【基金標書】2010CB631100-先進復合材料空天應用技術基礎科學問題研究

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項目名稱： 先進復合材料空天應用技術基礎科學問題研究首席科學家： 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： 國防科學技術工業(yè)委員會一、研究內容關鍵科學問題1. 復合材料多層次、多尺度界面結構的理解和強化建構復合材料的共性特征是多層次、多尺度的異質、異構界面。典型的 結構層次涵蓋纖維單絲、纖維絲束、干態(tài)增強織物、樹脂預浸料和 層狀化的復合材料結構等。界面狀態(tài)將從本質上影響復合材料整體對載荷的響應，并控制復合材料的所有性質和服役行為。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)相結構直接影響了細觀損傷的產生和擴展，進而決定了復合材料的韌性、剛度、 強度等使用性能；雙連續(xù)相結構形成和演化的關鍵是定域設計和控制反應誘導的失穩(wěn)分相、臨界相反轉和相粗化等過程。 這對應了連接度（Connectivity）概念 2里的 0-0、0-3和 3-3 結構的 連續(xù)的相轉變過程，而由于這個連續(xù)的相變發(fā)生在 2-2 結構的受限空間內，必然形成尺度上梯度分布的 3-3 型雙連續(xù)顆粒結構，從而賦予復合材料優(yōu)異的韌- 剛-強組合。我們的預先研究已發(fā)現(xiàn) 3，碳纖維表面在微米層次上的“ 結構化”或“粗糙化”對復合材料“ 人工界面” 的建構具有重要的影響，這種“ 結構化” 和“粗糙化”包括微尺度的顆粒和三維結構等，建構這種新型表面結構的機理包括表面成核與低溫生長、表面浸潤與去浸潤等，但目前國內外對這種表面微結構建構的材料學和力學理解還知之甚少，也不清楚 這種微結構對復合材料界面強-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-高分子復相材料熱力學和動力學的限制，在界面化學改性的同時，提出建構復合材料多層次界面有機、無機異相 3-3 連接度微結構（Interfacial 3-3 micro connectivity）的新概念，鑲嵌體胞建模分析界面剪切對細觀集束/協(xié)同/無規(guī)破壞的影響，極大地提高復合材料在關鍵結構層次的界面結合力和穩(wěn)定性，確立復合材料界面強化的新技術和新方法。2. 復合材料多層次精細耦合協(xié)同強韌化機制典型“纖維增 強-樹脂基體 ”兩元復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性質（Fiber-dominent ）和 樹脂基體相主導性質1 益小蘇。上期 973 課題《多層次細觀結構與特征目標性能的關聯(lián)、數理模擬和結構優(yōu)化設計》驗收總結報告。2008/09，北京2 E. Newnham, D. P. Skinner, and L. E. Cross, “Connectivity and Piezoelectric–. Pyroelectric Composites,” Mater. Res. Bull., 13, 525–36 (1978).3 益小蘇等：一種剛性 3 維晶須層間改性連續(xù)纖維復合材料的制備技術（國家發(fā)明專利） 。申請?zhí)枺?00810183554.4。（Matrix-dominent）聯(lián)系到一起。樹脂基體相主導性質主要包括“纖維間” （Inter-fibers 或 Intra-tow）、“層內”（Intra-ply）和“層間”（Inter-ply 或 Interlaminate）等 3 個結構層次，它們通過各層次間的精細結構耦合和載荷傳遞，使復合材料發(fā)揮整體功效。為了在現(xiàn)有較低品位纖維（例如國產 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合材料的整體性能，根據復合材料結構耦合的最簡化的線性混合率，復合材料的剛度將隨基體的模量線性增長，因此在復合材料的“ 纖維間” 引入高 剛度的微、納米尺度精細微結構，將可能在“層間‘離位’增韌”的基礎上實現(xiàn) “層內增剛”，同步提升復合材料整體的剛度和韌性；又考慮到復合材料“ 層內” 結 構與“層間”結構在載荷傳遞 特性上的巨大差異，而復合材料的強度主要受控于體系內的薄弱結構，因此，在等密度的前提下，借助基體主導性質多層次結構間的精細耦合，調制和優(yōu)化 2-2 層狀周期結構，產生“ 層內增剛”與“層間增韌” 性質的協(xié)同效應，可望 獲得復合材料整體性能的 躍升。進一步地，目前國內外航空復合材料的損傷設計容限準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， 導致復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 鍵是在體型復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部損傷的關聯(lián)，從而改進國際航空復合材料的傳統(tǒng)設計方法，以低品位的基礎材料通過系統(tǒng)集成和優(yōu)化達到復合材料高性能化的目的。3. 