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复合材料及其结构力学 版权信息
- ISBN：9787030723055
- 条形码：9787030723055 ; 978-7-03-072305-5
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>
复合材料及其结构力学 内容简介
书本以航空、航天及国防领域应用的优选复合材料及其结构为主要研究对象，从复合材料的各向异性、非均匀性和可设计性等基本特征出发，系统介绍复合材料概念、特点、发展历程及其在航空航天中的应用情况；重点介绍以层合板刚度和强度为主要对象的宏、细观力学分析方法等，概要介绍了复合材料承载结构设计原则和设计方法；介绍了不确定性量化和验证与确认基本知识，及其在复合材料结构中的应用。
复合材料及其结构力学 目录
目录
丛书序
前言
第1章 绪论 001
1.1 复合材料轻量化及其在航空航天领域的典型应用 001
1.2 复合材料功能化及其典型应用 006
1.2.1 热防护复合材料 006
1.2.2 石墨烯复合材料 009
1.2.3 形状记忆复合材料 010
1.2.4 柔性电子材料 010
1.3 本章小结 011
第2章 复合材料及其组元基本力学行为 012
2.1 引言 012
2.2 复合材料基本力学特征 012
2.2.1 复合材料定义 012
2.2.2 复合材料的发展 013
2.2.3 复合材料的分类 014
2.2.4 复合材料的特点 015
2.2.5 复合材料的力学性能 018
2.3 典型增强相及其性能 019
2.3.1 玻璃纤维 020
2.3.2 碳纤维 022
2.3.3 芳纶纤维 024
2.3.4 PBO纤维 024
2.3.5 超高分子量聚乙烯纤维 025
2.4 典型基体及其性能 025
2.4.1 不饱和聚酯树脂 025
2.4.2 环氧树脂 026
2.4.3 氰酸酯树脂 026
2.4.4 双马来酰亚胺树脂 027
2.4.5 聚酰亚胺树脂 028
2.5 典型界面相及其性能 028
2.5.1 聚合物基复合材料的界面 029
2.5.2 金属基复合材料的界面 030
2.5.3 陶瓷基复合材料的界面 031
2.6 本章小结 031
课后习题 031
第3章 简单层板的宏观力学分析 032
3.1 引言 032
3.2 简单层板宏观力学性能 033
3.2.1 简单层板 033
3.2.2 弹性力学相关知识 033
3.2.3 复合材料的应力应变关系 036
3.3 正交各向异性材料的工程常数及其限制 040
3.3.1 麦克斯韦定理 040
3.3.2 刚度矩阵与柔度矩阵的互逆关系 042
3.3.3 工程弹性常数的限制 042
3.4 正交各向异性材料平面应力问题的应力应变关系 044
3.5 简单层板任意方向的应力应变关系 048
3.5.1 应力转轴公式 048
3.5.2 应变转轴公式 049
3.5.3 任意方向上的应力应变关系 050
3.5.4 刚度不变量 053
3.6 单层复合材料的强度概念 054
3.6.1 各向同性材料强度理论 054
3.6.2 正交各向异性简单层板强度概念 054
3.7 正交各向异性简单层板的强度理论 055
3.7.1 *大应力理论 056
3.7.2 *大应变理论 057
3.7.3 Tsai Hill强度理论 057
3.7.4 Tsai Wu张量理论 059
3.8 正交各向异性材料强度理论的发展 060
3.9 本章小结 061
课后习题 061
第4章 简单层板的细观力学分析 064
4.1 引言 064
4.2 刚度的材料力学分析方法 066
4.2.1 E1的确定 066
4.2.2 E2的确定 067
4.2.3 ν21的确定 068
4.2.4 G12的确定 069
4.2.5 弹性常数的修正 069
4.3 刚度的弹性力学分析方法 072
4.3.1 弹性力学的极值法 072
4.3.2 精确解 075
4.3.3 Halpin Tsai方程 078
4.4 强度的材料力学分析方法 079
4.4.1 纵向拉伸强度Xt 079
4.4.2 纵向压缩强度Xc 081
