复合材料的发展现状和我国复合材料界所iii临的问题顾震隆(哈尔滨工业大学)1928年生于上海，1950年毕业于上海圣约翰大学土木系，同年8月入哈尔滨工业大学研究生班，1953年毕业并留在哈尔滨工业大学任教．1979年起从事复合材针研究，现任哈工大复合材料研究室主任，教授，博士生导师．并任国际复合材料委员会委员，《固体力学学报撇复合材料学报》编委，著有<<短纤维复合材料力学》一书，发表有关论文40多篇．提要本文根据ICCMVI的250篇文章，整理出目前复合材料界共同关心的10个问题：复合材料朝高温材料发展，民用复合材料的成本问题，纤维、聚合物基体的发展，界面研究，工艺研究，无损探伤，复合材料的力学性能标征，结构分析和层间应力计算等等，最后对我国复合材料的发展，简单地提出几千主要问题．关键词高温复合材料，组分材料，界面，无损探伤，复合材料性能标征．复合材料的发展现状从六十年代末以来，人们对复合材料的疑虑已基本消失，开始认真考虑如何在各个工业领域中应用它的问题．近20年来，客观上的竞争形势已经把它推到舞台的显著位置。图1表示在八十年代后期复合材料在发展中所要研究的问题．军备竞赛和外层空间的开拓对材料提出了新的要求．复合材料固有的优点(比强度，比刚度高，可设计性强等等)使它取得暂时的优势，但是金属材料，如超轻的铝锂合金材料也有很多吸引人的地方．相比之下，复合材料的耐高温问题变得非解决不可了．在民用工业中，特别是汽车的国际市场上，在竞争中复合材料被人认为是一种有前途的材料，但必须解决它的成本问题才能真正被人采用．还必须指出：图1只能粗略地表示当前复合材料界所感兴趣的问题．实际上民用工业用的复合材料也有高温问题．军事工业和外层空间开拓也有成本问题．特别是常温下复合材料的应用中还有大量问题远未解决．譬如环氧基的复合材料的韧性问题，脱层等损伤问题都需要继续进行大量的研究．重．1军备竞赛和外层空间的开拓使复合材料向高温材料方向发展欧洲的Aeritalia，Aerospatiale，BritishSpace和MesserchimidtMB—ERNO的代表们极端秘密地在罗马集会讨论了发展宇宙飞机(Space-plane)的计划，它的飞行高度为30公里，飞行速度为5000公里川、时，150个座位，从伦敦到悉尼的飞行时间可以从14—15小时缩短到l小时．实际上美国已经制定了宇宙飞机的“东方列车”计划．这是美国里根总统在国情咨文中提出的．所以称为东方列车，是因为这种飞机从西海岸到亚洲只要不到两小时．美国将在九十年代中叶推出“先进战术战斗机”(ATF)，它将以超音速巡航，具有更大的有效载荷，拐弯时有9g的过载．在飞行寸，汁算机操纵的调整每秒有十几个之多，而丝帆市寸不血图1让合㈥仁lfT》研究课题过5万谤．生1990年由Lockheed-Californio和Northrop提出两种样机，要比现苜战斗机减重17——18y6，因为起落架之类的部件必须足金属，所以必须从别的零邮件—匕打主；意，估计几乎一半的机体将用复合材料，其中很多已不柯：是传统的环氧基复合材料，因为气动热会使坏氧树脂降质。在其它武器和宇航飞行器上同样也追刘高温问题．如卫星要求增加其有效载荷以配备更多的实验设备．朝阳和背阳的温度差高达几百度．为此原来用金属的零部件也要改为复合材社，如展开式天线，太阳能帆板，激光镜，x—光望远让：又如导弹的防热层；发动机的某些零郎倒：昂要恨拟其工作温度改用金属基复合材料或陶支基复合构丫斗，还有坦克的装甲板，履带和炮筒，以及舰艇，都有一个采用高温复合材料的问题．所谓高温是指高于环氧树脂工作温度而言的，即工作温度>150~C的复合材料就可以称为高温复合材料．一般来说，复合材料的工作温度是由基体所决定的．但是纤维本身Ul有其耐市温的极限．如芳纶属纤维在超过150~C长期受载就会使其强度退化．如果温度超过300~C玻璃纤维就受到潮气侵袭，碳纤维可以经受更高的温度，但是温度太高了会使纤维氧化，树脂基体中可以作为高温聚合物的通常有：热圆性树脂：改性的环氧可以经受180℃、酚醛和BMI可达250~C、PSP和聚酰亚胺可达300~(2，(温度越高越脆)；热塑性树脂：晶体的热塑性聚合物的了。＝210~G，非晶体的热塑性聚合物的了e＝260℃，但是考虑到材料还要受力，所以最高工作温度大约等于r，一3U℃．ICI的APC(HTX)(一种PEEK)如果允许刚度下降50g6的话，则可在350~C下工作．如果温度再高就要用金属基复合材料，目前主要兴趣在于<500℃时用铝，镁台金，600~C一700~C用钛作为基体。硼／铝已比较成熟，但太贵。碳化硅的金属基复合材料也在发展中，对于低成本的SiC，Si真y41晶须SiC多股纤维，如Nicalon，Tyrano和氧化铝多股纤维晶须，织物，层板，以铝，镁，钛作为基体的金属基复合材料都有应用前景．问题是金属基复合材料的复合工艺，既要保证界面质量，又要求其成本具有竞争力．如果工作温枣更高的话，就必须用玻璃或玻璃陶瓷为基体，实际上在300——450~C这一段温区内，目前就用NicalonSiC增强陶瓷，当然这里会跟MMC(金属基复合材料j材料竞争．SiC和其它陶瓷纤维增强玻璃陶瓷纤维增强复合材料至少可以在900。一1100。一1200~C之间工作．它们在发动机中的应用具有广阔的前景，它虽然有很多制造工艺可供选择，伹到目前为止．似乎最成功的制造工艺是悬浮液浸润工艺．把玻璃—陶瓷粉末放在有机胶液内，把附朽玻璃—陶瓷粉末的纤维制成预浸带，在温度为1200~G和压力为6MPa下压制成零部件．这卫J·日1200~C是为了把胶液烧去．另外要避免损伤纤维，而且基体要选得与纤维具有相近的热膨胀系：敬，否则会产生过大的热应力而引起裂纹，界面接合问题是进一步研究的方向。