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第1章 引言1

1.1 概述1

1.2 改进机体结构材料的动力2

1.3 高性能纤维复合材料概念3

1.4 纤维增强体5

1.5 基体7

1.5.1 聚合物7

1.5.2 金属9

1.5.3 陶瓷10

1.6 聚合物基复合材料11

1.7 非聚合物基复合材料体系12

1.7.1 金属基复合材料12

1.7.2 微粒MMC14

1.7.3 陶瓷基复合材料15

1.8 混杂的金属／PMC复合材料16

参考文献18

延伸阅读书目19

第2章 纤维复合材料基本原理20

2.1 纤维复合材料体系概论20

2.2 复合材料的微观力学和宏观力学方面21

2.3 微观力学21

2.4 弹性常数22

2.4.1 材料力学方法22

2.4.2 E1和E2材料力学方法的改进26

2.4.3 确定弹性常数的弹性力学方法27

2.4.4 膨胀系数α1和α228

2.5 关于强度的微观力学方法30

2.5.1 拉伸强度的简单估计30

2.5.2 拉伸强度的统计分析31

2.5.3 Rosen的累积损伤模型34

2.6 压缩强度的简单估计35

2.7 偏轴拉伸强度36

2.8 单向复合材料的断裂韧性37

2.8.1 断裂表面能37

2.8.2 断裂力学40

参考文献42

第3章 聚合物基复合材料使用的纤维44

3.1 综述44

3.2 玻璃纤维45

3.2.1 制造45

3.2.2 缺陷的影响48

3.2.3 玻璃纤维的类型49

3.2.4 玻璃纤维的涂层49

3.3 碳纤维50

3.3.1 制造50

3.3.2 PAN基的纤维51

3.3.3 沥青基的纤维53

3.4 硼纤维54

3.5 碳化硅纤维55

3.5.1 基于化学气相沉积的碳化硅纤维55

3.5.2 基于聚合物前体的碳化硅纤维56

3.6 芳族聚酰胺纤维57

3.7 定向的聚乙烯纤维58

3.8 干纤维的形式59

3.8.1 粗纱与丝束61

3.8.2 纱线61

3.8.3 无纺布61

3.8.4 机织织物61

3.8.5 编织物62

3.8.6 无波纹织物62

3.8.7 带63

3.8.8 三维纺织的预成形坯63

参考文献63

第4章 聚合物的基体材料65

4.1 引言65

4.1.1 聚合物材料的基础知识65

4.1.2 结构与力学性能67

4.2 热固性和热塑性聚合物基体材料69

4.3 热固性树脂体系71

4.3.1 环氧树脂74

4.3.2 聚酯树脂80

4.3.3 乙烯基酯树脂82

4.3.4 酚醛树脂83

4.3.5 双马来酰亚胺树脂85

4.3.6 聚酰亚胺树脂86

4.3.7 氰酸盐树脂87

4.4 热塑性树脂体系88

4.4.1 无定形热塑性材料89

4.4.2 半结晶的热塑性材料89

4.4.3 聚酮树脂89

4.4.4 聚苯硫醚聚合物90

4.4.5 聚砜树脂90

4.4.6 聚醚酰亚胺90

参考文献92

第5章 构件的成形与制造93

5.1 引言93

5.2 一般层压方法概述95

5.2.1 敞口硬模成形95

5.2.2 压力成形法96

5.2.3 缠裹97

5.3 飞机级复合材料构件的层压方法97

5.3.1 预浸料的生产97

5.3.2 预浸料的运输与存储98

5.3.3 切割与配套98

5.3.4 铺贴99

5.3.5 预浸料叠层的自动成形100

5.3.6 自动化铺贴101

5.3.7 装袋102

5.3.8 固化103

5.3.9 复杂构件的共固化105

5.3.10 工艺过程问题106

5.3.11 解包、修饰和涂漆108

5.3.12 修整和钻孔108

5.4 液态树脂模塑技术109

5.4.1 树脂传递模塑109

5.4.2 材料体系110

5.4.3 模具系统111

5.4.4 应用112

5.4.5 树脂膜渗透（RFI）113

5.4.6 真空辅助的树脂传递模塑114

5.5 长丝缠绕116

5.5.1 概述116

5.5.2 缠绕过程116

5.5.3 缠绕式样117

5.5.4 材料117

5.5.5 设计与性能118

5.5.6 应用119

5.6 拉挤成形120

5.6.1 增强材料120

5.6.2 树脂120

5.6.3 拉挤过程121

5.6.4 纤维给进系统121

5.6.5 模具系统122

5.6.6 牵引系统与台站系统122

5.6.7 航空航天应用122

5.7 过程模拟123

5.7.1 增强体叠层的成形123

5.7.2 热传递与树脂固化125

5.7.3 树脂通过纤维增强体的流动126

5.7.4 增强体的压实127

5.7.5 过程所致的变形及残余应力128

5.7.6 试验验证129

5.8 模具129

5.8.1 金属模具130

5.8.2 复合材料模具131

5.8.3 芯模132

5.9 特殊的热塑性技术133

5.9.1 中间形式133

5.9.2 热塑性复合材料制造技术134

