1  引言

    由于復合材料的特殊性，其力學性能的表征相當復雜，大量的試驗工作、漫長的周期和高昂的成本一直是影響復合材料擴大在飛機結構中應用的巨大障礙，因此復合材料力學性能表征的標準化一直是復合材料界的重要研究課題，美國軍用手冊MIL-HDBK-17《聚合物基復合材料手冊》就是為此應運而生的產(chǎn)物。航標HB 7618-97《聚合物基復合材料力學性能數(shù)據(jù)表達準則》就是基于MIL-HDBK-17B（1988年頒布）制訂的[1]，它在規(guī)范國內(nèi)復合材料力學性能的表征中曾起過重要的作用。近年來隨著復合材料在飛機結構中的應用越來越多，對復合材料力學性能表征標準化的研究也越來越深入，國外的研究成果體現(xiàn)在版本的MIL-HDBK-17F（2002年頒布）第1卷[2]和FAA的適航文件[3]中，在此基礎上，結合國內(nèi)的經(jīng)驗教訓作者對航標HB 7618進行了修訂，該項修訂工作歷時2年，先后征求了航空工業(yè)系統(tǒng)內(nèi)外21個單位數(shù)十位專家的意見，經(jīng)過約20次改稿，于2008年底完成對修訂稿的審查，目前正在報批中。本文簡單介紹該修訂稿的修訂內(nèi)容。

2  單層級材料許用值

    原標準對材料體系力學性能的表征內(nèi)容包括單層力學性能和韌性性能兩部分，其中單層力學性能包括縱向（0º）和橫向（90º）拉伸與壓縮強度與彈性模量、縱橫剪切強度與彈性模量、主泊松比及層間剪切強度（實際上是短梁強度）。修訂稿中將單層力學性能改為單層級材料許用值，包含的內(nèi)容基本上與原標準的單層力學性能相同，但取消了層間剪切強度。在MIL-HDBK-17F中明確指出：“遺憾的是，過去通常應用此試驗（且某些人仍在應用）來建立用于結構設計準則的設計許用值。然而，由于V形缺口梁方法的應用，使得用短梁強度試驗測定剪切性能成為過時的方法。目前短梁強度試驗應僅用于定性測試，例如材料工藝的研發(fā)和控制。”在ASTM標準中也指出：“大多數(shù)情況下，因為試樣內(nèi)部應力的復雜性和破壞模式的多樣性，通常不可能將短梁強度作為一種材料性能。”并說明“本試驗方法測量的短梁強度可以用于質量控制和工藝規(guī)范的目的。如果破壞模式*相同，也可以用于復合材料的比較試驗。”因此不能列為表征內(nèi)容。過去多把彎曲強度和模量也當作表征的內(nèi)容，但在MIL-HDBK-17中從來沒有把它們列為表征內(nèi)容，在原標準中也是這樣處理的。MIL-HDBK-17F中明確指出：“還沒有推薦用于測定復合材料層壓板彎曲性能的試驗方法。即使存在經(jīng)批準的彎曲試驗方法，但對于結果的有效性仍存在著某些爭議。在航宇工業(yè)中，彎曲試驗主要是用于質量控制。”ASTM標準中指出：它“對質量控制和工藝規(guī)范特別有用。”同時指出：“彎曲性能隨試樣厚度、溫度、大氣環(huán)境條件以及給定的應變率不同而改變。”即使對于質量控制和工藝規(guī)范，MIL-HDBK-17F也指出“在早期復合材料生產(chǎn)過程中，大多數(shù)用戶要求做0?彎曲強度與模量及短梁剪切強度試驗。但是，近年來許多制造方已將這些試驗改為要求取自生產(chǎn)部件區(qū)域試樣的玻璃化轉變溫度、單層厚度、纖維體積含量、空隙含量和鋪層數(shù)。”

