【基金标书】2010CB631100-先进复合材料空天应用技术基础科学问题研究

项目名称： 先进复合材料空天应用技术基础科学问题研究首席科学家： 益小苏 中国航空工业第一集团公司北京航空材料研究院起止年限： 2010 年 1 月-2014 年 8 月依托部门： 国防科学技术工业委员会一、研究内容关键科学问题1. 复合材料多层次、多尺度界面结构的理解和强化建构复合材料的共性特征是多层次、多尺度的异质、异构界面。典型的 结构层次涵盖纤维单丝、纤维丝束、干态增强织物、树脂预浸料和 层状化的复合材料结构等。界面状态将从本质上影响复合材料整体对载荷的响应，并控制复合材料的所有性质和服役行为。前期的 973 研究成果已证实 1，层间界面的高分子-高分子双连续相结构直接影响了细观损伤的产生和扩展，进而决定了复合材料的韧性、刚度、 强度等使用性能；双连续相结构形成和演化的关键是定域设计和控制反应诱导的失稳分相、临界相反转和相粗化等过程。 这对应了连接度（Connectivity）概念 2里的 0-0、0-3和 3-3 结构的 连续的相转变过程，而由于这个连续的相变发生在 2-2 结构的受限空间内，必然形成尺度上梯度分布的 3-3 型双连续颗粒结构，从而赋予复合材料优异的韧- 刚-强组合。我们的预先研究已发现 3，碳纤维表面在微米层次上的“ 结构化”或“粗糙化”对复合材料“ 人工界面” 的建构具有重要的影响，这种“ 结构化” 和“粗糙化”包括微尺度的颗粒和三维结构等，建构这种新型表面结构的机理包括表面成核与低温生长、表面浸润与去浸润等，但目前国内外对这种表面微结构建构的材料学和力学理解还知之甚少，也不清楚 这种微结构对复合材料界面强-韧化的影响机制及其持久稳定性和高温性能等。本研究将突破上期 973 课题高分子-高分子复相材料热力学和动力学的限制，在界面化学改性的同时，提出建构复合材料多层次界面有机、无机异相 3-3 连接度微结构（Interfacial 3-3 micro connectivity）的新概念，镶嵌体胞建模分析界面剪切对细观集束/协同/无规破坏的影响，极大地提高复合材料在关键结构层次的界面结合力和稳定性，确立复合材料界面强化的新技术和新方法。2. 复合材料多层次精细耦合协同强韧化机制典型“纤维增 强-树脂基体 ”两元复合材料界面的作用是将纤维和树脂，以及由它们分别控制的纤维主导性质（Fiber-dominent ）和 树脂基体相主导性质1 益小苏。上期 973 课题多层次细观结构与特征目标性能的关联、数理模拟和结构优化设计验收总结报告。2008/09，北京2 E. Newnham, D. P. Skinner, and L. E. Cross, “Connectivity and Piezoelectric. Pyroelectric Composites,” Mater. Res. Bull., 13, 52536 (1978).3 益小苏等：一种刚性 3 维晶须层间改性连续纤维复合材料的制备技术（国家发明专利） 。申请号：200810183554.4。（Matrix-dominent）联系到一起。树脂基体相主导性质主要包括“纤维间” （Inter-fibers 或 Intra-tow）、“层内”（Intra-ply）和“层间”（Inter-ply 或 Interlaminate）等 3 个结构层次，它们通过各层次间的精细结构耦合和载荷传递，使复合材料发挥整体功效。为了在现有较低品位纤维（例如国产 CCF-1、CCF-3 和 T800 碳纤维）和树脂体系的限制下大幅度而又低成本地提升复合材料的整体性能，根据复合材料结构耦合的最简化的线性混合率，复合材料的刚度将随基体的模量线性增长，因此在复合材料的“ 纤维间” 引入高 刚度的微、纳米尺度精细微结构，将可能在“层间离位增韧”的基础上实现 “层内增刚”，同步提升复合材料整体的刚度和韧性；又考虑到复合材料“ 层内” 结 构与“层间”结构在载荷传递 特性上的巨大差异，而复合材料的强度主要受控于体系内的薄弱结构，因此，在等密度的前提下，借助基体主导性质多层次结构间的精细耦合，调制和优化 2-2 层状周期结构，产生“ 层内增刚”与“层间增韧” 性质的协同效应，可望 获得复合材料整体性能的 跃升。进一步地，目前国内外航空复合材料的损伤设计容限准则依赖于表面冲击的损伤可视识别阈值（BVID）。由于强韧化处理的复合材料具有较高的整体冲击损伤阻抗，其可视识别阈值 很高， 导致复合材料自身的性能潜力和强韧化效果都难于发挥。解决这个问题的关 键是在体型复合材料层次分离其表功能和体功能，特别是提出并通过发展表面显示功能来提升复合材料冲击损伤的可视识别阈值 4，建立损伤示踪确定分析方法及损伤显示和内部损伤的关联，从而改进国际航空复合材料的传统设计方法，以低品位的基础材料通过系统集成和优化达到复合材料高性能化的目的。3. 