【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

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項(xiàng)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(tuán)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(qiáng)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(qiáng)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(shí) 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(kuò)展，進(jìn)而決定了復(fù)合材料的韌性、剛度、 強(qiáng)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(jì)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(gè)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(qiáng)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(jī)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(qiáng)-韌化的影響機(jī)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(shí)，提出建構(gòu)復(fù)合材料多層次界面有機(jī)、無機(jī)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(qiáng)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(qiáng)韌化機(jī)制典型“纖維增 強(qiáng)-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(jì)》驗(yàn)收總結(jié)報(bào)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(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(gè)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(shí)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(qiáng)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(jì)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(qiáng)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(qiáng)韌化效果都難于發(fā)揮。解決這個(gè)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(jì)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(jì)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(gè)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(jī)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(kuò)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(jì)（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(shí)各項(xiàng)指標(biāo)滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)方法，從而最大限度4 發(fā)明專利申報(bào)：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(jì)層次，根據(jù)典型服役環(huán)境的宏觀設(shè)計(jì)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(diǎn)等，發(fā)展先進(jìn)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并植入大型軟件系 統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)航空航天復(fù)合材料制件的高效結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)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(qiáng) 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(shí)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(jì)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(bǔ)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(shí)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(jī)理與傳遞機(jī)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(jī)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(yàn)收總結(jié)報(bào)告。2008/096 發(fā)明專利申報(bào)：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(xiàng)目申請?zhí)岢鲆粋€(gè)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(gè)典型的有機(jī)/無機(jī)聚合物（不 燒陶瓷）復(fù)合材料問題，通過水基凝膠化可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好和無溶劑“綠色制造” 。大飛機(jī)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(gè)功能-結(jié)構(gòu)一體化問題，也是飛機(jī)安全問題。天然 纖維增強(qiáng)體自身就是一個(gè)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(diǎn)。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(shè)計(jì)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(qiáng)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(qiáng)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(jī)和無機(jī)、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(kuò) 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(jī)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)“層內(nèi)增剛 ”；在疊層復(fù)合 層次調(diào)制“周期”的“頻率” ，實(shí)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(qiáng)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(shí)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(jì)與設(shè)計(jì)方法優(yōu)化針對復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)，實(shí)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(jì) 到制造缺陷和服役損傷的全壽命一體化信息模型。重點(diǎn)分析各層次模型的漸進(jìn)損傷模式和損傷模式的混雜機(jī)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(shí)現(xiàn)各層次結(jié)構(gòu)性能的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。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(bào)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(jì)的可靠性評價(jià)。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(qiáng)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(jì)分析方法。在航空航天結(jié)構(gòu)件的工程設(shè)計(jì)層次，根據(jù)典型服役環(huán)境的宏觀設(shè)計(jì)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(diǎn)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(jì)方法，并植入大型軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)航空航天復(fù)合材料制件的高效結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)與評價(jià)一體化軟件等研究成果爭取在大飛機(jī)等重大專項(xiàng)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(qiáng)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(qiáng)烈控制， 設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)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(jī)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(shí)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(diǎn)研究共性的氣-液-固 3 相態(tài)之間的相互作用，預(yù)報(bào)氣泡成核生長、團(tuán)聚和輸 運(yùn)的特征過程，建立復(fù)合材料工藝缺陷的實(shí)驗(yàn)判據(jù)；在纖維增強(qiáng)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(shí)驗(yàn)，數(shù)值預(yù)報(bào)和確定典型增 強(qiáng)材料的滲透率。設(shè)計(jì)特定的水溶性成份均勻吸附在無機(jī)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(jī)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(jī)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(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)分析和建模方法；設(shè)計(jì)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(shí)改善其與樹脂基體的相容性、提高界面強(qiáng)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(jī)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(jī)” 、“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(xiàng)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(jì)、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(shí)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(jì)、表征實(shí)驗(yàn)和制造驗(yàn)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(qiáng)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(jī)等國家重大任務(wù)中得到示范性的驗(yàn)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(jì)技術(shù)突破國際傳統(tǒng)航空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的陳規(guī)，初步建立與積木式適航認(rèn)證試驗(yàn)相適應(yīng)的模擬分析方法；充分利用復(fù)合材料可設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和工藝建模，研制有機(jī)- 無機(jī)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(qiáng)度（CAI）?310MPa（預(yù)浸料）和260MPa（RTM），壓縮強(qiáng)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(jì)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(hù)。