    為了表征材料體系，原標準還有韌性性能，包括準各向同性層壓板的沖擊后壓縮強度、開孔試樣拉伸強度、開孔試樣壓縮強度、混合型層間斷裂韌性GC、I型層間斷裂韌性GIC和II型層間斷裂韌性GIIC。近年來隨著對復合材料韌性評定的深入研究，發(fā)現(xiàn)原來的韌性概念已不能正確地反映結構設計的需求，研究發(fā)現(xiàn)下列性能更能反映結構完整性要求：開孔拉伸強度、開孔壓縮強度、單釘雙剪擠壓強度、沖擊后壓縮強度和zui大靜壓痕接觸力，為此在修訂稿中提出除了單層級材料許用值外，還要增加反映結構設計要求的上述準各向同性層壓板（[45/0/-45/90]ns）力學性能來表征材料體系。

3  與結構設計有關的材料許用值

    這是修訂稿中新增加的內(nèi)容。設計許用值的定義是：為保證整個結構的完整性，根據(jù)具體工程項目要求，在材料許用值和代表結構典型特征的試樣、元件（包括典型結構件）試驗結果，及設計與使用經(jīng)驗基礎上確定的設計限制值。而作為設計許用值基礎的材料許用值的定義是：在一定的載荷類型與環(huán)境條件下，主要由試樣試驗數(shù)據(jù)，按規(guī)定要求統(tǒng)計分析后確定的具有一定置信度和可靠度的材料性能表征值。研究和設計實踐已經(jīng)表明，拉伸設計許用值主要取決于開孔（或充填孔）拉伸試樣的試驗結果與結構設計有關的材料許用值是確定結構設計許用值的依據(jù)；壓縮設計許用值主要取決于開孔（或充填孔）與沖擊后壓縮試樣的試驗結果；擠壓強度許用值主要取決于機械連接試樣的試驗結果。為了確定設計許用值需進行大量結構典型鋪層層壓板級試樣的試驗。過去型號研制時都選取具體結構的典型鋪層進行試驗，試驗結果只適用于該型號的具體部件。但同一材料體系用于同一型號的其他部件或其他型號時，仍必須選取它們的典型鋪層重新進行試驗。由于不同型號與部件的鋪層形式（包括鋪層比例、鋪層順序和厚度等）都不同，每個型號或部件研制都需要進行大量僅適用于本型號（部件）的層壓板級試樣試驗，工作量大、時間長、耗費巨大。為了縮短研制周期、降低試驗工作量和成本，MIL-HDBK-17協(xié)調(diào)工作組規(guī)劃了對層壓板級力學性能表征的試驗矩陣，使試驗結果適用于由同一材料體系（包括制造廠商）制造的不同型號所有部件，并是設計許用值的確定依據(jù)，因此稱為與結構設計有關的材料許用值。它們包括典型鋪層層壓板的力學性能、含缺口拉伸和壓縮強度、含沖擊損傷壓縮強度和擠壓強度四部分性能。上述這些性能中強度均要求為B-基準值，彈性模量均要求為平均值。具體的典型鋪層通常選取飛行器設計可能采用的鋪層比例上限、下限和常用鋪層比例與準各向同性4種，由于這些力學性能一般只與鋪層比例有關，而與鋪層順序無關。而且在一定的厚度范圍內(nèi)可以忽略厚度的影響，從而使其成為可能。

