  基体开裂。基体是复合材料中粘接增强体成为整体并转递载荷到增强体的主要组分之一。在复合材料中，基体一般为连续相的材料。受力不均等原因会导致基体开裂现象。

  纤维断裂。纤维断裂是指复合材料的单个或者多个纤维断裂。产生纤维断裂的原因，可能是复合材料的纤维增强层受力不均或外在环境的影响，也可能是纤维自身存在着缺陷。可以确定纤维自身的缺陷是复合材料损坏的发源地。

  老化。老化是指复合材料生产成型后随着时间的推移，材料的结构和性能发生退化的现象。产生老化的原因一般有大气暴晒、仓库存放、人工气候老化、热老化、水浸泡及水腐蚀等。（来源：《航空计算技术》）（南京航空航天大学 张伟）

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