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復合材料及其結構力學 版權信息
- ISBN：9787030723055
- 條形碼：9787030723055 ; 978-7-03-072305-5
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
復合材料及其結構力學 內容簡介
書本以航空、航天及國防領域應用的優選復合材料及其結構為主要研究對象，從復合材料的各向異性、非均勻性和可設計性等基本特征出發，系統介紹復合材料概念、特點、發展歷程及其在航空航天中的應用情況；重點介紹以層合板剛度和強度為主要對象的宏、細觀力學分析方法等，概要介紹了復合材料承載結構設計原則和設計方法；介紹了不確定性量化和驗證與確認基本知識，及其在復合材料結構中的應用。
復合材料及其結構力學 目錄
目錄
叢書序
前言
第1章 緒論 001
1.1 復合材料輕量化及其在航空航天領域的典型應用 001
1.2 復合材料功能化及其典型應用 006
1.2.1 熱防護復合材料 006
1.2.2 石墨烯復合材料 009
1.2.3 形狀記憶復合材料 010
1.2.4 柔性電子材料 010
1.3 本章小結 011
第2章 復合材料及其組元基本力學行為 012
2.1 引言 012
2.2 復合材料基本力學特征 012
2.2.1 復合材料定義 012
2.2.2 復合材料的發展 013
2.2.3 復合材料的分類 014
2.2.4 復合材料的特點 015
2.2.5 復合材料的力學性能 018
2.3 典型增強相及其性能 019
2.3.1 玻璃纖維 020
2.3.2 碳纖維 022
2.3.3 芳綸纖維 024
2.3.4 PBO纖維 024
2.3.5 超高分子量聚乙烯纖維 025
2.4 典型基體及其性能 025
2.4.1 不飽和聚酯樹脂 025
2.4.2 環氧樹脂 026
2.4.3 氰酸酯樹脂 026
2.4.4 雙馬來酰亞胺樹脂 027
2.4.5 聚酰亞胺樹脂 028
2.5 典型界面相及其性能 028
2.5.1 聚合物基復合材料的界面 029
2.5.2 金屬基復合材料的界面 030
2.5.3 陶瓷基復合材料的界面 031
2.6 本章小結 031
課后習題 031
第3章 簡單層板的宏觀力學分析 032
3.1 引言 032
3.2 簡單層板宏觀力學性能 033
3.2.1 簡單層板 033
3.2.2 彈性力學相關知識 033
3.2.3 復合材料的應力應變關系 036
3.3 正交各向異性材料的工程常數及其限制 040
3.3.1 麥克斯韋定理 040
3.3.2 剛度矩陣與柔度矩陣的互逆關系 042
3.3.3 工程彈性常數的限制 042
3.4 正交各向異性材料平面應力問題的應力應變關系 044
3.5 簡單層板任意方向的應力應變關系 048
3.5.1 應力轉軸公式 048
3.5.2 應變轉軸公式 049
3.5.3 任意方向上的應力應變關系 050
3.5.4 剛度不變量 053
3.6 單層復合材料的強度概念 054
3.6.1 各向同性材料強度理論 054
3.6.2 正交各向異性簡單層板強度概念 054
3.7 正交各向異性簡單層板的強度理論 055
3.7.1 *大應力理論 056
3.7.2 *大應變理論 057
3.7.3 Tsai Hill強度理論 057
3.7.4 Tsai Wu張量理論 059
3.8 正交各向異性材料強度理論的發展 060
3.9 本章小結 061
課后習題 061
第4章 簡單層板的細觀力學分析 064
4.1 引言 064
4.2 剛度的材料力學分析方法 066
4.2.1 E1的確定 066
4.2.2 E2的確定 067
4.2.3 ν21的確定 068
4.2.4 G12的確定 069
4.2.5 彈性常數的修正 069
4.3 剛度的彈性力學分析方法 072
4.3.1 彈性力學的極值法 072
4.3.2 精確解 075
4.3.3 Halpin Tsai方程 078
4.4 強度的材料力學分析方法 079
4.4.1 縱向拉伸強度Xt 079
4.4.2 縱向壓縮強度Xc 081