4  不同數(shù)據(jù)應用要求的力學性能表征

    原標準規(guī)定的聚合物基復合材料單層級和層壓級力學性能表達的內(nèi)容非常簡單，只有單層級的性能。經(jīng)過10多年來的實踐發(fā)現(xiàn)，上述的表達準則已經(jīng)不能滿足復合材料體系的應用要求。從建立復合材料體系材料性能的要求出發(fā)（見圖1中的A組），其表達準則應包括：選材、材料規(guī)范和材料許用值三個層次，材料許用值包括單層級和與結構設計有關的兩部分，其中對不同的要求其數(shù)據(jù)表達的方式也不同；從應用角度出發(fā)，應包括：選材、驗收、合格鑒定、等效性評定和結構證實，除結構證實可以不在本標準中考慮外，應包括其他四方面的表達要求，特別是等效性的評定，在使用中受到了越來越多的關注。復合材料的特點之一是材料與結構同時形成，材料性能不僅取決于組分，同時也取決于工藝，而在結構應用中經(jīng)常會遇到材料和工藝的變化，嚴格說來對于所出現(xiàn)的變化都需重新進行材料鑒定，為此所需進行的試驗數(shù)量一般是無法接受的，因此對出現(xiàn)變化前后兩種材料體系的等效性評定是復合材料結構應用必須解決的新問題，例如對民機復合材料結構適航zui重要的法規(guī)：美國FAR 25部的咨詢通報AC 20-107B（草稿）和歐洲CS-25中均增加了有關復合材料變化的評定要求。基于上述考慮，在修訂稿中分別增加了相應于選材、材料規(guī)范、驗收和等效性評定等應用的表征內(nèi)容和數(shù)據(jù)要求。有別于傳統(tǒng)的做法，選材的力學性能表征主要基于結構完整性的要求，提出只需84個試樣試驗就可以對候選材料體系在結構中應用前景進行評價的試驗矩陣。根據(jù)國外的實踐，用戶是供應商的上帝，材料規(guī)范應由用戶提出，其中的力學性能指標包括至少必須包括和根據(jù)用戶要求的兩部分內(nèi)容。前者包括縱向（0º）和橫向（90º）拉伸與壓縮強度與彈性模量、縱橫剪切強度與彈性模量和短梁強度，以及準各向同性層壓板的開孔拉伸與壓縮強度、單釘雙剪擠壓強度、沖擊后壓縮強度與zui大靜壓痕接觸力，其中強度要求zui小平均值和zui小個體值，而彈性模量要求平均值與范圍；而后者則由用戶根據(jù)應用對象的具體要求來提出。等效性評定要考慮的材料變化情況非常復雜，基于MIL-HDBK-17F和國產(chǎn)碳纖維國產(chǎn)化工程應用的實踐，針對變化的程度，修訂稿給出了相應的等效性評定性能表征要求，以便可用zui小的試驗工作量，來得到明確的結論。

5  試驗標準

    復合材料性能測試和數(shù)據(jù)表征是復合材料在結構中大量應用的前提條件之一，我國在上世紀80年代，當復合材料剛剛開始用于結構時，曾對性能測試方法開展過比較多的研究，并參照國外的先進標準建立了一系列國家和航空工業(yè)標準，為隨后的新復合材料體系研究和結構應用奠定了基礎。

    復合材料性能測試的早期方法基本上是參照金屬及增強塑料制定的，隨著對復合材料研究的深入，發(fā)現(xiàn)復合材料與金屬或增強塑料的破壞機理*不同，近30年來美國ASTM D30復合材料委員會對原有的復合材料性能測試試驗方法進行了多次修訂，并根據(jù)復合材料的特點增加了許多標準，目前使用的標準大部分都是進入本世紀后重新制定的，隨著2006年用D 7264《聚合物基復合材料彎曲性能標準試驗方法》將D 790《非增強和增強塑料及電絕緣材料彎曲性能標準試驗方法》代替后，使得復合材料性能測試*脫離了金屬和增強塑料性能測試體系。而我國從上世紀90年代以來，對復合材料性能測試方法研究基本上處于停頓狀態(tài)，致使目前國內(nèi)使用的復合材料性能測試標準只相當于國外上世紀70年代末的水平。另外一些有關的國標雖為近年所制定，但大多數(shù)為參照ISO標準制定，較適用于民用，對于航空行業(yè)不能*適用。