復合材料損傷的非確定性跨層次虛擬測試與高效結構設計目前對航空航天復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，一個科學的解決方案是建立基于非確定性分析的復合材料跨層次虛擬測試方法，其核心是建立復合材料多層次漸進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，建立非確定性參數化的方法，模擬復合材料結構在亞臨界狀態(tài)下?lián)p傷萌生-擴展-蔓延的全過程。航空航天結構復合材料高效設計（Efficiency）的典型特征是損傷阻抗、耐久性和損傷容限等關鍵性能的最佳平衡，同時各項指標滿足結構設計目標，其核心問題是在結構性能層面上要求這些性能指標具有協(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 層次研究和理解復合材料結構損傷阻抗、耐久性和損傷容限的影響因素及其相互作用，明確材料性能內在關聯(lián)性，建立反映這種復合材料高性能指標結構的適應性的新型設計方法，從而最大限度4 發(fā)明專利申報：一種表面沖擊敏感-顯示的復合材料新概念和制備方法（益小蘇等） ，2009地利用和發(fā)揮復合材料的本質性能優(yōu)勢。在航空航天結構件的工程設計層次，根據典型服役環(huán)境的宏觀設計要求、傳力及連接、工藝可行性以及復合材料典型結構細節(jié)特點等，發(fā)展先進的結構優(yōu)化設計方法，并植入大型軟件系 統(tǒng)， 實現(xiàn)航空航天復合材料制件的高效結構設計和應用。4. 復合材料變形的結構依賴性及其模型化與功能性應用高聚物特定的化學結構、遠離材料平衡態(tài)的制備過程、以及化學反應動力學與動態(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)固化反應轉變?yōu)楣腆w材料的體積變化過程服從熱力學平衡態(tài)的壓力- 比容-溫度（P-V-T ）關系，其中最關鍵的“凝膠化”和“ 玻璃化”（Vetrification）轉變過程可以用溫度- 時間-轉變（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 構，以及復雜體形結構內的殘余應力狀態(tài)等，將更強 烈地影響復合材料結構整體的線性、非線性變形。上期 973 課題的研究結果表明，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 關系預測 5。本申請擬 通過合成制備零膨脹、負膨脹高聚物材料及其復配體系，數值預測材料的 P-V-T 熱力學關系和 TTT 轉變關系，數值 模擬非等溫、非等壓等實際工藝條件下固化反 應對材料物性的控制， 結合復合材料航空典型結構的內應力計算，一方面，從本 質上揭示和預測復合材料大型制件的結構變形和復合材料應力動態(tài)重分布及可逆補償原理，形成先進的形變控制技術；另一方面，研制特征結構參數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 線性變形的復合材料體系 6，理解和 實現(xiàn)復合材料的主動變形和結構-功能一體化。5. 典型復合材料制造關鍵技術的基礎問題研究大型航空航天復合材料結構件制造的共性關鍵是低成本、低缺陷或無缺陷，其材料學基礎是對氣-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。復合材料制備過程是多種細觀尺度材料缺陷產生的重要來源，如微觀浸潤與宏觀流動速度的不匹配將導致纖維束內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表面浸潤的不匹配將導致復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數滲逾閾值附近的氣-液- 固 3 相態(tài)流動和相互作用模型。大飛機復雜結構整體制造的關鍵技術之一是工裝模具系統(tǒng)，即復合材料制5 益小蘇。上期 973 課題驗收總結報告。2008/096 發(fā)明專利申報：一種類雙金屬片的新型復合材料的制備技術與應用技術（益小蘇等） ，2008件與“?！焙汀胺丁辈牧象w系物性統(tǒng)一問題。整體結構的前驅體是近凈型的干態(tài)復合材料預制件，上期 973 的研究結果已為近凈型預制打下了良好的基礎，但預制結構的制造需要有與該復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 7，在材料科學意義上，這是一個典型的有機/無機聚合物（不 燒陶瓷）復合材料問題，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合材料技術的關鍵是高效無毒阻燃和結構力學性能最大化，這是一個功能-結構一體化問題，也是飛機安全問題。天然 纖維增強體自身就是一個多層次、多尺度的復合材料結構，其力學模型、浸滲、成型的工藝特性等不同于傳統(tǒng)的碳纖維復合材料，而天然纖維復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?、碳源、氣源三位一體）膨 脹阻燃劑的分子設計原理，通 過膨脹-納米復合阻燃技術處理纖維和樹脂，以獲得航空安全的天然纖維增強復合材料及其典型航空構件。