4.4.3 横向拉伸强度Yt 084
4.4.4 横向压缩强度Yc 084
4.4.5 面内剪切强度S 084
4.5 本章小结 084
课后习题 085
第5章 层合板理论 086
5.1 引言 086
5.2 经典层合板理论 088
5.2.1 单层板的应力应变关系 088
5.2.2 层合板的应力应变关系 089
5.2.3 层合板的刚度 091
5.2.4 典型层合板的刚度分析 094
5.3 层合板强度分析方法 100
5.3.1 层合板强度概述 100
5.3.2 层合板刚度退化准则 101
5.3.3 层合板强度分析实例 102
5.4 层合板设计基本准则 106
5.4.1 层合板设计的任务 106
5.4.2 铺层设计的一般原则 106
5.4.3 层合板设计方法 107
5.5 本章小结 109
课后习题 109
第6章 层合板结构力学 110
6.1 引言 110
6.2 弯曲问题 110
6.2.1 层合平板在横向载荷作用下的平衡微分方程 110
6.2.2 平衡方程的位移表达形式 113
6.2.3 层合平板的挠度方程 114
6.2.4 边界条件 115
6.2.5 典型简支层合板弯曲问题 115
6.3 稳定性问题 120
6.3.1 屈曲方程与边界条件 121
6.3.2 平面载荷作用下四边简支层合板的屈曲 121
6.4 振动问题 126
6.4.1 特殊正交各向异性层合板 126
6.4.2 对称角铺设层合板 128
6.4.3 反对称正交铺设层合板 129
6.4.4 反对称角铺设层合板 130
6.5 本章小结 131
课后习题 131
第7章 复合材料渐近损伤分析方法 132
7.1 引言 132
7.2 损伤的基本概念 133
7.3 材料的含损伤本构关系 134
7.4 复合材料初始损伤判据 137
7.4.1 Hashin初始损伤准则 138
7.4.2 纤维横向压缩初始损伤准则 139
7.5 复合材料损伤演化模型 141
7.6 界面损伤模型 144
7.7 复合材料渐近损伤的数值分析过程 145
7.8 周期性边界条件 146
7.9 复合材料横向压缩渐近损伤分析 148
7.10 本章小结 149
课后习题 150
第8章 空天复合材料结构设计方法 151
8.1 引言 151
8.2 复合材料结构设计原则规范 151
8.3 复合材料结构研制流程 152
8.4 设计许用值确定 153
8.5 通用结构设计方法 156
8.5.1 层合板设计方法 156
8.5.2 夹层结构设计方法 157
8.6 损伤容限设计方法 158
8.6.1 门槛值 158
8.6.2 损伤扩展要求 160
8.6.3 剩余强度要求 160
8.7 复合材料连接 161
8.7.1 复合材料连接方式 161
8.7.2 复合材料胶接连接 161
8.7.3 复合材料机械连接 162
8.8 本章小结 163
课后习题 163
第9章 柔性复合材料结构 164
9.1引言 164
9.2 柔性充气结构的典型应用 165
9.3 柔性结构力学基础 167
9.3.1 变形的定义和描述 167
9.3.2 应变的定义和分类 168
9.3.3 应力的定义和分类 168
9.3.4 本构矩阵 169
9.4 柔性结构非线性有限元分析方法 170
9.4.1 膜结构有限元基本方程 170
9.4.2 方程组解法 171
9.4.3 收敛准则 172
9.5 柔性结构的褶皱 172
9.5.1 柔性结构的褶皱状态 173
9.5.2 褶皱的判定准则 174
9.6 柔性充气结构的膨胀与弯皱 177
9.6.1 充气悬臂梁的充压膨胀变形 177
9.6.2 充气悬臂梁在弯曲载荷作用下的褶皱分析 179
9.7 柔性充气薄膜管的展开动力学 183
9.7.1 分段式充气控制体积法 183
9.7.2 平面运动仿真方法 186
9.8 本章小结 189
课后习题 189
第10章 热防护复合材料结构 190
10.1 高超声速技术与热防护 190
10.2 服役环境特征与载荷 192
10.2.1 服役热环境特征 192
10.2.2 材料/环境耦合效应 193
10.2.3 热防护设计要求 198
10.3 防热机制与结构类型 200
10.3.1 热防护与热管理机制 200