陶瓷基复合材料(CMC)主要是为了给陶瓷甚增韧，这是与树脂基复合材科为了增加强支刚度根本不同的．七十年代末出现了价廉的陶瓷品须和陶瓷纤维，这种CMC是最近几年巾发展最为迅速的研究领域．超过1200~C，就要用超高温材料，遇到纤维氧化或蠕变问笆，碳碳是一种超亨．叶复合材讣，如果防止氧化，可以住2000~G以上的环境下工作，如果不加保护，只能在50u℃下工作．为了防止氧化，表面上应涂一涅AlzO~，SiO+或Cr20，的防氧化材料．不加防护的碳碳材料只北九梪寸川肉使用，如战斗机刹车盘，火箭发动机喷咀喉衬，或导弹的鼻惟．这次会议中，列入陶瓷基复合材料标题下的文章仃s篇，其中斗筛妍穴纤痕增丛刷瓷促使仞性提高的仉理．例如Nicalon增弧氧化硅住纤维／基沐界面上发生脱胶．SiC／硅酸训钡(Lithium aluminosilicate)籼GR／硼酸玻璃(boronsilicate glass／，无沦庄抒载还是在挂击下，界面上邪发生磨擦，还有人认为纤维增强陶瓷把材料分割，从而增加了耗能机制，还有人认为天然微裂纹扩腱过程中共走向发生偏沂而引起额外耗能，另外斗篇是有关纤维增强混凝土的问题．印度作者提出用天然的植物纤维增强水泥，其中一篇是用剑麻代替致癌的石棉以制造波纹瓦．列人企届基复合材料标题的文章有3／篇，其中有20篇与制造工艺，界面的仿结构，损伤相[制有关，其余l?篇主要涉及MMC在不同环境下加载条件下的宏观性能和零部件成型间题．MIT赃来有一个“凝固加工研究组”(SolidificationProcecsingGroup)，现在扩大成为“凝固和金属基复合材料研究组”它隶属于“金属基复合材料的制造工艺和性能评价研究中心”，该组的研宂工作包括加压渗透(Pressure lnfiltration)，半固态悬浮液(合成铸造)工艺(Semi-solid slurry processing)(“compocasting”)，复合材料的固化(Solidification)，界面科学和控制(tailoring)，基体的微结构设计和金属基复合材料的物理力学性能的优化，该文章就介绍MIT的研究成果．还有一篇文章综述溶态渗透和粉末冶金工艺制成的MMC的内部微结构特征．还．有一篇研究高压铸造(PressureCasting)时溶态铝向预热的氧化铝“SAFFIL'’纤维预型㈠：(Preform)渗透速度，有关SiC晶须或短纤维的MMC共有12篇，它们研究了合成铸造，挤压铸造，拉拨工艺制造的材料在刚度，硬度韧性方面有提高，而延性和断裂功方面有降低与工艺参数之间的关系．有一篇文章讨论SiC／A1的流变学行为方面的研究成果．日本人用真空系统来作挤压铸造，结果使MMC强度增高6gS，可靠性也有所提高．因为氧化铝纤维生产易于控制，可以改变共晶体微结构以得到所需的强度，刚度，硬度和比重．有一篇文章介绍了制成弧形短纤维，用拉拨成型工艺制成发动机的MMC零件，但必须控制其界面的化学反应．有关不同环境条件下MMC的宏观性能方面包括有热循环，疲劳，高应变率，蠕变，核辐雕，扭塑性，老化、硬化等效应，其中有我国吴人杰的有关碳石墨／铝的温湿效应．在金属基复合材料方面，我国还有4篇文章，即合肥工大的C／Pb—Sn，C／Zn的断裂行为札涂以Cu和M表面层的C纤维的高温相容性以及沈阳金属所的HIPC／Al界面和断裂问题的研究．1．2推动民用工业中应用复合材料的关键是成本问题，为此要进行大规模使用和生产．这次会议的荣誉报告(ScalaLecture)是由法国雷诺汽车公司Jardon的“大规模生产的复合材料”，他指山复今材料的工业应用一直带着“高质量川、量生产”的特点，共根本原因是成本方面的考虑．无论那一种产品的成本包括三个组成部分．①制造成本，即从市场购买所花的钱，②运删这个产品所要花的钱，③产品非正常破坏会引起的损失费，对飞机来说非正常破坏意味着机哎人C：，对宇宙飞行器(女[132星)来说是指根据工作需要而装配的实验设备跟飞行器—·起消灭．如果足武器就可能影响列胜败，其政治和经济的损失无法估计，根据这三项成本，决定了高质量／小量生产约原则．对于民m工业来说，情况就不同，以汽车工业为例，三项成本中只有第一项生产成本是决它1”卜的，虽然绿日油耗也是市场竞争中的一个指标．表1表示汽车，飞机，宇宙飞行器的制造成本的对表1制造哎本对比72~-'、飞机或宇宙飞行器R9AirbusAril立e2削造成本(1000美元)1U6通过Xi(，海上斤世价1j?比：可见对民川工业来说，不能按高质．琶／小最生产的原则，否则复合材料是没人敢问津的．目前汽乍工业往往同一型号日产4000—5000辆。而飞机，宇宙飞行器的产量要少得多，直升机算是产量I：匕较高的山不过600狮／年．因此复台材料在民甲工业中的应用必须适应大规模生产的形势，而且只有生产自动化，大规模生产才能i：巴制造成本降下来．在民用工业中复合材料都用最便宜的纤维和基体．如短切玻璃纤维和聚脂，还往往加上不值钱的填科．现在雷诺汽车公司每天要泪80t复合材料，其中防冲挡(2000—3000／日)，外车身如后门加固仆(1500／日)，后门天花板折叶板，还有悬挂部件如弹簧、扭杆、机罩下的阀门盖、水泵曲轴箱壳等等都可门q仆材料．外车身川复合材料之后，不但撞击吸收能量高，而且与金属相比，其外表在损伤后还能保持过得去．防冲档和侧面保护部分都可用SMC制成．但是，在欧洲流行整个汽车的外部件都闭同杆颜色，而且线条应该光滑，这是SMC堆以做到的．所以，最近考虑用热塑料加上价廉的涂科(聚酰烃)，市场上还可以看到用RRIM工艺制成的聚胺脂零件．