【基金標(biāo)書】2010CB631100-先進(jìn)復(fù)合材料空天應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)科學(xué)問題研究

項目名稱： 先進(jìn)復(fù)合材料空天應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)科學(xué)問題研究首席科學(xué)家： 益小蘇 中國航空工業(yè)第一集團公司北京航空材料研究院起止年限： 2010 年 1 月-2014 年 8 月依托部門： 國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會一、研究內(nèi)容關(guān)鍵科學(xué)問題1. 復(fù)合材料多層次、多尺度界面結(jié)構(gòu)的理解和強化建構(gòu)復(fù)合材料的共性特征是多層次、多尺度的異質(zhì)、異構(gòu)界面。典型的 結(jié)構(gòu)層次涵蓋纖維單絲、纖維絲束、干態(tài)增強織物、樹脂預(yù)浸料和 層狀化的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)等。界面狀態(tài)將從本質(zhì)上影響復(fù)合材料整體對載荷的響應(yīng)，并控制復(fù)合材料的所有性質(zhì)和服役行為。前期的 973 研究成果已證實 1，層間界面的高分子-高分子雙連續(xù)相結(jié)構(gòu)直接影響了細(xì)觀損傷的產(chǎn)生和擴展，進(jìn)而決定了復(fù)合材料的韌性、剛度、 強度等使用性能；雙連續(xù)相結(jié)構(gòu)形成和演化的關(guān)鍵是定域設(shè)計和控制反應(yīng)誘導(dǎo)的失穩(wěn)分相、臨界相反轉(zhuǎn)和相粗化等過程。 這對應(yīng)了連接度（Connectivity）概念 2里的 0-0、0-3和 3-3 結(jié)構(gòu)的 連續(xù)的相轉(zhuǎn)變過程，而由于這個連續(xù)的相變發(fā)生在 2-2 結(jié)構(gòu)的受限空間內(nèi)，必然形成尺度上梯度分布的 3-3 型雙連續(xù)顆粒結(jié)構(gòu)，從而賦予復(fù)合材料優(yōu)異的韌- 剛-強組合。我們的預(yù)先研究已發(fā)現(xiàn) 3，碳纖維表面在微米層次上的“ 結(jié)構(gòu)化”或“粗糙化”對復(fù)合材料“ 人工界面” 的建構(gòu)具有重要的影響，這種“ 結(jié)構(gòu)化” 和“粗糙化”包括微尺度的顆粒和三維結(jié)構(gòu)等，建構(gòu)這種新型表面結(jié)構(gòu)的機理包括表面成核與低溫生長、表面浸潤與去浸潤等，但目前國內(nèi)外對這種表面微結(jié)構(gòu)建構(gòu)的材料學(xué)和力學(xué)理解還知之甚少，也不清楚 這種微結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料界面強-韌化的影響機制及其持久穩(wěn)定性和高溫性能等。本研究將突破上期 973 課題高分子-高分子復(fù)相材料熱力學(xué)和動力學(xué)的限制，在界面化學(xué)改性的同時，提出建構(gòu)復(fù)合材料多層次界面有機、無機異相 3-3 連接度微結(jié)構(gòu)（Interfacial 3-3 micro connectivity）的新概念，鑲嵌體胞建模分析界面剪切對細(xì)觀集束/協(xié)同/無規(guī)破壞的影響，極大地提高復(fù)合材料在關(guān)鍵結(jié)構(gòu)層次的界面結(jié)合力和穩(wěn)定性，確立復(fù)合材料界面強化的新技術(shù)和新方法。2. 復(fù)合材料多層次精細(xì)耦合協(xié)同強韌化機制典型“纖維增 強-樹脂基體 ”兩元復(fù)合材料界面的作用是將纖維和樹脂，以及由它們分別控制的纖維主導(dǎo)性質(zhì)（Fiber-dominent ）和 樹脂基體相主導(dǎo)性質(zhì)1 益小蘇。上期 973 課題多層次細(xì)觀結(jié)構(gòu)與特征目標(biāo)性能的關(guān)聯(lián)、數(shù)理模擬和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計驗收總結(jié)報告。2008/09，北京2 E. Newnham, D. P. Skinner, and L. E. Cross, “Connectivity and Piezoelectric. Pyroelectric Composites,” Mater. Res. Bull., 13, 52536 (1978).3 益小蘇等：一種剛性 3 維晶須層間改性連續(xù)纖維復(fù)合材料的制備技術(shù)（國家發(fā)明專利） 。申請?zhí)枺?00810183554.4。（Matrix-dominent）聯(lián)系到一起。樹脂基體相主導(dǎo)性質(zhì)主要包括“纖維間” （Inter-fibers 或 Intra-tow）、“層內(nèi)”（Intra-ply）和“層間”（Inter-ply 或 Interlaminate）等 3 個結(jié)構(gòu)層次，它們通過各層次間的精細(xì)結(jié)構(gòu)耦合和載荷傳遞，使復(fù)合材料發(fā)揮整體功效。為了在現(xiàn)有較低品位纖維（例如國產(chǎn) CCF-1、CCF-3 和 T800 碳纖維）和樹脂體系的限制下大幅度而又低成本地提升復(fù)合材料的整體性能，根據(jù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)耦合的最簡化的線性混合率，復(fù)合材料的剛度將隨基體的模量線性增長，因此在復(fù)合材料的“ 纖維間” 引入高 剛度的微、納米尺度精細(xì)微結(jié)構(gòu)，將可能在“層間離位增韌”的基礎(chǔ)上實現(xiàn) “層內(nèi)增剛”，同步提升復(fù)合材料整體的剛度和韌性；又考慮到復(fù)合材料“ 層內(nèi)” 結(jié) 構(gòu)與“層間”結(jié)構(gòu)在載荷傳遞 特性上的巨大差異，而復(fù)合材料的強度主要受控于體系內(nèi)的薄弱結(jié)構(gòu)，因此，在等密度的前提下，借助基體主導(dǎo)性質(zhì)多層次結(jié)構(gòu)間的精細(xì)耦合，調(diào)制和優(yōu)化 2-2 層狀周期結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生“ 層內(nèi)增剛”與“層間增韌” 性質(zhì)的協(xié)同效應(yīng)，可望 獲得復(fù)合材料整體性能的 躍升。進(jìn)一步地，目前國內(nèi)外航空復(fù)合材料的損傷設(shè)計容限準(zhǔn)則依賴于表面沖擊的損傷可視識別閾值（BVID）。由于強韌化處理的復(fù)合材料具有較高的整體沖擊損傷阻抗，其可視識別閾值 很高， 導(dǎo)致復(fù)合材料自身的性能潛力和強韌化效果都難于發(fā)揮。解決這個問題的關(guān) 鍵是在體型復(fù)合材料層次分離其表功能和體功能，特別是提出并通過發(fā)展表面顯示功能來提升復(fù)合材料沖擊損傷的可視識別閾值 4，建立損傷示蹤確定分析方法及損傷顯示和內(nèi)部損傷的關(guān)聯(lián)，從而改進(jìn)國際航空復(fù)合材料的傳統(tǒng)設(shè)計方法，以低品位的基礎(chǔ)材料通過系統(tǒng)集成和優(yōu)化達(dá)到復(fù)合材料高性能化的目的。3. 復(fù)合材料損傷的非確定性跨層次虛擬測試與高效結(jié)構(gòu)設(shè)計目前對航空航天復(fù)合材料在服役條件下跨尺度、跨層次的損傷傳遞模式并不清楚，一個科學(xué)的解決方案是建立基于非確定性分析的復(fù)合材料跨層次虛擬測試方法，其核心是建立復(fù)合材料多層次漸進(jìn)損傷和失效的多級分析模型，理解亞臨界狀態(tài)下多損傷模式的相互交叉與混雜機理，建立非確定性參數(shù)化的方法，模擬復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在亞臨界狀態(tài)下?lián)p傷萌生-擴展-蔓延的全過程。航空航天結(jié)構(gòu)復(fù)合材料高效設(shè)計（Efficiency）的典型特征是損傷阻抗、耐久性和損傷容限等關(guān)鍵性能的最佳平衡，同時各項指標(biāo)滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計目標(biāo)，其核心問題是在結(jié)構(gòu)性能層面上要求這些性能指標(biāo)具有協(xié)同性，并在材料選材和性能方面提供滿足協(xié)同性的要求。 