1  引言

    由于復(fù)合材料的特殊性，其力學(xué)性能的表征相當(dāng)復(fù)雜，大量的試驗(yàn)工作、漫長(zhǎng)的周期和高昂的成本一直是影響復(fù)合材料擴(kuò)大在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的巨大障礙，因此復(fù)合材料力學(xué)性能表征的標(biāo)準(zhǔn)化一直是復(fù)合材料界的重要研究課題，美國(guó)軍用手冊(cè)MIL-HDBK-17《聚合物基復(fù)合材料手冊(cè)》就是為此應(yīng)運(yùn)而生的產(chǎn)物。航標(biāo)HB 7618-97《聚合物基復(fù)合材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)表達(dá)準(zhǔn)則》就是基于MIL-HDBK-17B（1988年頒布）制訂的[1]，它在規(guī)范國(guó)內(nèi)復(fù)合材料力學(xué)性能的表征中曾起過(guò)重要的作用。近年來(lái)隨著復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來(lái)越多，對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能表征標(biāo)準(zhǔn)化的研究也越來(lái)越深入，國(guó)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(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)作者對(duì)航標(biāo)HB 7618進(jìn)行了修訂，該項(xiàng)修訂工作歷時(shí)2年，先后征求了航空工業(yè)系統(tǒng)內(nèi)外21個(gè)單位數(shù)十位專家的意見(jiàn)，經(jīng)過(guò)約20次改稿，于2008年底完成對(duì)修訂稿的審查，目前正在報(bào)批中。本文簡(jiǎn)單介紹該修訂稿的修訂內(nèi)容。

2  單層級(jí)材料許用值

    原標(biāo)準(zhǔn)對(duì)材料體系力學(xué)性能的表征內(nèi)容包括單層力學(xué)性能和韌性性能兩部分，其中單層力學(xué)性能包括縱向（0º）和橫向（90º）拉伸與壓縮強(qiáng)度與彈性模量、縱橫剪切強(qiáng)度與彈性模量、主泊松比及層間剪切強(qiáng)度（實(shí)際上是短梁強(qiáng)度）。修訂稿中將單層力學(xué)性能改為單層級(jí)材料許用值，包含的內(nèi)容基本上與原標(biāo)準(zhǔn)的單層力學(xué)性能相同，但取消了層間剪切強(qiáng)度。在MIL-HDBK-17F中明確指出：“遺憾的是，過(guò)去通常應(yīng)用此試驗(yàn)（且某些人仍在應(yīng)用）來(lái)建立用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的設(shè)計(jì)許用值。然而，由于V形缺口梁方法的應(yīng)用，使得用短梁強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)定剪切性能成為過(guò)時(shí)的方法。目前短梁強(qiáng)度試驗(yàn)應(yīng)僅用于定性測(cè)試，例如材料工藝的研發(fā)和控制。”在ASTM標(biāo)準(zhǔn)中也指出：“大多數(shù)情況下，因?yàn)樵嚇觾?nèi)部應(yīng)力的復(fù)雜性和破壞模式的多樣性，通常不可能將短梁強(qiáng)度作為一種材料性能。”并說(shuō)明“本試驗(yàn)方法測(cè)量的短梁強(qiáng)度可以用于質(zhì)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(fù)合材料的比較試驗(yàn)。”因此不能列為表征內(nèi)容。過(guò)去多把彎曲強(qiáng)度和模量也當(dāng)作表征的內(nèi)容，但在MIL-HDBK-17中從來(lái)沒(méi)有把它們列為表征內(nèi)容，在原標(biāo)準(zhǔn)中也是這樣處理的。MIL-HDBK-17F中明確指出：“還沒(méi)有推薦用于測(cè)定復(fù)合材料層壓板彎曲性能的試驗(yàn)方法。即使存在經(jīng)批準(zhǔn)的彎曲試驗(yàn)方法，但對(duì)于結(jié)果的有效性仍存在著某些爭(zhēng)議。在航宇工業(yè)中，彎曲試驗(yàn)主要是用于質(zhì)量控制。”ASTM標(biāo)準(zhǔn)中指出：它“對(duì)質(zhì)量控制和工藝規(guī)范特別有用。”同時(shí)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(yīng)變率不同而改變。”即使對(duì)于質(zhì)量控制和工藝規(guī)范，MIL-HDBK-17F也指出“在早期復(fù)合材料生產(chǎn)過(guò)程中，大多數(shù)用戶要求做0?彎曲強(qiáng)度與模量及短梁剪切強(qiáng)度試驗(yàn)。但是，近年來(lái)許多制造方已將這些試驗(yàn)改為要求取自生產(chǎn)部件區(qū)域試樣的玻璃化轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)還有韌性性能，包括準(zhǔn)各向同性層壓板的沖擊后壓縮強(qiáng)度、開(kāi)孔試樣拉伸強(qiáng)度、開(kāi)孔試樣壓縮強(qiáng)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(lái)隨著對(duì)復(fù)合材料韌性評(píng)定的深入研究，發(fā)現(xiàn)原來(lái)的韌性概念已不能正確地反映結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需求，研究發(fā)現(xiàn)下列性能更能反映結(jié)構(gòu)完整性要求：開(kāi)孔拉伸強(qiáng)度、開(kāi)孔壓縮強(qiáng)度、單釘雙剪擠壓強(qiáng)度、沖擊后壓縮強(qiáng)度和zui大靜壓痕接觸力，為此在修訂稿中提出除了單層級(jí)材料許用值外，還要增加反映結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的上述準(zhǔn)各向同性層壓板（[45/0/-45/90]ns）力學(xué)性能來(lái)表征材料體系。