复合材料损伤的非确定性跨层次虚拟测试与高效结构设计目前对航空航天复合材料在服役条件下跨尺度、跨层次的损伤传递模式并不清楚，一个科学的解决方案是建立基于非确定性分析的复合材料跨层次虚拟测试方法，其核心是建立复合材料多层次渐进损伤和失效的多级分析模型，理解亚临界状态下多损伤模式的相互交叉与混杂机理，建立非确定性参数化的方法，模拟复合材料结构在亚临界状态下损伤萌生-扩展-蔓延的全过程。航空航天结构复合材料高效设计（Efficiency）的典型特征是损伤阻抗、耐久性和损伤容限等关键性能的最佳平衡，同时各项指标满足结构设计目标，其核心问题是在结构性能层面上要求这些性能指标具有协同性，并在材料选材和性能方面提供满足协同性的要求。 为此，需要多 层次研究和理解复合材料结构损伤阻抗、耐久性和损伤容限的影响因素及其相互作用，明确材料性能内在关联性，建立反映这种复合材料高性能指标结构的适应性的新型设计方法，从而最大限度4 发明专利申报：一种表面冲击敏感-显示的复合材料新概念和制备方法（益小苏等） ，2009地利用和发挥复合材料的本质性能优势。在航空航天结构件的工程设计层次，根据典型服役环境的宏观设计要求、传力及连接、工艺可行性以及复合材料典型结构细节特点等，发展先进的结构优化设计方法，并植入大型软件系 统， 实现航空航天复合材料制件的高效结构设计和应用。4. 复合材料变形的结构依赖性及其模型化与功能性应用高聚物特定的化学结构、远离材料平衡态的制备过程、以及化学反应动力学与动态外场工艺条件的相互作用等共同控制树脂相的形变，其中，树脂材料由液态粘流态通过交联固化反应转变为固体材料的体积变化过程服从热力学平衡态的压力- 比容-温度（P-V-T ）关系，其中最关键的“凝胶化”和“ 玻璃化”（Vetrification）转变过程可以用温度- 时间-转变（TTT）曲线族表征；而纤维铺层及其各向异性，特别是非均衡、非对称、多变量的铺层结 构，以及复杂体形结构内的残余应力状态等，将更强 烈地影响复合材料结构整体的线性、非线性变形。上期 973 课题的研究结果表明，凝胶对相变、流 动的控制和玻璃化对初始性能的控制可以通过特征的 TTT 关系预测 5。本申请拟 通过合成制备零膨胀、负膨胀高聚物材料及其复配体系，数值预测材料的 P-V-T 热力学关系和 TTT 转变关系，数值 模拟非等温、非等压等实际工艺条件下固化反 应对材料物性的控制， 结合复合材料航空典型结构的内应力计算，一方面，从本 质上揭示和预测复合材料大型制件的结构变形和复合材料应力动态重分布及可逆补偿原理，形成先进的形变控制技术；另一方面，研制特征结构参数互异而界面互容的温度敏感、载荷敏感双稳态、多稳态以及线 性、非 线性变形的复合材料体系 6，理解和 实现复合材料的主动变形和结构-功能一体化。5. 典型复合材料制造关键技术的基础问题研究大型航空航天复合材料结构件制造的共性关键是低成本、低缺陷或无缺陷，其材料学基础是对气-液- 固 3 相态相互作用及其浸渍、浸润、流动等过程的理解、建模、在线测试与控制、以及工艺系统优化等。复合材料制备过程是多种细观尺度材料缺陷产生的重要来源，如微观浸润与宏观流动速度的不匹配将导致纤维束内及纤维层间的密集孔隙和分层缺陷，树脂对纤维铺层与对模具内表面浸润的不匹配将导致复合材料的表面缺陷等。为此， 拟建立包含表面张力的树脂黏弹性本构方程，模拟分析缺陷生成的机理与传递机制，特别是建立在高纤维体积分数渗逾阈值附近的气-液- 固 3 相态流动和相互作用模型。大飞机复杂结构整体制造的关键技术之一是工装模具系统，即复合材料制5 益小苏。上期 973 课题验收总结报告。2008/096 发明专利申报：一种类双金属片的新型复合材料的制备技术与应用技术（益小苏等） ，2008件与“模”和“范”材料体系物性统一问题。整体结构的前驱体是近净型的干态复合材料预制件，上期 973 的研究结果已为近净型预制打下了良好的基础，但预制结构的制造需要有与该复合材料制件全工艺过程适配的工装新材料，特别是 CTE适配，为此，本项目申请提出一个创新性的解决方案：水溶性型芯技术 7，在材料科学意义上，这是一个典型的有机/无机聚合物（不 烧陶瓷）复合材料问题，通过水基凝胶化可以实现环境友好和无溶剂“绿色制造” 。大飞机用资源友好型天然纤维复合材料技术的关键是高效无毒阻燃和结构力学性能最大化，这是一个功能-结构一体化问题，也是飞机安全问题。天然 纤维增强体自身就是一个多层次、多尺度的复合材料结构，其力学模型、浸渗、成型的工艺特性等不同于传统的碳纤维复合材料，而天然纤维复合材料的阻燃研究正是国际航空界的热点。本申 请提出聚合物型（酸源、碳源、气源三位一体）膨 胀阻燃剂的分子设计原理，通 过膨胀-纳米复合阻燃技术处理纤维和树脂，以获得航空安全的天然纤维增强复合材料及其典型航空构件。主要研究内容1. “界面 /表面微 连接强化 ”（Interfacial 3-3 Connectivity）新概念和基体相主导的多层次结构协调新原理在单丝、丝束、织物、 预浸料的表面以及复合材料的 层间构造有机和无机、具有微米尺度 3-3 连接度的新型界面结构，从新型上浆剂的合成和表面化学改性开始，在上期 973 浸润去浸 润研究的基础上，通 过扩 大界面化学键合和物理吸附，特别是建立大规模的界面机械啮合等效应，极大地提高复合材料在关键结构层次的界面结合力和稳定性，建立相应的界面/表面微 连接强化材料学模型和力学模型，在国内外确立复合材料界面强化的新概念、新技术和新方法。