10.3.2 热防护典型结构方案 201
10.3.3 航天飞机热防护 203
10.4 热力耦合分析方法 206
10.4.1 结构热/力耦合模型 206
10.4. 2复合材料热结构分析要点 210
10.5 考核与试验验证 213
10.5.1 模拟热、力试验 213
10.5.2 风洞试验考核 215
10.5.3 飞行试验与测试技术 215
10.6 本章小结 217
课后习题 217
第11章 多功能与智能复合材料 218
11.1 引言 218
11.2 金刚石制备与应用基础 218
11.2.1 金刚石的分类和性质 218
11.2.2 金刚石晶体结构 219
11.2.3 金刚石合成方法 221
11.2.4 化学气相沉积金刚石的应用简介 223
11.3 形状记忆聚合物的应用及其热力学本构关系 224
11.3.1 形状记忆聚合物的介绍 224
11.3.2 形状记忆聚合物的本构模型 226
11.3.3 形状记忆聚合物本构模型验证 229
11.4 电致活性聚合物应用及其理论框架 232
11.4.1 电致活性聚合物介绍 232
11.4.2 介电弹性体的热力学理论框架 234
11.4.3 理想介电弹性体的本构关系 237
11.5 本章小结 239
课后习题 239
第12章 不确定性量化及其应用 240
12.1 问题的提出 240
12.1.1 不确定性的概念 241
12.1.2 不确定性的影响 242
12.2 不确定性量化 243
12.2.1 不确定性表征方法 243
12.2.2 不确定性的传播分析 246
12.2.3 不确定性反问题 250
12.2.4 任意分布的抽样方法 252
12.3 模型的验证与确认 253
12.4 在复合材料结构中应用 255
12.4.1 虚拟试验方法 255
12.4.2 模型更新方法 257
12.5 几个前沿问题 258
12.6 本章小结 259
课后习题 259
参考文献 260
丛书序
前言
第1章 绪论 001
1.1 复合材料轻量化及其在航空航天领域的典型应用 001
1.2 复合材料功能化及其典型应用 006
1.2.1 热防护复合材料 006
1.2.2 石墨烯复合材料 009
1.2.3 形状记忆复合材料 010
1.2.4 柔性电子材料 010
1.3 本章小结 011
第2章 复合材料及其组元基本力学行为 012
2.1 引言 012
2.2 复合材料基本力学特征 012
2.2.1 复合材料定义 012
2.2.2 复合材料的发展 013
2.2.3 复合材料的分类 014
2.2.4 复合材料的特点 015
2.2.5 复合材料的力学性能 018
2.3 典型增强相及其性能 019
2.3.1 玻璃纤维 020
2.3.2 碳纤维 022
2.3.3 芳纶纤维 024
2.3.4 PBO纤维 024
2.3.5 超高分子量聚乙烯纤维 025
2.4 典型基体及其性能 025
2.4.1 不饱和聚酯树脂 025
2.4.2 环氧树脂 026
2.4.3 氰酸酯树脂 026
2.4.4 双马来酰亚胺树脂 027
2.4.5 聚酰亚胺树脂 028
2.5 典型界面相及其性能 028
2.5.1 聚合物基复合材料的界面 029
2.5.2 金属基复合材料的界面 030
2.5.3 陶瓷基复合材料的界面 031
2.6 本章小结 031
课后习题 031
第3章 简单层板的宏观力学分析 032
3.1 引言 032
3.2 简单层板宏观力学性能 033
3.2.1 简单层板 033
3.2.2 弹性力学相关知识 033
3.2.3 复合材料的应力应变关系 036
3.3 正交各向异性材料的工程常数及其限制 040
3.3.1 麦克斯韦定理 040
3.3.2 刚度矩阵与柔度矩阵的互逆关系 042
3.3.3 工程弹性常数的限制 042
3.4 正交各向异性材料平面应力问题的应力应变关系 044
3.5 简单层板任意方向的应力应变关系 048
3.5.1 应力转轴公式 048
3.5.2 应变转轴公式 049
3.5.3 任意方向上的应力应变关系 050
3.5.4 刚度不变量 053
3.6 单层复合材料的强度概念 054
3.6.1 各向同性材料强度理论 054