4.4.3 橫向拉伸強度Yt 084
4.4.4 橫向壓縮強度Yc 084
4.4.5 面內剪切強度S 084
4.5 本章小結 084
課后習題 085
第5章 層合板理論 086
5.1 引言 086
5.2 經典層合板理論 088
5.2.1 單層板的應力應變關系 088
5.2.2 層合板的應力應變關系 089
5.2.3 層合板的剛度 091
5.2.4 典型層合板的剛度分析 094
5.3 層合板強度分析方法 100
5.3.1 層合板強度概述 100
5.3.2 層合板剛度退化準則 101
5.3.3 層合板強度分析實例 102
5.4 層合板設計基本準則 106
5.4.1 層合板設計的任務 106
5.4.2 鋪層設計的一般原則 106
5.4.3 層合板設計方法 107
5.5 本章小結 109
課后習題 109
第6章 層合板結構力學 110
6.1 引言 110
6.2 彎曲問題 110
6.2.1 層合平板在橫向載荷作用下的平衡微分方程 110
6.2.2 平衡方程的位移表達形式 113
6.2.3 層合平板的撓度方程 114
6.2.4 邊界條件 115
6.2.5 典型簡支層合板彎曲問題 115
6.3 穩定性問題 120
6.3.1 屈曲方程與邊界條件 121
6.3.2 平面載荷作用下四邊簡支層合板的屈曲 121
6.4 振動問題 126
6.4.1 特殊正交各向異性層合板 126
6.4.2 對稱角鋪設層合板 128
6.4.3 反對稱正交鋪設層合板 129
6.4.4 反對稱角鋪設層合板 130
6.5 本章小結 131
課后習題 131
第7章 復合材料漸近損傷分析方法 132
7.1 引言 132
7.2 損傷的基本概念 133
7.3 材料的含損傷本構關系 134
7.4 復合材料初始損傷判據 137
7.4.1 Hashin初始損傷準則 138
7.4.2 纖維橫向壓縮初始損傷準則 139
7.5 復合材料損傷演化模型 141
7.6 界面損傷模型 144
7.7 復合材料漸近損傷的數值分析過程 145
7.8 周期性邊界條件 146
7.9 復合材料橫向壓縮漸近損傷分析 148
7.10 本章小結 149
課后習題 150
第8章 空天復合材料結構設計方法 151
8.1 引言 151
8.2 復合材料結構設計原則規范 151
8.3 復合材料結構研制流程 152
8.4 設計許用值確定 153
8.5 通用結構設計方法 156
8.5.1 層合板設計方法 156
8.5.2 夾層結構設計方法 157
8.6 損傷容限設計方法 158
8.6.1 門檻值 158
8.6.2 損傷擴展要求 160
8.6.3 剩余強度要求 160
8.7 復合材料連接 161
8.7.1 復合材料連接方式 161
8.7.2 復合材料膠接連接 161
8.7.3 復合材料機械連接 162
8.8 本章小結 163
課后習題 163
第9章 柔性復合材料結構 164
9.1引言 164
9.2 柔性充氣結構的典型應用 165
9.3 柔性結構力學基礎 167
9.3.1 變形的定義和描述 167
9.3.2 應變的定義和分類 168
9.3.3 應力的定義和分類 168
9.3.4 本構矩陣 169
9.4 柔性結構非線性有限元分析方法 170
9.4.1 膜結構有限元基本方程 170
9.4.2 方程組解法 171
9.4.3 收斂準則 172
9.5 柔性結構的褶皺 172
9.5.1 柔性結構的褶皺狀態 173
9.5.2 褶皺的判定準則 174
9.6 柔性充氣結構的膨脹與彎皺 177
9.6.1 充氣懸臂梁的充壓膨脹變形 177
9.6.2 充氣懸臂梁在彎曲載荷作用下的褶皺分析 179
9.7 柔性充氣薄膜管的展開動力學 183
9.7.1 分段式充氣控制體積法 183
9.7.2 平面運動仿真方法 186
9.8 本章小結 189
課后習題 189
第10章 熱防護復合材料結構 190
10.1 高超聲速技術與熱防護 190
10.2 服役環境特征與載荷 192
10.2.1 服役熱環境特征 192
10.2.2 材料/環境耦合效應 193
10.2.3 熱防護設計要求 198
10.3 防熱機制與結構類型 200
10.3.1 熱防護與熱管理機制 200