又在纤维间层次引入特殊微米、纳米尺度的结构，在“ 层间增韧”的基础上实现“层内增刚 ”；在叠层复合 层次调制“周期”的“频率” ，实现复合材料截面结构的均质化，提出复合材料多层 次结构协调新原理并建立材料力学模型。在体型复合材料层次准确地分解其表功能和体功能，一方面针对应用，通过混杂纤维强化薄弱层来提升复合材料的整体性能；另一方面，通过表面显示功能化来提升复合材料冲击损伤的判断和识别阈值（BVID），建立多尺度、多 层次的力学模型，最大限度地发挥和利用复合材料的潜质，以低品位的基础材料通过系统集成和优化达到复合材料高性能化的目的。推动成果快速转化应用，实现航空航天领域的领先应用。7 益小苏等：一种水溶性模芯的制备方法（国家发明专利） 。申请号 200710306024.X2. 复合材料高效结构工程设计与设计方法优化针对复合材料典型结构，实现从材料组分到结构的载荷、性能、 损伤信息的高保真传递，建立从复合材料 组分到结构、从分析 设计 到制造缺陷和服役损伤的全寿命一体化信息模型。重点分析各层次模型的渐进损伤模式和损伤模式的混杂机理，建立主要失效模式 亚临界状态的判断准则，在亚临界状态下实现各层次结构性能的准确预报。对复合材料的各组元组分、工艺过程、服役 环境过程中的非确定性因素进行分析，对 各分布变量对材料在使用过程中的性能演变、有效性能和使用寿命的影响规律进行定量化表征，建立复合材料结构可靠性和安全寿命的科学定量预报方法。编 制复合材料典型结构跨层次虚拟测试软件模块，完成针对高性能复合材料体系的典型结构设计的可靠性评价。建立不同载荷、材料形态下损伤过程分阶段的多参量、多损伤指标分析模型；应用损伤度概念对复合材料失效过程相应不同损伤模式及其程度进行定量化表征，确定损伤度对本构关系及剩余强度变化影响规律；建立材料和结构破坏模式相关性为基础的关联度定义及分析方法；建立损伤示踪确定分析方法及损伤显示性和内部损伤关联性研究， 发展的结构损伤阻抗、耐久性和损伤容限性能协调的典型结构设计分析方法。在航空航天结构件的工程设计层次，根据典型服役环境的宏观设计要求、传力及连接、工艺可行性以及复合材料典型结构细节特点等，发展先进的、基于拓扑学特性的结构优化设计方法，并植入大型软件系统，实现航空航天复合材料制件的高效结构设计和应用。复合材料结构分析设计与评价一体化软件等研究成果争取在大飞机等重大专项计划中取得应用。3. 复合材料变形的结构模型与结构-功能一体化应用合成制备研制零膨胀、负膨胀高聚物新材料及其复配体系，研究材料化学结构对温度- 比容 -压力性质的影响，有关材料形成标准；建立数值模型和实验方法，预测典型材料的 P-V-T 热 力学关系和 TTT 转变关系；模 拟非等温、非等压等实际工艺条件下树脂固化反应-材料物性之间的行为，优化复合材料的制备工艺；建模分析增强纤维主导性质对复合材料变形的影响，特别是非对称、非均衡铺层结构对复合材料变形的强烈控制， 设计合理的多层次、多尺度复合材料结构，控制大型制件的变形；有关的模型力争实现软件化，可以嵌入或与商业工程软件兼容。在理论分析和结构优化设计的基础上，设计具有多重玻璃化转变温度的多组分、多相高分子材料，其热机械性能图谱中呈现多重 转变的“ 台阶”，利用其发展特征结构参数互异而界面互容的双稳态、多稳态以及线性、非线性温控变形的复合材料体系，主动响应外界 环境（制备工艺环境、服役环境等），理解和 实现复合材料的结构-功能一体化。4. 制造技 术 建模、工艺系统控制和绿色材料技术典型基础问题在树脂基体材料方面，重点研究共性的气-液-固 3 相态之间的相互作用，预报气泡成核生长、团聚和输 运的特征过程，建立复合材料工艺缺陷的实验判据；在纤维增强材料方面，建立复 杂织物结构的渗透率（K 值）模型，结合仪器化的实验，数值预报和确定典型增 强材料的渗透率。设计特定的水溶性成份均匀吸附在无机颗粒表面，在固体材料内部形成了双连续网络结构，当固体材料功能完成后，水溶性组 分遇水溶解，陶瓷 颗粒彼此分离，导 致原有固体结构溃 散，全面考察无机聚合物基复合材料的结构-性能-工艺的关系以及固体材料与溃散功能的动力学关系，形成创新性的水溶性无机聚合物复合材料技术，支撑复合材料整体化高效结构制造技术的发展。采用多尺度的复合材料力学方法和概率断裂力学的概念，建立适合于天然纤维增强复合材料的力学分析和建模方法；设计聚合物型新型膨胀阻燃剂，在其分子结构中引入活性端基与天然纤维接枝，在提高天然纤维阻燃性能的同时改善其与树脂基体的相容性、提高界面强度、 热稳定性和耐久性差；在此基础上，研究膨胀阻燃与纳米阻燃的协同阻燃及凝聚态阻燃机理，提高阻燃效率。