3.6.2 正交各向异性简单层板强度概念 054
3.7 正交各向异性简单层板的强度理论 055
3.7.1 *大应力理论 056
3.7.2 *大应变理论 057
3.7.3 Tsai Hill强度理论 057
3.7.4 Tsai Wu张量理论 059
3.8 正交各向异性材料强度理论的发展 060
3.9 本章小结 061
课后习题 061
第4章 简单层板的细观力学分析 064
4.1 引言 064
4.2 刚度的材料力学分析方法 066
4.2.1 E1的确定 066
4.2.2 E2的确定 067
4.2.3 ν21的确定 068
4.2.4 G12的确定 069
4.2.5 弹性常数的修正 069
4.3 刚度的弹性力学分析方法 072
4.3.1 弹性力学的极值法 072
4.3.2 精确解 075
4.3.3 Halpin Tsai方程 078
4.4 强度的材料力学分析方法 079
4.4.1 纵向拉伸强度Xt 079
4.4.2 纵向压缩强度Xc 081
4.4.3 横向拉伸强度Yt 084
4.4.4 横向压缩强度Yc 084
4.4.5 面内剪切强度S 084
4.5 本章小结 084
课后习题 085
第5章 层合板理论 086
5.1 引言 086
5.2 经典层合板理论 088
5.2.1 单层板的应力应变关系 088
5.2.2 层合板的应力应变关系 089
5.2.3 层合板的刚度 091
5.2.4 典型层合板的刚度分析 094
5.3 层合板强度分析方法 100
5.3.1 层合板强度概述 100
5.3.2 层合板刚度退化准则 101
5.3.3 层合板强度分析实例 102
5.4 层合板设计基本准则 106
5.4.1 层合板设计的任务 106
5.4.2 铺层设计的一般原则 106
5.4.3 层合板设计方法 107
5.5 本章小结 109
课后习题 109
第6章 层合板结构力学 110
6.1 引言 110
6.2 弯曲问题 110
6.2.1 层合平板在横向载荷作用下的平衡微分方程 110
6.2.2 平衡方程的位移表达形式 113
6.2.3 层合平板的挠度方程 114
6.2.4 边界条件 115
6.2.5 典型简支层合板弯曲问题 115
6.3 稳定性问题 120
6.3.1 屈曲方程与边界条件 121
6.3.2 平面载荷作用下四边简支层合板的屈曲 121
6.4 振动问题 126
6.4.1 特殊正交各向异性层合板 126
6.4.2 对称角铺设层合板 128
6.4.3 反对称正交铺设层合板 129
6.4.4 反对称角铺设层合板 130
6.5 本章小结 131
课后习题 131
第7章 复合材料渐近损伤分析方法 132
7.1 引言 132
7.2 损伤的基本概念 133
7.3 材料的含损伤本构关系 134
7.4 复合材料初始损伤判据 137
7.4.1 Hashin初始损伤准则 138
7.4.2 纤维横向压缩初始损伤准则 139
7.5 复合材料损伤演化模型 141
7.6 界面损伤模型 144
7.7 复合材料渐近损伤的数值分析过程 145
7.8 周期性边界条件 146
7.9 复合材料横向压缩渐近损伤分析 148
7.10 本章小结 149
课后习题 150
第8章 空天复合材料结构设计方法 151
8.1 引言 151
8.2 复合材料结构设计原则规范 151
8.3 复合材料结构研制流程 152
8.4 设计许用值确定 153
8.5 通用结构设计方法 156
8.5.1 层合板设计方法 156
8.5.2 夹层结构设计方法 157
8.6 损伤容限设计方法 158
8.6.1 门槛值 158
8.6.2 损伤扩展要求 160
8.6.3 剩余强度要求 160
8.7 复合材料连接 161
8.7.1 复合材料连接方式 161
8.7.2 复合材料胶接连接 161
8.7.3 复合材料机械连接 162
8.8 本章小结 163
课后习题 163
第9章 柔性复合材料结构 164
9.1引言 164
9.2 柔性充气结构的典型应用 165
9.3 柔性结构力学基础 167
9.3.1 变形的定义和描述 167
9.3.2 应变的定义和分类 168
9.3.3 应力的定义和分类 168