為此，需要多 層次研究和理解復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷阻抗、耐久性和損傷容限的影響因素及其相互作用，明確材料性能內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，建立反映這種復(fù)合材料高性能指標(biāo)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性的新型設(shè)計方法，從而最大限度4 發(fā)明專利申報：一種表面沖擊敏感-顯示的復(fù)合材料新概念和制備方法（益小蘇等） ，2009地利用和發(fā)揮復(fù)合材料的本質(zhì)性能優(yōu)勢。在航空航天結(jié)構(gòu)件的工程設(shè)計層次，根據(jù)典型服役環(huán)境的宏觀設(shè)計要求、傳力及連接、工藝可行性以及復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)特點等，發(fā)展先進(jìn)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，并植入大型軟件系 統(tǒng)， 實現(xiàn)航空航天復(fù)合材料制件的高效結(jié)構(gòu)設(shè)計和應(yīng)用。4. 復(fù)合材料變形的結(jié)構(gòu)依賴性及其模型化與功能性應(yīng)用高聚物特定的化學(xué)結(jié)構(gòu)、遠(yuǎn)離材料平衡態(tài)的制備過程、以及化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)與動態(tài)外場工藝條件的相互作用等共同控制樹脂相的形變，其中，樹脂材料由液態(tài)粘流態(tài)通過交聯(lián)固化反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w材料的體積變化過程服從熱力學(xué)平衡態(tài)的壓力- 比容-溫度（P-V-T ）關(guān)系，其中最關(guān)鍵的“凝膠化”和“ 玻璃化”（Vetrification）轉(zhuǎn)變過程可以用溫度- 時間-轉(zhuǎn)變（TTT）曲線族表征；而纖維鋪層及其各向異性，特別是非均衡、非對稱、多變量的鋪層結(jié) 構(gòu)，以及復(fù)雜體形結(jié)構(gòu)內(nèi)的殘余應(yīng)力狀態(tài)等，將更強 烈地影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)整體的線性、非線性變形。上期 973 課題的研究結(jié)果表明，凝膠對相變、流 動的控制和玻璃化對初始性能的控制可以通過特征的 TTT 關(guān)系預(yù)測 5。本申請擬 通過合成制備零膨脹、負(fù)膨脹高聚物材料及其復(fù)配體系，數(shù)值預(yù)測材料的 P-V-T 熱力學(xué)關(guān)系和 TTT 轉(zhuǎn)變關(guān)系，數(shù)值 模擬非等溫、非等壓等實際工藝條件下固化反 應(yīng)對材料物性的控制， 結(jié)合復(fù)合材料航空典型結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力計算，一方面，從本 質(zhì)上揭示和預(yù)測復(fù)合材料大型制件的結(jié)構(gòu)變形和復(fù)合材料應(yīng)力動態(tài)重分布及可逆補償原理，形成先進(jìn)的形變控制技術(shù)；另一方面，研制特征結(jié)構(gòu)參數(shù)互異而界面互容的溫度敏感、載荷敏感雙穩(wěn)態(tài)、多穩(wěn)態(tài)以及線 性、非 線性變形的復(fù)合材料體系 6，理解和 實現(xiàn)復(fù)合材料的主動變形和結(jié)構(gòu)-功能一體化。5. 典型復(fù)合材料制造關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)問題研究大型航空航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制造的共性關(guān)鍵是低成本、低缺陷或無缺陷，其材料學(xué)基礎(chǔ)是對氣-液- 固 3 相態(tài)相互作用及其浸漬、浸潤、流動等過程的理解、建模、在線測試與控制、以及工藝系統(tǒng)優(yōu)化等。復(fù)合材料制備過程是多種細(xì)觀尺度材料缺陷產(chǎn)生的重要來源，如微觀浸潤與宏觀流動速度的不匹配將導(dǎo)致纖維束內(nèi)及纖維層間的密集孔隙和分層缺陷，樹脂對纖維鋪層與對模具內(nèi)表面浸潤的不匹配將導(dǎo)致復(fù)合材料的表面缺陷等。為此， 擬建立包含表面張力的樹脂黏彈性本構(gòu)方程，模擬分析缺陷生成的機理與傳遞機制，特別是建立在高纖維體積分?jǐn)?shù)滲逾閾值附近的氣-液- 固 3 相態(tài)流動和相互作用模型。大飛機復(fù)雜結(jié)構(gòu)整體制造的關(guān)鍵技術(shù)之一是工裝模具系統(tǒng)，即復(fù)合材料制5 益小蘇。上期 973 課題驗收總結(jié)報告。2008/096 發(fā)明專利申報：一種類雙金屬片的新型復(fù)合材料的制備技術(shù)與應(yīng)用技術(shù)（益小蘇等） ，2008件與“?！焙汀胺丁辈牧象w系物性統(tǒng)一問題。整體結(jié)構(gòu)的前驅(qū)體是近凈型的干態(tài)復(fù)合材料預(yù)制件，上期 973 的研究結(jié)果已為近凈型預(yù)制打下了良好的基礎(chǔ)，但預(yù)制結(jié)構(gòu)的制造需要有與該復(fù)合材料制件全工藝過程適配的工裝新材料，特別是 CTE適配，為此，本項目申請?zhí)岢鲆粋€創(chuàng)新性的解決方案：水溶性型芯技術(shù) 7，在材料科學(xué)意義上，這是一個典型的有機/無機聚合物（不 燒陶瓷）復(fù)合材料問題，通過水基凝膠化可以實現(xiàn)環(huán)境友好和無溶劑“綠色制造” 。大飛機用資源友好型天然纖維復(fù)合材料技術(shù)的關(guān)鍵是高效無毒阻燃和結(jié)構(gòu)力學(xué)性能最大化，這是一個功能-結(jié)構(gòu)一體化問題，也是飛機安全問題。天然 纖維增強體自身就是一個多層次、多尺度的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其力學(xué)模型、浸滲、成型的工藝特性等不同于傳統(tǒng)的碳纖維復(fù)合材料，而天然纖維復(fù)合材料的阻燃研究正是國際航空界的熱點。本申 請?zhí)岢鼍酆衔镄停ㄋ嵩础⑻荚?、氣源三位一體）膨 脹阻燃劑的分子設(shè)計原理，通 過膨脹-納米復(fù)合阻燃技術(shù)處理纖維和樹脂，以獲得航空安全的天然纖維增強復(fù)合材料及其典型航空構(gòu)件。主要研究內(nèi)容1. “界面 /表面微 連接強化 ”（Interfacial 3-3 Connectivity）新概念和基體相主導(dǎo)的多層次結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)新原理在單絲、絲束、織物、 預(yù)浸料的表面以及復(fù)合材料的 層間構(gòu)造有機和無機、具有微米尺度 3-3 連接度的新型界面結(jié)構(gòu)，從新型上漿劑的合成和表面化學(xué)改性開始，在上期 973 浸潤去浸 潤研究的基礎(chǔ)上，通 過擴 大界面化學(xué)鍵合和物理吸附，特別是建立大規(guī)模的界面機械嚙合等效應(yīng)，極大地提高復(fù)合材料在關(guān)鍵結(jié)構(gòu)層次的界面結(jié)合力和穩(wěn)定性，建立相應(yīng)的界面/表面微 連接強化材料學(xué)模型和力學(xué)模型，在國內(nèi)外確立復(fù)合材料界面強化的新概念、新技術(shù)和新方法。又在纖維間層次引入特殊微米、納米尺度的結(jié)構(gòu)，在“ 層間增韌”的基礎(chǔ)上實現(xiàn)“層內(nèi)增剛 ”；在疊層復(fù)合 層次調(diào)制“周期”的“頻率” ，實現(xiàn)復(fù)合材料截面結(jié)構(gòu)的均質(zhì)化，提出復(fù)合材料多層 次結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)新原理并建立材料力學(xué)模型。