10.3.2 熱防護典型結構方案 201
10.3.3 航天飛機熱防護 203
10.4 熱力耦合分析方法 206
10.4.1 結構熱/力耦合模型 206
10.4. 2復合材料熱結構分析要點 210
10.5 考核與試驗驗證 213
10.5.1 模擬熱、力試驗 213
10.5.2 風洞試驗考核 215
10.5.3 飛行試驗與測試技術 215
10.6 本章小結 217
課后習題 217
第11章 多功能與智能復合材料 218
11.1 引言 218
11.2 金剛石制備與應用基礎 218
11.2.1 金剛石的分類和性質 218
11.2.2 金剛石晶體結構 219
11.2.3 金剛石合成方法 221
11.2.4 化學氣相沉積金剛石的應用簡介 223
11.3 形狀記憶聚合物的應用及其熱力學本構關系 224
11.3.1 形狀記憶聚合物的介紹 224
11.3.2 形狀記憶聚合物的本構模型 226
11.3.3 形狀記憶聚合物本構模型驗證 229
11.4 電致活性聚合物應用及其理論框架 232
11.4.1 電致活性聚合物介紹 232
11.4.2 介電彈性體的熱力學理論框架 234
11.4.3 理想介電彈性體的本構關系 237
11.5 本章小結 239
課后習題 239
第12章 不確定性量化及其應用 240
12.1 問題的提出 240
12.1.1 不確定性的概念 241
12.1.2 不確定性的影響 242
12.2 不確定性量化 243
12.2.1 不確定性表征方法 243
12.2.2 不確定性的傳播分析 246
12.2.3 不確定性反問題 250
12.2.4 任意分布的抽樣方法 252
12.3 模型的驗證與確認 253
12.4 在復合材料結構中應用 255
12.4.1 虛擬試驗方法 255
12.4.2 模型更新方法 257
12.5 幾個前沿問題 258
12.6 本章小結 259
課后習題 259
參考文獻 260
叢書序
前言
第1章 緒論 001
1.1 復合材料輕量化及其在航空航天領域的典型應用 001
1.2 復合材料功能化及其典型應用 006
1.2.1 熱防護復合材料 006
1.2.2 石墨烯復合材料 009
1.2.3 形狀記憶復合材料 010
1.2.4 柔性電子材料 010
1.3 本章小結 011
第2章 復合材料及其組元基本力學行為 012
2.1 引言 012
2.2 復合材料基本力學特征 012
2.2.1 復合材料定義 012
2.2.2 復合材料的發展 013
2.2.3 復合材料的分類 014
2.2.4 復合材料的特點 015
2.2.5 復合材料的力學性能 018
2.3 典型增強相及其性能 019
2.3.1 玻璃纖維 020
2.3.2 碳纖維 022
2.3.3 芳綸纖維 024
2.3.4 PBO纖維 024
2.3.5 超高分子量聚乙烯纖維 025
2.4 典型基體及其性能 025
2.4.1 不飽和聚酯樹脂 025
2.4.2 環氧樹脂 026
2.4.3 氰酸酯樹脂 026
2.4.4 雙馬來酰亞胺樹脂 027
2.4.5 聚酰亞胺樹脂 028
2.5 典型界面相及其性能 028
2.5.1 聚合物基復合材料的界面 029
2.5.2 金屬基復合材料的界面 030
2.5.3 陶瓷基復合材料的界面 031
2.6 本章小結 031
課后習題 031
第3章 簡單層板的宏觀力學分析 032
3.1 引言 032
3.2 簡單層板宏觀力學性能 033
3.2.1 簡單層板 033
3.2.2 彈性力學相關知識 033
3.2.3 復合材料的應力應變關系 036
3.3 正交各向異性材料的工程常數及其限制 040
3.3.1 麥克斯韋定理 040
3.3.2 剛度矩陣與柔度矩陣的互逆關系 042
3.3.3 工程彈性常數的限制 042
3.4 正交各向異性材料平面應力問題的應力應變關系 044
3.5 簡單層板任意方向的應力應變關系 048
3.5.1 應力轉軸公式 048
3.5.2 應變轉軸公式 049
3.5.3 任意方向上的應力應變關系 050
3.5.4 剛度不變量 053
3.6 單層復合材料的強度概念 054
3.6.1 各向同性材料強度理論 054