这说明在民用工业中要，七规模应用复合材料尚须做极大的努力．金属和塑料一直在向复介材料挑战，必须革新设计思想，并有新的制造工艺与之配合，才能降低成本，在竞争中战胜金属和塑料．在这次会议上，有关汽车用的短纤维复合材料的制造工艺有3篇文章，包括避免在模压件上出现“焊缝”的办法，注射模压的流变学和控制纤维流向的多点进给模压工艺．有关力学性能方面有6篇文章，其中4篇研究sMC材料的断裂机理，断裂力学应用的可能性．断裂韧性和“裂纹扩散系数”等研九．另外两篇研究疲劳和应力腐蚀问题．前面提到的12篇短纤维MMC和3篇短纤维或晶须CMC在汽车发动帆上也有应用的可能性，当然，目前成本太贵，技术也不够成熟．有关汽车工业中复合材料的研究课题还有很多，但是本次会议上没有充分反映．1．3纤维的发展情况作为高温复合材料的纤维模量必然比较高．1．3．1在衬底丝上生产的纤维以钨丝为衬底，用CVD制成的硼纤维的模量超过400GPa：闲为它有很粗的直径140户m，所以压缩强度也很好，但是复杂的工艺和很低的生产率，注定它的成本太贵而无法使用·．美国航天飞机的骨架中，有200多根B／A1管子，看不出以后还有什么实际应用的前景．刚钨或碳丝做衬／茫，用CVD制成碳化硅的纤维，用以制造MMC，其模量可达412GPa，而且经受得c高温．同样，其成本太贵，很难有实际应用的机会．1．3．2碳纤维可作高温复合材料，但是延伸率比较低，所以最近几年内，着重提高它的延仲率．十年来，延伸率几乎增加了一倍，从l箱增加到1．8g6，并有希望很快达到2．296．这主要是通土优化其微结构，改进原丝质量和热解条件而达到的．并把直径降低到5／xm，进一步提高延仆率的潜力不荏于纤维本身，而是在于树脂。树脂的韧注提高之后，才能使碳纤维的性能充分发挥。●4'PAN丸丝制成的碳汗报武术太高，无之屯硐十民用工业．几年来，企图从练油和煤听剩的沥青中川边恢纤维，瞟抖戎本太低了，而训造成木却提高了．三菱化学公司计划在1987年咬斤始从煤的沥青中制成商j¨纤维．其目的是民刚工业中应用，人们估计在!o世纪的汽车工业中，大概还不会止；1J任河种类的：：生下纵．11．3．3陶瓷纤维还不刹十年的历史，1979年，DuPont推出的商业川陶瓷纤维是纯真，c—氧化铝长纤维，旧于MMC．它盲高模量，但由于大的(，c—氧化铝晶拉太脆，不能编织，其直径的15—20弘m，能经壬1000~C．八十年代，日本做素厂制成Nicalon，标志着新型陶瓷纤维的开端．它含有?0yS的SiC，其余的是二氧化硅和自山碳顷子．直径为12一15／zm，这种纤维可经受1000~C，高于这个温度，Ni— cal011将蠕父并氧化．它对微波辐射是“透明”的，所以还可以作为功能材料来应用．日木的UBE工业公司用类似的方法制成Tyrano，它还含盲钛，是非晶体结构，声称可经受1300~C．在氧化训拈础上生产的纤维还可以列出几种，日本Sumitomo生产的氧化铝纤维，虽然模量低一些，但比较轻，可以编织，可经受1000~C．这种纤维在1000~C以上会蠕变，在1000~C-．1500~C之间去尖然柯变而变松，失掉模量和强度．ICI生产的SAFFIL氧化铝短纤维本来是作为绝热材料使用的，后来才发现可以用它增强金用，共直任才3ltm，最近又生产出半一连续纤维称为SAFIMAX．美国3M公司生产出Nextel，今后几年中，陶瓷纤维的单子上还会有更多的新品种出现．现在很需要经受1200~C以上温度的纤维，因为下一代航天飞机和宇宙飞行器都在这个温区工作。其它的短陶瓷纤维和晶须可以用来增强金属，由于成本高，没有适当的应用场所，其发展受到一定的影响．但是，近年来有些新品种出现，而且汽车工业中，需要增强铝的连杆以提高刚度．所以，研究工作也比较活跃．1．3．4有机纤维尼龙纤维的模量只有4—5GPa．聚脂纤维和Nomex纤维的模量是l?一18GPa．它们只能用来增强橡胶．能作为结构材料的有机纤维是Kevlar49最近DuPont公司又推出Kevlar“9，其模量是”9GPa，比Kevlar49提高40y6，吸潮率仅是Kevlar49的了o：L．但是由于~Kevlar纤维是各向异性的，所以，除了轴向以外，其它方向的性能部较弱，大家都知道受压的主要结构上不能采用它。日本Teiiein的Technora纤维(原名HM—50)也厉芳纶属，其模量较低，也只能用于增强橡胶。要制造高楼量的有机纤维应该用单一的聚合物，并在制造过程中使其分子结构排列成单向．这样的有机纤维的模量是可达240GPa．荷兰DSM公司推出的高模Polyethvlene纤维可与DuPont的Kevlar竞争，特别是其比重只有0．97，但它只能经受120℃的温度，否则蠕变很严重．所以，目前只用在体育闲品上．在会议上，纤维的性能大部分在与复合材料的力学性能有关的沦文中叙述．如近年来发展最快的陶瓷纤维都在CMC和MMC的论文中提到．只有一篇讨论高模Polyethylene纤维的论文．加拿大不列颠哥伦比亚大学企图探讨以混杂纤维的形式将它用于承力构件可能性的研究．札巧曲，层间剪切和落标撞击试验中发现其吸能量较大，但由于其层间的剪切强度太低而发生脱层，在弯曲时可以增加碳纤维比重以增加刚度，但延伸率太低．作者还是认为可以适当调配Polyethy— lene和碳纤维的比例和层板的铺陈次序以得到符合要求的层板．1．4聚合物基体的发缺情况在三类基体(聚合物、金属、陶瓷)中，聚台物基体用得最早，但是要求改进的呼声也最高．环氧树脂20多年的历史，大多数承力构什都用它，它已有比较齐全的数据库和各色各样的规格．但是它太脆，固化时间太长，工作温度太低，价格相当高．所以，聚合物基体的发展主要是瞄准着这些问题来的．