主要研究內容1. “界面 /表面微 連接強化 ”（Interfacial 3-3 Connectivity）新概念和基體相主導的多層次結構協(xié)調新原理在單絲、絲束、織物、 預浸料的表面以及復合材料的 層間構造有機和無機、具有微米尺度 3-3 連接度的新型界面結構，從新型上漿劑的合成和表面化學改性開始，在上期 973 浸潤去浸 潤研究的基礎上，通 過擴 大界面化學鍵合和物理吸附，特別是建立大規(guī)模的界面機械嚙合等效應，極大地提高復合材料在關鍵結構層次的界面結合力和穩(wěn)定性，建立相應的界面/表面微 連接強化材料學模型和力學模型，在國內外確立復合材料界面強化的新概念、新技術和新方法。又在纖維間層次引入特殊微米、納米尺度的結構，在“ 層間增韌”的基礎上實現(xiàn)“層內增剛 ”；在疊層復合 層次調制“周期”的“頻率” ，實現(xiàn)復合材料截面結構的均質化，提出復合材料多層 次結構協(xié)調新原理并建立材料力學模型。在體型復合材料層次準確地分解其表功能和體功能，一方面針對應用，通過混雜纖維強化薄弱層來提升復合材料的整體性能；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 層次的力學模型，最大限度地發(fā)揮和利用復合材料的潛質，以低品位的基礎材料通過系統(tǒng)集成和優(yōu)化達到復合材料高性能化的目的。推動成果快速轉化應用，實現(xiàn)航空航天領域的領先應用。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. 復合材料高效結構工程設計與設計方法優(yōu)化針對復合材料典型結構，實現(xiàn)從材料組分到結構的載荷、性能、 損傷信息的高保真?zhèn)鬟f，建立從復合材料 組分到結構、從分析 設計 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)的判斷準則，在亞臨界狀態(tài)下實現(xiàn)各層次結構性能的準確預報。對復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)律進行定量化表征，建立復合材料結構可靠性和安全壽命的科學定量預報方法。編 制復合材料典型結構跨層次虛擬測試軟件模塊，完成針對高性能復合材料體系的典型結構設計的可靠性評價。建立不同載荷、材料形態(tài)下?lián)p傷過程分階段的多參量、多損傷指標分析模型；應用損傷度概念對復合材料失效過程相應不同損傷模式及其程度進行定量化表征，確定損傷度對本構關系及剩余強度變化影響規(guī)律；建立材料和結構破壞模式相關性為基礎的關聯(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部損傷關聯(lián)性研究， 發(fā)展的結構損傷阻抗、耐久性和損傷容限性能協(xié)調的典型結構設計分析方法。在航空航天結構件的工程設計層次，根據典型服役環(huán)境的宏觀設計要求、傳力及連接、工藝可行性以及復合材料典型結構細節(jié)特點等，發(fā)展先進的、基于拓撲學特性的結構優(yōu)化設計方法，并植入大型軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)航空航天復合材料制件的高效結構設計和應用。復合材料結構分析設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用。3. 復合材料變形的結構模型與結構-功能一體化應用合成制備研制零膨脹、負膨脹高聚物新材料及其復配體系，研究材料化學結構對溫度- 比容 -壓力性質的影響，有關材料形成標準；建立數值模型和實驗方法，預測典型材料的 P-V-T 熱 力學關系和 TTT 轉變關系；模 擬非等溫、非等壓等實際工藝條件下樹脂固化反應-材料物性之間的行為，優(yōu)化復合材料的制備工藝；建模分析增強纖維主導性質對復合材料變形的影響，特別是非對稱、非均衡鋪層結構對復合材料變形的強烈控制， 設計合理的多層次、多尺度復合材料結構，控制大型制件的變形；有關的模型力爭實現(xiàn)軟件化，可以嵌入或與商業(yè)工程軟件兼容。在理論分析和結構優(yōu)化設計的基礎上，設計具有多重玻璃化轉變溫度的多組分、多相高分子材料，其熱機械性能圖譜中呈現(xiàn)多重 轉變的“ 臺階”，利用其發(fā)展特征結構參數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合材料體系，主動響應外界 環(huán)境（制備工藝環(huán)境、服役環(huán)境等），理解和 實現(xiàn)復合材料的結構-功能一體化。4. 制造技 術 建模、工藝系統(tǒng)控制和綠色材料技術典型基礎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，預報氣泡成核生長、團聚和輸 運的特征過程，建立復合材料工藝缺陷的實驗判據；在纖維增強材料方面，建立復 雜織物結構的滲透率（K 值）模型，結合儀器化的實驗，數值預報和確定典型增 強材料的滲透率。設計特定的水溶性成份均勻吸附在無機顆粒表面，在固體材料內部形成了雙連續(xù)網絡結構，當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 致原有固體結構潰 散，全面考察無機聚合物基復合材料的結構-性能-工藝的關系以及固體材料與潰散功能的動力學關系，形成創(chuàng)新性的水溶性無機聚合物復合材料技術，支撐復合材料整體化高效結構制造技術的發(fā)展。