在體型復(fù)合材料層次準(zhǔn)確地分解其表功能和體功能，一方面針對應(yīng)用，通過混雜纖維強化薄弱層來提升復(fù)合材料的整體性能；另一方面，通過表面顯示功能化來提升復(fù)合材料沖擊損傷的判斷和識別閾值（BVID），建立多尺度、多 層次的力學(xué)模型，最大限度地發(fā)揮和利用復(fù)合材料的潛質(zhì)，以低品位的基礎(chǔ)材料通過系統(tǒng)集成和優(yōu)化達(dá)到復(fù)合材料高性能化的目的。推動成果快速轉(zhuǎn)化應(yīng)用，實現(xiàn)航空航天領(lǐng)域的領(lǐng)先應(yīng)用。7 益小蘇等：一種水溶性模芯的制備方法（國家發(fā)明專利） 。申請?zhí)?200710306024.X2. 復(fù)合材料高效結(jié)構(gòu)工程設(shè)計與設(shè)計方法優(yōu)化針對復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)從材料組分到結(jié)構(gòu)的載荷、性能、 損傷信息的高保真?zhèn)鬟f，建立從復(fù)合材料 組分到結(jié)構(gòu)、從分析 設(shè)計 到制造缺陷和服役損傷的全壽命一體化信息模型。重點分析各層次模型的漸進(jìn)損傷模式和損傷模式的混雜機理，建立主要失效模式 亞臨界狀態(tài)的判斷準(zhǔn)則，在亞臨界狀態(tài)下實現(xiàn)各層次結(jié)構(gòu)性能的準(zhǔn)確預(yù)報。對復(fù)合材料的各組元組分、工藝過程、服役 環(huán)境過程中的非確定性因素進(jìn)行分析，對 各分布變量對材料在使用過程中的性能演變、有效性能和使用壽命的影響規(guī)律進(jìn)行定量化表征，建立復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可靠性和安全壽命的科學(xué)定量預(yù)報方法。編 制復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)跨層次虛擬測試軟件模塊，完成針對高性能復(fù)合材料體系的典型結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性評價。建立不同載荷、材料形態(tài)下?lián)p傷過程分階段的多參量、多損傷指標(biāo)分析模型；應(yīng)用損傷度概念對復(fù)合材料失效過程相應(yīng)不同損傷模式及其程度進(jìn)行定量化表征，確定損傷度對本構(gòu)關(guān)系及剩余強度變化影響規(guī)律；建立材料和結(jié)構(gòu)破壞模式相關(guān)性為基礎(chǔ)的關(guān)聯(lián)度定義及分析方法；建立損傷示蹤確定分析方法及損傷顯示性和內(nèi)部損傷關(guān)聯(lián)性研究， 發(fā)展的結(jié)構(gòu)損傷阻抗、耐久性和損傷容限性能協(xié)調(diào)的典型結(jié)構(gòu)設(shè)計分析方法。在航空航天結(jié)構(gòu)件的工程設(shè)計層次，根據(jù)典型服役環(huán)境的宏觀設(shè)計要求、傳力及連接、工藝可行性以及復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)特點等，發(fā)展先進(jìn)的、基于拓?fù)鋵W(xué)特性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，并植入大型軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)航空航天復(fù)合材料制件的高效結(jié)構(gòu)設(shè)計和應(yīng)用。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析設(shè)計與評價一體化軟件等研究成果爭取在大飛機等重大專項計劃中取得應(yīng)用。3. 復(fù)合材料變形的結(jié)構(gòu)模型與結(jié)構(gòu)-功能一體化應(yīng)用合成制備研制零膨脹、負(fù)膨脹高聚物新材料及其復(fù)配體系，研究材料化學(xué)結(jié)構(gòu)對溫度- 比容 -壓力性質(zhì)的影響，有關(guān)材料形成標(biāo)準(zhǔn)；建立數(shù)值模型和實驗方法，預(yù)測典型材料的 P-V-T 熱 力學(xué)關(guān)系和 TTT 轉(zhuǎn)變關(guān)系；模 擬非等溫、非等壓等實際工藝條件下樹脂固化反應(yīng)-材料物性之間的行為，優(yōu)化復(fù)合材料的制備工藝；建模分析增強纖維主導(dǎo)性質(zhì)對復(fù)合材料變形的影響，特別是非對稱、非均衡鋪層結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料變形的強烈控制， 設(shè)計合理的多層次、多尺度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，控制大型制件的變形；有關(guān)的模型力爭實現(xiàn)軟件化，可以嵌入或與商業(yè)工程軟件兼容。在理論分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，設(shè)計具有多重玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的多組分、多相高分子材料，其熱機械性能圖譜中呈現(xiàn)多重 轉(zhuǎn)變的“ 臺階”，利用其發(fā)展特征結(jié)構(gòu)參數(shù)互異而界面互容的雙穩(wěn)態(tài)、多穩(wěn)態(tài)以及線性、非線性溫控變形的復(fù)合材料體系，主動響應(yīng)外界 環(huán)境（制備工藝環(huán)境、服役環(huán)境等），理解和 實現(xiàn)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)-功能一體化。4. 制造技 術(shù) 建模、工藝系統(tǒng)控制和綠色材料技術(shù)典型基礎(chǔ)問題在樹脂基體材料方面，重點研究共性的氣-液-固 3 相態(tài)之間的相互作用，預(yù)報氣泡成核生長、團聚和輸 運的特征過程，建立復(fù)合材料工藝缺陷的實驗判據(jù)；在纖維增強材料方面，建立復(fù) 雜織物結(jié)構(gòu)的滲透率（K 值）模型，結(jié)合儀器化的實驗，數(shù)值預(yù)報和確定典型增 強材料的滲透率。設(shè)計特定的水溶性成份均勻吸附在無機顆粒表面，在固體材料內(nèi)部形成了雙連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，當(dāng)固體材料功能完成后，水溶性組 分遇水溶解，陶瓷 顆粒彼此分離，導(dǎo) 致原有固體結(jié)構(gòu)潰 散，全面考察無機聚合物基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)-性能-工藝的關(guān)系以及固體材料與潰散功能的動力學(xué)關(guān)系，形成創(chuàng)新性的水溶性無機聚合物復(fù)合材料技術(shù)，支撐復(fù)合材料整體化高效結(jié)構(gòu)制造技術(shù)的發(fā)展。采用多尺度的復(fù)合材料力學(xué)方法和概率斷裂力學(xué)的概念，建立適合于天然纖維增強復(fù)合材料的力學(xué)分析和建模方法；設(shè)計聚合物型新型膨脹阻燃劑，在其分子結(jié)構(gòu)中引入活性端基與天然纖維接枝，在提高天然纖維阻燃性能的同時改善其與樹脂基體的相容性、提高界面強度、 熱穩(wěn)定性和耐久性差；在此基礎(chǔ)上，研究膨脹阻燃與納米阻燃的協(xié)同阻燃及凝聚態(tài)阻燃機理，提高阻燃效率。二、預(yù)期目標(biāo)1 總體目標(biāo)以國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020 年）中“大型飛機” 、“高分辨率對地觀測系統(tǒng)” 與“載人航天”等航空航天重大科技專項為背景，立足我國資源，發(fā) 展具有我國知識產(chǎn)權(quán) 、創(chuàng)新性、高性能的 結(jié) 構(gòu)復(fù)合材料新概念、新理論、新技術(shù)和新方法及相關(guān)配套結(jié)構(gòu)設(shè)計、先進(jìn)制造和工程化應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)，推動我國先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域的部分方向進(jìn)入國際研究的前列，同時示范性輻射帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)和行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。