复合材料结构适航验证与审定

复合材料(Composite Materials)是由两种或两种以上的具有不同性质的材料通过物理或化学方法，在宏观上组成的具有新性质的材料。复合材料的综合性能优于原组成材料，从而能满足各种不同的要求。复合材料的使用历史可追溯到古代，从古至今沿用的稻草或麦秸增强黏土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。20世纪60年代中期，以碳纤维为增强体的复合材料问世，70年代初开始应用于飞机结构。与传统材料相比，复合材料具有比强度、比模量大，耐疲劳性能好，具有可设计性、材料与结构的同一性等特点，在飞机结构上的应用量不断提升，空客A350上复合材料的用量已经接近机体总质量的40%，波音787的机翼和机身上使用的复合材料超过了50%，空客A380仅机身壁板采用的碳纤维复合材料就高达30多吨。

民用航空对飞机飞行首先关心的问题是飞行安全。世界各国成立了航空局，对民用航空拟定了适航规章，并对民用飞机安全性要求进行了科学合理的等级划分。适航是指民用航空器(包括其部件和子系统的整体性能和操纵性能)在预期的服役使用环境中和使用限制下，飞行的安全性和物理完整性的一种品质。这种品质要求航空器应始终处于保持符合其型号设计标准和始终处于安全运行状态。美国联邦航空局(Federal Aviation Agency,FAA)从材料、工艺、结构静强度、损伤容限和疲劳评定等方面给出了树脂基复合材料结构的适航标准及其符合性方法。与树脂基复合材料(PMCs)相比，陶瓷基复合材料(CMCs)与其存在相似点，例如：各向异性、编织结构、高强度/高模量的纤维、制造工艺敏感性与多样性等；但也存在不同点，例如，使用环境温度高(>500℃)，材料组分多样性(氧化基体、非氧化基体、碳化硅基体、氮化硅基体、碳基体等)，制备工艺多样性(聚合物浸渍裂解工艺(PIP)、化学气相渗透工艺(CVI)、反应浸渗工艺(RI)、反应熔融渗透工艺(RMI)等)，基体失效应变低，高温环境下性能衰退/损伤/失效机制复杂，高温环境结构连接难，无损检测与修理技术要求高等。针对陶瓷基复合材料(CMCs)的上述特点，为了保证其在飞机和航空发动机结构中使用的可靠性与安全性，FAA将陶瓷基复合材料性能评估、损伤演化、强度与寿命预测工具的开发作为陶瓷基复合材料结构部件适航取证的关键。

本书介绍了民用飞机与航空发动机复合材料结构适航验证与审定领域涉及的理论与方法，全书包括6章，分别介绍了适航与合格审定、复合材料的原材料、复合材料的成型工艺与质量控制、复合材料积木式验证方法及应用、复合材料结构疲劳与损伤容限适航符合性验证及高温陶瓷基复合材料。

在本书的编写过程中，成震杰、周萌萌、徐冬蕾、郎玺博、潘姝越、费航、李栩进、丁圆圆、李梦蝶、孙丽、黄倩、王春江、代定强、赵志鹏、邢翔宇、缪奎宗、杨慧婷、董晓旭、桑益芹、文谦协助编者整理资料，在此向他们的辛勤付出表示诚挚的感谢。

本书可作为高等院校航空器适航等相关专业的教材或教学参考书，也可供飞机复合材料结构适航审定人员及其他工程技术人员和研究人员参考。由于作者水平有限，书中不妥之处在所难免，希望读者不吝批评指正。

李龙彪

2019年2月

本书介绍了民用飞机与航空发动机复合材料结构适航验证与审定领域涉及的理论与方法。全书包括6章，分别介绍了适航与合格审定、复合材料的原材料、复合材料的成型工艺与质量控制、复合材料积木式验证方法及应用、复合材料结构疲劳与损伤容限适航符合性验证及高温陶瓷基复合材料。