9.3.4 本构矩阵 169
9.4 柔性结构非线性有限元分析方法 170
9.4.1 膜结构有限元基本方程 170
9.4.2 方程组解法 171
9.4.3 收敛准则 172
9.5 柔性结构的褶皱 172
9.5.1 柔性结构的褶皱状态 173
9.5.2 褶皱的判定准则 174
9.6 柔性充气结构的膨胀与弯皱 177
9.6.1 充气悬臂梁的充压膨胀变形 177
9.6.2 充气悬臂梁在弯曲载荷作用下的褶皱分析 179
9.7 柔性充气薄膜管的展开动力学 183
9.7.1 分段式充气控制体积法 183
9.7.2 平面运动仿真方法 186
9.8 本章小结 189
课后习题 189
第10章 热防护复合材料结构 190
10.1 高超声速技术与热防护 190
10.2 服役环境特征与载荷 192
10.2.1 服役热环境特征 192
10.2.2 材料/环境耦合效应 193
10.2.3 热防护设计要求 198
10.3 防热机制与结构类型 200
10.3.1 热防护与热管理机制 200
10.3.2 热防护典型结构方案 201
10.3.3 航天飞机热防护 203
10.4 热力耦合分析方法 206
10.4.1 结构热/力耦合模型 206
10.4. 2复合材料热结构分析要点 210
10.5 考核与试验验证 213
10.5.1 模拟热、力试验 213
10.5.2 风洞试验考核 215
10.5.3 飞行试验与测试技术 215
10.6 本章小结 217
课后习题 217
第11章 多功能与智能复合材料 218
11.1 引言 218
11.2 金刚石制备与应用基础 218
11.2.1 金刚石的分类和性质 218
11.2.2 金刚石晶体结构 219
11.2.3 金刚石合成方法 221
11.2.4 化学气相沉积金刚石的应用简介 223
11.3 形状记忆聚合物的应用及其热力学本构关系 224
11.3.1 形状记忆聚合物的介绍 224
11.3.2 形状记忆聚合物的本构模型 226
11.3.3 形状记忆聚合物本构模型验证 229
11.4 电致活性聚合物应用及其理论框架 232
11.4.1 电致活性聚合物介绍 232
11.4.2 介电弹性体的热力学理论框架 234
11.4.3 理想介电弹性体的本构关系 237
11.5 本章小结 239
课后习题 239
第12章 不确定性量化及其应用 240
12.1 问题的提出 240
12.1.1 不确定性的概念 241
12.1.2 不确定性的影响 242
12.2 不确定性量化 243
12.2.1 不确定性表征方法 243
12.2.2 不确定性的传播分析 246
12.2.3 不确定性反问题 250
12.2.4 任意分布的抽样方法 252
12.3 模型的验证与确认 253
12.4 在复合材料结构中应用 255
12.4.1 虚拟试验方法 255
12.4.2 模型更新方法 257
12.5 几个前沿问题 258
12.6 本章小结 259
课后习题 259
参考文献 260
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复合材料及其结构力学 节选
第1章绪论 物质是构成宇宙间一切物体的实物和场，材料是人类用来制造机器、构件、器件和其他产品的物质。而结构是主观世界与物质世界的结合、构造。力学从观察、试验、理论等角度研究介质运动、变形、流动的宏微观行为，揭示力学过程及其与物理、化学、生物学等过程的相互作用规律。在材料与结构和力学的交叉领域，则体现着从表象到本质、从现象到机制、由定性到定量的变化，在这一特殊的研究领域，突破了连续介质力学体系，构建了宏微观的跨尺度关联方法，突破了确定性和随机性之间的联系。 在航天航空领域，复合材料的研究属于材料与结构、力学及航天航空应用领域的交叉性研究，旨在寻找具备高性能、高可靠、长寿命、低成本、快响应等一系列优良性能用于航天器、航空器、运载器、空天飞行器等要求苛刻的特殊环境。随着应用要求的提高，复合材料的结构效率与可靠性需要发展新的力学理论、方法和技术来解决。 1.1复合材料轻量化及其在航空航天领域的典型应用轻量化是指在给定技术边界条件下，实现所需功能的系统质量化*小，并且确保整个产品生命周期内系统的可靠性。