復(fù)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(guò)物理或化學(xué)方法，在宏觀上組成的具有新性質(zhì)的材料。復(fù)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(fù)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(qiáng)黏土和已使用上百年的鋼筋混凝土均由兩種材料復(fù)合而成。20世紀(jì)60年代中期，以碳纖維為增強(qiáng)體的復(fù)合材料問世，70年代初開始應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)材料相比，復(fù)合材料具有比強(qiáng)度、比模量大，耐疲勞性能好，具有可設(shè)計(jì)性、材料與結(jié)構(gòu)的同一性等特點(diǎn)，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用量不斷提升，空客A350上復(fù)合材料的用量已經(jīng)接近機(jī)體總質(zhì)量的40%，波音787的機(jī)翼和機(jī)身上使用的復(fù)合材料超過(guò)了50%，空客A380僅機(jī)身壁板采用的碳纖維復(fù)合材料就高達(dá)30多噸。
民用航空對(duì)飛機(jī)飛行首先關(guān)心的問題是飛行安全。世界各國(guó)成立了航空局，對(duì)民用航空擬定了適航規(guī)章，并對(duì)民用飛機(jī)安全性要求進(jìn)行了科學(xué)合理的等級(jí)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(yù)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(yīng)始終處于保持符合其型號(hào)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和始終處于安全運(yùn)行狀態(tài)。美國(guó)聯(lián)邦航空局(Federal Aviation Agency,FAA)從材料、工藝、結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度、損傷容限和疲勞評(píng)定等方面給出了樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的適航標(biāo)準(zhǔn)及其符合性方法。與樹脂基復(fù)合材料(PMCs)相比，陶瓷基復(fù)合材料(CMCs)與其存在相似點(diǎn)，例如：各向異性、編織結(jié)構(gòu)、高強(qiáng)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(diǎn)，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(xué)氣相滲透工藝(CVI)、反應(yīng)浸滲工藝(RI)、反應(yīng)熔融滲透工藝(RMI)等)，基體失效應(yīng)變低，高溫環(huán)境下性能衰退/損傷/失效機(jī)制復(fù)雜，高溫環(huán)境結(jié)構(gòu)連接難，無(wú)損檢測(cè)與修理技術(shù)要求高等。針對(duì)陶瓷基復(fù)合材料(CMCs)的上述特點(diǎn)，為了保證其在飛機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中使用的可靠性與安全性，F(xiàn)AA將陶瓷基復(fù)合材料性能評(píng)估、損傷演化、強(qiáng)度與壽命預(yù)測(cè)工具的開發(fā)作為陶瓷基復(fù)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(jī)與航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)適航驗(yàn)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(fù)合材料的原材料、復(fù)合材料的成型工藝與質(zhì)量控制、復(fù)合材料積木式驗(yàn)證方法及應(yīng)用、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)疲勞與損傷容限適航符合性驗(yàn)證及高溫陶瓷基復(fù)合材料。
在本書的編寫過(guò)程中，成震杰、周萌萌、徐冬蕾、郎璽博、潘姝越、費(fèi)航、李栩進(jìn)、丁圓圓、李夢(mèng)蝶、孫麗、黃倩、王春江、代定強(qiáng)、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(chéng)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(xué)參考書，也可供飛機(jī)復(fù)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(píng)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(jī)與軍用飛機(jī)適航要求差異 7
1.2 適航規(guī)章和型號(hào)合格審定 9
1.2.1 適航規(guī)章 10
1.2.2 型號(hào)合格審定 13
1.3 符合性驗(yàn)證方法 17
1.3.1 符合性驗(yàn)證方法概述 17
1.3.2 符合性方法實(shí)施要點(diǎn) 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(zé)任 20