3.6.2 正交各向異性簡單層板強度概念 054
3.7 正交各向異性簡單層板的強度理論 055
3.7.1 *大應力理論 056
3.7.2 *大應變理論 057
3.7.3 Tsai Hill強度理論 057
3.7.4 Tsai Wu張量理論 059
3.8 正交各向異性材料強度理論的發展 060
3.9 本章小結 061
課后習題 061
第4章 簡單層板的細觀力學分析 064
4.1 引言 064
4.2 剛度的材料力學分析方法 066
4.2.1 E1的確定 066
4.2.2 E2的確定 067
4.2.3 ν21的確定 068
4.2.4 G12的確定 069
4.2.5 彈性常數的修正 069
4.3 剛度的彈性力學分析方法 072
4.3.1 彈性力學的極值法 072
4.3.2 精確解 075
4.3.3 Halpin Tsai方程 078
4.4 強度的材料力學分析方法 079
4.4.1 縱向拉伸強度Xt 079
4.4.2 縱向壓縮強度Xc 081
4.4.3 橫向拉伸強度Yt 084
4.4.4 橫向壓縮強度Yc 084
4.4.5 面內剪切強度S 084
4.5 本章小結 084
課后習題 085
第5章 層合板理論 086
5.1 引言 086
5.2 經典層合板理論 088
5.2.1 單層板的應力應變關系 088
5.2.2 層合板的應力應變關系 089
5.2.3 層合板的剛度 091
5.2.4 典型層合板的剛度分析 094
5.3 層合板強度分析方法 100
5.3.1 層合板強度概述 100
5.3.2 層合板剛度退化準則 101
5.3.3 層合板強度分析實例 102
5.4 層合板設計基本準則 106
5.4.1 層合板設計的任務 106
5.4.2 鋪層設計的一般原則 106
5.4.3 層合板設計方法 107
5.5 本章小結 109
課后習題 109
第6章 層合板結構力學 110
6.1 引言 110
6.2 彎曲問題 110
6.2.1 層合平板在橫向載荷作用下的平衡微分方程 110
6.2.2 平衡方程的位移表達形式 113
6.2.3 層合平板的撓度方程 114
6.2.4 邊界條件 115
6.2.5 典型簡支層合板彎曲問題 115
6.3 穩定性問題 120
6.3.1 屈曲方程與邊界條件 121
6.3.2 平面載荷作用下四邊簡支層合板的屈曲 121
6.4 振動問題 126
6.4.1 特殊正交各向異性層合板 126
6.4.2 對稱角鋪設層合板 128
6.4.3 反對稱正交鋪設層合板 129
6.4.4 反對稱角鋪設層合板 130
6.5 本章小結 131
課后習題 131
第7章 復合材料漸近損傷分析方法 132
7.1 引言 132
7.2 損傷的基本概念 133
7.3 材料的含損傷本構關系 134
7.4 復合材料初始損傷判據 137
7.4.1 Hashin初始損傷準則 138
7.4.2 纖維橫向壓縮初始損傷準則 139
7.5 復合材料損傷演化模型 141
7.6 界面損傷模型 144
7.7 復合材料漸近損傷的數值分析過程 145
7.8 周期性邊界條件 146
7.9 復合材料橫向壓縮漸近損傷分析 148
7.10 本章小結 149
課后習題 150
第8章 空天復合材料結構設計方法 151
8.1 引言 151
8.2 復合材料結構設計原則規范 151
8.3 復合材料結構研制流程 152
8.4 設計許用值確定 153
8.5 通用結構設計方法 156
8.5.1 層合板設計方法 156
8.5.2 夾層結構設計方法 157
8.6 損傷容限設計方法 158
8.6.1 門檻值 158
8.6.2 損傷擴展要求 160
8.6.3 剩余強度要求 160
8.7 復合材料連接 161
8.7.1 復合材料連接方式 161
8.7.2 復合材料膠接連接 161
8.7.3 復合材料機械連接 162
8.8 本章小結 163
課后習題 163
第9章 柔性復合材料結構 164
9.1引言 164
9.2 柔性充氣結構的典型應用 165
9.3 柔性結構力學基礎 167
9.3.1 變形的定義和描述 167
9.3.2 應變的定義和分類 168
9.3.3 應力的定義和分類 168