采用多尺度的復合材料力學方法和概率斷裂力學的概念，建立適合于天然纖維增強復合材料的力學分析和建模方法；設計聚合物型新型膨脹阻燃劑，在其分子結構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、預期目標1 總體目標以《國家中長期科學和技術發(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) 展具有我國知識產權 、創(chuàng)新性、高性能的 結 構復合材料新概念、新理論、新技術和新方法及相關配套結構設計、先進制造和工程化應用技術基礎，推動我國先進復合材料技術領域的部分方向進入國際研究的前列，同時示范性輻射帶動相關產業(yè)和行業(yè)的技術進步。2 五年預期目標以高性能航空航天復合材料技術體系的發(fā)展為主線，以先進的模擬分析、結構設計、表征實驗和制造驗證 技術為支撐，探索建立在復合材料基礎理論指導下的多層次、多尺度強韌化的新概念和新方法，研制 發(fā) 展高性能復合材料新技術，典型指標達到國際領先水平，在大飛機等國家重大任務中得到示范性的驗證應用，部分成果進入國際高端航空航天合作。部分先進設計技術突破國際傳統(tǒng)航空結構設計技術的陳規(guī)，初步建立與積木式適航認證試驗相適應的模擬分析方法；充分利用復合材料可設計的特點和工藝建模，研制有機- 無機復合的工藝系統(tǒng)新材料，支撐大型、復雜復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合材料的理論和技術，推動航空領先應用。3 考核指標3.1 高性能復合材料的沖擊后壓縮強度（CAI）?310MPa（預浸料）和260MPa（RTM），壓縮強度同比提升 10-15%（國產 CCF-1 或 CCF-3 級別）；復合材料目視可檢（BVID）損傷容限設計達到國 際同期先進水平，形成中國品牌的材料體系和自主知識產權保護。3.2 有關復合材料分析建模技術軟件化，獨立使用或兼容商業(yè)軟件，形成軟件版權。3.3 植物纖維復合材料及其阻燃技術達到國際高端企業(yè)認可，形成中國特色和知識產權。3.4 圍繞高性能化的新型樹脂與復合材料、有機-無機復合材料、植物纖維復合材料、零固化收縮率復合材料等，形成復合材料新標準。3.5 培養(yǎng)骨干科研人員和工程技術骨干 10 名左右；項目研究團隊以該 973 項目為基礎或紐帶，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 帶動相關項目的進展；3.6 在國際重要系列性的復合材料等學術會議上發(fā)表邀請報告 10 篇左右，發(fā)表重要學術論文約 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 術標準約 25 項，材料新牌號約 10 項；擴充和完善國家級先進復合材料數據庫。三、研究方案本項目以問題和目標導向：以制備高性能的大飛機主承力結構復合材料為主攻目標，通 過多層次、多尺度界面強化和多層次精細 耦合協(xié)同強韌化等，在理 論上有所建樹，在技術上獲得 滿足高性能指標的新材料體系。針對這個目標，主要研究安排在課題 1“復合材料多 層次高性能化的基礎 理論” 和課題 2“復合材料的多尺度科學建模與表征” ?？紤]復合材料多變量、可設計的特性，以 發(fā)揮復合材料的本質優(yōu)勢為目標，研究復合材料跨尺度、跨層 次的性能傳遞與協(xié)同效應，特別是通過高效結構的工程設計與優(yōu)化技術研究，滿 足航空航天復合材料結構件的特殊指標要求。針對這個目標，主要研究安排在課題 2“復合材料的多尺度科學建模與表征 ”和課題 3“航空航天高效結構的性能協(xié)同優(yōu)化”。在高性能材料體系和高效結構件設計的基礎上，以制備整體、復雜結構的復合材料制件為目標，通過復合材料結構依賴性變形與制造技術建模、工藝系統(tǒng)控制和綠色材料技術等，發(fā)展獨特的復合材料結構制造技術新理論和新技術，在國內國際航空航天領域實現(xiàn)領先應用。針對這個目標，主要研究安排在課題 2“復合材料的多尺度科學建模與表征”和課題 4“復合材料典型 結構的制造技術基礎”。這個項目以理論建模分析為基礎，通過材料研究、 結構設計和結構制造的系統(tǒng)集成，形成一個比較完整的研究體。1. 主要學術思路與技術途徑1.1 在提高復合材料性能這個主線上，根據先進復合材料的結構特點，其力學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)關注復合材料層間的同時，層內增剛；并通過深入理解復合材料多層次、多尺度、多界面的結構特點和可設計的本質優(yōu)勢，分 別在多界面建立 3-3 微連接度的強化結構；同時通過多層次精細耦合協(xié)同強韌化等問題的科學研究，建立理論方法，制 備獲得高性能指標的新材料體系。 進一步地，提出結構復合材料表-里分離的新思路， 設計 制備表面敏感-顯示的高韌性復合材料系統(tǒng)，顯著提升先進復合材料的初始靜態(tài)力學性能、剩余強度、設計損傷容限和許用應變等。1.2 鑒于復合材料在損傷萌生－擴展－蔓延過程中末端的非穩(wěn)定性特征，提出了在復合材料亞損傷階段對材料結構的多重損傷模式的交叉混雜進行解耦，同時將復合材料從材料組分到結構的參數非確定性分布引入到復合材料結構整個的數字化虛擬測試中，深刻揭示復合材料漸進失效的機理和過程，對復合材料的力學性能進行精確預報。