2 五年預(yù)期目標(biāo)以高性能航空航天復(fù)合材料技術(shù)體系的發(fā)展為主線，以先進(jìn)的模擬分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計、表征實驗和制造驗證 技術(shù)為支撐，探索建立在復(fù)合材料基礎(chǔ)理論指導(dǎo)下的多層次、多尺度強韌化的新概念和新方法，研制 發(fā) 展高性能復(fù)合材料新技術(shù)，典型指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平，在大飛機等國家重大任務(wù)中得到示范性的驗證應(yīng)用，部分成果進(jìn)入國際高端航空航天合作。部分先進(jìn)設(shè)計技術(shù)突破國際傳統(tǒng)航空結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)的陳規(guī)，初步建立與積木式適航認(rèn)證試驗相適應(yīng)的模擬分析方法；充分利用復(fù)合材料可設(shè)計的特點和工藝建模，研制有機- 無機復(fù)合的工藝系統(tǒng)新材料，支撐大型、復(fù)雜復(fù)合材料航空航天制件的低成本、低缺陷制造；探索綠色天然纖維復(fù)合材料的理論和技術(shù)，推動航空領(lǐng)先應(yīng)用。3 考核指標(biāo)3.1 高性能復(fù)合材料的沖擊后壓縮強度（CAI）310MPa（預(yù)浸料）和260MPa（RTM），壓縮強度同比提升 10-15%（國產(chǎn) CCF-1 或 CCF-3 級別）；復(fù)合材料目視可檢（BVID）損傷容限設(shè)計達(dá)到國 際同期先進(jìn)水平，形成中國品牌的材料體系和自主知識產(chǎn)權(quán)保護。3.2 有關(guān)復(fù)合材料分析建模技術(shù)軟件化，獨立使用或兼容商業(yè)軟件，形成軟件版權(quán)。3.3 植物纖維復(fù)合材料及其阻燃技術(shù)達(dá)到國際高端企業(yè)認(rèn)可，形成中國特色和知識產(chǎn)權(quán)。3.4 圍繞高性能化的新型樹脂與復(fù)合材料、有機-無機復(fù)合材料、植物纖維復(fù)合材料、零固化收縮率復(fù)合材料等，形成復(fù)合材料新標(biāo)準(zhǔn)。3.5 培養(yǎng)骨干科研人員和工程技術(shù)骨干 10 名左右；項目研究團隊以該 973 項目為基礎(chǔ)或紐帶，申 請獲得國家大型民口（國家 863 計劃、雙邊多邊國際合作、國家自然科學(xué)基金項 目等）和軍口（國防科工局、總裝備部項目等）項目 5 項以上，以 973 成果 帶動相關(guān)項目的進(jìn)展；3.6 在國際重要系列性的復(fù)合材料等學(xué)術(shù)會議上發(fā)表邀請報告 10 篇左右，發(fā)表重要學(xué)術(shù)論文約 50 篇以上；申請或獲得國際、國家、國防發(fā)明專利約 30 項，國家或部委級新技 術(shù)標(biāo)準(zhǔn)約 25 項，材料新牌號約 10 項；擴充和完善國家級先進(jìn)復(fù)合材料數(shù)據(jù)庫。三、研究方案本項目以問題和目標(biāo)導(dǎo)向：以制備高性能的大飛機主承力結(jié)構(gòu)復(fù)合材料為主攻目標(biāo)，通 過多層次、多尺度界面強化和多層次精細(xì) 耦合協(xié)同強韌化等，在理 論上有所建樹，在技術(shù)上獲得 滿足高性能指標(biāo)的新材料體系。針對這個目標(biāo)，主要研究安排在課題 1“復(fù)合材料多 層次高性能化的基礎(chǔ) 理論” 和課題 2“復(fù)合材料的多尺度科學(xué)建模與表征” 。考慮復(fù)合材料多變量、可設(shè)計的特性，以 發(fā)揮復(fù)合材料的本質(zhì)優(yōu)勢為目標(biāo)，研究復(fù)合材料跨尺度、跨層 次的性能傳遞與協(xié)同效應(yīng)，特別是通過高效結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計與優(yōu)化技術(shù)研究，滿 足航空航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的特殊指標(biāo)要求。針對這個目標(biāo)，主要研究安排在課題 2“復(fù)合材料的多尺度科學(xué)建模與表征 ”和課題 3“航空航天高效結(jié)構(gòu)的性能協(xié)同優(yōu)化”。在高性能材料體系和高效結(jié)構(gòu)件設(shè)計的基礎(chǔ)上，以制備整體、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料制件為目標(biāo)，通過復(fù)合材料結(jié)構(gòu)依賴性變形與制造技術(shù)建模、工藝系統(tǒng)控制和綠色材料技術(shù)等，發(fā)展獨特的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造技術(shù)新理論和新技術(shù)，在國內(nèi)國際航空航天領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)領(lǐng)先應(yīng)用。針對這個目標(biāo)，主要研究安排在課題 2“復(fù)合材料的多尺度科學(xué)建模與表征”和課題 4“復(fù)合材料典型 結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)基礎(chǔ)”。這個項目以理論建模分析為基礎(chǔ)，通過材料研究、 結(jié)構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)制造的系統(tǒng)集成，形成一個比較完整的研究體。1. 主要學(xué)術(shù)思路與技術(shù)途徑1.1 在提高復(fù)合材料性能這個主線上，根據(jù)先進(jìn)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特點，其力學(xué)性能仍不夠高的主要原因是“載荷傳遞連續(xù)性的間斷” ，體現(xiàn)在纖維界面、纖維間和層間等多個層次，因此，繼承上一期 973 課題的成果，在繼續(xù)關(guān)注復(fù)合材料層間的同時，層內(nèi)增剛；并通過深入理解復(fù)合材料多層次、多尺度、多界面的結(jié)構(gòu)特點和可設(shè)計的本質(zhì)優(yōu)勢，分 別在多界面建立 3-3 微連接度的強化結(jié)構(gòu)；同時通過多層次精細(xì)耦合協(xié)同強韌化等問題的科學(xué)研究，建立理論方法，制 備獲得高性能指標(biāo)的新材料體系。 進(jìn)一步地，提出結(jié)構(gòu)復(fù)合材料表-里分離的新思路， 設(shè)計 制備表面敏感-顯示的高韌性復(fù)合材料系統(tǒng)，顯著提升先進(jìn)復(fù)合材料的初始靜態(tài)力學(xué)性能、剩余強度、設(shè)計損傷容限和許用應(yīng)變等。1.2 鑒于復(fù)合材料在損傷萌生擴展蔓延過程中末端的非穩(wěn)定性特征，提出了在復(fù)合材料亞損傷階段對材料結(jié)構(gòu)的多重?fù)p傷模式的交叉混雜進(jìn)行解耦，同時將復(fù)合材料從材料組分到結(jié)構(gòu)的參數(shù)非確定性分布引入到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)整個的數(shù)字化虛擬測試中，深刻揭示復(fù)合材料漸進(jìn)失效的機理和過程，對復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行精確預(yù)報。1.3 在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)控制的變形問題上，通過理論分析建模，控制大型復(fù)合材料制品的變形，與此同時，反向利用 這個特點，研究特征結(jié)構(gòu)參數(shù)互異而界面互容的復(fù)合材料體系，利用復(fù)合材料的復(fù)合度、對稱度、周期性 變化等特性，發(fā)展自動補償大變形、 應(yīng)力動態(tài)重分布的新型材料實現(xiàn)功能集成器件化或結(jié)構(gòu)-功能一體化。