3.2 有關(guān)復(fù)合材料分析建模技術(shù)軟件化，獨(dú)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(jī)-無機(jī)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(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)以該 973 項(xiàng)目為基礎(chǔ)或紐帶，申 請獲得國家大型民口（國家 863 計(jì)劃、雙邊多邊國際合作、國家自然科學(xué)基金項(xiàng) 目等）和軍口（國防科工局、總裝備部項(xiàng)目等）項(xiàng)目 5 項(xiàng)以上，以 973 成果 帶動相關(guān)項(xiàng)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(bào)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(xiàng)，國家或部委級新技 術(shù)標(biāo)準(zhǔn)約 25 項(xiàng)，材料新牌號約 10 項(xiàng)；擴(kuò)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(xiàng)目以問題和目標(biāo)導(dǎo)向：以制備高性能的大飛機(jī)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(qiáng)化和多層次精細(xì) 耦合協(xié)同強(qiáng)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(gè)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” ?？紤]復(fù)合材料多變量、可設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)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(jì)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(dú)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(gè)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(gè)項(xiàng)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(jì)和結(jié)構(gòu)制造的系統(tǒng)集成，形成一個(gè)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(gè)主線上，根據(jù)先進(jìn)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(gè)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(shí)，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(diǎn)和可設(shè)計(jì)的本質(zhì)優(yōu)勢，分 別在多界面建立 3-3 微連接度的強(qiáng)化結(jié)構(gòu)；同時(shí)通過多層次精細(xì)耦合協(xié)同強(qiáng)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(jì) 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(qiáng)度、設(shè)計(jì)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(kuò)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(shí)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(gè)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(jī)理和過程，對復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行精確預(yù)報(bào)。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(shí)，反向利用 這個(gè)特點(diǎn)，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(bǔ)償大變形、 應(yīng)力動態(tài)重分布的新型材料實(shí)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(jī)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(jì)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(jì)和研制輕量化、高安全性的制品。2. 主要創(chuàng)新點(diǎn)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(jī)、無機(jī)的多層次、多尺度 3-3 微連接度強(qiáng)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（?500?C ）。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(jì)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(qiáng)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(gè)數(shù)字化虛擬測試中，揭示復(fù)合材料漸進(jìn)失效的機(jī)理和過程。2.5 研究發(fā)展水基凝膠有機(jī)-無機(jī)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(yùn)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(jì)制備自動補(bǔ)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(shí)改善其與樹脂的界面作用；同時(shí)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(bào)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(bào)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(jì)劃的立項(xiàng)，給予復(fù)合材料的應(yīng)用基礎(chǔ)研究一個(gè)歷史上從未有過的發(fā)展機(jī)遇，包括資助的強(qiáng) 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(xiàng)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(diǎn)和航空航天等關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用的終點(diǎn)之間，建立一個(gè)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(jì)劃獨(dú)有的，是我國目前的其他任何科研計(jì)劃所無法替代的。本研究將充分利用上一期國家 973 計(jì)劃項(xiàng)目已經(jīng)取得的成果，結(jié)合國家對大飛機(jī)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(bào)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(jì)， 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(jì)劃、雙邊 國際合作、國防 973 計(jì)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(tuán)隊(duì)，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(xiàng)目上得到示范性驗(yàn)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(shí)的總結(jié)發(fā)言：“基礎(chǔ)研究不能局限在實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室只能出工藝、技術(shù)不成熟的樣品，不能創(chuàng)造價(jià)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(tuán)隊(duì)，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(jì)劃應(yīng)加強(qiáng)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(diǎn)發(fā)展 3-3 微連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)化和多層次精細(xì)復(fù)合協(xié)同強(qiáng)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(jī)等航空航天重大任務(wù)中得到示范性的驗(yàn)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(qiáng)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(jī)晶須以及異相高分子等獨(dú)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(jī)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(jià)復(fù)合材料表-里損傷 性質(zhì)的關(guān)聯(lián)。經(jīng)費(fèi)比例：33%承擔(dān)單位：中國航空工業(yè)第一集團(tuán)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(yùn)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(qiáng)化、多層次精細(xì)復(fù)合協(xié)同強(qiáng)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(jī)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(shí)際材料制備的反復(fù)疊代，預(yù)報(bào) 并支撐新型材料的研制，優(yōu)化制備工藝，在 選定的幾個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)按照指定的結(jié)構(gòu)和性能設(shè)計(jì)和制備新型材料。研究內(nèi)容：(1) 建立有機(jī)、無機(jī)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(bào)。(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(bào)。(3) 建立數(shù)值模型和實(shí)驗(yàn)方法，預(yù)報(bào)和實(shí)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(qiáng)烈控制。