在会议中，以聚合物基体为标题杓沦文有4篇，美国Phillips石油公司沦荐聚芳疏(PAS)厂：为高质量热塑性基体，它具有很突出的抗化学反应，热平衡，强嚏高、哼火枷加工性能好，可以与玻璃纤维，碳纤维、芳纶纤维以织物或连续纤维的形式削成预浸带，第二筛是有关牙科川复合付科的问题，研究用热分析来确定牙科单分子体转换成聚合物的程室，有机聚合物基体，；卜无机歧抖有多大比例．第3筛文章是捷克和匈牙利两位作者写的“三重复合材蚪聚丙烯／高弹休／填枓结构和师性性能”，这是以前工作的继续，文章的背景足PP(聚丙烯)，在Tg以下(一10~C)抗撞击能力很差，如混合5—20％的乙丙烯(EPR)高弹物，撞击抗力就可以得到很大改善．因为高弹物在扯山寸产生应力集中，促使微裂纹的产生，并产生塑性变形，使PP吸收能谴，而不导致宏观损伤．但是高弹物使PP的刚空屈伏点和蠕变抗力都降低，于是又加进了填科(碳酸钙)．该文的目的是用自山振动的扭摆撞击之后，用SEM观察以研究确定相结构的控制因素．苇斗笊涉及的是地质聚合物(Geopolymer)基休的复合材料，这种复合材料可以经受很高温度(1100-c)．更多的聚合物基休的研究散见在有关复合材科‘性能的文章之中，几乎涉及所有实用价值的聚合物基休．如热冈性的BMI酚醛，聚醚亚胺和热塑性的聚醚醚酮(PEEK)，聚碳酸脂，PPS，PSP，PEI，PES，氟塑科(FEP，PFA)等等．在这里不能一一介绍，仅想把最主要的信息稍加整理，介绍于后：PEEK比环氧的优点已众所周知，但在固化工序土：，既有优点，又有缺点．固化速度快，储存时间长，这是优点．但是，热塑性复合材料要热成形，有些工艺如热缠绕(h。t—h“d wi，d止g)还只是在实验室阶段，无论哪一种方法都要高温(3；0—370~C)和高压下进行．有人说热塑性复合材料成本低，但目前，热固性基体价格是20—40美元／磅，高温热固性基休(BMl)预浸带，65一?5美元／磅，而热塑性基体价格是80一100美元／磅．另外，如果真要用热塑基休就需要一个齐全的数据库，环氧树脂用了20多年，还有一些出乎意外的问题出现，如碳／环氧层板受硬物撞击之后，受压边的单层坯会发生屈曲是事先没有预料到的．有人说，热塑性基体比热固性基体的韧性好，但是它对缺口敏感性更强．因为对热固性基体来说，孔边有微裂纹，使应力集中松弛，而热塑性基休不发生微裂，所以，反而容易断裂．热塑性基体日前还不能在主要承力构件上使用，还需要积累长期的抗环境影响的数据，但是对于襟翼，前缘缝翼(slats)，控制面的前后部，起落架门，这些零部件经常要受到刮伤，所以，热塑料是比较合适的材料，易于修复或替换．最有希望的热塑料是Lockheed为Wright—Patterson作鉴定的三种．即ICI的APC／HTX(是一种PEEK)，Phillips石油公司的PAS—2(一种PolyaryleneSulfide)和Amoco公司的PSM8505(聚丙烯醚砜)，还有两种虽然不是热塑料，但也可能被采用，就是Amoco公司的TorlonAIZ638(聚酰亚胺)和DuPont的Aramid川(一种聚酰亚胺)还有一种液晶聚合物，即Dartco的Xydar(这是一种自增强塑料)是德国BASF研制的类似PEEK的热塑料．日本的LARC—TPl，这是NASA—Langley发现的一种热固性聚酰亚胺．热固性基体可以为承力构件的材料的最有希望的后补者是聚酰亚胺，至于哪一种聚酰亚胺，要看是什么工作温度．LARC—TPl和PMR—1；在350—370~(2：下固化，并在较高温下使用．可惜，当组分原料混合寸，化学反应引起挥发物形成气孔，从而使材料性能下降．如用合成聚酰亚胺，可以避免这个困难，因为形成最后的聚酰亚胺时，原先的组分已完全用上了，没有气泡产生．可是-[：作温室却下降了．BMI是最有希望的合成聚酰亚胺，而且环氧固化的一套设备对它完全适用，只是固化工艺稍有改变，可惜BMI山有缺点，就是吸潮速度比环氧快10倍．虽然总的吸潮·6。1．5纤维／基体界面有人说纤维／基体界面是复合材料的“心幢”．为组分材料之所以能够成为复合材料是依靠纤维／基体之间的界面来传递力．可以说大部分文献或多或少要涉及界面问题．但是，至今人们对界面问题还是不完全明白，很多互相矛盾的现象不能解秆．·匕们与宏观性能之间的关系无法联系，特别是界面的化学反应无法观察和测量，无沦在理沦分析上，还是住丈验技术上，还有很多工作要做．本会议以纤维／基体界面为标题的文章有6篇．第1篇是英国F．R．Jones等人用一些现代试验技术来研究界面，包括用XPS(X—RayPhotoelectronSpectroscopicAnalysis)方法揭示界面上的化学和微多孔结构．这是闲为虽然可以用表面氧化来增进碳／环氧界面粘结已早为人所知．但一直：旨一些互相矛盾的报道，所以用XPS的钡示踪技术对界面上酸浓度作定量分析，并进——步财微孔中树脂的吸收量作检测．为了把界面的化学和微孔结构与力学性能联系起来，又用了SIMS(Secondary lonMassSpectrometry)分析横向断裂表面来看看有没有很薄的基体层还保留在纤维表面层内，改变纤维的表面氧化处理来看界面组织和断裂表面的变化和特点，以澄清以往研究中的糊涂概念，结果证实了表面氧化改善粘结的结论．第2简是美国Bascom等人发现一个无法解释的现象，即AS4和ASl纤维与热塑性基体的拈结性质很差，另一种碳纤维XAS与同样的热塑性基体有很好的界面粘结．作者用表面处理剂印加热净化(heat cleaning)企图改进占结，但无效．用表面光谱仪(Surface spectrosc。pV)和浸涧测趾对AS4和XAS分别作表面分析，却找不出产生区别的原因．