本书可作为高等院校航空器适航等相关专业的教材或教学参考书，也可供飞机复合材料结构适航审定人员及其他工程技术人员和研究人员参考。

第1章 适航与合格审定 1
1.1 适 航 1
1.1.1 适航性及其品质特征 2
1.1.2 适航要求的安全水平 3
1.1.3 民用飞机与军用飞机适航要求差异 7
1.2 适航规章和型号合格审定 9
1.2.1 适航规章 10
1.2.2 型号合格审定 13
1.3 符合性验证方法 17
1.3.1 符合性验证方法概述 17
1.3.2 符合性方法实施要点 18
1.4 持续适航 19
1.4.1 EASA 持续适航与维修 19
1.4.2 FAA 持续适航与维修 20
1.5 适航管理及各方责任 20
1.5.1 适航管理主要内容和特点 20
1.5.2 保障飞行安全相关各方责任 22
1.5.3 设计保证系统 23
1.5.4 安全管理系统 24
第2章 复合材料的原材料 26
2.1 纤 维 26
2.1.1 碳纤维 27
2.1.2 芳纶纤维 32
2.1.3 玻璃纤维 33
2.1.4 其他纤维 34
2.2 织 物 39
2.3 夹芯材料 40
2.3.1 蜂窝类型 40
2.3.2 典型蜂窝芯材特点 40
2.4 基体材料 41
2.4.1 聚合物基体 41
2.4.2 金属基体 49
2.5 预浸料 50
2.5.1 预浸料的分类 51
2.5.2 预浸料的特点 51
2.5.3 预浸料的制备方法 52
2.6 胶黏剂 53
2.6.1 胶黏剂类型 53
2.6.2 胶黏剂选用条件 55
2.7 涂层材料 56
2.7.1 防水和防紫外线涂层 56
2.7.2 绝缘涂层 57
2.7.3 抗静电及耐沙石涂层 57
第3章 复合材料的成型工艺与质量控制 58
3.1 复合材料成型工艺 58
3.1.1 手工铺层 58
3.1.2 自动铺带 59
3.1.3 自动丝束铺放 59
3.1.4 热压罐固化成型 61
3.1.5 液体成型 61
3.1.6 热隔膜成型 62
3.1.7 复合材料构件加工与装配 62
3.2 成型工艺控制程序与工艺流程检验 63
3.2.1 成型工艺控制程序 63
3.2.2 工艺流程检验 64
3.3 成品检测 68
3.3.1 制造缺陷 68
3.3.2 无损检测 70
3.3.3 破坏性试验 73
3.3.4 检测工艺流程 75
3.3.5 验收/拒收标准 76
3.4 制造符合性检查与质量控制体系 78
3.4.1 制造符合性检查 78
3.4.2 质量控制体系和*终验收 81
第4章 复合材料积木式验证方法及应用 83
4.1 各层级积木块的功用 85
4.1.1 复合材料结构研制的三个阶段 85
4.1.2 积木式方法的基本构型 86
4.1.3 材料性能的确定 86
4.1.4 设计值的确定 87
4.1.5 *终验证 89
4.2 积木式方法的应用实例试验 89
4.2.1 波音777型飞机尾翼的积木块试验 89
4.2.2 空客A310-300型飞机尾翼的符合性验证试验 94
4.2.3 空客A320型飞机垂直尾翼的符合性验证试验 97
4.2.4 空客A380型飞机水平安定面符合性验证试验 103
第5章 复合材料结构疲劳与损伤容限适航符合性验证 105
5.1 结构疲劳和损伤容限评定依据和证实方法 105
5.1.1 结构疲劳和损伤容限评定依据 105
5.1.2 结构疲劳和损伤容限符合性证明方法选择指南 107
5.2 复合材料疲劳和损伤容限特性 108
5.2.1 复合材料疲劳特性 108
5.2.2 复合材料损伤容限特性 109
5.2.3 结构复合材料疲劳和损伤容限主要特点 114
5.3 复合材料结构损伤容限原理 114
5.3.1 损伤容限的基本要求 114
5.3.2 损伤容限设计准则 115
5.3.3 损伤容限评定技术体系 117
5.4 结构损伤危害性评定和损伤类别定义 118
5.4.1 结构损伤危害性评定要求 118
5.4.2 外来物冲击调查的内容和目的 118
5.4.3 外来物冲击环境和冲击损伤定义 119
5.4.4 5个损伤类别定义和结构证实要求 126
5.4.5 初始损伤假设和意外冲击损伤设计考虑 128
5.4.6 损伤结构剩余强度曲线和剩余强度要求 131
5.5 损伤扩展确认和检查间隔确定 135
5.5.1 损伤“无扩展”“缓慢扩展”“阻止扩展”方法设计概念 135
5.5.2 损伤扩展特性确认 137
5.5.3 检查间隔确定 137
第6章 高温陶瓷基复合材料 139
6.1 陶瓷基复合材料的分类 139
6.2 陶瓷基复合材料的研究与开发现状 140
6.3 增强体、基体和界面 141
6.3.1 陶瓷纤维 141
6.3.2 晶须、晶片和颗粒 144
6.3.3 基体材料 145
6.3.4 界面控制 145
6.4 制造与加工方法 146
6.4.1 粉末烧结法 146
6.4.2 气体浸渗法 147
6.4.3 液体浸渗法 148
6.4.4 溶胶凝胶浸渗法 148
6.4.5 自蔓延高温合成法 148
6.5 物理与化学性能 149
6.5.1 热膨胀 149
6.5.2 热传导 149
6.5.3 氧 化 149
6.6 力学性能 150
6.6.1 拉伸、压缩和剪切力学行为 150
6.6.2 断裂韧性 151
6.6.3 热冲击与机械冲击抗力 152
6.6.4 疲 劳 152
6.6.5 蠕 变 154
6.7 损伤模型 156
6.7.1 基体初始开裂 156
6.7.2 基体裂纹演化 164
6.7.3 界面力学及性能评价 170
6.7.4 纤维失效 187
参考文献 195

航空器适航技术系列

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