9.3.4 本構矩陣 169
9.4 柔性結構非線性有限元分析方法 170
9.4.1 膜結構有限元基本方程 170
9.4.2 方程組解法 171
9.4.3 收斂準則 172
9.5 柔性結構的褶皺 172
9.5.1 柔性結構的褶皺狀態 173
9.5.2 褶皺的判定準則 174
9.6 柔性充氣結構的膨脹與彎皺 177
9.6.1 充氣懸臂梁的充壓膨脹變形 177
9.6.2 充氣懸臂梁在彎曲載荷作用下的褶皺分析 179
9.7 柔性充氣薄膜管的展開動力學 183
9.7.1 分段式充氣控制體積法 183
9.7.2 平面運動仿真方法 186
9.8 本章小結 189
課后習題 189
第10章 熱防護復合材料結構 190
10.1 高超聲速技術與熱防護 190
10.2 服役環境特征與載荷 192
10.2.1 服役熱環境特征 192
10.2.2 材料/環境耦合效應 193
10.2.3 熱防護設計要求 198
10.3 防熱機制與結構類型 200
10.3.1 熱防護與熱管理機制 200
10.3.2 熱防護典型結構方案 201
10.3.3 航天飛機熱防護 203
10.4 熱力耦合分析方法 206
10.4.1 結構熱/力耦合模型 206
10.4. 2復合材料熱結構分析要點 210
10.5 考核與試驗驗證 213
10.5.1 模擬熱、力試驗 213
10.5.2 風洞試驗考核 215
10.5.3 飛行試驗與測試技術 215
10.6 本章小結 217
課后習題 217
第11章 多功能與智能復合材料 218
11.1 引言 218
11.2 金剛石制備與應用基礎 218
11.2.1 金剛石的分類和性質 218
11.2.2 金剛石晶體結構 219
11.2.3 金剛石合成方法 221
11.2.4 化學氣相沉積金剛石的應用簡介 223
11.3 形狀記憶聚合物的應用及其熱力學本構關系 224
11.3.1 形狀記憶聚合物的介紹 224
11.3.2 形狀記憶聚合物的本構模型 226
11.3.3 形狀記憶聚合物本構模型驗證 229
11.4 電致活性聚合物應用及其理論框架 232
11.4.1 電致活性聚合物介紹 232
11.4.2 介電彈性體的熱力學理論框架 234
11.4.3 理想介電彈性體的本構關系 237
11.5 本章小結 239
課后習題 239
第12章 不確定性量化及其應用 240
12.1 問題的提出 240
12.1.1 不確定性的概念 241
12.1.2 不確定性的影響 242
12.2 不確定性量化 243
12.2.1 不確定性表征方法 243
12.2.2 不確定性的傳播分析 246
12.2.3 不確定性反問題 250
12.2.4 任意分布的抽樣方法 252
12.3 模型的驗證與確認 253
12.4 在復合材料結構中應用 255
12.4.1 虛擬試驗方法 255
12.4.2 模型更新方法 257
12.5 幾個前沿問題 258
12.6 本章小結 259
課后習題 259
參考文獻 260
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復合材料及其結構力學 節選
第1章緒論 物質是構成宇宙間一切物體的實物和場，材料是人類用來制造機器、構件、器件和其他產品的物質。而結構是主觀世界與物質世界的結合、構造。力學從觀察、試驗、理論等角度研究介質運動、變形、流動的宏微觀行為，揭示力學過程及其與物理、化學、生物學等過程的相互作用規律。在材料與結構和力學的交叉領域，則體現著從表象到本質、從現象到機制、由定性到定量的變化，在這一特殊的研究領域，突破了連續介質力學體系，構建了宏微觀的跨尺度關聯方法，突破了確定性和隨機性之間的聯系。 在航天航空領域，復合材料的研究屬于材料與結構、力學及航天航空應用領域的交叉性研究，旨在尋找具備高性能、高可靠、長壽命、低成本、快響應等一系列優良性能用于航天器、航空器、運載器、空天飛行器等要求苛刻的特殊環境。隨著應用要求的提高，復合材料的結構效率與可靠性需要發展新的力學理論、方法和技術來解決。 1.1復合材料輕量化及其在航空航天領域的典型應用輕量化是指在給定技術邊界條件下，實現所需功能的系統質量化*小，并且確保整個產品生命周期內系統的可靠性。