二、预期目标1 总体目标以国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020 年）中“大型飞机” 、“高分辨率对地观测系统” 与“载人航天”等航空航天重大科技专项为背景，立足我国资源，发 展具有我国知识产权 、创新性、高性能的 结 构复合材料新概念、新理论、新技术和新方法及相关配套结构设计、先进制造和工程化应用技术基础，推动我国先进复合材料技术领域的部分方向进入国际研究的前列，同时示范性辐射带动相关产业和行业的技术进步。2 五年预期目标以高性能航空航天复合材料技术体系的发展为主线，以先进的模拟分析、结构设计、表征实验和制造验证 技术为支撑，探索建立在复合材料基础理论指导下的多层次、多尺度强韧化的新概念和新方法，研制 发 展高性能复合材料新技术，典型指标达到国际领先水平，在大飞机等国家重大任务中得到示范性的验证应用，部分成果进入国际高端航空航天合作。部分先进设计技术突破国际传统航空结构设计技术的陈规，初步建立与积木式适航认证试验相适应的模拟分析方法；充分利用复合材料可设计的特点和工艺建模，研制有机- 无机复合的工艺系统新材料，支撑大型、复杂复合材料航空航天制件的低成本、低缺陷制造；探索绿色天然纤维复合材料的理论和技术，推动航空领先应用。3 考核指标3.1 高性能复合材料的冲击后压缩强度（CAI）310MPa（预浸料）和260MPa（RTM），压缩强度同比提升 10-15%（国产 CCF-1 或 CCF-3 级别）；复合材料目视可检（BVID）损伤容限设计达到国 际同期先进水平，形成中国品牌的材料体系和自主知识产权保护。3.2 有关复合材料分析建模技术软件化，独立使用或兼容商业软件，形成软件版权。3.3 植物纤维复合材料及其阻燃技术达到国际高端企业认可，形成中国特色和知识产权。3.4 围绕高性能化的新型树脂与复合材料、有机-无机复合材料、植物纤维复合材料、零固化收缩率复合材料等，形成复合材料新标准。3.5 培养骨干科研人员和工程技术骨干 10 名左右；项目研究团队以该 973 项目为基础或纽带，申 请获得国家大型民口（国家 863 计划、双边多边国际合作、国家自然科学基金项 目等）和军口（国防科工局、总装备部项目等）项目 5 项以上，以 973 成果 带动相关项目的进展；3.6 在国际重要系列性的复合材料等学术会议上发表邀请报告 10 篇左右，发表重要学术论文约 50 篇以上；申请或获得国际、国家、国防发明专利约 30 项，国家或部委级新技 术标准约 25 项，材料新牌号约 10 项；扩充和完善国家级先进复合材料数据库。三、研究方案本项目以问题和目标导向：以制备高性能的大飞机主承力结构复合材料为主攻目标，通 过多层次、多尺度界面强化和多层次精细 耦合协同强韧化等，在理 论上有所建树，在技术上获得 满足高性能指标的新材料体系。针对这个目标，主要研究安排在课题 1“复合材料多 层次高性能化的基础 理论” 和课题 2“复合材料的多尺度科学建模与表征” 。考虑复合材料多变量、可设计的特性，以 发挥复合材料的本质优势为目标，研究复合材料跨尺度、跨层 次的性能传递与协同效应，特别是通过高效结构的工程设计与优化技术研究，满 足航空航天复合材料结构件的特殊指标要求。针对这个目标，主要研究安排在课题 2“复合材料的多尺度科学建模与表征 ”和课题 3“航空航天高效结构的性能协同优化”。在高性能材料体系和高效结构件设计的基础上，以制备整体、复杂结构的复合材料制件为目标，通过复合材料结构依赖性变形与制造技术建模、工艺系统控制和绿色材料技术等，发展独特的复合材料结构制造技术新理论和新技术，在国内国际航空航天领域实现领先应用。针对这个目标，主要研究安排在课题 2“复合材料的多尺度科学建模与表征”和课题 4“复合材料典型 结构的制造技术基础”。这个项目以理论建模分析为基础，通过材料研究、 结构设计和结构制造的系统集成，形成一个比较完整的研究体。1. 主要学术思路与技术途径1.1 在提高复合材料性能这个主线上，根据先进复合材料的结构特点，其力学性能仍不够高的主要原因是“载荷传递连续性的间断” ，体现在纤维界面、纤维间和层间等多个层次，因此，继承上一期 973 课题的成果，在继续关注复合材料层间的同时，层内增刚；并通过深入理解复合材料多层次、多尺度、多界面的结构特点和可设计的本质优势，分 别在多界面建立 3-3 微连接度的强化结构；同时通过多层次精细耦合协同强韧化等问题的科学研究，建立理论方法，制 备获得高性能指标的新材料体系。 进一步地，提出结构复合材料表-里分离的新思路， 设计 制备表面敏感-显示的高韧性复合材料系统，显著提升先进复合材料的初始静态力学性能、剩余强度、设计损伤容限和许用应变等。1.2 鉴于复合材料在损伤萌生扩展蔓延过程中末端的非稳定性特征，提出了在复合材料亚损伤阶段对材料结构的多重损伤模式的交叉混杂进行解耦，同时将复合材料从材料组分到结构的参数非确定性分布引入到复合材料结构整个的数字化虚拟测试中，深刻揭示复合材料渐进失效的机理和过程，对复合材料的力学性能进行精确预报。