1.4 在先進(jìn)制造技術(shù)方面，發(fā)展不燒型無機聚合物復(fù)合材料，形成全新的輔助新材料，制備傳統(tǒng)材料和技術(shù)難以制備的高效航空關(guān)鍵構(gòu)型和整體結(jié)構(gòu)。深入研究和理解天然材料的多層次、多尺度結(jié)構(gòu)和表面特性，采用化學(xué)和物理的方法改善植物纖維的表面以及復(fù)合材料界面的特性；通過分子設(shè)計和復(fù)配，制備多元含納米結(jié)構(gòu)的高效無毒阻燃劑；發(fā)展新型低膨脹、高阻燃的低黏度樹脂體系， 設(shè)計和研制輕量化、高安全性的制品。2. 主要創(chuàng)新點及其與國內(nèi)外同類研究相比的特色2.1 根據(jù)“表面粗糙化 ”和 “表面結(jié)構(gòu)化”的思想，首次提出有機、無機的多層次、多尺度 3-3 微連接度強韌化新概念，覆蓋典型航空航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用的溫度范圍直至高溫（500C ）。2.2 根據(jù)復(fù)合材料多尺度、多層次、多 變量的特征，首次提出“層內(nèi)增剛”與“層間增韌” 的協(xié)同新概念和 2-2 連接度周期調(diào)制新概念，通過多層次、多尺度的精細(xì)結(jié)構(gòu)耦合，提升材料的本質(zhì)性能。2.3 首次提出表面敏感-顯示的高韌性復(fù)合材料新概念，嘗試改變傳統(tǒng)的設(shè)計理念，充分發(fā)揮高沖擊損傷阻抗復(fù)合材料的剩余壓縮強度和許用壓縮應(yīng)變潛力，大大提高航空復(fù)合材料制件的減重效率。2.4 復(fù)合材料亞損傷階段對材料結(jié)構(gòu)的多重?fù)p傷模式的交叉混雜進(jìn)行解耦，并把非確定性分布引入到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)整個數(shù)字化虛擬測試中，揭示復(fù)合材料漸進(jìn)失效的機理和過程。2.5 研究發(fā)展水基凝膠有機-無機聚合物陶瓷材料，兼具高溫力學(xué)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與常溫溶水潰散雙功能，并將這種材料運用在大型整體結(jié)構(gòu)的制造。2.6 首次提出特征結(jié)構(gòu)參數(shù)互異而界面互容的復(fù)合材料新概念，利用具有雙/多重高分子轉(zhuǎn)變“ 臺階” 性 質(zhì)、或膨 脹系數(shù)不同的基體材料，設(shè)計制備自動補償大變形、應(yīng)力動態(tài)重分布的新型材料。2.7 采用帶活性端基的聚合物型膨脹阻燃劑作為植物纖維的表面改性劑，在賦予植物纖維阻燃性的同時改善其與樹脂的界面作用；同時利用膨脹型阻燃劑與納米阻燃劑的協(xié)同阻燃效應(yīng)，提高基體樹脂的阻燃效果，降低阻燃劑用量，避免由于大量阻燃劑的加入降低材料力學(xué)性能不足的問題。2.8 研制國產(chǎn)富有資源的植物纖維復(fù)合材料及其高效阻燃綠色復(fù)合材料技術(shù)，領(lǐng)先應(yīng)用于國際航空領(lǐng)域。以上內(nèi)容已部分申報了國際、國家和國防發(fā)明專利，部分正在專利過程當(dāng)中，目前尚未見國內(nèi)外相同或相似的報道，符合創(chuàng)新性要求。3. 取得重大突破的可行性分析國家 973 計劃的立項，給予復(fù)合材料的應(yīng)用基礎(chǔ)研究一個歷史上從未有過的發(fā)展機遇，包括資助的強 度、 優(yōu)勢科研資源的調(diào)動 等等，有可能通 過多學(xué)科的交叉和產(chǎn)學(xué)研的緊密結(jié)合，在 項目內(nèi)部直接打通從概念到產(chǎn)品的原理性流程，在新技術(shù)、新方法、新發(fā)現(xiàn)等技術(shù)原理的起點和航空航天等關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用的終點之間，建立一個相對完整的技 術(shù)發(fā)展鏈。 這樣的研究方式和組織方式是國家 973 計劃獨有的，是我國目前的其他任何科研計劃所無法替代的。本研究將充分利用上一期國家 973 計劃項目已經(jīng)取得的成果，結(jié)合國家對大飛機等航空航天復(fù)合材料的新需求，發(fā)展更通用、更有效、更有中國特色的復(fù)合材料新概念、新技術(shù)和新方法，在選定的研究方向上取得更大的進(jìn)步。目前的準(zhǔn)備工作已表明，有關(guān)的新概念、新技術(shù)和新方法在原理和技術(shù)途徑上是可行的，我們也已或正在申報國家、國防發(fā)明專利。本期 973 申請還將吸收相關(guān)方向有基礎(chǔ)的研究成果進(jìn)行集成，特別是航空航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的跨層次、跨尺度耦合與模擬，高效結(jié)構(gòu)的設(shè)計， 綠色復(fù)合材料，高效阻燃技術(shù)等。這些方向的研究工作部分已得到國家自然科學(xué)基金、國家973 和國家 863 計劃、雙邊 國際合作、國防 973 計劃等的支持。管理創(chuàng)新在支撐基礎(chǔ)研究創(chuàng)新和重大關(guān)鍵技術(shù)突破方面具有重要的作用。在上一期 973 課題期間，課題 已嘗試組織緊密結(jié)合型團隊，這種做法得到科技部領(lǐng)導(dǎo)、專 家和周光召先生等的高度贊同 8。本次申 請 將進(jìn)一步根據(jù)“ 需求牽引，研究推動”的組織 思路，以我國航空航天工業(yè)復(fù)合材料研究的核心力量 為目標(biāo)牽引和系統(tǒng)集成主體，聯(lián)合中國科學(xué)院以及高等院校在基礎(chǔ)研究方面的優(yōu)勢力量，與國內(nèi)外高端企業(yè)建立戰(zhàn)略合作聯(lián)盟，集成攻關(guān)，力爭將基礎(chǔ)研究的成果快速轉(zhuǎn)化為關(guān)鍵技術(shù)突破，并在國家重大項目上得到示范性驗證和領(lǐng)先應(yīng)用。8 2007 年 1 月 12 日，周光召先生率科技部基礎(chǔ)司等有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)到北京航空材料研究院現(xiàn)場調(diào)研 973 課題進(jìn)展時的總結(jié)發(fā)言：“基礎(chǔ)研究不能局限在實驗室，實驗室只能出工藝、技術(shù)不成熟的樣品，不能創(chuàng)造價值；基礎(chǔ)研究的目的是搞清為什么，但為了使研究成果滿足國家目標(biāo)的需求，有意義的結(jié)果就必須向工業(yè)延伸，必須在生產(chǎn)上有量，否則 know how 就出不來；而基礎(chǔ)研究向工業(yè)延伸，必然需要團隊，需要積累，這方面以應(yīng)用研究為背景的單位條件更好。973 課題由一些應(yīng)用單位來做是完全有必要地，973 計劃應(yīng)加強與應(yīng)用部門和企業(yè)的合作，通過與企業(yè)的合作把基礎(chǔ)研究的潛力充分發(fā)掘出來，才能提升中國的創(chuàng)新高度。 ”課題 1、復(fù)合材料多層次高性能化的基礎(chǔ)理論預(yù)期目標(biāo)：以提高航空航天復(fù)合材料的損傷阻抗、損傷容限和基礎(chǔ)力學(xué)性能為主線，在 “離位”增韌的基礎(chǔ)上，重點發(fā)展 3-3 微連接結(jié)構(gòu)強化和多層次精細(xì)復(fù)合協(xié)同強韌化等復(fù)合材料“ 人工界面”的新概念、新理論與新技術(shù)，研制具有中國特色和自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能復(fù)合材料體系，主要性能達(dá)到同期國際先進(jìn)水平，并快速轉(zhuǎn)化，在大飛機等航空航天重大任務(wù)中得到示范性的驗證和應(yīng)用。研究內(nèi)容：(1) 研制新型樹脂，包括零固化收縮率樹脂，高溫樹脂，阻燃樹脂等作為基礎(chǔ)基體材料；研制特種改性劑等其他功能組分材料，全面表征和優(yōu)化材料的物理、化學(xué)和力學(xué)使用性能。(2) 合成新型高溫上漿劑等纖維表面功能涂層，研究典型增強纖維的表面化學(xué)改性，利用浸潤去浸潤效應(yīng)等，控制 纖維表面微幾何結(jié)構(gòu)和微形貌。