1.3 在復合材料結構控制的變形問題上，通過理論分析建模，控制大型復合材料制品的變形，與此同時，反向利用 這個特點，研究特征結構參數互異而界面互容的復合材料體系，利用復合材料的復合度、對稱度、周期性 變化等特性，發(fā)展自動補償大變形、 應力動態(tài)重分布的新型材料實現(xiàn)功能集成器件化或結構-功能一體化。1.4 在先進制造技術方面，發(fā)展不燒型無機聚合物復合材料，形成全新的輔助新材料，制備傳統(tǒng)材料和技術難以制備的高效航空關鍵構型和整體結構。深入研究和理解天然材料的多層次、多尺度結構和表面特性，采用化學和物理的方法改善植物纖維的表面以及復合材料界面的特性；通過分子設計和復配，制備多元含納米結構的高效無毒阻燃劑；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)新點及其與國內外同類研究相比的特色2.1 根據“表面粗糙化 ”和 “表面結構化”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合材料結構應用的溫度范圍直至高溫（?500?C ）。2.2 根據復合材料多尺度、多層次、多 變量的特征，首次提出“層內增剛”與“層間增韌” 的協(xié)同新概念和 2-2 連接度周期調制新概念，通過多層次、多尺度的精細結構耦合，提升材料的本質性能。2.3 首次提出表面敏感-顯示的高韌性復合材料新概念，嘗試改變傳統(tǒng)的設計理念，充分發(fā)揮高沖擊損傷阻抗復合材料的剩余壓縮強度和許用壓縮應變潛力，大大提高航空復合材料制件的減重效率。2.4 復合材料亞損傷階段對材料結構的多重損傷模式的交叉混雜進行解耦，并把非確定性分布引入到復合材料結構整個數字化虛擬測試中，揭示復合材料漸進失效的機理和過程。2.5 研究發(fā)展水基凝膠有機-無機聚合物陶瓷材料，兼具高溫力學和結構穩(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構的制造。2.6 首次提出特征結構參數互異而界面互容的復合材料新概念，利用具有雙/多重高分子轉變“ 臺階” 性 質、或膨 脹系數不同的基體材料，設計制備自動補償大變形、應力動態(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，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性能不足的問題。2.8 研制國產富有資源的植物纖維復合材料及其高效阻燃綠色復合材料技術，領先應用于國際航空領域。以上內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中，目前尚未見國內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，給予復合材料的應用基礎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)勢科研資源的調動 等等，有可能通 過多學科的交叉和產學研的緊密結合，在 項目內部直接打通從概念到產品的原理性流程，在新技術、新方法、新發(fā)現(xiàn)等技術原理的起點和航空航天等關鍵技術應用的終點之間，建立一個相對完整的技 術發(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 計劃項目已經取得的成果，結合國家對大飛機等航空航天復合材料的新需求，發(fā)展更通用、更有效、更有中國特色的復合材料新概念、新技術和新方法，在選定的研究方向上取得更大的進步。目前的準備工作已表明，有關的新概念、新技術和新方法在原理和技術途徑上是可行的，我們也已或正在申報國家、國防發(fā)明專利。本期 973 申請還將吸收相關方向有基礎的研究成果進行集成，特別是航空航天復合材料結構的跨層次、跨尺度耦合與模擬，高效結構的設計， 綠色復合材料，高效阻燃技術等。這些方向的研究工作部分已得到國家自然科學基金、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)新在支撐基礎研究創(chuàng)新和重大關鍵技術突破方面具有重要的作用。在上一期 973 課題期間，課題 已嘗試組織緊密結合型團隊，這種做法得到科技部領導、專 家和周光召先生等的高度贊同 8。本次申 請 將進一步根據“ 需求牽引，研究推動”的組織 思路，以我國航空航天工業(yè)復合材料研究的核心力量 為目標牽引和系統(tǒng)集成主體，聯(lián)合中國科學院以及高等院校在基礎研究方面的優(yōu)勢力量，與國內外高端企業(yè)建立戰(zhàn)略合作聯(lián)盟，集成攻關，力爭將基礎研究的成果快速轉化為關鍵技術突破，并在國家重大項目上得到示范性驗證和領先應用。8 2007 年 1 月 12 日，周光召先生率科技部基礎司等有關領導到北京航空材料研究院現(xiàn)場調研 973 課題進展時的總結發(fā)言：“基礎研究不能局限在實驗室，實驗室只能出工藝、技術不成熟的樣品，不能創(chuàng)造價值；基礎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的需求，有意義的結果就必須向工業(yè)延伸，必須在生產上有量，否則 know how 就出不來；而基礎研究向工業(yè)延伸，必然需要團隊，需要積累，這方面以應用研究為背景的單位條件更好。