第3篇文章是英国Barlow讨论界面粘结对连续碳纤维增强热塑料性能的作用，证明如经最佳化，界面的强空可以既大于纤维的，也可以大于基体的。第4篇是日本的Sawada等为了企图解释一些互相矛盾的现象，取纤维表面的有效表面积(active surfaceArea)和表而粗糙度为参数来联系宏观剪切强度得到确定的线性关系．第5篇文章是荷兰的Verbruggen通过试验证实界面粘结不好的话，I型和II型的断裂情况部可降低其能量释放率，他认为这是因为脱胶可以降低应力集中，也可提供更多的耗能机制，如纤维拔出．但是对于压缩来说，脱胶是有害的．第6篇文章是法国Jacqucs等人用重新设计的Fraser—DiBenedetto的单丝试验，确定了界面的剪叨强变1．6复合材料制造工艺方面的发展很多；有关制造工艺方面的研究成果分散在很多文章中进行介绍，特别是CMC，MMC的制造工艺在前面已经提到了一些，归入制造工艺标题以内的文章有14篇．其中SMC模压的焊缝问题：注射模压的长纤维增强复合材料的流变学，多进给模壬以控制纤维流向的问题已在前面提到过了．在固化过程中，何时加压是一个很重要的问题，为此要监测固化过程中的参数．英国的Wetton等人和美国VPI的Kranbuchl等人都主张用介电分析的办法来联系固化过程的化学和聚合物的介电性能，从而对固化过程有一个比较精确的标征．英国Ridgard讨论了低温模压的预浸带在高温下使用的零部件或工具的制造工艺的优点．在大规模生产中，对固化出来的零部件表面质量要求很高，特别象汽车的外部零件的表面质量要跟传统的金属部件竞争，德国的Spiro等讨论了工具，特别是电铸成型的工具的要求．台湾的清华大学的马振基等提出拉拨工艺制造玻璃钢和碳／环氧运动器具的工艺参数影响，受到听众的注意．我国武汉—r：业大学李湘利(译音)等提出在任意回转曲面上的非短程线的缠绕方程式，而英国出Welis等提出按非短程线轨迹实现计算机辅助的缠绕软件．●7●葡萄牙的Brito考虑到堰绕与铺陈的扳壳不同，他以往壳为咧，研究其刚度系数，发现当仰绕层数增加寸，刚度系数趋于稳定，并且刚嚏矩阵趋于对称，但是如果喱绕角小的活，得不到这个结果．意大利的Crivelli、Visconti研究了用激光束对纤维增强复合材料的仉械加工的质地的抨定准则和切削参数对质量的影响，结果说明切割速支和激光束的能量分布是两个主要因素．新型的复合材抖』：艺包括针织、编织等工艺，发展很快，但在本次会议上没有专门的文章耐他们进行报导．1．7无拟采伤在无损拣伤的标题下有12篇文章其中有5篇是有关声发射技术的应用，其中有斗锦是有关弯曲寸的声发射技术的应用．CFRP印SMC的断裂的监测和碳、芳纶及玻璃纤维增强复合材料脱层的蓝测．法国的Cherfaoui等人提出一个声发射数讹处理的方法，这是以的工作的继续，他们首先把AE信号数字化，确定频谱，最后用多变量数捌分析方法和自动分类的技术，从这些数据中得到最多的信息．作者认为，随着仪器的改进，这个方法将越来越显得比址．有一门卫德团Rief谆人讨论光热波分析技术，作，号认为对CFRP来说，这种方法恨适台．因为这些材科，i亡的吸土系数和热传导系数都高，能得到精度较高的测量数据．用光照射以产生扯皮场，然后得出的热歧数据。它与纤维模量有确定关系，纤维体积比的测量精度可达196，裂纹，气孔，夹杂物可以在o．12mm深哎内检测出来，这个方法还可以监测固化过程．德旧5chul(c等人州热电隅直接测量复合材料在忻环裁荷下的温升，作者认为热相仪不能描述疲劳拟伤的真币演化过程，1÷F者根据损伤周围材科的热传寻系数发生变化，所以用温度变化来表示损伤的积累，结果与用其它方法得出的结果一致．法国Thierf利用医学用的x光层析密度计来检查气孔脱层和夹杂物，并且可以观察住湿温的影响下的缺欠的演化等等．作者认为它将是其它一些无损探伤方法的竞争对手．特别对于厚材料，它就显得更加优越．英国的Summerscales利用)亡线通过材料所发生散射的Romen效应，即其频率和相位的随机变化的效应，这种散射易与Rayleigh和Tyndell散射区分，Raman散射可以用光谱仪进行分析，激光是Ramen光谱仪的理想光源．该文对Raman光谱仪在复合材料上的应用作了综述．英国的Robinson等人，用Raman光谱仪来测量复合材料中纤维的应变，为此用结晶的纤维，这里用的是聚丁二炔纤维，作为一种光—力学应变仪，埋在透明的基体中，本文对裂纹尖端的应力集中作了定量的测量．英国的Cawley提出“硬币”敲击法来测定蜂窝夹层板的缺欠，实际用的不是硬币而是有测力仪的手锤，记录撞击力历史．用FFT作频谱分析．比较有缺欠处的记录和频谱分析结果与无缺欠处的记录和分析结果就可以探测缺欠．本文认为可以有把握地测出10mm直径的，在lllllll表面以下的缺欠，它比机械阻抗故障诊断的灵敏度还要鬲．1．8材料的力学标征和力学性能本会议有关这方面的文章有如下统计篇数：力学标征12、撞击性能11、损伤机理8、断裂29、疲劳13、长期强度8、蠕变和粘弹性6、热损伤和腐蚀4、热效应5、磨损?，共计103篇．其中：微观力学方面有16篇，与新工艺新组分材料有关的文章有2l篇，而16篇来自工厂和研究所．力学标征有两篇是有关混杂纤维复合材料的拉仲试验，这方面的妍究很多，有不少试验报导，但这两篇文章的特点是纤维并非单向的英国帝国理工学院针对玻璃／故／环氧[o。／±斗5。／90。]研究玻璃纤维体积比的影响，并用有限元计算逐步得出其非线性的应力应变关系．我国上玻所沈碧霞等用碳／玻璃布／环氧作拉伸试验发现可用混合律来预报拉伸和弯曲模量，还确定出最低强度相与纯玻璃布强度相等的碳纤维体积比．