(3) 在纖維、織物、預(yù)浸料等表面異相生長無機晶須以及異相高分子等獨特的3維微結(jié)構(gòu)，形成微尺度3-3連接的新型表面/界面結(jié)構(gòu)；研究這種新型表面/ 界面微結(jié)構(gòu)的界面化學(xué)作用、物理作用，特別是大規(guī)模界面機械嚙合作用等。(4) 在纖維間引入特殊微、納米尺度高剛度微結(jié)構(gòu)，研究復(fù)合材料的“ 層內(nèi)增剛”效應(yīng)；研制大厚度、多向、多層超薄預(yù)浸料，調(diào)制疊層復(fù)合的“周期” ，研究復(fù)合材料的性能變化特性。(5) 發(fā)展特殊的表面改性和表面處理技術(shù)，建立復(fù)合材料表面載荷顯示層，在簡單目視條件下識別沖擊的位置和能量（BVID），基本準(zhǔn)確理解和評價復(fù)合材料表-里損傷 性質(zhì)的關(guān)聯(lián)。經(jīng)費比例：33%承擔(dān)單位：中國航空工業(yè)第一集團公司北京航空材料研究院、吉林大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：李宏運學(xué)術(shù)骨干：益小蘇、安學(xué)鋒、 陳春海、唐邦 銘、王嶺、王策、黨國棟、 張子龍、劉剛課題 2、復(fù)合材料的多尺度科學(xué)建模與表征預(yù)期目標(biāo)：在微觀、細(xì)觀的材料科學(xué)層次，建模分析異相表面 /界面 3-3 微連接結(jié)構(gòu)強化、多層次精細(xì)復(fù)合協(xié)同強韌化等新概念、新技術(shù)的材料學(xué)模型和力學(xué)模型，受材料熱力學(xué)和動力學(xué)、特別是多 層次結(jié)構(gòu)控制的復(fù)合材料變形機理，影響工藝過程和復(fù)合材料內(nèi)部缺陷的材料特征參數(shù)及其影響范圍，研制特殊雙穩(wěn)態(tài)、多穩(wěn)態(tài)以及線性、非 線性溫控變形的復(fù)合材料體系等，通過虛擬 建模和實際材料制備的反復(fù)疊代，預(yù)報 并支撐新型材料的研制，優(yōu)化制備工藝，在 選定的幾個方向上實現(xiàn)按照指定的結(jié)構(gòu)和性能設(shè)計和制備新型材料。研究內(nèi)容：(1) 建立有機、無機異相表面/界面3-3微連接結(jié)構(gòu)的材料學(xué)模型和力學(xué)模型，建立特殊微米、納米尺度高剛度微結(jié)構(gòu)的“層內(nèi)增剛 ”材料學(xué)模型，建立大厚度、多向、多層超薄預(yù)浸料復(fù)合材料的材料學(xué)模型，形成相關(guān)的理論，指 導(dǎo)材料的制備和復(fù)合材料性能預(yù)報。(2) 研究復(fù)合材料法向表面沖擊的損傷傳遞過程，建立表面沖擊顯示復(fù)合材料的功能原理模型，指導(dǎo)材料的制備和復(fù)合材料損傷程度的預(yù)報。(3) 建立數(shù)值模型和實驗方法，預(yù)報和實測典型樹脂的P-V-T熱力學(xué)關(guān)系和TTT轉(zhuǎn)變 關(guān)系；建模分析 纖維 主導(dǎo)性質(zhì)對復(fù)合材料內(nèi)應(yīng)力和變形的影響，特 別是非對稱、非均衡鋪層結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料變形的強烈控制。(4) 設(shè)計具有多重玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的多組分、多相高分子材料，其 熱機械性能圖譜中呈現(xiàn)多重轉(zhuǎn)變的“ 臺 階” ；制備并建模分析特征 結(jié)構(gòu)參數(shù)互異而界面互容的雙穩(wěn)態(tài)、多穩(wěn)態(tài)以及線性、非線性溫控變形的復(fù)合材料體系，主動控制變形。(5) 建立多尺度、概率斷裂力學(xué)、適合于天然纖維增強復(fù)合材料的力學(xué)分析和建模方法。經(jīng)費比例：20%承擔(dān)單位：山東大學(xué)、中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所課題負(fù)責(zé)人：賈玉璽學(xué)術(shù)骨干：王成國、王震、石彤非、陳繼忠、李宏飛課題 3、航空航天高效結(jié)構(gòu)的性能協(xié)同優(yōu)化與設(shè)計預(yù)期目標(biāo)：確定韌性復(fù)合材料典型破壞模式的細(xì)觀和宏觀控制因素，提出并建立其對應(yīng)破壞模式的相關(guān)度及性能相關(guān)性分析模型。在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計中實現(xiàn)各韌性性能指標(biāo)間的協(xié)調(diào)，建立高效典型結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。針對航空結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的典型服役要求，建立結(jié)構(gòu)宏觀 性能/設(shè)計參量之間的定量關(guān)系，對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析、優(yōu)化設(shè)計為一體的優(yōu)化設(shè)計方法進(jìn)行探索，實現(xiàn)復(fù)合材料優(yōu)化設(shè)計、分析過程的可視化仿真過程。建立復(fù)合材料結(jié)構(gòu)多層次、多學(xué)科一體化信息模型，突破 亞臨界損傷狀態(tài)下復(fù)合材料有效性能預(yù)報和非確定性分析等理論瓶頸，發(fā)展基于數(shù)字化環(huán)境的復(fù)合材料虛擬測試?yán)碚摵头椒ǎ瑥亩鵀閺?fù)合材料在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用提供高效結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計 和評估提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)方法，并實際應(yīng)用于我國大型飛機復(fù)合材料的實踐，達(dá)到降低結(jié)構(gòu)重量和取證試驗成本、縮短研制周期的目的。研究內(nèi)容：(1) 研究韌性復(fù)合材料層板損傷模式的形成、發(fā)展及轉(zhuǎn)換規(guī)律，建立基于物理機制的沖擊后壓縮、開孔拉伸和壓縮損傷分析模型。確定各種損傷模式判據(jù)，研究不同損傷模式損傷程度的定量表征，及其對層板性能的影響分析方法。研究韌性復(fù)合材料的破壞機制及其控制因素的相關(guān)性，確定各韌性性能控制因素和破壞模式的關(guān)聯(lián)度，建立復(fù)合材料層合板主要韌性性能關(guān)聯(lián)性分析模型及復(fù)合材料韌性指標(biāo)綜合評價方法。建立復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有限元參數(shù)化建模方法，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的快速高效參數(shù)化建模；根據(jù)典型服役環(huán)境的宏觀設(shè)計要求、傳力及連接、工藝可行性以及復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)特點等，發(fā)展先 進(jìn)的、基于拓?fù)鋵W(xué)特性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，并植入大型軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)航空航天復(fù)合材料制件的高效結(jié)構(gòu)設(shè)計和應(yīng)用。(2) 對優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，明確其優(yōu)化目標(biāo)、設(shè)計參量及約束條件，建立試驗設(shè)計、近似法、優(yōu)化算法等模塊以及全過程集成，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的全過程?；谶z傳算法建立復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題的求解，實現(xiàn)對多峰值問題的求解全局最優(yōu)性、對離散變量的處理、以及算法本身的可靠性及魯棒性?？?