復(fù)合材料源于大自然，昆蟲、鳥類等動(dòng)物比人類更早地了解和應(yīng)用了復(fù)合材料，如用泥土將植物秸稈粘接在一起構(gòu)筑結(jié)實(shí)牢固的巢穴。而人類的復(fù)合材料應(yīng)用同樣也始于建筑，原始人利用動(dòng)物的糞便、粘土、稻草和樹枝等材料的混合結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建房屋。眾所周知的古埃及金字塔，便是使用了石灰、火山灰等作粘合劑，混合砂石等作為砌料，這其實(shí)也就是最早最原始的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料。
到了19世紀(jì)末，人類對(duì)于復(fù)合材料從無(wú)意識(shí)的感性向理性認(rèn)識(shí)階段發(fā)展，獨(dú)木舟建造者嘗試使用牛皮紙與紫膠粘合，制作紙層壓板就是典型的代表。20世紀(jì)30年代合成樹脂的出現(xiàn)更是推動(dòng)了整個(gè)復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，玻璃纖維和合成樹脂的“復(fù)合產(chǎn)品”也被認(rèn)為是現(xiàn)代復(fù)合材料的起點(diǎn)。
復(fù)合材料發(fā)展到今天，碳纖維樹脂基復(fù)合材料為代表的先進(jìn)復(fù)合材料已成為主流。先進(jìn)復(fù)合材料由纖維增強(qiáng)體與基體組成，其中基體起到粘結(jié)、支撐、保護(hù)纖維的作用，常見(jiàn)基體材料有雙馬來(lái)酰亞胺、聚酰亞胺、環(huán)氧樹脂等；纖維分布在基體中起到提高基體材料性能的作用，常見(jiàn)纖維增強(qiáng)體材料有碳纖維、玻璃纖維等。
隨著復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，航空飛行器復(fù)合材料的用量從最初的不足1％（DC-10），發(fā)展到現(xiàn)今的50％以上(波音B787，空客A350XWB)。復(fù)合材料的應(yīng)用結(jié)構(gòu)也由最初的次承力結(jié)構(gòu)（襟副翼、方向舵、擾流板、起落架艙門等）發(fā)展到主承力結(jié)構(gòu)（機(jī)身、機(jī)翼、尾翼、后承壓框等）。目前復(fù)合材料的用量已成為衡量航空飛行器先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一。
02復(fù)合材料的強(qiáng)度問(wèn)題
先進(jìn)復(fù)合材料由于其高比強(qiáng)度、高比剛度、抗疲勞、耐腐蝕及可設(shè)計(jì)性等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)中，尤其是航空飛行器結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)金屬相比，采用復(fù)合材料可使結(jié)構(gòu)減重20-30%。但是，世界上沒(méi)有完美的材料，復(fù)合材料也不例外，在諸多環(huán)節(jié)中不斷出現(xiàn)的問(wèn)題以及因復(fù)合材料強(qiáng)度問(wèn)題所引起的飛行事故，使得工程師們逐漸意識(shí)到，復(fù)合材料的研發(fā)之路還有很長(zhǎng)的路要走。
航空復(fù)合材料的抗沖擊性能差是其不可回避的問(wèn)題，在受沖擊后復(fù)合材料層間性能非常薄弱的缺陷暴露無(wú)遺，一旦出現(xiàn)分層損傷，則會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能造成嚴(yán)重破壞。冰雹、雷擊、鳥撞等使飛機(jī)結(jié)構(gòu)受損從而導(dǎo)致飛機(jī)解體引發(fā)災(zāi)難性事故的案例不在少數(shù)。
相比較于飛行過(guò)程中高能量的瞬間沖擊，日常使用、維修過(guò)程中的低能量沖擊更令工程師感到頭疼，事實(shí)上飛機(jī)復(fù)合材料部件最多的損傷恰恰就是在維護(hù)過(guò)程中各種碰撞、拆卸而產(chǎn)生的，比如維修人員身上掉落的扳手砸到結(jié)構(gòu)表面造成的沖擊損傷，這不經(jīng)意的一瞬間足以造成內(nèi)部的缺陷。而與高能量沖擊不同的是，這種缺陷在外表面可能根本無(wú)跡可尋。而當(dāng)你發(fā)現(xiàn)表面有勉強(qiáng)目視損傷時(shí)，可能結(jié)構(gòu)內(nèi)部已經(jīng)受損嚴(yán)重，強(qiáng)度也驟降一半之多。
近年來(lái)，隨著航空飛行器用途和使用環(huán)境的多樣化，復(fù)雜極端天氣，如高溫、潮濕、浸潤(rùn)等對(duì)復(fù)合材料的影響變得愈發(fā)不可忽視。雖然復(fù)合材料中的纖維增強(qiáng)體對(duì)環(huán)境敏感度可以忽略，但是水分子可以通過(guò)基體擴(kuò)散、纖維-樹脂基體界面間的毛細(xì)作用滲透到結(jié)構(gòu)中。這種“趁虛而入”的行為會(huì)降低其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，從而引起與基體密切相關(guān)的力學(xué)性能（如拉伸、壓縮、層間剪切強(qiáng)度、擠壓強(qiáng)度等）明顯下降。因此復(fù)合材料結(jié)構(gòu)必須考慮濕熱環(huán)境聯(lián)合作用下的強(qiáng)度問(wèn)題。
大家最為熟悉的F-22等戰(zhàn)斗機(jī)，由于超聲速巡航需求，機(jī)身外表面長(zhǎng)時(shí)間與空氣高速摩擦產(chǎn)生高溫，在機(jī)翼復(fù)合材料的選擇上不惜使用韌性和抗沖擊性能更差的雙馬來(lái)酰亞胺樹脂基體，以獲得260℃的最大工作溫度。B787在發(fā)動(dòng)機(jī)吊架等高溫結(jié)構(gòu)中，仍堅(jiān)持選用鈦、鋼等材料。