“輕量化”是自然界萬物生長的重要法則之一，其本質是以*小的消耗獲取*大的功效（圖1.1）。“輕量化”自古有之，人類生活依賴于對時間和空間的運用，那些*先掌握克服時空障礙手段的族群，成了文明和歷史建構者。可以說輕量化決定能力、速度和耐力。在環境、資源、經濟、生活和國家安全的多重需求與驅動下，輕量化成為諸多領域前所未有急迫的問題，賦予了更豐富的內涵，面臨更艱巨的挑戰，也具備了更為有力的手段。 圖1.1生物界的輕量化 我國從20世紀50年代以來發展了復合材料工業并開展各種應用，主要應用于航天、航空、航海、能源、建筑、交通運輸、機械制造、生命醫學等領域，以提高效能、節約能源、減少排放、降低成本（圖1.2）。 圖1.2各個領域中復合材料的應用 國防航空航天工業需求急迫，牽引力大，成為先進復合材料技術率先支持、試驗和轉化的戰場。先進復合材料成為國防、航空航天領域不可替代的關鍵材料之一，其水平和用量是衡量國防、航空航天產品先進性的重要標志之一。2000年杜善義院士曾提出，輕質化是復合材料發展與應用的基礎，是永恒的主題；抗極端化是研究的關鍵，其中以極端熱環境為*突出的問題；多功能化是研究的熱點，以實現結構/功能一體化；智能化是發展的前沿和趨勢。 任何飛行或入軌活動，都對重量極為敏感，重量和體積約束限制許多技術方案，因此輕質化是復合材料研究的基礎和重中之重。其中，“capability /ρ”(承載力/密度)要求更為突出。 目前研究階段，可靠性與結構效率矛盾愈發顯現。極端環境指的是復雜機械載荷、極端溫度熱流、高能率場作用、物理化學侵蝕等，而多功能化是為了結合力、熱、聲、電、光、磁實現防腐抗污、減振降噪、隱身抗彈等功能。智能化是通過設計自主材料與結構、自適應材料與結構、自給材料與結構來實現主動變形健康監測。自主材料與結構具有*小化外部介入的可感知、診斷和響應功能，用于損傷探測、神經系統啟發傳感網絡、自診斷、自愈合、重生與重建、植物模擬冷卻、可變熱導結構；自適應材料與結構具有形狀、功能和力學性能按需改變的功能，主要應用于力學自適應材料、人工肌肉、可編程材料、熱激勵重構系統、肌肉骨骼系統啟發變形結構、局部共振超材料；自給材料與結構具有能量獲取、存儲、傳送與結構一體化功能，用于設計能量獲取織物復合材料、結構化電池、混雜能量獲取系統、集成太陽能電池的機翼等。復合材料的漸進、創新、革命、顛覆就基于結構輕量化、抗極端化和多功能化的交叉與優化設計。 聚合物基復合材料（polymer matrix composite，PMC）于1932年在美國出現，20世紀40年代手糊成型玻纖增強聚酯復合材料用于軍用飛機雷達罩。20世紀50年代制備出直升機螺旋槳。20世紀60年代研制出北極星、土星等固體火箭發動機殼體。20世紀70年代開始了碳纖維復合材料產品。從20世紀70年代開始，軍機尾翼一級部件已均為復合材料。其中F14的硼/環氧復合材料平尾于1971年前后研制成功，是復合材料發展史上一個重要里程碑。美國麥道飛機公司于1976年率先研制F18的復合材料機翼，并于1982年進入服役，把復合材料用量提高到了13%，該公司又將復合材料用于AV8B的機翼和前機身上，其用量為26%。尾翼(垂尾和平尾)占結構重量達到5%~7%，機翼占結構重量達到12%~15%，前機身和中機身占結構重量＞25%，復合材料化能有效降低整體重量（圖1.3）。 圖1.3近年來飛機的材料比例對比 F22戰機中包含25%的復合材料，其中24%為熱固性樹脂復合材料，1%為熱塑性樹脂復合材料，幾乎覆蓋了飛機的全部外表面。前機身復合材料用量占50%、中機身占30%；機翼占38%，其雷達散射截面僅為0.05m2，降至F15的1%以下（圖1.4）。F35戰斗機中復合材料占比達35%。 B2隱身轟炸機的機身結構，除主梁和發動機采用鈦合金外，其余皆由碳纖維復合材料構成（圖1.5），美國當時有個比較，其結構成本與黃金幾乎相當。 圖1.4F22戰機 圖1.5B2隱身轟炸機 空客A380采用雙層設計，可以承載500~650人，*大起飛重量達560t，于2004年首飛，2006年交付。其中央翼盒、部分外翼、機身上蒙皮壁板、地板梁、后隔板框、垂尾、平尾等使用復合材料。僅碳纖維復合材料用量可達32t，加上其他各種復合材料，估計總用量在25%左右（圖1.6）。