“轻量化”是自然界万物生长的重要法则之一，其本质是以*小的消耗获取*大的功效（图1.1）。“轻量化”自古有之，人类生活依赖于对时间和空间的运用，那些*先掌握克服时空障碍手段的族群，成了文明和历史建构者。可以说轻量化决定能力、速度和耐力。在环境、资源、经济、生活和国家安全的多重需求与驱动下，轻量化成为诸多领域前所未有急迫的问题，赋予了更丰富的内涵，面临更艰巨的挑战，也具备了更为有力的手段。 图1.1生物界的轻量化 我国从20世纪50年代以来发展了复合材料工业并开展各种应用，主要应用于航天、航空、航海、能源、建筑、交通运输、机械制造、生命医学等领域，以提高效能、节约能源、减少排放、降低成本（图1.2）。 图1.2各个领域中复合材料的应用 国防航空航天工业需求急迫，牵引力大，成为先进复合材料技术率先支持、试验和转化的战场。先进复合材料成为国防、航空航天领域不可替代的关键材料之一，其水平和用量是衡量国防、航空航天产品先进性的重要标志之一。2000年杜善义院士曾提出，轻质化是复合材料发展与应用的基础，是永恒的主题；抗极端化是研究的关键，其中以极端热环境为*突出的问题；多功能化是研究的热点，以实现结构/功能一体化；智能化是发展的前沿和趋势。 任何飞行或入轨活动，都对重量极为敏感，重量和体积约束限制许多技术方案，因此轻质化是复合材料研究的基础和重中之重。其中，“capability /ρ”(承载力/密度)要求更为突出。 目前研究阶段，可靠性与结构效率矛盾愈发显现。极端环境指的是复杂机械载荷、极端温度热流、高能率场作用、物理化学侵蚀等，而多功能化是为了结合力、热、声、电、光、磁实现防腐抗污、减振降噪、隐身抗弹等功能。智能化是通过设计自主材料与结构、自适应材料与结构、自给材料与结构来实现主动变形健康监测。自主材料与结构具有*小化外部介入的可感知、诊断和响应功能，用于损伤探测、神经系统启发传感网络、自诊断、自愈合、重生与重建、植物模拟冷却、可变热导结构；自适应材料与结构具有形状、功能和力学性能按需改变的功能，主要应用于力学自适应材料、人工肌肉、可编程材料、热激励重构系统、肌肉骨骼系统启发变形结构、局部共振超材料；自给材料与结构具有能量获取、存储、传送与结构一体化功能，用于设计能量获取织物复合材料、结构化电池、混杂能量获取系统、集成太阳能电池的机翼等。复合材料的渐进、创新、革命、颠覆就基于结构轻量化、抗极端化和多功能化的交叉与优化设计。 聚合物基复合材料（polymer matrix composite，PMC）于1932年在美国出现，20世纪40年代手糊成型玻纤增强聚酯复合材料用于军用飞机雷达罩。20世纪50年代制备出直升机螺旋桨。20世纪60年代研制出北极星、土星等固体火箭发动机壳体。20世纪70年代开始了碳纤维复合材料产品。从20世纪70年代开始，军机尾翼一级部件已均为复合材料。其中F14的硼/环氧复合材料平尾于1971年前后研制成功，是复合材料发展史上一个重要里程碑。美国麦道飞机公司于1976年率先研制F18的复合材料机翼，并于1982年进入服役，把复合材料用量提高到了13%，该公司又将复合材料用于AV8B的机翼和前机身上，其用量为26%。尾翼(垂尾和平尾)占结构重量达到5%~7%，机翼占结构重量达到12%~15%，前机身和中机身占结构重量＞25%，复合材料化能有效降低整体重量（图1.3）。 图1.3近年来飞机的材料比例对比 F22战机中包含25%的复合材料，其中24%为热固性树脂复合材料，1%为热塑性树脂复合材料，几乎覆盖了飞机的全部外表面。前机身复合材料用量占50%、中机身占30%；机翼占38%，其雷达散射截面仅为0.05m2，降至F15的1%以下（图1.4）。F35战斗机中复合材料占比达35%。 B2隐身轰炸机的机身结构，除主梁和发动机采用钛合金外，其余皆由碳纤维复合材料构成（图1.5），美国当时有个比较，其结构成本与黄金几乎相当。 图1.4F22战机 图1.5B2隐身轰炸机 空客A380采用双层设计，可以承载500~650人，*大起飞重量达560t，于2004年首飞，2006年交付。其中央翼盒、部分外翼、机身上蒙皮壁板、地板梁、后隔板框、垂尾、平尾等使用复合材料。仅碳纤维复合材料用量可达32t，加上其他各种复合材料，估计总用量在25%左右（图1.6）。