美国普度大学孙锦德等针对复合材料在纤维方向的塑性较小，所以在塑性坍中只保留一个参数．最后得出正交异性复合材料的普遍的非线性应力应变关系，并用硼／铝相石墨／环氧的层板加以验证．关于复合材料的压缩性能一直是一个引入注意的问题，美国rHahn分析了压缩寸折绉带形成规律，用变形张量描述了折绉形成的运动学规律，最后用平衡方程式将压力和纤维的变形联系起来．这里的基体的剪凹破坏应变是结合试验和分析得到的，从而弄清了压缩破坏的饥理，并指出控制压缩强度的参数．英国Lee等对单向碳／热塑料作了压缩试验，并与环氧基的结果作了比较．认为湿度上升屑，PEEK基的复合材料的强度下降比较显著．苏联的文章认为复合材料的制造工艺和试验条件对试验结果有很大影响．有一点与Hahn相同的是为了提高压缩强度，应该采用高强度，高刚度的基体材料．当然这样一来其拉伸强度会有点下降．还有两篇文章讨论随机走向的短纤维复合材料的刚度的预报模型和高温下的半结晶热塑性复合材料的力学性能．撞击撞击性能中有两篇是有关复合材料结构碰撞时吸收能量的研究，讨论了结构形式，几何形状等参数对吸收能量的影响．其应用背景是飞机或汽车在碰撞事故中如何增加能量的吸收以保证人身安全．另外有落标撞击，有弹丸撞击，Hopkinson杆撞击，摆锤撞击和H。pkins。n杆撞击的关系以及用爆破箔来实现热固性树脂基和热塑性树脂复合材料板在厚度方向的撞击剥裂．还有一篇是为了减少撞击引起的脱层而采取的胶膜夹层之后的效应．大部分低速撞击的文章都涉及脱层问题．由于实验观察和有关参数测量的困难，看来撞击损伤问题让有很多不清楚的地方．损伤机理损伤机理方面有我国同济大学薛元德的文章，该文对横向裂纹，边缘脱层和纤维断裂的损伤起始机理进行了分析，在有限元分析的基础上认为界面脱胶早于基体开裂．在o。、90~层之山J([0／90]j和[0／90／0／90L)的正应力比中心的90。层之间的正应力大．还对纵向的纤维断口处作了应力分析．随着分支裂纹的出现和损伤面积的扩展，纤维断口处的纵向应力先降低，然后趋向一个稳定值．日本的Takao讨论了纤维断口处的剪切强度对损伤扩展的影响．美国的Goree讨论了胶膜夹层对损伤扩展的影响．美国的Jamison还讨论了纤维断裂对复合材料的性能下降和破坏的影响．断裂复合材料的断裂主要在三个方向内进行研究：(1)脱层；(2)基体的裂纹；(3)宏观的断裂行为．其中最活跃的是脱层研究．这一方面是因为脱层是静载、撞击和环境影响下最常见的断裂形式，另一方面，脱层的断裂问题难度最小．在这次会议里29篇断裂文章有11篇涉及脱层．其中有I、U型断裂标征和川型断裂的行为观察．还有混合型脱层的研究．包括压缩下的非线性、温度、应变率和湿度的影响．有两篇是有关试验方面的，其中一篇是讨论DCB试件的大位移影响，另一篇是Whitney研究残余应力对试件的边缘脱层的影响．有一篇文章把J、JI型脱层的尖端前方的应力场与损伤区相比．作者认为两者有一一对应关系。我国北航张行用解析法计算了川型的应力强度因子．有关基体裂纹的研究有两篇文章，其中有一篇是英国Kelly等讨论弹性裂纹和约束裂纹的断裂准则究竟应该用那一个的问题．是用应力强度因子，还是用能量平衡原理．文章是综述性的，对开裂的机理也作了一些探讨．有关复合材料的宏观断裂问题，主要是断裂力学能否或如何应用的问题．这里包括含椭圆孑L边裂纹的，混合型的，短切纤维复合材料的，PEEK基的，我国北航杨秉宪等的玻璃布／环氧和石墨／坏氧的，三维圆柱形的，受扭圆柱壳的断裂问题．还有人讨论了弹性各向异性的影响，塑性的影响，有一篇是我国西南石油学院的肖万春(音泽)等的各向异性塑性区尺寸因子的计算．疲劳Riefsnider的“寿命预报方向和偏离”——文是这次会议的九个大会报告之一．实际上作者已超出了疲劳的范围，提高到哲学的高度作了相当普遍的探讨．在作结论时，他说：(1)对于行将预报的破坏，必须透彻理解它的物理、化学、力学等等方面的每一个细节；(2)问题的几何尺度，必须合适地选择，对破坏有重要关系的因素必须包括在分析模型以内，而不重要的则可以平均化，从而使模型便于实用；(3)本构信息，不但对性能，而且对破坏的演化，必须包括在内，这些信息必须坚实地建立在实验观察和理解的基础之上：(4)局部的应力状态的分析必须与整个材料的破坏状态相吻合．他主张连续介质和离散模型相结合．在13篇文章中有5篇时论模型的建立问题，包括从弯曲疲劳试验建立损伤扩展的模型，扭转疲劳的标征，建立刚度下降和不同形式损伤扩展之间的关系，环境影响的分析模型等等．还有5篇文章报导新材料的疲劳行为．如改进的碳纤维复合材料，增韧基体的复合材料，热塑性基本复合材料，织物和混杂纤维复合材料等的疲劳行为．长期强度这是复合材料在工业，特别是航空航天工业中应用的重要问题．但是研究起釆旷日持久．这里的6篇文章涉及水的吸收，温湿老化引起的长期强度问题和水对脱层疲劳的影响．还有PSP的温湿老化以及加速的老化试验等研究．这些文章部是大学的研究课题．实际的工作比这些文章所报导的要多，不过那些工作多半是工业界和研究机关根据产品需要所得到的数据，没有加以系统整理．蠕变和粘弹性在基体决定复合材料性能的场合下，蛀变和粘弹性是必须加以考虑的．6篇文章中包括有随机走向的短切纤维复合材料，受拉扭的树脂基复合材料薄管的蠕变，有受到温湿影响的复合材料的蠕变等研究的报导．还有在仪器零件和光学装置的支架如有10叫一lo—+m／m的永久变形就会影响精密测量．这里有一篇文章讨论了粘弹性基休复合材科的微观屈伏引起的变形．还有一篇是有关织物在蠕变之后的强度下降问题的研究．