1.3 在复合材料结构控制的变形问题上，通过理论分析建模，控制大型复合材料制品的变形，与此同时，反向利用 这个特点，研究特征结构参数互异而界面互容的复合材料体系，利用复合材料的复合度、对称度、周期性 变化等特性，发展自动补偿大变形、 应力动态重分布的新型材料实现功能集成器件化或结构-功能一体化。1.4 在先进制造技术方面，发展不烧型无机聚合物复合材料，形成全新的辅助新材料，制备传统材料和技术难以制备的高效航空关键构型和整体结构。深入研究和理解天然材料的多层次、多尺度结构和表面特性，采用化学和物理的方法改善植物纤维的表面以及复合材料界面的特性；通过分子设计和复配，制备多元含纳米结构的高效无毒阻燃剂；发展新型低膨胀、高阻燃的低黏度树脂体系， 设计和研制轻量化、高安全性的制品。2. 主要创新点及其与国内外同类研究相比的特色2.1 根据“表面粗糙化 ”和 “表面结构化”的思想，首次提出有机、无机的多层次、多尺度 3-3 微连接度强韧化新概念，覆盖典型航空航天复合材料结构应用的温度范围直至高温（500C ）。2.2 根据复合材料多尺度、多层次、多 变量的特征，首次提出“层内增刚”与“层间增韧” 的协同新概念和 2-2 连接度周期调制新概念，通过多层次、多尺度的精细结构耦合，提升材料的本质性能。2.3 首次提出表面敏感-显示的高韧性复合材料新概念，尝试改变传统的设计理念，充分发挥高冲击损伤阻抗复合材料的剩余压缩强度和许用压缩应变潜力，大大提高航空复合材料制件的减重效率。2.4 复合材料亚损伤阶段对材料结构的多重损伤模式的交叉混杂进行解耦，并把非确定性分布引入到复合材料结构整个数字化虚拟测试中，揭示复合材料渐进失效的机理和过程。2.5 研究发展水基凝胶有机-无机聚合物陶瓷材料，兼具高温力学和结构稳定与常温溶水溃散双功能，并将这种材料运用在大型整体结构的制造。2.6 首次提出特征结构参数互异而界面互容的复合材料新概念，利用具有双/多重高分子转变“ 台阶” 性 质、或膨 胀系数不同的基体材料，设计制备自动补偿大变形、应力动态重分布的新型材料。2.7 采用带活性端基的聚合物型膨胀阻燃剂作为植物纤维的表面改性剂，在赋予植物纤维阻燃性的同时改善其与树脂的界面作用；同时利用膨胀型阻燃剂与纳米阻燃剂的协同阻燃效应，提高基体树脂的阻燃效果，降低阻燃剂用量，避免由于大量阻燃剂的加入降低材料力学性能不足的问题。2.8 研制国产富有资源的植物纤维复合材料及其高效阻燃绿色复合材料技术，领先应用于国际航空领域。以上内容已部分申报了国际、国家和国防发明专利，部分正在专利过程当中，目前尚未见国内外相同或相似的报道，符合创新性要求。3. 取得重大突破的可行性分析国家 973 计划的立项，给予复合材料的应用基础研究一个历史上从未有过的发展机遇，包括资助的强 度、 优势科研资源的调动 等等，有可能通 过多学科的交叉和产学研的紧密结合，在 项目内部直接打通从概念到产品的原理性流程，在新技术、新方法、新发现等技术原理的起点和航空航天等关键技术应用的终点之间，建立一个相对完整的技 术发展链。 这样的研究方式和组织方式是国家 973 计划独有的，是我国目前的其他任何科研计划所无法替代的。本研究将充分利用上一期国家 973 计划项目已经取得的成果，结合国家对大飞机等航空航天复合材料的新需求，发展更通用、更有效、更有中国特色的复合材料新概念、新技术和新方法，在选定的研究方向上取得更大的进步。目前的准备工作已表明，有关的新概念、新技术和新方法在原理和技术途径上是可行的，我们也已或正在申报国家、国防发明专利。本期 973 申请还将吸收相关方向有基础的研究成果进行集成，特别是航空航天复合材料结构的跨层次、跨尺度耦合与模拟，高效结构的设计， 绿色复合材料，高效阻燃技术等。这些方向的研究工作部分已得到国家自然科学基金、国家973 和国家 863 计划、双边 国际合作、国防 973 计划等的支持。管理创新在支撑基础研究创新和重大关键技术突破方面具有重要的作用。在上一期 973 课题期间，课题 已尝试组织紧密结合型团队，这种做法得到科技部领导、专 家和周光召先生等的高度赞同 8。本次申 请 将进一步根据“ 需求牵引，研究推动”的组织 思路，以我国航空航天工业复合材料研究的核心力量 为目标牵引和系统集成主体，联合中国科学院以及高等院校在基础研究方面的优势力量，与国内外高端企业建立战略合作联盟，集成攻关，力争将基础研究的成果快速转化为关键技术突破，并在国家重大项目上得到示范性验证和领先应用。8 2007 年 1 月 12 日，周光召先生率科技部基础司等有关领导到北京航空材料研究院现场调研 973 课题进展时的总结发言：“基础研究不能局限在实验室，实验室只能出工艺、技术不成熟的样品，不能创造价值；基础研究的目的是搞清为什么，但为了使研究成果满足国家目标的需求，有意义的结果就必须向工业延伸，必须在生产上有量，否则 know how 就出不来；而基础研究向工业延伸，必然需要团队，需要积累，这方面以应用研究为背景的单位条件更好。973 课题由一些应用单位来做是完全有必要地，973 计划应加强与应用部门和企业的合作，通过与企业的合作把基础研究的潜力充分发掘出来，才能提升中国的创新高度。 ”课题 1、复合材料多层次高性能化的基础理论预期目标：以提高航空航天复合材料的损伤阻抗、损伤容限和基础力学性能为主线，在 “离位”增韧的基础上，重点发展 3-3 微连接结构强化和多层次精细复合协同强韧化等复合材料“ 人工界面”的新概念、新理论与新技术，研制具有中国特色和自主知识产权的高性能复合材料体系，主要性能达到同期国际先进水平，并快速转化，在大飞机等航空航天重大任务中得到示范性的验证和应用。研究内容：(1) 研制新型树脂，包括零固化收缩率树脂，高温树脂，阻燃树脂等作为基础基体材料；研制特种改性剂等其他功能组分材料，全面表征和优化材料的物理、化学和力学使用性能。(2) 合成新型高温上浆剂等纤维表面功能涂层，研究典型增强纤维的表面化学改性，利用浸润去浸润效应等，控制 纤维表面微几何结构和微形貌。(3) 在纤维、织物、预浸料等表面异相生长无机晶须以及异相高分子等独特的3维微结构，形成微尺度3-3连接的新型表面/界面结构；研究这种新型表面/ 界面微结构的界面化学作用、物理作用，特别是大规模界面机械啮合作用等。(4) 在纤维间引入特殊微、纳米尺度高刚度微结构，研究复合材料的“ 层内增刚”效应；研制大厚度、多向、多层超薄预浸料，调制叠层复合的“周期” ，研究复合材料的性能变化特性。(5) 发展特殊的表面改性和表面处理技术，建立复合材料表面载荷显示层，在简单目视条件下识别冲击的位置和能量（BVID），基本准确理解和评价复合材料表-里损伤 性质的关联。经费比例：33%承担单位：中国航空工业第一集团公司北京航空材料研究院、吉林大学课题负责人：李宏运学术骨干：益小苏、安学锋、 陈春海、唐邦 铭、王岭、王策、党国栋、 张子龙、刘刚课题 2、复合材料的多尺度科学建模与表征预期目标：在微观、细观的材料科学层次，建模分析异相表面 /界面 3-3 微连接结构强化、多层次精细复合协同强韧化等新概念、新技术的材料学模型和力学模型，受材料热力学和动力学、特别是多 层次结构控制的复合材料变形机理，影响工艺过程和复合材料内部缺陷的材料特征参数及其影响范围，研制特殊双稳态、多稳态以及线性、非 线性温控变形的复合材料体系等，通过虚拟 建模和实际材料制备的反复叠代，预报 并支撑新型材料的研制，优化制备工艺，在 选定的几个方向上实现按照指定的结构和性能设计和制备新型材料。研究内容：(1) 建立有机、无机异相表面/界面3-3微连接结构的材料学模型和力学模型，建立特殊微米、纳米尺度高刚度微结构的“层内增刚 ”材料学模型，建立大厚度、多向、多层超薄预浸料复合材料的材料学模型，形成相关的理论，指 导材料的制备和复合材料性能预报。(2) 研究复合材料法向表面冲击的损伤传递过程，建立表面冲击显示复合材料的功能原理模型，指导材料的制备和复合材料损伤程度的预报。(3) 建立数值模型和实验方法，预报和实测典型树脂的P-V-T热力学关系和TTT转变 关系；建模分析 纤维 主导性质对复合材料内应力和变形的影响，特 别是非对称、非均衡铺层结构对复合材料变形的强烈控制。(4) 设计具有多重玻璃化转变温度的多组分、多相高分子材料，其 热机械性能图谱中呈现多重转变的“ 台 阶” ；制备并建模分析特征 结构参数互异而界面互容的双稳态、多稳态以及线性、非线性温控变形的复合材料体系，主动控制变形。(5) 建立多尺度、概率断裂力学、适合于天然纤维增强复合材料的力学分析和建模方法。经费比例：20%承担单位：山东大学、中国科学院长春应用化学研究所课题负责人：贾玉玺学术骨干：王成国、王震、石彤非、陈继忠、李宏飞课题 3、航空航天高效结构的性能协同优化与设计预期目标：确定韧性复合材料典型破坏模式的细观和宏观控制因素，提出并建立其对应破坏模式的相关度及性能相关性分析模型。在复合材料结构设计中实现各韧性性能指标间的协调，建立高效典型结构设计方法。针对航空结构复合材料的典型服役要求，建立结构宏观 性能/设计参量之间的定量关系，对复合材料结构分析、优化设计为一体的优化设计方法进行探索，实现复合材料优化设计、分析过程的可视化仿真过程。建立复合材料结构多层次、多学科一体化信息模型，突破 亚临界损伤状态下复合材料有效性能预报和非确定性分析等理论瓶颈，发展基于数字化环境的复合材料虚拟测试理论和方法，从而为复合材料在航空航天领域应用提供高效结构分析、设计 和评估提供理论依据和基础方法，并实际应用于我国大型飞机复合材料的实践，达到降低结构重量和取证试验成本、缩短研制周期的目的。研究内容：(1) 研究韧性复合材料层板损伤模式的形成、发展及转换规律，建立基于物理机制的冲击后压缩、开孔拉伸和压缩损伤分析模型。确定各种损伤模式判据，研究不同损伤模式损伤程度的定量表征，及其对层板性能的影响分析方法。研究韧性复合材料的破坏机制及其控制因素的相关性，确定各韧性性能控制因素和破坏模式的关联度，建立复合材料层合板主要韧性性能关联性分析模型及复合材料韧性指标综合评价方法。