空客A380開創了大型民機大量使用復合材料的先河，每座油耗比747400降低12%，大量采用超混雜復合材料Glare增強了耐疲勞性，在機翼前緣增加了熱塑性復合材料，并加入了復合材料焊接技術（圖1.7、圖1.8）。超混雜纖維增強復合材料Glare是玻璃纖維增強鋁合金層板，與以前發展的芳綸纖維增強鋁合金層板ARALL相比，除成本較低外，還具有極好的雙軸向承載和適于機身的疲勞性能。 為了實現輕量化的要求，通過不斷修改設計方案，增加復合材料用量： 從2004年的40%到2006年初的45%，直至2006年底的52%。 波音B787中復合材料占比約50%，空客A350中復合材料占比53%，CR929預計超過50%。飛機(飛行時間5700萬小時/年)每減重1kg，CO2排放減少5400t/年，燃油節省1700t，減重對于飛機設計在節能減排方面的意義不言而喻，因此復合材料在飛機結構和材料設計中占有舉足輕重的地位。除此之外，在通用飛機、直升機、無人機的設計中，復合材料的占比也可以達到40%~100%。 進入空天時代，對輕量化提出了極為苛刻的要求。正如錢學森先生早在1963年出版的《星際航行概論》一書中指出：“哪怕是減少一克的重量，全體設計人員也要盡*大的努力來做到。”傳統航天領域的研究對象包括衛星、飛船、導彈和運載火箭，空天飛行領域還包括空天飛機和臨近空間飛行器（圖1.9）。 圖1.9應用復合材料的航天器 運載火箭有效載荷能力只有3%左右，其中貯箱占火箭體積的80%，占干重的40%~60%。采用復合材料貯箱相比傳統金屬貯箱將有效減重20%~40%。 往返火星1kg質量需要300kg的化學推進劑，火箭動力可重復使用運載器的有效載荷能力只有1%，吸氣式組合動力有望超過2%，航天飛機空重只有75t，但要想進入LEO必須攜帶100t液氫和635t液氧。 NASA復合材料低溫貯箱采用了“改變游戲規則的技術”（Game Changing Technology），其直徑達10米量級，有效減重30%，降低25%的成本。復合材料低溫貯箱技術顯著降低成本，增加有效載荷，將變革未來航天探測任務，可提升美國宇航工業國際競爭力，進而“改變游戲規則”。柔性材料和結構技術，為空天大尺度結構構建、功能化和輕量化探索創新解決途徑。基于柔性復合材料設計、結構設計和控制的可展開或充氣展開結構，具有輕質、大尺寸、高收納比、可變形、多功能、高可靠的特點，例如空間天線結構、深空探測太陽帆、太空電站、載人航天空間艙等。1.2復合材料功能化及其典型應用1.2.1熱防護復合材料熱防護系統起源于第二次世界大戰中發展的兩項關鍵技術： 德國的V2火箭和美國的原子彈，兩者耦合在一起形成洲際彈道導彈。兩項技術革新使再入飛行器變得可能。H. Julian Allen提出的鈍體概念，利用強大的弓形激波將熱載荷拒之門外。燒蝕型熱防護材料，通過消耗材料吸收熱量，主要分為硅基、碳基和碳化燒蝕防熱材料，成功用于戰略戰術導彈和航天返回器（圖1.10）。其優勢是可以實現防/隔熱一體化，具備高可靠性和高可實現性。但是同時具有服役時間短、外形穩定性差、結構效率不高、不可重復使用的局限性。 圖1.10復合材料在熱防護系統上的應用 圖1.11PICAX Space X與NASA合作研發出酚醛浸漬陶瓷燒蝕體（phenolic impregnated carbon ablatorX，PICAX），改進預制體、連接、密封等系列工藝，更加容易生產（圖1.11）；其成本僅是原來1/10，可重復使用；**次實現地球返回；輕質化、低成本提升了龍飛船的競爭力。PICA只是“Lightweight Ceramic Ablator”家族的一個成員，采用用硅膠浸漬的SIRCA可以具有透波和絕緣性能，用于天線部位，都是用陶瓷預制體浸漬聚合物，Space X在龍飛船背面還用了采用硅膠浸漬的柔性硅基氈硅樹脂浸漬可重復使用陶瓷基體燒蝕材料（silicone impregnate reusable ceramic ablator，SIRCA）。所有創新的關鍵在于如何將聚合物均勻且低密度浸漬到大孔隙材料中，而不是填充。 1947年研發出X1超聲速飛機（圖1.12），1956年X2飛機采用氣動熱設計結構，
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