参考文献138

第6章 结构分析140

6.1 概述140

6.2 层压板理论140

6.2.1 在材料轴上的单层应力—应变关系式：单向层压板141

6.2.2 在层压板轴上的单层应力—应变关系式：偏轴层压板142

6.2.3 对称层压板的平面应力问题144

6.2.4 承受平面应力和弯曲载荷的一般层压板152

6.3 应力集中与边缘效应156

6.3.1 正交各向异性层压板的孔边应力集中156

6.3.2 边缘效应157

6.4 破坏理论158

6.4.1 概述——基体开裂、首层破坏与极限载荷158

6.4.2 基于应力的破坏理论159

6.4.3 基于应变的破坏理论163

6.4.4 基体破坏包线165

6.4.5 破坏预计模型的比较166

6.5 断裂力学166

6.6 靠近应力集中处的破坏预计及损伤容限167

6.7 屈曲169

6.7.1 层压板屈曲169

6.7.2 纤维屈曲170

6.8 总结170

参考文献171

第7章 力学性能测量175

7.1 引言175

7.1.1 力学试验的类型175

7.1.2 复合材料试验的特殊要求176

7.2 试样试验177

7.2.1 拉伸177

7.2.2 压缩178

7.2.3 弯曲181

7.2.4 剪切182

7.2.5 疲劳183

7.3 环境效应的实验室模拟184

7.3.1 加速吸湿调节184

7.3.2 载荷与环境的联合185

7.4 剩余强度的测定185

7.4.1 试片试验186

7.4.2 全尺寸试验189

7.5 层间断裂能的测量190

7.5.1 Ⅰ型层间断裂试验190

7.5.2 Ⅱ型层间断裂试验192

7.5.3 混合型层间断裂试验193

7.5.4 Ⅲ型层间断裂试验193

参考文献194

第8章 复合材料体系的性能197

8.1 引言197

8.2 玻璃纤维复合材料体系198

8.2.1 玻璃纤维体系的疲劳性能200

8.2.2 玻璃纤维体系的冲击强度202

8.2.3 应力和环境的影响202

8.3 硼纤维复合材料体系203

8.3.1 硼纤维体系的力学性能204

8.3.2 硼纤维体系的处理与工艺性能204

8.3.3 硼纤维复合材料的飞机应用204

8.4 芳纶纤维复合材料体系205

8.4.1 芳纶纤维复合材料的制造问题206

8.4.2 芳纶纤维复合材料的力学性能206

8.4.3 芳纶纤维复合材料其他优点209

8.5 碳纤维复合材料体系211

8.5.1 碳纤维复合材料体系的基体体系212

8.5.2 复合材料中碳纤维的胶黏剂与粘接213

8.5.3 碳纤维复合材料基体和纤维／基体粘接强度的影响213

8.6 层压板的性能214

正交铺层复合材料的拉伸强度214

8.7 冲击损伤阻抗215

BVID对剩余强度的影响217

8.8 复合材料层压板的疲劳218

8.8.1 拉—拉疲劳（R≈0.1）219

8.8.2 交叉铺层复合材料的拉伸疲劳221

8.8.3 应力集中的影响223

8.8.4 加载频率的影响223

8.8.5 压缩疲劳（R≈10）223

8.8.6 拉伸—压缩疲劳（R≈-1）223

8.8.7 BVID对疲劳强度的影响224

8.8.8 损伤（或缺陷）扩展225

8.9 环境影响226

8.9.1 吸湿性227

8.9.2 实时户外曝露229

8.9.3 湿度与温度对力学性能的影响230

8.9.4 温度效应与热冲击232

8.9.5 膨胀应变232

8.9.6 应力影响233

8.9.7 紫外线损伤233

8.9.8 基体内的化学变化233

参考文献233

第9章 复合材料结构的连接236

9.1 引言236

9.2 机械紧固接头与胶结接头对比237

9.3 胶结接头238

9.3.1 概述239

9.3.2 胶结搭接接头的设计／分析242

9.3.3 胶层应力或应变行为模型244

9.3.4 搭接接头的载荷传递机理245

9.3.5 双搭接接头250

9.3.6 搭接接头缺陷的影响255

9.3.7 阶梯搭接接头256

9.3.8 斜面搭接接头258

9.3.9 材料方面的问题261

9.3.10 胶黏剂应力—应变特性的评定263

9.3.11 胶黏剂与复合材料断裂能的评价265

9.3.12 疲劳268

9.3.13 湿度影响271

9.3.14 复合材料粘接表面处理274

9.4 机械紧固接头275

9.4.1 概述275

9.4.2 单钉接头的静拉伸载荷破坏设计准则277

9.4.3 单钉接头受拉伸承载效率283

9.4.4 单钉接头受压缩承载效率284

9.4.5 多排接头284

9.4.6 疲劳载荷的影响291

9.4.7 一般材料工程问题293

9.4.8 粘接接头与螺接接头296

参考文献297

第10章 修理技术302

10.1 引言302

10.2 修理要求的评定303

10.3 结构类型的划分304

10.4 修理要求304

10.5 非补片修理307

10.5.1 充填或灌注修理307

