复合材料的构成

复合材料是由两种或两种以上材料独立物理相，通过复合工艺组合构成的新型材料。其中，连续相称为基体、分散相称为增强体，两相彼此之间有明显的界面。它既保留原组分材料的主要特点，并通过复合效应获得原组分材料所不具备的性能。通过材料设计可以使各组分材料的性能互相补充、彼此联系，从而获得优越性能。

先进复合材料的分类，如图所示。

目前结构上应用的纤维增强树脂基复合材料是由纤维、基体和界面三个结构单元构成。高模量、高强度的增强纤维是承载主体，决定沿纤维方向的强度和模量；树脂基体提供了对纤维的支持和保护，同时决定横向(垂直纤维方向)的强度和模量，层合结构的层间性能也主要由基体性能确定；界面将纤维和基体粘接在一起，并实现纤维与基体间的载荷传递，从而构成了沿纤维方向具有髙强度、高模量的新型材料。

复含材料性能特点

从结构应用角度分析，复合材料性能与金属材料相比，有以下特点：

(1)材料基本性能呈方向性和线弹性特征

金属材料通常是各向同性材料，有屈服或条件屈服现象。而先进复合材料单层性能具有明显的方向性。单向板沿纤维方向（纵向0°)力学性能高于垂直纤维方向（横向90°)性能和纵模剪切性能约1?2个数量级，并且应力一应变曲线直至断裂，基本上呈线弹性关系。分析证明，其偏离纤维方向的力学性能可以在纵向作能和横向性能之间有规律地变化。同样，热/湿膨胀系数等物理性能也有方向性。

(2)层合板刚度和强度性能可”剪裁”，似层间强度低，对垂直层合板平面的载荷敏感层合板性能可以利用层合板理论，选择每个单层铺设角、铺层比、铺层顺序来得到，即设计师通过设计每层纤维的取向获得所需的层合板刚度和强度性能，恰似量体裁衣，故称剪裁设计。层合板性能剪裁设计，不仅可以获得所需的面内刚度和弯扭刚度，而且还可获得独特的面内（拉伸、压缩、剪切）与面外（弯曲、扭转）之间的耦合刚度、这是复合材料特有的耦合效应，是翼面气动弹性剪裁的基础。

层合板层与层之间的强度，即垂直层合板平面方向强度，是由树脂基体和界面强度决定的，因此层间拉伸强度和层间剪切强度很低，比面内强度低1-2个数量级，因此，对垂直层合板平面的载荷敏感。

(3)对湿热环境敏感

湿热环境下，树脂基体会吸收少量水分（增强纤维中只有芳纶吸收水分）。所吸收水分引起复合材料构件尺寸发生变化（湿膨胀）、玻璃化转变温度Tκ下降（最高使用温度下降），以及与基体和基体一纤维界面相关的压缩和剪切力学件能下降，目前，湿/热环境条件下复合材料压缩性能已成为筛选树脂基体的重要指标之一。

(4)主要缺陷/损伤形式——分层和冲击损伤

裂纹是金属结构主要损伤形式，并根据裂纹萌生、扩展、断裂过程研究建立了金属结构的耐久性与损伤容限要求和设计分析技术。

复合材料结构在制造和使用过程中，可能出现多种缺陷/损伤形式，如：空隙率超标、分层、 表面划伤、不合格（机械加工)孔、外来物冲击损伤等。分层是目视表面不可检的层与层之间的分离。分层可使复合材料层合结构性能，特别是压缩强度明显下降。外来物冲击损伤按目视可检程度（或冲击能量）大致可分为目视勉强对检损伤（BVID）（低能量冲击损伤）、目视可检/易检损伤（VID，EVID)(中等能量冲击损伤）和穿透性损伤（高能量冲击损伤）。冲击一旦造成大于目视可检的损伤，复合材料层合结构压缩承载能力随之即突然明显下降。因此，分层和冲击损伤成为复合材料结构的主要缺陷/损伤形式。质量控制允许（尺寸)的分层和目视勉强可检损伤归结构耐久性研究；超过允许尺寸的分层和目视可检损伤、穿透性损伤归结构损伤容限研究。目前，冲击后压缩强度（CAI)已成为筛选树脂基体的另一个重要指标。

复合材料损伤扩展是可能发生的基体开裂、界面脱胶、分层和纤维断裂等多种破坏形式无规则扩展及其组合岽积的结果，往往是缺乏规律性的，使复合材料结构耐久性和损伤容限分析十分困难。

(5)优异的疲劳性能

复合材料试样试验结果表明，其S—N曲线相对比较平坦，条件疲劳极限与静强度之比可 达0.6,甚至更高。

(6)性能数据分散系数比金属材料大。

复合材料结构制造工艺特点

金属飞机结构一般由蒙皮、桁条、肋、框、梁、墙等零组件，用大量紧固件机械连接装配而成。金属材料零组件，通常采用机械加工、压延、锻、铸等工艺方法制造，这是由金属材料可切削性、可锻性、可延展性和可熔性等固有特性所决定的。

复合材料结构一般是采用模具热压固化成形，要求制造工艺技术精确控制实现结构设计 所确定的纤维方向，并且切断纤维的机械加工应尽量减少。目前，通常采用浸渍基体树脂的增强纤维预浸料逐层铺贴在模具上，再经热座工艺，基体树脂在模具内进行化学反应，结构件成形与材料形成同时完成。共固化、二次胶接、预成形件/RTM(或RFI)树脂转移成形（或树脂膜熔浸成形）等工艺技术可使复合材料大型构件整体成形。从而，可以明显减少机械加工和装配工作量，大幅度降低装配费用，还可改善构件使用性能。

复合材料结构件热压固化成形工艺方法要求结构设计与结构制造工艺两者更加密切配合 协凋，以控制复合材料结构的热应力和热变形。结构成形与材料形成同时完成的特点，要求对成形工艺过程严格监控，并建立配套的缺陷/损伤检测方法和质量控制标准。