热损伤和腐蚀4篇文章包括单向增强的石墨／环氧层板的热疲劳，Nylon66短纤维复合材料的应力腐蚀开裂，最后有一篇用声一超声(acotlsto—ultrasonic)技术来确定腐蚀引起的降质。所谓声一超声技术是声发射和超声技术两种无损探伤方法的结合．用超声脉冲器向被试验的材料注入离散的超声脉冲．由于材料内部的微结构的差别，输出的波将是标征材料的调制信号，乞由声发射的传感器检收．把这个检收到的波加以数字化，用以标征材料的损伤．这个数值一股称为应力波因子，该文用GRP放在酸翠用声一超声技术来标征材料的降质．热效应对PEEK和碳纤维增强PEEK复合材料作不同冷却速度的固化试验．发现缓慢冷却将增加结晶程度而导致韧性下降．对复合材料分别用19℃／min，3℃／min和1、＼r：／min涑度冷却，结果悦明川3℃／rain和l℃／mid速度冷却的复合材料性能育月习主差别。咬慢十八的复合材料层板的脱层抗力明显下降．在5篇文章中有两篇是我国代表的文道，即航天部赵稼佯等洲最了主以，㈩1000q：；的3DC—C灼热传导系数和热膨胀系数，并通过抗热振参数来分析3DC—C的抗热恨性能．北航的米焕哎等对固化引垣的层板残余应变和应力作了实验研究．磨损了篇文章中有一篇是综述．有一篇是SiC品须／氮化硅的力学和磨擦性能，这是目前较!L、的』二作．以前有关复合材料的磨损文献，大多是训脂基复合材料的．这里树脂基复合材料有连续纤维复合材料的磨擦行为，Gr／Ep的纤维方向肘其踏损的彩：恂，碑纤维增强暑板的嘻擦疲劳性能．有关复合材料的磨损过程有一篇是有关Kevlar纤维表面标征的实验方法，称为逆气色谱技术．这种方法是测量纤维表面的吸收气体的热力学信息，以便得到纤维表面化学活动的有关数据．1．9数据库U-卜是英国国家物理实验室的Lockett在全体报告中的主要内容：目前不同的材科队应商提供相差很大的数据，使用者必须十分小心，否则会出差错。而总的来说，现在所拥有的数据，还远远不够．有时一个零部件是直接从组分材料模压而成．在这种情况下，就需要从组分材料的性能来预报零部件的刚皮和强度．材料性能数据来源很杂，有来自材料供应商，实验室，研究所和使用者本身．而他们所用的试验方法又是五花八门．为了真正科学地使用复合材料，这种状态必须改变．1．9．1按技术的不同要求，需要不同的数据：材料的特征性能，如粘抑性(时间、应变率频率影响)；非线性(物理或几何非线性)；(正交异性，横向各向同性等)；非均匀性(如夹层板等复合结构)：随机性．变形加裁模式：拉伸、弯曲、剪切、压缩、两向应力状态等等．材料性状：短期强度和刚度；蠕变变形和破坏；动态刚度和损失；疲劳、撞击韧性．环境影响：与温度有关的性能；老化引起的性能降低；机械力和环境的网合作用．该搞沽楚自己需要那些数据，组建有关机构，实现标准化．·1．9．2材料数据的使用各向异吐使用者应材料的初选；材料的加工制造；产品没计．材料初选时，性能数据只是需要考虑的一个方面，还要考屯成木，加工性能，设计的能力，投资情况等．而产品设计则要求数据更具体，精确，更广泛．1．9．3根据产：品的具体要求来确定哪些数据是真正需要的．这与对产品的质量要求有关．例如对宇航产品，则要求更全面，更精确。对作为体育用品的游艇就不同，例如它用的梪切纤维复合材料的非线性和非均匀性就不必考虑了．很重要的是考虑产：品设计时用到哪些公式，CAD输入哪些数据．一般来说，真正需要的数据是不多的。但是要注意，复合材料不象金属，固化所用的设备，固化制宴都会影响材料的最后性能，所以需要的是特定组分材料在特定制造工艺下的材料性能数据．1．9．4数据的产生直接测量；从直接测量结果来推算；计算出数据．根据组分材料数据来计算复合材料的性能数据或从单层坯的刚度数据计算层板的刚度数抿的方法是成熟的．但是由于材料性能的分散性，计算结果只能看成是近似的数据．听谓从直接泌量来推算是指按一定规律，用内插法或外插法来得出未曾试验过的数据的方法．用接加法和用加速试验法的数据处理等等也是属于这一类．当然最可靠的还是直接测量的数据，但是目前的数据缺乏必要的说明，譬如应该说明得到这些数据的试验条件．不过，更根本的办法是实现试验方法的标准化．1．9．5试验方法的标准化如果能借用金属或硬塑料的试验标准，那就省事多了．实际上硬塑料晅部含有填料．而注射模压的短切纤维复合材料或颗粒增强复合材料完全可以用硬塑料的ISO实验作为际准试验方法．但．是连续纤维增强的复合材料由于其各向异性，必须重新考虑其试验标准化．图三表示已有的一些试验标准．当然还缺很多重要的试验标准，如蠕变，撞击．疲劳也缺弯曲的标准试验方法．另表2树脂基复合材料的标准试验性能ISOASTMBSIDIN拉仲(颇寸)弯曲r垣寸)压缩(短寸)剪切(蚀寸)贩劳(担仲)05翻D3039D790D3410D2344D3846D／320E／2782／／／341AEN6lEN外这里所说的材料是单向增强复合材料，并非其它铺陈的复合材料．CRAG(英国国防邮复合材料研究指导小组)建议将图三中短期试验的方法直接作为蠕变和疲劳的标准试验方法．脱层的标准试验方法也在制疟中．1．9．6标准化标准化要包括：名词和分类的标准化；方法的标准化；技术要求(材料，加工等)的标准化；符号标准化．现在不同国家有不同的标准．甚至一个国家的不同单位也用不同的标准．所以已有的标准之间有一个一致化的问题．另外数据的提供格式电应标准化．如数据的排列次序．还啦附一定的说明，如试验参数如何选择等等，以便使用户心中有数．为了增加数据的可信度，应该规定几个仪器标定和试验鉴定的权威性机构．