973 課題由一些應用單位來做是完全有必要地，973 計劃應加強與應用部門和企業(yè)的合作，通過與企業(yè)的合作把基礎研究的潛力充分發(fā)掘出來，才能提升中國的創(chuàng)新高度。 ”課題 1、復合材料多層次高性能化的基礎理論預期目標：以提高航空航天復合材料的損傷阻抗、損傷容限和基礎力學性能為主線，在 “離位”增韌的基礎上，重點發(fā)展 3-3 微連接結構強化和多層次精細復合協(xié)同強韌化等復合材料“ 人工界面”的新概念、新理論與新技術，研制具有中國特色和自主知識產權的高性能復合材料體系，主要性能達到同期國際先進水平，并快速轉化，在大飛機等航空航天重大任務中得到示范性的驗證和應用。研究內容：(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、化學和力學使用性能。(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改性，利用浸潤去浸潤效應等，控制 纖維表面微幾何結構和微形貌。(3) 在纖維、織物、預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維微結構，形成微尺度3-3連接的新型表面/界面結構；研究這種新型表面/ 界面微結構的界面化學作用、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構，研究復合材料的“ 層內增剛”效應；研制大厚度、多向、多層超薄預浸料，調制疊層復合的“周期” ，研究復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，建立復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），基本準確理解和評價復合材料表-里損傷 性質的關聯(lián)。經費比例：33%承擔單位：中國航空工業(yè)第一集團公司北京航空材料研究院、吉林大學課題負責人：李宏運學術骨干：益小蘇、安學鋒、 陳春海、唐邦 銘、王嶺、王策、黨國棟、 張子龍、劉剛課題 2、復合材料的多尺度科學建模與表征預期目標：在微觀、細觀的材料科學層次，建模分析異相表面 /界面 3-3 微連接結構強化、多層次精細復合協(xié)同強韌化等新概念、新技術的材料學模型和力學模型，受材料熱力學和動力學、特別是多 層次結構控制的復合材料變形機理，影響工藝過程和復合材料內部缺陷的材料特征參數及其影響范圍，研制特殊雙穩(wěn)態(tài)、多穩(wěn)態(tài)以及線性、非 線性溫控變形的復合材料體系等，通過虛擬 建模和實際材料制備的反復疊代，預報 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)按照指定的結構和性能設計和制備新型材料。研究內容：(1) 建立有機、無機異相表面/界面3-3微連接結構的材料學模型和力學模型，建立特殊微米、納米尺度高剛度微結構的“層內增剛 ”材料學模型，建立大厚度、多向、多層超薄預浸料復合材料的材料學模型，形成相關的理論，指 導材料的制備和復合材料性能預報。(2) 研究復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合材料的功能原理模型，指導材料的制備和復合材料損傷程度的預報。(3) 建立數值模型和實驗方法，預報和實測典型樹脂的P-V-T熱力學關系和TTT轉變 關系；建模分析 纖維 主導性質對復合材料內應力和變形的影響，特 別是非對稱、非均衡鋪層結構對復合材料變形的強烈控制。(4) 設計具有多重玻璃化轉變溫度的多組分、多相高分子材料，其 熱機械性能圖譜中呈現(xiàn)多重轉變的“ 臺 階” ；制備并建模分析特征 結構參數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合材料體系，主動控制變形。(5) 建立多尺度、概率斷裂力學、適合于天然纖維增強復合材料的力學分析和建模方法。經費比例：20%承擔單位：山東大學、中國科學院長春應用化學研究所課題負責人：賈玉璽學術骨干：王成國、王震、石彤非、陳繼忠、李宏飛課題 3、航空航天高效結構的性能協(xié)同優(yōu)化與設計預期目標：確定韌性復合材料典型破壞模式的細觀和宏觀控制因素，提出并建立其對應破壞模式的相關度及性能相關性分析模型。在復合材料結構設計中實現(xiàn)各韌性性能指標間的協(xié)調，建立高效典型結構設計方法。針對航空結構復合材料的典型服役要求，建立結構宏觀 性能/設計參量之間的定量關系，對復合材料結構分析、優(yōu)化設計為一體的優(yōu)化設計方法進行探索，實現(xiàn)復合材料優(yōu)化設計、分析過程的可視化仿真過程。建立復合材料結構多層次、多學科一體化信息模型，突破 亞臨界損傷狀態(tài)下復合材料有效性能預報和非確定性分析等理論瓶頸，發(fā)展基于數字化環(huán)境的復合材料虛擬測試理論和方法，從而為復合材料在航空航天領域應用提供高效結構分析、設計 和評估提供理論依據和基礎方法，并實際應用于我國大型飛機復合材料的實踐，達到降低結構重量和取證試驗成本、縮短研制周期的目的。研究內容：(1) 研究韌性復合材料層板損傷模式的形成、發(fā)展及轉換規(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，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。