10.5.2 对分层的注射修理307

10.6 补片修理：一般考虑309

10.7 粘接补片修理311

10.7.1 设计方法311

10.7.2 外补片修理312

10.7.3 嵌接修理315

10.7.4 代表性嵌接接头修理研究317

10.8 材料工程320

10.8.1 粘接补片体系选项320

10.8.2 补片材料与胶黏剂320

10.8.3 修理接头的准备322

10.8.4 粘接表面的预先准备322

10.8.5 水汽问题323

10.9 应用技术：在位修理324

10.10 螺接修理325

螺接补片修理326

10.11 材料工程问题327

补片材料327

10.12 补片的安装328

参考文献329

第11章 质量保证332

11.1 引言332

11.2 质量控制332

11.2.1 原材料332

11.2.2 过程鉴定335

11.2.3 最终检查336

11.3 固化过程监控336

11.3.1 传感器的布置336

11.3.2 电学测量方法337

11.3.3 其他方法339

11.3.4 固化监控总结340

11.4 先进复合材料航空航天结构的无损检测340

11.4.1 质量保证的要求341

11.4.2 现行的技术342

11.4.3 新兴的技术347

11.5 结语353

参考文献353

第12章 飞机应用及设计问题357

12.1 概论357

12.2 玻璃纤维复合材料的应用357

12.3 当前的应用358

12.3.1 固定翼民用飞机应用358

12.3.2 固定翼军用飞机应用359

12.3.3 旋翼飞机的应用363

12.3.4 通用结构形式364

12.4 设计考虑367

12.4.1 材料的选取367

12.4.2 一般原则368

12.5 以碳纤维为基础的构件设计370

12.5.1 静强度370

12.5.2 厚度方向的强度371

12.5.3 制造缺陷372

12.5.4 冲击损伤373

12.5.5 剩余强度374

12.5.6 损伤扩展预测376

12.5.7 鸟撞376

12.5.8 损伤容限的改进377

12.5.9 高温及潮湿环境曝露378

12.5.10 雷击影响380

12.6 设计方法380

折减系数的使用382

12.7 应用复合材料的价值工程方法384

12.7.1 成本和性能的折中384

12.7.2 减重的成本价值分析386

12.8 结语389

参考文献391

第13章 飞机结构适航性考虑393

13.1 概论393

13.2 机体结构的取证395

13.3 设计许用值的确定397

13.3.1 静强度许用值397

13.3.2 疲劳许用值398

13.3.3 损伤对许用值的影响398

13.4 静强度的验证399

13.4.1 结构细节件与组合件试验399

13.4.2 全尺寸试验399

13.4.3 验证试验400

13.5 疲劳强度的验证400

13.6 损伤容限的验证401

13.7 冲击损伤威胁的评定401

参考文献402

第14章 三维增强预成形体及其复合材料404

14.1 引言404

14.2 缝合404

14.2.1 力学性能406

14.2.2 缝合的应用：缝合机翼408

14.2.3 改进的缝合——技术刺绣409

14.3 Z向植针固定410

14.3.1 力学性能411

14.3.2 缝合与Z向植针412

14.4 三维机织413

14.4.1 工艺413

14.4.2 力学性能415

14.4.3 应用416

14.5 编织416

14.5.1 二维编织工艺417

14.5.2 制造问题418

14.5.3 编织复合材料的设计419

14.5.4 力学性能419

14.5.5 应用420

14.5.6 三维编织工艺420

14.5.7 三维编织复合材料的力学性能421

14.5.8 应用422

14.6 针织422

14.6.1 力学性能424

14.6.2 应用425

14.7 无波纹织物425

14.7.1 面内性能427

14.7.2 面外性能427

14.7.3 应用428

14.8 结语428

参考文献429

第15章 智能结构431

15.1 概论431

15.2 工程途径432

15.2.1 结构健康监控434

15.2.2 改善飞机性能与延长机体结构寿命435

15.3 选择的应用和演示器436

15.3.1 结构健康（与使用）监控系统436

15.3.2 主动智能结构442

15.3.3 多功能结构446

15.4 关键的技术需求447

参考文献447

第16章 知识库工程，计算机辅助设计，有限元分析451

16.1 知识库设计系统451

16.2 复合材料结构的有限元建模453

16.3 有限元求解过程454

16.4 单元类型461

16.5 复合材料结构的有限元建模462

板元与壳元462

16.6 实施464

16.7 设计最优化466

参考文献467

附录A 智能结构所用的传感器与作动器纵览469