空客A380开创了大型民机大量使用复合材料的先河，每座油耗比747400降低12%，大量采用超混杂复合材料Glare增强了耐疲劳性，在机翼前缘增加了热塑性复合材料，并加入了复合材料焊接技术（图1.7、图1.8）。超混杂纤维增强复合材料Glare是玻璃纤维增强铝合金层板，与以前发展的芳纶纤维增强铝合金层板ARALL相比，除成本较低外，还具有极好的双轴向承载和适于机身的疲劳性能。 为了实现轻量化的要求，通过不断修改设计方案，增加复合材料用量： 从2004年的40%到2006年初的45%，直至2006年底的52%。 波音B787中复合材料占比约50%，空客A350中复合材料占比53%，CR929预计超过50%。飞机(飞行时间5700万小时/年)每减重1kg，CO2排放减少5400t/年，燃油节省1700t，减重对于飞机设计在节能减排方面的意义不言而喻，因此复合材料在飞机结构和材料设计中占有举足轻重的地位。除此之外，在通用飞机、直升机、无人机的设计中，复合材料的占比也可以达到40%~100%。 进入空天时代，对轻量化提出了极为苛刻的要求。正如钱学森先生早在1963年出版的《星际航行概论》一书中指出：“哪怕是减少一克的重量，全体设计人员也要尽*大的努力来做到。”传统航天领域的研究对象包括卫星、飞船、导弹和运载火箭，空天飞行领域还包括空天飞机和临近空间飞行器（图1.9）。 图1.9应用复合材料的航天器 运载火箭有效载荷能力只有3%左右，其中贮箱占火箭体积的80%，占干重的40%~60%。采用复合材料贮箱相比传统金属贮箱将有效减重20%~40%。 往返火星1kg质量需要300kg的化学推进剂，火箭动力可重复使用运载器的有效载荷能力只有1%，吸气式组合动力有望超过2%，航天飞机空重只有75t，但要想进入LEO必须携带100t液氢和635t液氧。 NASA复合材料低温贮箱采用了“改变游戏规则的技术”（Game Changing Technology），其直径达10米量级，有效减重30%，降低25%的成本。复合材料低温贮箱技术显著降低成本，增加有效载荷，将变革未来航天探测任务，可提升美国宇航工业国际竞争力，进而“改变游戏规则”。柔性材料和结构技术，为空天大尺度结构构建、功能化和轻量化探索创新解决途径。基于柔性复合材料设计、结构设计和控制的可展开或充气展开结构，具有轻质、大尺寸、高收纳比、可变形、多功能、高可靠的特点，例如空间天线结构、深空探测太阳帆、太空电站、载人航天空间舱等。1.2复合材料功能化及其典型应用1.2.1热防护复合材料热防护系统起源于第二次世界大战中发展的两项关键技术： 德国的V2火箭和美国的原子弹，两者耦合在一起形成洲际弹道导弹。两项技术革新使再入飞行器变得可能。H. Julian Allen提出的钝体概念，利用强大的弓形激波将热载荷拒之门外。烧蚀型热防护材料，通过消耗材料吸收热量，主要分为硅基、碳基和碳化烧蚀防热材料，成功用于战略战术导弹和航天返回器（图1.10）。其优势是可以实现防/隔热一体化，具备高可靠性和高可实现性。但是同时具有服役时间短、外形稳定性差、结构效率不高、不可重复使用的局限性。 图1.10复合材料在热防护系统上的应用 图1.11PICAX Space X与NASA合作研发出酚醛浸渍陶瓷烧蚀体（phenolic impregnated carbon ablatorX，PICAX），改进预制体、连接、密封等系列工艺，更加容易生产（图1.11）；其成本仅是原来1/10，可重复使用；**次实现地球返回；轻质化、低成本提升了龙飞船的竞争力。PICA只是“Lightweight Ceramic Ablator”家族的一个成员，采用用硅胶浸渍的SIRCA可以具有透波和绝缘性能，用于天线部位，都是用陶瓷预制体浸渍聚合物，Space X在龙飞船背面还用了采用硅胶浸渍的柔性硅基毡硅树脂浸渍可重复使用陶瓷基体烧蚀材料（silicone impregnate reusable ceramic ablator，SIRCA）。所有创新的关键在于如何将聚合物均匀且低密度浸渍到大孔隙材料中，而不是填充。 1947年研发出X1超声速飞机（图1.12），1956年X2飞机采用气动热设计结构，
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