建立复合材料结构有限元参数化建模方法，实现结构的快速高效参数化建模；根据典型服役环境的宏观设计要求、传力及连接、工艺可行性以及复合材料典型结构细节特点等，发展先 进的、基于拓扑学特性的结构优化设计方法，并植入大型软件系统，实现航空航天复合材料制件的高效结构设计和应用。(2) 对优化设计进行数学描述，明确其优化目标、设计参量及约束条件，建立试验设计、近似法、优化算法等模块以及全过程集成，实现结构优化设计的全过程。基于遗传算法建立复合材料结构优化问题的求解，实现对多峰值问题的求解全局最优性、对离散变量的处理、以及算法本身的可靠性及鲁棒性。考 虑材料性能的不确定性，通过结构可靠性分析的响应面法和有限元法的结合，对复合材料结构的可靠性进行分析，针对复合材料结构频率特点提出优化算法，实现以铺层层数及各层铺层角度为设计变量的层合结构频率约束可靠性优化方法，实现结构分析、优化设计一体化的复合材料结构优化设计系统。(3) 通过复合材料结构多层次信息模型与亚临界损伤状态分析，建立从复合材料组分到结构、从分析设计到制造缺陷和服役损伤的全寿命一体化信息模型和相应的数据库框架。在亚临界状态下研究复合材料多损伤模式的相互交叉、混杂机理以及多重混杂模型解耦和识别方法，建立相应混杂模型识别与解耦的数据库与知识库，完成复合材料结构亚临界状态下损伤萌生扩展蔓延的全过程模拟。(4) 分析复合材料的组元组分、工艺过程、服役过程中的非确定性因素，建立非确定性参数概率分布函数测试方法，发展复合材料结构多层次参数化建模技术，获取主要随机参数对复合材料结构有效性能和使用寿命的影响规律，建立复合材料结构可靠性和安全寿命的科学定量预报方法。在结构分析、优化设计的统一软件开发平台上，编制复合材料典型结构跨层次虚拟测试软件模块，完成针对高性能复合材料体系的典型结构设计的可靠性评价。经费比例：23%承担单位：北京航空航天大学、中国航空工业第一集团公司沈阳飞机设计研究所课题负责人：关志东学术骨干：张博明、李敏、杨旭、王进、戴福洪、张纪奎课题 4、复合材料典型结构的制造技术基础预期目标：针对多种典型航空航天复合材料结构件，特别是复杂形状、高尺寸精度的结构件等，建立复合材料制备 工艺的基本模型和理论，并开展结构件的实验制备，一方面，实验验证理论和模型的正确性，另一方面，发展新型的工装工艺新材料如水溶性型芯技术等。在多 层次、多尺度物理与化学改性的基础上，建立力学分析方法，研究天然纤维增强 复合材料的力学性能和阻燃机理，形成中国自主知识产权和基础技术特色。研究成果进入国家大飞机计划或领先应用，部分成果得到国际高端航空工业的认可， 进入政府间国际合作。研究内容：(1) 建模分析渗逾阈值附近的复杂纤维织物体系的渗透率（K）并实验验证；研究气-液 -固3相 态之间的相互作用，预报气泡成核生长、团聚和输运的特征过程，建立工艺缺陷的实验判据；模拟非等温、非等压等实际工艺条件下树脂固化反应-材料物性之间的行为，优化复合材料的制备工艺。在制备工艺理论和模型设计的指导下，以实际航空航天复合材料结构件为对象， 实验研究缺陷生成、 长大和传输的机理，优化材料和工艺，抑制复合材料的典型缺陷。(2) 在溶解度和热力学基础上，设计、合成与制备无机聚合物基复合材料，设计特定的水溶性高分子，全面考察这种有机-无机聚合物复合材料的结构-性能-工艺的关系、特别是固体材料与溃散功能的动力学关系；研制并演示验证水溶性工装制备航空航天典型复杂结构，并推向工程化应用。(3) 设计聚合物型（酸源、碳源、气源三位一体）新型膨胀阻燃剂，在分子结构中引入活性端基与天然纤维接枝，在提高天然纤维阻燃性能的同时改善与树脂基体的相容性和界面强度；研究膨胀型阻燃剂与纳米阻燃剂的协同阻燃及凝聚态阻燃机理，研制并演示验证植物纤维增强典型航空舱内结构，并推向国际合作应用。(4) 研制含磷阻燃聚合物作为天然纤维复合材料的基体材料，制备含磷双氟单体以及含磷聚合物，调整预聚分子量调控预聚物的熔体黏度，满足天然纤维复合材料制备工艺对树脂的要求。(5) 研制具有表面示踪功能的航空复合材料典型结构件，特殊纤维混杂强化薄弱层的航天复合材料典型结构件，负膨胀、零膨 胀树脂基复合材料典型航空结构件，以及界面3-3 连接度微结构强韧化的航空航天复合材料结构件等，创新技术进入示范性领先应用。经费比例：24%承担单位：同济大学、航天特种材料及工艺技术研究所课题负责人：李岩学术骨干：马荣萍、许亚洪、包建文、仝建峰、周仕刚、刘玲四、年度计划2010：研究内容1. 新型树脂、增韧剂、定型剂、纤维表面改性剂、有机-无机水溶性复合材料等基础材料的研究2. 纤维、束、层间等多层次、多尺度 结构的增韧、增刚与协调效应研究，以及混杂纤维复合材料增强增刚建模分析3. 建模分析高韧性复合材料的损伤原理和过程、特别是 BVID 的过程与性质4. 高韧性复合材料基础结构-性能参数的采集与综合分析5. 复合材料民机结构设计的选型、设计技术优化研究6. 亚稳态损伤发展与不确定性技术建模研究7. 复合材料整体化成型的工艺理论研究，特别是 RTM 流动建模预期目标1. 根据高韧性复合材料的损伤原理和过程，提出优化民机复合材料高性能化的技术方案。2. 高性能复合材料的 BVID 过程和性质的初步模型3. 