复合材料力学性能数据表达准则

1  引言

    由于复合材料的特殊性，其力学性能的表征相当复杂，大量的试验工作、漫长的周期和高昂的成本一直是影响复合材料扩大在飞机结构中应用的巨大障碍，因此复合材料力学性能表征的标准化一直是复合材料界的重要研究课题，美国军用手册MIL-HDBK-17《聚合物基复合材料手册》就是为此应运而生的产物。航标HB 7618-97《聚合物基复合材料力学性能数据表达准则》就是基于MIL-HDBK-17B（1988年颁布）制订的[1]，它在规范国内复合材料力学性能的表征中曾起过重要的作用。近年来随着复合材料在飞机结构中的应用越来越多，对复合材料力学性能表征标准化的研究也越来越深入，国外的研究成果体现在版本的MIL-HDBK-17F（2002年颁布）第1卷[2]和FAA的适航文件[3]中，在此基础上，结合国内的经验教训作者对航标HB 7618进行了修订，该项修订工作历时2年，先后征求了航空工业系统内外21个单位数十位专家的意见，经过约20次改稿，于2008年底完成对修订稿的审查，目前正在报批中。本文简单介绍该修订稿的修订内容。

2  单层级材料许用值

    原标准对材料体系力学性能的表征内容包括单层力学性能和韧性性能两部分，其中单层力学性能包括纵向（0º）和横向（90º）拉伸与压缩强度与弹性模量、纵横剪切强度与弹性模量、主泊松比及层间剪切强度（实际上是短梁强度）。修订稿中将单层力学性能改为单层级材料许用值，包含的内容基本上与原标准的单层力学性能相同，但取消了层间剪切强度。在MIL-HDBK-17F中明确指出：“遗憾的是，过去通常应用此试验（且某些人仍在应用）来建立用于结构设计准则的设计许用值。然而，由于V形缺口梁方法的应用，使得用短梁强度试验测定剪切性能成为过时的方法。目前短梁强度试验应仅用于定性测试，例如材料工艺的研发和控制。”在ASTM标准中也指出：“大多数情况下，因为试样内部应力的复杂性和破坏模式的多样性，通常不可能将短梁强度作为一种材料性能。”并说明“本试验方法测量的短梁强度可以用于质量控制和工艺规范的目的。如果破坏模式*相同，也可以用于复合材料的比较试验。”因此不能列为表征内容。过去多把弯曲强度和模量也当作表征的内容，但在MIL-HDBK-17中从来没有把它们列为表征内容，在原标准中也是这样处理的。MIL-HDBK-17F中明确指出：“还没有推荐用于测定复合材料层压板弯曲性能的试验方法。即使存在经批准的弯曲试验方法，但对于结果的有效性仍存在着某些争议。在航宇工业中，弯曲试验主要是用于质量控制。”ASTM标准中指出：它“对质量控制和工艺规范特别有用。”同时指出：“弯曲性能随试样厚度、温度、大气环境条件以及给定的应变率不同而改变。”即使对于质量控制和工艺规范，MIL-HDBK-17F也指出“在早期复合材料生产过程中，大多数用户要求做0?弯曲强度与模量及短梁剪切强度试验。但是，近年来许多制造方已将这些试验改为要求取自生产部件区域试样的玻璃化转变温度、单层厚度、纤维体积含量、空隙含量和铺层数。”

    为了表征材料体系，原标准还有韧性性能，包括准各向同性层压板的冲击后压缩强度、开孔试样拉伸强度、开孔试样压缩强度、混合型层间断裂韧性GC、I型层间断裂韧性GIC和II型层间断裂韧性GIIC。近年来随着对复合材料韧性评定的深入研究，发现原来的韧性概念已不能正确地反映结构设计的需求，研究发现下列性能更能反映结构完整性要求：开孔拉伸强度、开孔压缩强度、单钉双剪挤压强度、冲击后压缩强度和zui大静压痕接触力，为此在修订稿中提出除了单层级材料许用值外，还要增加反映结构设计要求的上述准各向同性层压板（[45/0/-45/90]ns）力学性能来表征材料体系。