另外，復(fù)合材料靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的分散性均高于金屬，特別是疲勞強(qiáng)度尤為突出，因此在對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞驗(yàn)證時(shí)，除壽命分散系數(shù)外，有時(shí)還考慮載荷放大系數(shù)。
以上異于金屬材料的特殊性能和特征，在力學(xué)性能表征、設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估與驗(yàn)證等方面給復(fù)合材料帶來(lái)了一些特殊要求和強(qiáng)度問(wèn)題。隨著復(fù)合材料在飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，這些強(qiáng)度問(wèn)題也變得越來(lái)越突出。
03復(fù)合材料的強(qiáng)度力量
航空工業(yè)強(qiáng)度所在復(fù)合材料強(qiáng)度領(lǐng)域有一支長(zhǎng)期從事設(shè)計(jì)、分析與試驗(yàn)的專業(yè)團(tuán)隊(duì)。主要針對(duì)航空航天、軌道交通、車輛裝備及工業(yè)建筑等領(lǐng)域的工程應(yīng)用需求，圍繞復(fù)合材料耐久性/損傷容限、穩(wěn)定性、連接、積木式試驗(yàn)及輕質(zhì)多功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)等五個(gè)專業(yè)方向，開展基礎(chǔ)理論、技術(shù)攻關(guān)以及前沿探索等科研工作，并承擔(dān)相關(guān)驗(yàn)證任務(wù)。
作為國(guó)內(nèi)復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)型號(hào)研制與預(yù)先研究積木式驗(yàn)證的中堅(jiān)力量，完成了大量的典型構(gòu)件、大尺寸構(gòu)件及全尺寸部件的強(qiáng)度驗(yàn)證與評(píng)估工作，具有滿足適航要求的積木式驗(yàn)證試驗(yàn)技術(shù)及分析能力。
在理論分析方面，可開展復(fù)合材料連接傳載特性與連接強(qiáng)度分析評(píng)估、連接區(qū)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)規(guī)劃與評(píng)定；復(fù)合材料構(gòu)件、壁板和盒段等結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析及后屈曲強(qiáng)度評(píng)估；含缺陷/損傷復(fù)材疲勞壽命預(yù)計(jì)與剩余強(qiáng)度分析；復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理容限和修理方法分析，可維修性設(shè)計(jì)，修理結(jié)構(gòu)強(qiáng)度/剛度/耐久性評(píng)估等方面的技術(shù)研究。
在試驗(yàn)?zāi)芰Ψ矫?，配?kN-6000kN等不同規(guī)格的靜力和疲勞試驗(yàn)機(jī)20余臺(tái)，具備在低溫(-80℃)、室溫和高溫(1200℃)等不同環(huán)境條件下進(jìn)行材料及結(jié)構(gòu)力學(xué)性能測(cè)試的能力。自主設(shè)計(jì)研發(fā)了平直壁板雙向壓縮試驗(yàn)平臺(tái)、平直壁板壓-剪復(fù)合試驗(yàn)平臺(tái)、曲板（機(jī)身壁板）拉（壓）-剪-氣密載荷復(fù)合加載試驗(yàn)平臺(tái)。并擁有一系列的多通道測(cè)控系統(tǒng)、非接觸式全場(chǎng)變形測(cè)量系統(tǒng)等關(guān)鍵試驗(yàn)條件。測(cè)試技術(shù)與自主研制的試驗(yàn)夾具、裝置能力已達(dá)國(guó)際先進(jìn)、國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。
隨著先進(jìn)飛行器結(jié)構(gòu)的發(fā)展，新設(shè)計(jì)方法、新材料/工藝/結(jié)構(gòu)及自動(dòng)化制造設(shè)備不斷涌現(xiàn)，未來(lái)飛機(jī)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)復(fù)合材料化、整體化、結(jié)構(gòu)功能一體化的特點(diǎn)。復(fù)合材料在設(shè)計(jì)、制造、分析及試驗(yàn)等方面將面臨巨大的挑戰(zhàn)及機(jī)遇，同時(shí)隨著更輕質(zhì)、更節(jié)能、更高效、更綠色等理念的深度融合，也給復(fù)合材料的應(yīng)用提出了更高的要求。
強(qiáng)度所復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度專業(yè)將緊密圍繞我國(guó)軍民用型號(hào)飛機(jī)發(fā)展需求，著重解決復(fù)合材料在型號(hào)研制過(guò)程中遇到的強(qiáng)度瓶頸技術(shù)問(wèn)題，以及面向未來(lái)先進(jìn)飛行器的新材料、新工藝及新結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度基礎(chǔ)技術(shù)問(wèn)題。以探索復(fù)合材料強(qiáng)度理論、創(chuàng)造復(fù)合材料強(qiáng)度技術(shù)、提供復(fù)合材料強(qiáng)度工具、驗(yàn)證復(fù)合材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)為使命，支撐低成本、國(guó)產(chǎn)復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，進(jìn)一步提升我國(guó)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)、分析與評(píng)估以及試驗(yàn)驗(yàn)證等方面的技術(shù)水平，為我國(guó)工業(yè)復(fù)合材料的發(fā)展持續(xù)提供澎湃的強(qiáng)度力量。