1.5.1 適航管理主要內(nèi)容和特點(diǎn) 20
1.5.2 保障飛行安全相關(guān)各方責(zé)任 22
1.5.3 設(shè)計(jì)保證系統(tǒng) 23
1.5.4 安全管理系統(tǒng) 24
第2章 復(fù)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(diǎn) 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(yù)浸料 50
2.5.1 預(yù)浸料的分類 51
2.5.2 預(yù)浸料的特點(diǎn) 51
2.5.3 預(yù)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(fù)合材料的成型工藝與質(zhì)量控制 58
3.1 復(fù)合材料成型工藝 58
3.1.1 手工鋪層 58
3.1.2 自動(dòng)鋪帶 59
3.1.3 自動(dòng)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(fù)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(yàn) 63
3.2.1 成型工藝控制程序 63
3.2.2 工藝流程檢驗(yàn) 64
3.3 成品檢測(cè) 68
3.3.1 制造缺陷 68
3.3.2 無(wú)損檢測(cè) 70
3.3.3 破壞性試驗(yàn) 73
3.3.4 檢測(cè)工藝流程 75
3.3.5 驗(yàn)收/拒收標(biāo)準(zhǔn) 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(yàn)收 81
第4章 復(fù)合材料積木式驗(yàn)證方法及應(yīng)用 83
4.1 各層級(jí)積木塊的功用 85
4.1.1 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研制的三個(gè)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(shè)計(jì)值的確定 87
4.1.5 最終驗(yàn)證 89
4.2 積木式方法的應(yīng)用實(shí)例試驗(yàn) 89
4.2.1 波音777型飛機(jī)尾翼的積木塊試驗(yàn) 89
4.2.2 空客A310-300型飛機(jī)尾翼的符合性驗(yàn)證試驗(yàn) 94
4.2.3 空客A320型飛機(jī)垂直尾翼的符合性驗(yàn)證試驗(yàn) 97
4.2.4 空客A380型飛機(jī)水平安定面符合性驗(yàn)證試驗(yàn) 103
第5章 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)疲勞與損傷容限適航符合性驗(yàn)證 105
5.1 結(jié)構(gòu)疲勞和損傷容限評(píng)定依據(jù)和證實(shí)方法 105
5.1.1 結(jié)構(gòu)疲勞和損傷容限評(píng)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(fù)合材料疲勞和損傷容限特性 108
5.2.1 復(fù)合材料疲勞特性 108
5.2.2 復(fù)合材料損傷容限特性 109
5.2.3 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料疲勞和損傷容限主要特點(diǎn) 114
5.3 復(fù)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(shè)計(jì)準(zhǔn)則 115
5.3.3 損傷容限評(píng)定技術(shù)體系 117
5.4 結(jié)構(gòu)損傷危害性評(píng)定和損傷類別定義 118
5.4.1 結(jié)構(gòu)損傷危害性評(píng)定要求 118
5.4.2 外來(lái)物沖擊調(diào)查的內(nèi)容和目的 118
5.4.3 外來(lái)物沖擊環(huán)境和沖擊損傷定義 119
5.4.4 5個(gè)損傷類別定義和結(jié)構(gòu)證實(shí)要求 126
5.4.5 初始損傷假設(shè)和意外沖擊損傷設(shè)計(jì)考慮 128
5.4.6 損傷結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度曲線和剩余強(qiáng)度要求 131
5.5 損傷擴(kuò)展確認(rèn)和檢查間隔確定 135
5.5.1 損傷“無(wú)擴(kuò)展”“緩慢擴(kuò)展”“阻止擴(kuò)展”方法設(shè)計(jì)概念 135
5.5.2 損傷擴(kuò)展特性確認(rèn) 137
5.5.3 檢查間隔確定 137
第6章 高溫陶瓷基復(fù)合材料 139
6.1 陶瓷基復(fù)合材料的分類 139
6.2 陶瓷基復(fù)合材料的研究與開發(fā)現(xiàn)狀 140
6.3 增強(qiáng)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(xué)性能 149
6.5.1 熱膨脹 149
6.5.2 熱傳導(dǎo) 149
6.5.3 氧 化 149
6.6 力學(xué)性能 150
6.6.1 拉伸、壓縮和剪切力學(xué)行為 150
6.6.2 斷裂韌性 151
6.6.3 熱沖擊與機(jī)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(xué)及性能評(píng)價(jià) 170
6.7.4 纖維失效 187
參考文獻(xiàn) 195
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