研究韌性復合材料的破壞機制及其控制因素的相關性，確定各韌性性能控制因素和破壞模式的關聯(lián)度，建立復合材料層合板主要韌性性能關聯(lián)性分析模型及復合材料韌性指標綜合評價方法。建立復合材料結構有限元參數化建模方法，實現(xiàn)結構的快速高效參數化建模；根據典型服役環(huán)境的宏觀設計要求、傳力及連接、工藝可行性以及復合材料典型結構細節(jié)特點等，發(fā)展先 進的、基于拓撲學特性的結構優(yōu)化設計方法，并植入大型軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)航空航天復合材料制件的高效結構設計和應用。(2) 對優(yōu)化設計進行數學描述，明確其優(yōu)化目標、設計參量及約束條件，建立試驗設計、近似法、優(yōu)化算法等模塊以及全過程集成，實現(xiàn)結構優(yōu)化設計的全過程?；谶z傳算法建立復合材料結構優(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，通過結構可靠性分析的響應面法和有限元法的結合，對復合材料結構的可靠性進行分析，針對復合材料結構頻率特點提出優(yōu)化算法，實現(xiàn)以鋪層層數及各層鋪層角度為設計變量的層合結構頻率約束可靠性優(yōu)化方法，實現(xiàn)結構分析、優(yōu)化設計一體化的復合材料結構優(yōu)化設計系統(tǒng)。(3) 通過復合材料結構多層次信息模型與亞臨界損傷狀態(tài)分析，建立從復合材料組分到結構、從分析設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的數據庫框架。在亞臨界狀態(tài)下研究復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，建立相應混雜模型識別與解耦的數據庫與知識庫，完成復合材料結構亞臨界狀態(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，建立非確定性參數概率分布函數測試方法，發(fā)展復合材料結構多層次參數化建模技術，獲取主要隨機參數對復合材料結構有效性能和使用壽命的影響規(guī)律，建立復合材料結構可靠性和安全壽命的科學定量預報方法。在結構分析、優(yōu)化設計的統(tǒng)一軟件開發(fā)平臺上，編制復合材料典型結構跨層次虛擬測試軟件模塊，完成針對高性能復合材料體系的典型結構設計的可靠性評價。經費比例：23%承擔單位：北京航空航天大學、中國航空工業(yè)第一集團公司沈陽飛機設計研究所課題負責人：關志東學術骨干：張博明、李敏、楊旭、王進、戴福洪、張紀奎課題 4、復合材料典型結構的制造技術基礎預期目標：針對多種典型航空航天復合材料結構件，特別是復雜形狀、高尺寸精度的結構件等，建立復合材料制備 工藝的基本模型和理論，并開展結構件的實驗制備，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等。在多 層次、多尺度物理與化學改性的基礎上，建立力學分析方法，研究天然纖維增強 復合材料的力學性能和阻燃機理，形成中國自主知識產權和基礎技術特色。研究成果進入國家大飛機計劃或領先應用，部分成果得到國際高端航空工業(yè)的認可， 進入政府間國際合作。研究內容：(1) 建模分析滲逾閾值附近的復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；模擬非等溫、非等壓等實際工藝條件下樹脂固化反應-材料物性之間的行為，優(yōu)化復合材料的制備工藝。在制備工藝理論和模型設計的指導下，以實際航空航天復合材料結構件為對象， 實驗研究缺陷生成、 長大和傳輸的機理，優(yōu)化材料和工藝，抑制復合材料的典型缺陷。(2) 在溶解度和熱力學基礎上，設計、合成與制備無機聚合物基復合材料，設計特定的水溶性高分子，全面考察這種有機-無機聚合物復合材料的結構-性能-工藝的關系、特別是固體材料與潰散功能的動力學關系；研制并演示驗證水溶性工裝制備航空航天典型復雜結構，并推向工程化應用。(3) 設計聚合物型（酸源、碳源、氣源三位一體）新型膨脹阻燃劑，在分子結構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結構，并推向國際合作應用。(4) 研制含磷阻燃聚合物作為天然纖維復合材料的基體材料，制備含磷雙氟單體以及含磷聚合物，調整預聚分子量調控預聚物的熔體黏度，滿足天然纖維復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合材料典型結構件，特殊纖維混雜強化薄弱層的航天復合材料典型結構件，負膨脹、零膨 脹樹脂基復合材料典型航空結構件，以及界面3-3 連接度微結構強韌化的航空航天復合材料結構件等，創(chuàng)新技術進入示范性領先應用。經費比例：24%承擔單位：同濟大學、航天特種材料及工藝技術研究所課題負責人：李巖學術骨干：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-無機水溶性復合材料等基礎材料的研究2. 纖維、束、層間等多層次、多尺度 結構的增韌、增剛與協(xié)調效應研究，以及混雜纖維復合材料增強增剛建模分析3. 建模分析高韌性復合材料的損傷原理和過程、特別是 BVID 的過程與性質4. 