    隨著復合材料在我國航宇乃至其他工業(yè)界的應用迅速增加，特別是民機用復合材料及其結構的研究和發(fā)展，采用與接軌的復合材料性能先進測試方法和標準已成了刻不容緩的需求。美國ASTM D30復合材料委員會負責用于表征高模量（大于20 GPa）纖維及用這些纖維增強的聚合物或金屬基復合材料的標準，包括組分性能、熱和物理性能、單層和層壓板力學性能及結構性能的試驗標準。它雖然植根于航空航天工業(yè)，但其研究成果同樣支持了用先進復合材料制造的汽車、娛樂、醫(yī)藥和其他工業(yè)產(chǎn)品。美國國防部和FAA通過軍用手冊MIL-HDBK-17《復合材料手冊》明確規(guī)定“只要適用，就應采用ASTM D30的試驗方法”，ASTM D30的試驗標準代表了當前先進水平，也是迄今為止國內(nèi)編制復合材料性能航空行業(yè)工業(yè)標準的主要依據(jù)。

    基于上述原因，原標準規(guī)定使用的國家標準已不能*適應當前飛機復合材料結構，特別是不適用于民用飛機復合材料結構適航取證的需求，同時考慮到修訂國家標準使其與接軌在短期內(nèi)無法實現(xiàn)，因此在修訂稿中改為按有關部門認可的試驗標準的措辭，并在標準的附錄B中提供了可采用的標準目錄清單。2008年對部分力學性能試驗方法（包括拉伸、開孔與充填孔拉伸和壓縮、縱橫剪切、V形缺口面內(nèi)剪切、短梁剪切、彎曲和擠壓性能）的國標參照ASTM標準完成了修訂或制訂，已完成報批手續(xù)待批準頒布，這些標準也作為推薦標準寫入修訂稿。

    值得說明的是在修訂稿正文中沒有明確沖擊后壓縮試驗中引入沖擊損傷的能量，這是由于過去長期使用的6.7 J/mm能量選擇對韌性樹脂基復合材料評定有可能給出錯誤的引導，因此在附錄中給出了空客公司的試驗方法供參考，該方法的基本思路是根據(jù)要滿足結構設計損傷容限的初始缺陷假設，而迄今為止結構設計均采用目視勉強可見沖擊損傷，空客公司的假設是沖擊后立即測量的凹坑深度為1 mm。

6  數(shù)據(jù)處理方法

    原標準中的第7章“B基準值統(tǒng)計方法”是參照MIL-HDBK-17B“聚合物基復合材料手冊”中的第8章“數(shù)據(jù)的分析與給出”制訂的。經(jīng)過20多年的應用和研究，有關的數(shù)據(jù)處理方法有了一些的變化。修訂版中將有關內(nèi)容歸入正文，并將詳細的公式和描述列入附錄，并編制了相應的聚合物基復合材料強度B基準值計算軟件。該部分內(nèi)容仍主要參照MIL-HDBK-17B后續(xù)修訂版本MIL-HDBK-17 -1F的第8章“統(tǒng)計方法”，同時還參照FAA的有關文件，修訂稿與原標準的變化主要是三方面：

    a）  以Weibull分布為首要選擇改為以正態(tài)分布為首要選擇，因為前者過于保守，不利于發(fā)揮復合材料的性能優(yōu)勢；

    b）  原標準中將同一性能但在不同試驗條件下的得到的數(shù)據(jù)分別處理，在MIL-HDBK-17-1F中增加了回歸分析的方法，即可將其他條件相同只是試驗溫度不同的數(shù)據(jù)按回歸分析的方法處理，從而相同的工作量可得到更多的設計用數(shù)據(jù)。FAA的文件則進一步擴大了回歸分析的應用范圍，即可將不同試驗條件下（包括吸濕量與試驗溫度均不同）得到的試驗數(shù)據(jù)也可用回歸分析方法處理。當然其前提條件是認為目前的試驗方法（MIL-HDBK-17推薦，以ASTM標準為主的方法）已將試驗引入的變異性降到zui小，以至于可以不予考慮；

    c）  增加了將離散系數(shù)小于4%的數(shù)據(jù)擴大為4%的處理方法。因為大量的數(shù)據(jù)表明復合材料性能的離散系數(shù)為4%~10%，若其離散系數(shù)小于4%，會增加使用的風險。