3  与结构设计有关的材料许用值

    这是修订稿中新增加的内容。设计许用值的定义是：为保证整个结构的完整性，根据具体工程项目要求，在材料许用值和代表结构典型特征的试样、元件（包括典型结构件）试验结果，及设计与使用经验基础上确定的设计限制值。而作为设计许用值基础的材料许用值的定义是：在一定的载荷类型与环境条件下，主要由试样试验数据，按规定要求统计分析后确定的具有一定置信度和可靠度的材料性能表征值。研究和设计实践已经表明，拉伸设计许用值主要取决于开孔（或充填孔）拉伸试样的试验结果与结构设计有关的材料许用值是确定结构设计许用值的依据；压缩设计许用值主要取决于开孔（或充填孔）与冲击后压缩试样的试验结果；挤压强度许用值主要取决于机械连接试样的试验结果。为了确定设计许用值需进行大量结构典型铺层层压板级试样的试验。过去型号研制时都选取具体结构的典型铺层进行试验，试验结果只适用于该型号的具体部件。但同一材料体系用于同一型号的其他部件或其他型号时，仍必须选取它们的典型铺层重新进行试验。由于不同型号与部件的铺层形式（包括铺层比例、铺层顺序和厚度等）都不同，每个型号或部件研制都需要进行大量仅适用于本型号（部件）的层压板级试样试验，工作量大、时间长、耗费巨大。为了缩短研制周期、降低试验工作量和成本，MIL-HDBK-17协调工作组规划了对层压板级力学性能表征的试验矩阵，使试验结果适用于由同一材料体系（包括制造厂商）制造的不同型号所有部件，并是设计许用值的确定依据，因此称为与结构设计有关的材料许用值。它们包括典型铺层层压板的力学性能、含缺口拉伸和压缩强度、含冲击损伤压缩强度和挤压强度四部分性能。上述这些性能中强度均要求为B-基准值，弹性模量均要求为平均值。具体的典型铺层通常选取飞行器设计可能采用的铺层比例上限、下限和常用铺层比例与准各向同性4种，由于这些力学性能一般只与铺层比例有关，而与铺层顺序无关。而且在一定的厚度范围内可以忽略厚度的影响，从而使其成为可能。

4  不同数据应用要求的力学性能表征

    原标准规定的聚合物基复合材料单层级和层压级力学性能表达的内容非常简单，只有单层级的性能。经过10多年来的实践发现，上述的表达准则已经不能满足复合材料体系的应用要求。从建立复合材料体系材料性能的要求出发（见图1中的A组），其表达准则应包括：选材、材料规范和材料许用值三个层次，材料许用值包括单层级和与结构设计有关的两部分，其中对不同的要求其数据表达的方式也不同；从应用角度出发，应包括：选材、验收、合格鉴定、等效性评定和结构证实，除结构证实可以不在本标准中考虑外，应包括其他四方面的表达要求，特别是等效性的评定，在使用中受到了越来越多的关注。复合材料的特点之一是材料与结构同时形成，材料性能不仅取决于组分，同时也取决于工艺，而在结构应用中经常会遇到材料和工艺的变化，严格说来对于所出现的变化都需重新进行材料鉴定，为此所需进行的试验数量一般是无法接受的，因此对出现变化前后两种材料体系的等效性评定是复合材料结构应用必须解决的新问题，例如对民机复合材料结构适航zui重要的法规：美国FAR 25部的咨询通报AC 20-107B（草稿）和欧洲CS-25中均增加了有关复合材料变化的评定要求。基于上述考虑，在修订稿中分别增加了相应于选材、材料规范、验收和等效性评定等应用的表征内容和数据要求。有别于传统的做法，选材的力学性能表征主要基于结构完整性的要求，提出只需84个试样试验就可以对候选材料体系在结构中应用前景进行评价的试验矩阵。根据国外的实践，用户是供应商的上帝，材料规范应由用户提出，其中的力学性能指标包括至少必须包括和根据用户要求的两部分内容。前者包括纵向（0º）和横向（90º）拉伸与压缩强度与弹性模量、纵横剪切强度与弹性模量和短梁强度，以及准各向同性层压板的开孔拉伸与压缩强度、单钉双剪挤压强度、冲击后压缩强度与zui大静压痕接触力，其中强度要求zui小平均值和zui小个体值，而弹性模量要求平均值与范围；而后者则由用户根据应用对象的具体要求来提出。等效性评定要考虑的材料变化情况非常复杂，基于MIL-HDBK-17F和国产碳纤维国产化工程应用的实践，针对变化的程度，修订稿给出了相应的等效性评定性能表征要求，以便可用zui小的试验工作量，来得到明确的结论。

5  试验标准

    复合材料性能测试和数据表征是复合材料在结构中大量应用的前提条件之一，我国在上世纪80年代，当复合材料刚刚开始用于结构时，曾对性能测试方法开展过比较多的研究，并参照国外的先进标准建立了一系列国家和航空工业标准，为随后的新复合材料体系研究和结构应用奠定了基础。