慮材料性能的不確定性，通過結(jié)構(gòu)可靠性分析的響應(yīng)面法和有限元法的結(jié)合，對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的可靠性進(jìn)行分析，針對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)頻率特點提出優(yōu)化算法，實現(xiàn)以鋪層層數(shù)及各層鋪層角度為設(shè)計變量的層合結(jié)構(gòu)頻率約束可靠性優(yōu)化方法，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)分析、優(yōu)化設(shè)計一體化的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)。(3) 通過復(fù)合材料結(jié)構(gòu)多層次信息模型與亞臨界損傷狀態(tài)分析，建立從復(fù)合材料組分到結(jié)構(gòu)、從分析設(shè)計到制造缺陷和服役損傷的全壽命一體化信息模型和相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫框架。在亞臨界狀態(tài)下研究復(fù)合材料多損傷模式的相互交叉、混雜機理以及多重混雜模型解耦和識別方法，建立相應(yīng)混雜模型識別與解耦的數(shù)據(jù)庫與知識庫，完成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)亞臨界狀態(tài)下?lián)p傷萌生擴展蔓延的全過程模擬。(4) 分析復(fù)合材料的組元組分、工藝過程、服役過程中的非確定性因素，建立非確定性參數(shù)概率分布函數(shù)測試方法，發(fā)展復(fù)合材料結(jié)構(gòu)多層次參數(shù)化建模技術(shù)，獲取主要隨機參數(shù)對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有效性能和使用壽命的影響規(guī)律，建立復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可靠性和安全壽命的科學(xué)定量預(yù)報方法。在結(jié)構(gòu)分析、優(yōu)化設(shè)計的統(tǒng)一軟件開發(fā)平臺上，編制復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)跨層次虛擬測試軟件模塊，完成針對高性能復(fù)合材料體系的典型結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性評價。經(jīng)費比例：23%承擔(dān)單位：北京航空航天大學(xué)、中國航空工業(yè)第一集團公司沈陽飛機設(shè)計研究所課題負(fù)責(zé)人：關(guān)志東學(xué)術(shù)骨干：張博明、李敏、楊旭、王進(jìn)、戴福洪、張紀(jì)奎課題 4、復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)基礎(chǔ)預(yù)期目標(biāo)：針對多種典型航空航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，特別是復(fù)雜形狀、高尺寸精度的結(jié)構(gòu)件等，建立復(fù)合材料制備 工藝的基本模型和理論，并開展結(jié)構(gòu)件的實驗制備，一方面，實驗驗證理論和模型的正確性，另一方面，發(fā)展新型的工裝工藝新材料如水溶性型芯技術(shù)等。在多 層次、多尺度物理與化學(xué)改性的基礎(chǔ)上，建立力學(xué)分析方法，研究天然纖維增強 復(fù)合材料的力學(xué)性能和阻燃機理，形成中國自主知識產(chǎn)權(quán)和基礎(chǔ)技術(shù)特色。研究成果進(jìn)入國家大飛機計劃或領(lǐng)先應(yīng)用，部分成果得到國際高端航空工業(yè)的認(rèn)可， 進(jìn)入政府間國際合作。研究內(nèi)容：(1) 建模分析滲逾閾值附近的復(fù)雜纖維織物體系的滲透率（K）并實驗驗證；研究氣-液 -固3相 態(tài)之間的相互作用，預(yù)報氣泡成核生長、團聚和輸運的特征過程，建立工藝缺陷的實驗判據(jù)；模擬非等溫、非等壓等實際工藝條件下樹脂固化反應(yīng)-材料物性之間的行為，優(yōu)化復(fù)合材料的制備工藝。在制備工藝?yán)碚摵湍Ｐ驮O(shè)計的指導(dǎo)下，以實際航空航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件為對象， 實驗研究缺陷生成、 長大和傳輸?shù)臋C理，優(yōu)化材料和工藝，抑制復(fù)合材料的典型缺陷。(2) 在溶解度和熱力學(xué)基礎(chǔ)上，設(shè)計、合成與制備無機聚合物基復(fù)合材料，設(shè)計特定的水溶性高分子，全面考察這種有機-無機聚合物復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)-性能-工藝的關(guān)系、特別是固體材料與潰散功能的動力學(xué)關(guān)系；研制并演示驗證水溶性工裝制備航空航天典型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，并推向工程化應(yīng)用。(3) 設(shè)計聚合物型（酸源、碳源、氣源三位一體）新型膨脹阻燃劑，在分子結(jié)構(gòu)中引入活性端基與天然纖維接枝，在提高天然纖維阻燃性能的同時改善與樹脂基體的相容性和界面強度；研究膨脹型阻燃劑與納米阻燃劑的協(xié)同阻燃及凝聚態(tài)阻燃機理，研制并演示驗證植物纖維增強典型航空艙內(nèi)結(jié)構(gòu)，并推向國際合作應(yīng)用。(4) 研制含磷阻燃聚合物作為天然纖維復(fù)合材料的基體材料，制備含磷雙氟單體以及含磷聚合物，調(diào)整預(yù)聚分子量調(diào)控預(yù)聚物的熔體黏度，滿足天然纖維復(fù)合材料制備工藝對樹脂的要求。(5) 研制具有表面示蹤功能的航空復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)件，特殊纖維混雜強化薄弱層的航天復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)件，負(fù)膨脹、零膨 脹樹脂基復(fù)合材料典型航空結(jié)構(gòu)件，以及界面3-3 連接度微結(jié)構(gòu)強韌化的航空航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件等，創(chuàng)新技術(shù)進(jìn)入示范性領(lǐng)先應(yīng)用。經(jīng)費比例：24%承擔(dān)單位：同濟大學(xué)、航天特種材料及工藝技術(shù)研究所課題負(fù)責(zé)人：李巖學(xué)術(shù)骨干：馬榮萍、許亞洪、包建文、仝建峰、周仕剛、劉玲四、年度計劃2010：研究內(nèi)容1. 新型樹脂、增韌劑、定型劑、纖維表面改性劑、有機-無機水溶性復(fù)合材料等基礎(chǔ)材料的研究2. 纖維、束、層間等多層次、多尺度 結(jié)構(gòu)的增韌、增剛與協(xié)調(diào)效應(yīng)研究，以及混雜纖維復(fù)合材料增強增剛建模分析3. 建模分析高韌性復(fù)合材料的損傷原理和過程、特別是 BVID 的過程與性質(zhì)4. 高韌性復(fù)合材料基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)-性能參數(shù)的采集與綜合分析5. 復(fù)合材料民機結(jié)構(gòu)設(shè)計的選型、設(shè)計技術(shù)優(yōu)化研究6. 亞穩(wěn)態(tài)損傷發(fā)展與不確定性技術(shù)建模研究7. 復(fù)合材料整體化成型的工藝?yán)碚撗芯?，特別是 RTM 流動建模預(yù)期目標(biāo)1. 根據(jù)高韌性復(fù)合材料的損傷原理和過程，提出優(yōu)化民機復(fù)合材料高性能化的技術(shù)方案。2. 高性能復(fù)合材料的 BVID 過程和性質(zhì)的初步模型3. 根據(jù)高性能化復(fù)合材料民機結(jié)構(gòu)設(shè)計的選型分析，提出設(shè)計方案。4. 復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)的整體化成型探索，完成典型件制備。5. 