(4) 設(shè)計(jì)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(jī)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(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)分析和建模方法。經(jīng)費(fèi)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(jì)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(jì)中實(shí)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(jì)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(jì)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(jì)為一體的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探索，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料優(yōu)化設(shè)計(jì)、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(bào)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?，從而為?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(jì) 和評估提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)方法，并實(shí)際應(yīng)用于我國大型飛機(jī)復(fù)合材料的實(shí)踐，達(dá)到降低結(jié)構(gòu)重量和取證試驗(yàn)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(jī)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(jī)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(jià)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(shí)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(jì)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(diǎn)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(jì)方法，并植入大型軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)航空航天復(fù)合材料制件的高效結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用。(2) 對優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，明確其優(yōu)化目標(biāo)、設(shè)計(jì)參量及約束條件，建立試驗(yàn)設(shè)計(jì)、近似法、優(yōu)化算法等模塊以及全過程集成，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shí)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(diǎn)提出優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)以鋪層層數(shù)及各層鋪層角度為設(shè)計(jì)變量的層合結(jié)構(gòu)頻率約束可靠性優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)一體化的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)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(jī)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(kuò)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(jī)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(bào)方法。在結(jié)構(gòu)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)的可靠性評價(jià)。經(jīng)費(fèi)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(tuán)公司沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)制備，一方面，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(qiáng) 復(fù)合材料的力學(xué)性能和阻燃機(jī)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(jī)計(jì)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；研究氣-液 -固3相 態(tài)之間的相互作用，預(yù)報(bào)氣泡成核生長、團(tuán)聚和輸運(yùn)的特征過程，建立工藝缺陷的實(shí)驗(yàn)判據(jù)；模擬非等溫、非等壓等實(shí)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(jì)的指導(dǎo)下，以實(shí)際航空航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件為對象， 實(shí)驗(yàn)研究缺陷生成、 長大和傳輸?shù)臋C(jī)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(jì)、合成與制備無機(jī)聚合物基復(fù)合材料，設(shè)計(jì)特定的水溶性高分子，全面考察這種有機(jī)-無機(jī)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(yàn)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(jì)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(shí)改善與樹脂基體的相容性和界面強(qiáng)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(jī)理，研制并演示驗(yàn)證植物纖維增強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(fèi)比例：24%承擔(dān)單位：同濟(jì)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(jì)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(jī)-無機(jī)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(qiáng)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(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的選型、設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的選型分析，提出設(shè)計(jì)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(qiáng)增剛模型提出典型翼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(jī)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(jì)原理研究4. 民機(jī)典型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)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(jī)制模型與控制原理、RTM 流動建模等。3. 針對民機(jī)典型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)改進(jìn)方法，提出高性能復(fù)合材料整體化設(shè)計(jì)技術(shù)原理。4. 高性能復(fù)合材料的沖擊后壓縮強(qiáng)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(jī)設(shè)計(jì)要求，進(jìn)入典型結(jié)構(gòu)試制。5. 根據(jù)設(shè)計(jì)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(jià)。6. 混雜纖維增強(qiáng)增剛復(fù)合材料完成典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和翼結(jié)構(gòu)試制7. 植物纖維增強(qiáng)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(jī)-無機(jī)水溶性復(fù)合材料等基礎(chǔ)材料的實(shí)際應(yīng)用效果評價(jià)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(shí)際應(yīng)用效果評價(jià)與反饋優(yōu)化3. 航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)方法研究，民機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究4. 形狀記憶復(fù)合材料的熱-機(jī)械轉(zhuǎn)變機(jī)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(jī)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(jī)-無機(jī)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(jī)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(jì)的改進(jìn)方法，優(yōu)化民機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(qiáng)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(jì)和應(yīng)用評價(jià)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(qiáng)度（CAI）?310MPa（預(yù)浸料）和 260MPa（RTM），壓縮強(qiáng)度同比提升 10-15%（國 產(chǎn)碳纖維）。2. 根據(jù)復(fù)合材料民機(jī)典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法設(shè)計(jì)，制備若干低缺陷的典型整體化和高性能化的民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，完成考核驗(yàn)證。3. 混雜纖維增強(qiáng)增剛復(fù)合材料實(shí)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(jī)-無機(jī)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(jī)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(jī)艙內(nèi)結(jié)構(gòu)的聲學(xué)模型和降噪設(shè)計(jì)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(jì)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(hù)。3. 增韌的預(yù)浸料和 RTM 復(fù)合材料達(dá)到民機(jī)設(shè)計(jì)要求，整體空心結(jié)構(gòu)（利用有機(jī)-無機(jī)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(jì)達(dá)到飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)內(nèi)飾設(shè)計(jì)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(jì)要求，完成典型結(jié)構(gòu)試制，進(jìn)入地面驗(yàn)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(yàn)證，形成自主知識產(chǎn)權(quán)。