高韌性復合材料基礎結構-性能參數的采集與綜合分析5. 復合材料民機結構設計的選型、設計技術優(yōu)化研究6. 亞穩(wěn)態(tài)損傷發(fā)展與不確定性技術建模研究7. 復合材料整體化成型的工藝理論研究，特別是 RTM 流動建模預期目標1. 根據高韌性復合材料的損傷原理和過程，提出優(yōu)化民機復合材料高性能化的技術方案。2. 高性能復合材料的 BVID 過程和性質的初步模型3. 根據高性能化復合材料民機結構設計的選型分析，提出設計方案。4. 復合材料典型結構的整體化成型探索，完成典型件制備。5. 根據混雜纖維復合材料增強增剛模型提出典型翼結構的設計和優(yōu)化方案。2011：研究內容1. 復合材料 BVID 細化建模，薄層化結構、 變形規(guī) 律、 亞穩(wěn)態(tài)損傷與失效的初步建模，以及植物纖維復合材料力學性質研究2. 復合材料整體化成型的工藝理論研究，織物結構 K 值的測量與滲透率建模，典型缺陷形成機制建模研究3. 高韌性復合材料結構的多參數兼容設計原理研究4. 民機典型復合材料結構件的設計技術研究預期目標1. 復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. 針對民機典型結構的設計改進方法，提出高性能復合材料整體化設計技術原理。4. 高性能復合材料的沖擊后壓縮強度（CAI）?300MPa（預浸料）和250MPa（RTM），增 韌預浸料和 RTM 復合材料達到民機設計要求，進入典型結構試制。5. 根據設計部門的要求完成表面目視可檢（BVID）復合材料典型結構的試制并進行評價。6. 混雜纖維增強增剛復合材料完成典型結構設計和翼結構試制7. 植物纖維增強復合材料艙內結構典型件2012：研究內容1. 新型樹脂、增韌劑、定型劑、纖維表面改性劑、有機-無機水溶性復合材料等基礎材料的實際應用效果評價與反饋優(yōu)化2. 復合材料 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用效果評價與反饋優(yōu)化3. 航空復合材料結構設計的改進方法研究，民機基礎結構的設計與優(yōu)化研究4. 形狀記憶復合材料的熱-機械轉變機制模型研究，研制典型形狀記憶復合材料5. 試制高性能增韌預浸料和 RTM 復合材料典型空心結構與復雜結構6. 植物纖維復合材料阻燃特性研究預期目標1. 根據形狀記憶復合材料的熱-機械轉變模型，完成典型材料研制，形成自主知識產權。2. 有機-無機復合的水溶性芯模材料形成系列，成功用于試制增韌預浸料和RTM 復合材料典型飛機結構。3. 建立阻燃模型，植物纖維復合材料及其阻燃技術達到國際先進水平。2013：研究內容1. 建立高性能復合材料多尺度、多層次的結構模擬和性能預測基本方法2. 建立航空復合材料結構設計的改進方法，優(yōu)化民機基礎結構的設計3. 建立復合材料整體輕量化結構制備的工藝理論模型4. 建立混雜纖維增強增剛復合材料的應用效果反饋與結構優(yōu)化5. 大厚度多向多層超薄復合材料的結構-性能關聯(lián)模型研究，研制大厚度多向多層超薄復合材料預浸料和 RTM 復合材料6. 目視可檢（BVID）復合材料的設計和應用評價反饋，完成典型結構試制與優(yōu)化7. 形狀記憶復合材料空間結構的建模與研制預期目標1. 根據復合材料多尺度、多層次結構和性能預測，高性能復合材料的沖擊后壓縮強度（CAI）?310MPa（預浸料）和 260MPa（RTM），壓縮強度同比提升 10-15%（國 產碳纖維）。2. 根據復合材料民機典型結構設計的優(yōu)化方法設計，制備若干低缺陷的典型整體化和高性能化的民機復合材料結構件，完成考核驗證。3. 混雜纖維增強增剛復合材料實現(xiàn)小批量試制，形成自主知識產權。4. 大厚度多向多層超薄復合材料完成預浸料和 RTM 復合材料試制，形成自主知識產權。2014：研究內容1. 在復合材料 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、工藝理論模型等的基礎上，建立復合材料高性能化的基礎技術理論和技術方法體系2. 新型樹脂、增韌劑、定型劑、纖維表面改性劑、有機-無機水溶性復合材料等基礎材料的定型3. 研究試制增韌預浸料和 RTM 復合材料飛機典型結構、特別是整體空心結構4. 植物纖維復合材料飛機艙內結構的聲學模型和降噪設計原理研究5. 大厚度多向多層超薄預浸料和 RTM 復合材料空間結構的設計與典型結構試制研究6. 形狀記憶復合材料制備空間結構-功能一體化典型結構試制研究7. 植物纖維復合材料的聲學模型研究預期目標1. 復合材料高性能化的基礎技術理論和方法形成自主知識產權，有關理論和方法得到國際航空航天高端企業(yè)的認可或進入國際合作。2. 高性能復合材料（預浸料和 RTM），形成多品種的材料體系，形成自主知 識產權保護。3. 增韌的預浸料和 RTM 復合材料達到民機設計要求，整體空心結構（利用有機-無機復合的水溶性芯模）通過地面考核。4. 復合材料目視可檢（BVID）損傷容限設計達到飛機結構設計要求，完成典型結構試制，形成材料體系和自主知識產權。5. 植物纖維復合材料飛機艙內結構的阻燃、降噪技術達到國際高端企業(yè)認可，典型件滿足飛機內飾設計要求，形成知識產權。6. 大厚度多向多層超薄預浸料和 RTM 復合材料滿足航空航天結構設計要求，完成典型結構試制，進入地面驗證，形成自主知識產權。7. 形狀記憶復合材料制備空間結構-功能一體化典型結構完成試制，進入地面驗證，形成自主知識產權。