    复合材料性能测试的早期方法基本上是参照金属及增强塑料制定的，随着对复合材料研究的深入，发现复合材料与金属或增强塑料的破坏机理*不同，近30年来美国ASTM D30复合材料委员会对原有的复合材料性能测试试验方法进行了多次修订，并根据复合材料的特点增加了许多标准，目前使用的标准大部分都是进入本世纪后重新制定的，随着2006年用D 7264《聚合物基复合材料弯曲性能标准试验方法》将D 790《非增强和增强塑料及电绝缘材料弯曲性能标准试验方法》代替后，使得复合材料性能测试*脱离了金属和增强塑料性能测试体系。而我国从上世纪90年代以来，对复合材料性能测试方法研究基本上处于停顿状态，致使目前国内使用的复合材料性能测试标准只相当于国外上世纪70年代末的水平。另外一些有关的国标虽为近年所制定，但大多数为参照ISO标准制定，较适用于民用，对于航空行业不能*适用。

    随着复合材料在我国航宇乃至其他工业界的应用迅速增加，特别是民机用复合材料及其结构的研究和发展，采用与接轨的复合材料性能先进测试方法和标准已成了刻不容缓的需求。美国ASTM D30复合材料委员会负责用于表征高模量（大于20 GPa）纤维及用这些纤维增强的聚合物或金属基复合材料的标准，包括组分性能、热和物理性能、单层和层压板力学性能及结构性能的试验标准。它虽然植根于航空航天工业，但其研究成果同样支持了用先进复合材料制造的汽车、娱乐、医药和其他工业产品。美国国防部和FAA通过军用手册MIL-HDBK-17《复合材料手册》明确规定“只要适用，就应采用ASTM D30的试验方法”，ASTM D30的试验标准代表了当前先进水平，也是迄今为止国内编制复合材料性能航空行业工业标准的主要依据。

    基于上述原因，原标准规定使用的国家标准已不能*适应当前飞机复合材料结构，特别是不适用于民用飞机复合材料结构适航取证的需求，同时考虑到修订国家标准使其与接轨在短期内无法实现，因此在修订稿中改为按有关部门认可的试验标准的措辞，并在标准的附录B中提供了可采用的标准目录清单。2008年对部分力学性能试验方法（包括拉伸、开孔与充填孔拉伸和压缩、纵横剪切、V形缺口面内剪切、短梁剪切、弯曲和挤压性能）的国标参照ASTM标准完成了修订或制订，已完成报批手续待批准颁布，这些标准也作为推荐标准写入修订稿。

    值得说明的是在修订稿正文中没有明确冲击后压缩试验中引入冲击损伤的能量，这是由于过去长期使用的6.7 J/mm能量选择对韧性树脂基复合材料评定有可能给出错误的引导，因此在附录中给出了空客公司的试验方法供参考，该方法的基本思路是根据要满足结构设计损伤容限的初始缺陷假设，而迄今为止结构设计均采用目视勉强可见冲击损伤，空客公司的假设是冲击后立即测量的凹坑深度为1 mm。

6  数据处理方法

    原标准中的第7章“B基准值统计方法”是参照MIL-HDBK-17B“聚合物基复合材料手册”中的第8章“数据的分析与给出”制订的。经过20多年的应用和研究，有关的数据处理方法有了一些的变化。修订版中将有关内容归入正文，并将详细的公式和描述列入附录，并编制了相应的聚合物基复合材料强度B基准值计算软件。该部分内容仍主要参照MIL-HDBK-17B后续修订版本MIL-HDBK-17 -1F的第8章“统计方法”，同时还参照FAA的有关文件，修订稿与原标准的变化主要是三方面：

    a）  以Weibull分布为首要选择改为以正态分布为首要选择，因为前者过于保守，不利于发挥复合材料的性能优势；

    b）  原标准中将同一性能但在不同试验条件下的得到的数据分别处理，在MIL-HDBK-17-1F中增加了回归分析的方法，即可将其他条件相同只是试验温度不同的数据按回归分析的方法处理，从而相同的工作量可得到更多的设计用数据。FAA的文件则进一步扩大了回归分析的应用范围，即可将不同试验条件下（包括吸湿量与试验温度均不同）得到的试验数据也可用回归分析方法处理。当然其前提条件是认为目前的试验方法（MIL-HDBK-17推荐，以ASTM标准为主的方法）已将试验引入的变异性降到zui小，以至于可以不予考虑；

    c）  增加了将离散系数小于4%的数据扩大为4%的处理方法。因为大量的数据表明复合材料性能的离散系数为4%~10%，若其离散系数小于4%，会增加使用的风险。