根据高性能化复合材料民机结构设计的选型分析，提出设计方案。4. 复合材料典型结构的整体化成型探索，完成典型件制备。5. 根据混杂纤维复合材料增强增刚模型提出典型翼结构的设计和优化方案。2011：研究内容1. 复合材料 BVID 细化建模，薄层化结构、 变形规 律、 亚稳态损伤与失效的初步建模，以及植物纤维复合材料力学性质研究2. 复合材料整体化成型的工艺理论研究，织物结构 K 值的测量与渗透率建模，典型缺陷形成机制建模研究3. 高韧性复合材料结构的多参数兼容设计原理研究4. 民机典型复合材料结构件的设计技术研究预期目标1. 复合材料高性能化建模，包括 BVID 模型、薄 层 化模型、制件 变形规律模型、亚稳态损伤与失效模型等。2. 复合材料制备工艺建模，包括 K 值的测量与渗透率、典型缺陷形成机制模型与控制原理、RTM 流动建模等。3. 针对民机典型结构的设计改进方法，提出高性能复合材料整体化设计技术原理。4. 高性能复合材料的冲击后压缩强度（CAI）300MPa（预浸料）和250MPa（RTM），增 韧预浸料和 RTM 复合材料达到民机设计要求，进入典型结构试制。5. 根据设计部门的要求完成表面目视可检（BVID）复合材料典型结构的试制并进行评价。6. 混杂纤维增强增刚复合材料完成典型结构设计和翼结构试制7. 植物纤维增强复合材料舱内结构典型件2012：研究内容1. 新型树脂、增韧剂、定型剂、纤维表面改性剂、有机-无机水溶性复合材料等基础材料的实际应用效果评价与反馈优化2. 复合材料 BVID 模型、薄层化模型、制件 变形规 律模型、 亚稳态损伤与失效模型等的实际应用效果评价与反馈优化3. 航空复合材料结构设计的改进方法研究，民机基础结构的设计与优化研究4. 形状记忆复合材料的热-机械转变机制模型研究，研制典型形状记忆复合材料5. 试制高性能增韧预浸料和 RTM 复合材料典型空心结构与复杂结构6. 植物纤维复合材料阻燃特性研究预期目标1. 根据形状记忆复合材料的热-机械转变模型，完成典型材料研制，形成自主知识产权。2. 有机-无机复合的水溶性芯模材料形成系列，成功用于试制增韧预浸料和RTM 复合材料典型飞机结构。3. 建立阻燃模型，植物纤维复合材料及其阻燃技术达到国际先进水平。2013：研究内容1. 建立高性能复合材料多尺度、多层次的结构模拟和性能预测基本方法2. 建立航空复合材料结构设计的改进方法，优化民机基础结构的设计3. 建立复合材料整体轻量化结构制备的工艺理论模型4. 建立混杂纤维增强增刚复合材料的应用效果反馈与结构优化5. 大厚度多向多层超薄复合材料的结构-性能关联模型研究，研制大厚度多向多层超薄复合材料预浸料和 RTM 复合材料6. 目视可检（BVID）复合材料的设计和应用评价反馈，完成典型结构试制与优化7. 形状记忆复合材料空间结构的建模与研制预期目标1. 根据复合材料多尺度、多层次结构和性能预测，高性能复合材料的冲击后压缩强度（CAI）310MPa（预浸料）和 260MPa（RTM），压缩强度同比提升 10-15%（国 产碳纤维）。2. 根据复合材料民机典型结构设计的优化方法设计，制备若干低缺陷的典型整体化和高性能化的民机复合材料结构件，完成考核验证。3. 混杂纤维增强增刚复合材料实现小批量试制，形成自主知识产权。4. 大厚度多向多层超薄复合材料完成预浸料和 RTM 复合材料试制，形成自主知识产权。2014：研究内容1. 在复合材料 BVID 模型、薄层化模型、制件 变形 规律模型、 亚稳态损伤与失效模型、工艺理论模型等的基础上，建立复合材料高性能化的基础技术理论和技术方法体系2. 新型树脂、增韧剂、定型剂、纤维表面改性剂、有机-无机水溶性复合材料等基础材料的定型3. 研究试制增韧预浸料和 RTM 复合材料飞机典型结构、特别是整体空心结构4. 植物纤维复合材料飞机舱内结构的声学模型和降噪设计原理研究5. 大厚度多向多层超薄预浸料和 RTM 复合材料空间结构的设计与典型结构试制研究6. 形状记忆复合材料制备空间结构-功能一体化典型结构试制研究7. 植物纤维复合材料的声学模型研究预期目标1. 复合材料高性能化的基础技术理论和方法形成自主知识产权，有关理论和方法得到国际航空航天高端企业的认可或进入国际合作。2. 高性能复合材料（预浸料和 RTM），形成多品种的材料体系，形成自主知 识产权保护。3. 增韧的预浸料和 RTM 复合材料达到民机设计要求，整体空心结构（利用有机-无机复合的水溶性芯模）通过地面考核。4. 复合材料目视可检（BVID）损伤容限设计达到飞机结构设计要求，完成典型结构试制，形成材料体系和自主知识产权。5. 植物纤维复合材料飞机舱内结构的阻燃、降噪技术达到国际高端企业认可，典型件满足飞机内饰设计要求，形成知识产权。6. 大厚度多向多层超薄预浸料和 RTM 复合材料满足航空航天结构设计要求，完成典型结构试制，进入地面验证，形成自主知识产权。7. 形状记忆复合材料制备空间结构-功能一体化典型结构完成试制，进入地面验证，形成自主知识产权。