根據(jù)混雜纖維復(fù)合材料增強增剛模型提出典型翼結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化方案。2011：研究內(nèi)容1. 復(fù)合材料 BVID 細(xì)化建模，薄層化結(jié)構(gòu)、 變形規(guī) 律、 亞穩(wěn)態(tài)損傷與失效的初步建模，以及植物纖維復(fù)合材料力學(xué)性質(zhì)研究2. 復(fù)合材料整體化成型的工藝?yán)碚撗芯?，織物結(jié)構(gòu) K 值的測量與滲透率建模，典型缺陷形成機制建模研究3. 高韌性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的多參數(shù)兼容設(shè)計原理研究4. 民機典型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的設(shè)計技術(shù)研究預(yù)期目標(biāo)1. 復(fù)合材料高性能化建模，包括 BVID 模型、薄 層 化模型、制件 變形規(guī)律模型、亞穩(wěn)態(tài)損傷與失效模型等。2. 復(fù)合材料制備工藝建模，包括 K 值的測量與滲透率、典型缺陷形成機制模型與控制原理、RTM 流動建模等。3. 針對民機典型結(jié)構(gòu)的設(shè)計改進(jìn)方法，提出高性能復(fù)合材料整體化設(shè)計技術(shù)原理。4. 高性能復(fù)合材料的沖擊后壓縮強度（CAI）300MPa（預(yù)浸料）和250MPa（RTM），增 韌預(yù)浸料和 RTM 復(fù)合材料達(dá)到民機設(shè)計要求，進(jìn)入典型結(jié)構(gòu)試制。5. 根據(jù)設(shè)計部門的要求完成表面目視可檢（BVID）復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)的試制并進(jìn)行評價。6. 混雜纖維增強增剛復(fù)合材料完成典型結(jié)構(gòu)設(shè)計和翼結(jié)構(gòu)試制7. 植物纖維增強復(fù)合材料艙內(nèi)結(jié)構(gòu)典型件2012：研究內(nèi)容1. 新型樹脂、增韌劑、定型劑、纖維表面改性劑、有機-無機水溶性復(fù)合材料等基礎(chǔ)材料的實際應(yīng)用效果評價與反饋優(yōu)化2. 復(fù)合材料 BVID 模型、薄層化模型、制件 變形規(guī) 律模型、 亞穩(wěn)態(tài)損傷與失效模型等的實際應(yīng)用效果評價與反饋優(yōu)化3. 航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的改進(jìn)方法研究，民機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化研究4. 形狀記憶復(fù)合材料的熱-機械轉(zhuǎn)變機制模型研究，研制典型形狀記憶復(fù)合材料5. 試制高性能增韌預(yù)浸料和 RTM 復(fù)合材料典型空心結(jié)構(gòu)與復(fù)雜結(jié)構(gòu)6. 植物纖維復(fù)合材料阻燃特性研究預(yù)期目標(biāo)1. 根據(jù)形狀記憶復(fù)合材料的熱-機械轉(zhuǎn)變模型，完成典型材料研制，形成自主知識產(chǎn)權(quán)。2. 有機-無機復(fù)合的水溶性芯模材料形成系列，成功用于試制增韌預(yù)浸料和RTM 復(fù)合材料典型飛機結(jié)構(gòu)。3. 建立阻燃模型，植物纖維復(fù)合材料及其阻燃技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。2013：研究內(nèi)容1. 建立高性能復(fù)合材料多尺度、多層次的結(jié)構(gòu)模擬和性能預(yù)測基本方法2. 建立航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的改進(jìn)方法，優(yōu)化民機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計3. 建立復(fù)合材料整體輕量化結(jié)構(gòu)制備的工藝?yán)碚撃Ｐ?. 建立混雜纖維增強增剛復(fù)合材料的應(yīng)用效果反饋與結(jié)構(gòu)優(yōu)化5. 大厚度多向多層超薄復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)聯(lián)模型研究，研制大厚度多向多層超薄復(fù)合材料預(yù)浸料和 RTM 復(fù)合材料6. 目視可檢（BVID）復(fù)合材料的設(shè)計和應(yīng)用評價反饋，完成典型結(jié)構(gòu)試制與優(yōu)化7. 形狀記憶復(fù)合材料空間結(jié)構(gòu)的建模與研制預(yù)期目標(biāo)1. 根據(jù)復(fù)合材料多尺度、多層次結(jié)構(gòu)和性能預(yù)測，高性能復(fù)合材料的沖擊后壓縮強度（CAI）310MPa（預(yù)浸料）和 260MPa（RTM），壓縮強度同比提升 10-15%（國 產(chǎn)碳纖維）。2. 根據(jù)復(fù)合材料民機典型結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化方法設(shè)計，制備若干低缺陷的典型整體化和高性能化的民機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，完成考核驗證。3. 混雜纖維增強增剛復(fù)合材料實現(xiàn)小批量試制，形成自主知識產(chǎn)權(quán)。4. 大厚度多向多層超薄復(fù)合材料完成預(yù)浸料和 RTM 復(fù)合材料試制，形成自主知識產(chǎn)權(quán)。2014：研究內(nèi)容1. 在復(fù)合材料 BVID 模型、薄層化模型、制件 變形 規(guī)律模型、 亞穩(wěn)態(tài)損傷與失效模型、工藝?yán)碚撃Ｐ偷鹊幕A(chǔ)上，建立復(fù)合材料高性能化的基礎(chǔ)技術(shù)理論和技術(shù)方法體系2. 新型樹脂、增韌劑、定型劑、纖維表面改性劑、有機-無機水溶性復(fù)合材料等基礎(chǔ)材料的定型3. 研究試制增韌預(yù)浸料和 RTM 復(fù)合材料飛機典型結(jié)構(gòu)、特別是整體空心結(jié)構(gòu)4. 植物纖維復(fù)合材料飛機艙內(nèi)結(jié)構(gòu)的聲學(xué)模型和降噪設(shè)計原理研究5. 大厚度多向多層超薄預(yù)浸料和 RTM 復(fù)合材料空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計與典型結(jié)構(gòu)試制研究6. 形狀記憶復(fù)合材料制備空間結(jié)構(gòu)-功能一體化典型結(jié)構(gòu)試制研究7. 植物纖維復(fù)合材料的聲學(xué)模型研究預(yù)期目標(biāo)1. 復(fù)合材料高性能化的基礎(chǔ)技術(shù)理論和方法形成自主知識產(chǎn)權(quán)，有關(guān)理論和方法得到國際航空航天高端企業(yè)的認(rèn)可或進(jìn)入國際合作。2. 高性能復(fù)合材料（預(yù)浸料和 RTM），形成多品種的材料體系，形成自主知 識產(chǎn)權(quán)保護。3. 增韌的預(yù)浸料和 RTM 復(fù)合材料達(dá)到民機設(shè)計要求，整體空心結(jié)構(gòu)（利用有機-無機復(fù)合的水溶性芯模）通過地面考核。4. 復(fù)合材料目視可檢（BVID）損傷容限設(shè)計達(dá)到飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，完成典型結(jié)構(gòu)試制，形成材料體系和自主知識產(chǎn)權(quán)。5. 植物纖維復(fù)合材料飛機艙內(nèi)結(jié)構(gòu)的阻燃、降噪技術(shù)達(dá)到國際高端企業(yè)認(rèn)可，典型件滿足飛機內(nèi)飾設(shè)計要求，形成知識產(chǎn)權(quán)。6. 大厚度多向多層超薄預(yù)浸料和 RTM 復(fù)合材料滿足航空航天結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，完成典型結(jié)構(gòu)試制，進(jìn)入地面驗證，形成自主知識產(chǎn)權(quán)。7. 形狀記憶復(fù)合材料制備空間結(jié)構(gòu)-功能一體化典型結(jié)構(gòu)完成試制，進(jìn)入地面驗證，形成自主知識產(chǎn)權(quán)。