在英国有国家计量鉴定事务所NAMAS(NationolMeasurementAccreditationService)和国家试验鉴定署NATLAS(NationalTestingLabo— rotoryAccreditotionScheme)这次会议涉及试验标准化的文章有三篇．苏联有一篇文章“复合材料力学试验现状”提出目前剪切试验还缺少一个令人满意的试验标准．美国DuPont公司对Kevlar纤维增强复合材料的试验(拉、压剪、弯)提出了试件设计，制备和试验方法的建议，他们认为由于Kevlar纤维的各向异性和对试件切割工艺的一些特点，已有标准对它应有所变通．美国Delaware大学和英国帝国理工学院的文章“对碳／环氧的标准试验的比较”说明不同的试验标准方法所得测量结果有统计显著的差别．1．10结构分析和层间应力．18篇结构分析的文章中有6篇涉及屈曲，3篇涉及振动，其它的文章涉及开口壳，爆破载荷引起板弯曲等问题．其中5筛(不计在国外完成的沦文)是中国作者的．王俊奎先生等的受Beck型裁荷的层柱稳定，周承佣教授的复合材料筒壳稳定分析中的几个问题，刘胜的翼型结构的频率和颤动分析及相关的最佳设计，羊玲等的复合材料机械接头的接触应力分析，蒋咏秋教授韵用八节点参数单元对25MW发电机护环的有限元分析和设计．层间应力方面有6篇文章．其中应力计算的有3篇．即压缩下的含圆孔的角铺陈层板的三维有限元分析，另一篇也是角铺陈层板的圆孔周围层间应力计算的简化方法．有一篇是用Moir6条纹来分析层间应变和应力．还有一篇分析胶膜促使层间变化和抑制边缘脱层的作用，美国Lagace的脱层扩展和最终失效的研究，最后一篇是上玻所张汝光的由基休刚界面所控制的复合材料破坏准则．在24篇文章中涉及计算的有18篇，其中有15篇用的是有限元方法．2．我国复合材料界面临的几个主要问题我国在玻璃钢材料方面，起步不算太晚，但是对先进复合材料来说，由于种种原因，跟同外先‘12．进的水平相比，还有很大差距．为了跟踪国际上高技术的发展，我们也面临发展高温复合材料的问题．另外我国已经引进和正在谈判引进多条SMC和短切纤维复合材料的生产线，当然也面临——个在民斗工、臣中如何消化这些材料，实现大规模生产和降低成本的问题．对于常规(<1；o℃)的树脂基复合材料，也须大力发展品种，提高质址，加深认识，合理使用，消除与先进水平的差距．目前在高温复合材料所须的纤维和基体(无论是热固性、热塑性树脂、金属基还是陶瓷基的)，由于工业上需求的压力不大，处于不慌不忙的“预研”状态．有些发展快一些，如碳化硅纤维，有些慢一些．在民用工业中大规模应用复合材料方面，除玻璃钢制品有一些，短切纤维复合材料的应用(如火车车厢窗框)刚刚才开始，由于成本太高，发胀的势头不太明显．材料界似乎需要一个统筹安排的计划，使用部门要提出先进的产品指标，高等院校，科研部门，设计制造部门分工合作，防止一窝凤集中到热门上去，要防止低水平重复，每个发展方向，都要有人负责，重点支持．目前国外在陶瓷基复合材料方面的发展，似乎比金属基复合材料的发展快一些．大有后来者居上的势头．过去我们的工业陶瓷方面的工作好象作为功能材料的多，作为尖端工业的防热结构材料的研究较少．不过要转过来也并不太费事．凭我国的基础，要迅速发展复合材料，需要加强各行各业的联合和协调，看来部门的条条在影响着横向联合．除了材料以外，新工艺的发展已迫在眉睫．我国有些工艺，如哈玻所的组绕工艺，已有较多经验。但是最近几年来出现很多新的工艺，如针织，编织工艺等等，也须组织人去研究，为此需要研制适合于新工艺的柔软的小直径纤维．表面处理也十分重要．材料和工艺的发展有一个交错和配合的问题．金属和陶瓷基复合材料的制造工艺，也有很多新的信息，值得研究．在复合材料性能研究方面，在我国投入的人力有不少，很需要解决一个标准化的问题．不妨先按国外的标准化作为起点，力求每个工作，做到一步一个脚印，踏踏实实地把真正有用的研究结果和数据积累起来，杜绝研究和研制复合材料过程中的浪费现象．要发展复合材料的关键，还是人材问题．要有合格的人去从事各个方面的工作．为此必须加强培训．不但要高层次的研究人材，而且要大量的中等层次的人材．这对大规模生产复合材料制品更为重要．对已有的民用的复合材料制品，要加强扶持和引导，使之真正成为技术密集型的产业．在高等院校中已有大批力量投入到发展复合材料的事业中来，问题是如何面对实际需要．为此材料专业，力学专业和应用专业要打成一片．因为复合材料是需要高度跨学科知识的新兴材料．每个人也应力求跨出自己的专业圈子，熟悉复合材料的全貌，能动地发挥自己的作用．但是要作出成绩，还需要有关领导部门的财政支持．复合材料比较昂贵．要发展它，离不开试验．目前高等院校的试验条件大多十分落后．如果因为国家底子薄，不能普遍地改善条件的话，也宜择优地重点支持一些有希望的单位，让他们在发展复合材料过程中作出更大的贡献．充分发挥我国社会主义制度的优越性，组织起来，加快步伐，是可以赶上去的．枞A＼＼＼A＼＼＼＼A＼＼＼枞A＼＼＼A＼＼＼＼A＼＼＼A＼＼＼告作者和读者1989年2月为《力学与实践洮g刊十周年．为了总结经验，进一步提高刊物的质量，本刊编辑部特向广大读者征求意见．对本刊的宗旨，A＼＼＼A＼＼＼A＼＼＼＼A＼，；A9＼＼Am／qm／t。＼YA＼＼＼AY＼＼栏目设置有何新的建议；读了本刊的文章有何收益；您的文章发表后有何反响；本刊从编排到内容有哪些地方需要改进，请将您的意见和看法书面寄交本刊编辑部，不胜感谢。《力学与实践》编辑部1988年2月5日

文章来源：无损探伤 网址: http://wsts.400nongye.com/lunwen/itemid-62275.shtml

上一篇： 核技术利用发展现状及存在的问题探讨
下一篇： 材料科学论文_复合材料红外热波检测图像处理及投影标注技术