3  與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)的材料許用值

    這是修訂稿中新增加的內(nèi)容。設(shè)計(jì)許用值的定義是：為保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的完整性，根據(jù)具體工程項(xiàng)目要求，在材料許用值和代表結(jié)構(gòu)典型特征的試樣、元件（包括典型結(jié)構(gòu)件）試驗(yàn)結(jié)果，及設(shè)計(jì)與使用經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上確定的設(shè)計(jì)限制值。而作為設(shè)計(jì)許用值基礎(chǔ)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(yàn)數(shù)據(jù)，按規(guī)定要求統(tǒng)計(jì)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(shè)計(jì)實(shí)踐已經(jīng)表明，拉伸設(shè)計(jì)許用值主要取決于開(kāi)孔（或充填孔）拉伸試樣的試驗(yàn)結(jié)果與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)的材料許用值是確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)許用值的依據(jù)；壓縮設(shè)計(jì)許用值主要取決于開(kāi)孔（或充填孔）與沖擊后壓縮試樣的試驗(yàn)結(jié)果；擠壓強(qiáng)度許用值主要取決于機(jī)械連接試樣的試驗(yàn)結(jié)果。為了確定設(shè)計(jì)許用值需進(jìn)行大量結(jié)構(gòu)典型鋪層層壓板級(jí)試樣的試驗(yàn)。過(guò)去型號(hào)研制時(shí)都選取具體結(jié)構(gòu)的典型鋪層進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果只適用于該型號(hào)的具體部件。但同一材料體系用于同一型號(hào)的其他部件或其他型號(hào)時(shí)，仍必須選取它們的典型鋪層重新進(jìn)行試驗(yàn)。由于不同型號(hào)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(gè)型號(hào)或部件研制都需要進(jìn)行大量?jī)H適用于本型號(hào)（部件）的層壓板級(jí)試樣試驗(yàn)，工作量大、時(shí)間長(zhǎng)、耗費(fèi)巨大。為了縮短研制周期、降低試驗(yàn)工作量和成本，MIL-HDBK-17協(xié)調(diào)工作組規(guī)劃了對(duì)層壓板級(jí)力學(xué)性能表征的試驗(yàn)矩陣，使試驗(yàn)結(jié)果適用于由同一材料體系（包括制造廠商）制造的不同型號(hào)所有部件，并是設(shè)計(jì)許用值的確定依據(jù)，因此稱為與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)的材料許用值。它們包括典型鋪層層壓板的力學(xué)性能、含缺口拉伸和壓縮強(qiáng)度、含沖擊損傷壓縮強(qiáng)度和擠壓強(qiáng)度四部分性能。上述這些性能中強(qiáng)度均要求為B-基準(zhǔn)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(shè)計(jì)可能采用的鋪層比例上限、下限和常用鋪層比例與準(zhǔn)各向同性4種，由于這些力學(xué)性能一般只與鋪層比例有關(guān)，而與鋪層順序無(wú)關(guān)。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(yīng)用要求的力學(xué)性能表征

    原標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的聚合物基復(fù)合材料單層級(jí)和層壓級(jí)力學(xué)性能表達(dá)的內(nèi)容非常簡(jiǎn)單，只有單層級(jí)的性能。經(jīng)過(guò)10多年來(lái)的實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，上述的表達(dá)準(zhǔn)則已經(jīng)不能滿足復(fù)合材料體系的應(yīng)用要求。從建立復(fù)合材料體系材料性能的要求出發(fā)（見(jiàn)圖1中的A組），其表達(dá)準(zhǔn)則應(yīng)包括：選材、材料規(guī)范和材料許用值三個(gè)層次，材料許用值包括單層級(jí)和與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)的兩部分，其中對(duì)不同的要求其數(shù)據(jù)表達(dá)的方式也不同；從應(yīng)用角度出發(fā)，應(yīng)包括：選材、驗(yàn)收、合格鑒定、等效性評(píng)定和結(jié)構(gòu)證實(shí)，除結(jié)構(gòu)證實(shí)可以不在本標(biāo)準(zhǔn)中考慮外，應(yīng)包括其他四方面的表達(dá)要求，特別是等效性的評(píng)定，在使用中受到了越來(lái)越多的關(guān)注。復(fù)合材料的特點(diǎn)之一是材料與結(jié)構(gòu)同時(shí)形成，材料性能不僅取決于組分，同時(shí)也取決于工藝，而在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)遇到材料和工藝的變化，嚴(yán)格說(shuō)來(lái)對(duì)于所出現(xiàn)的變化都需重新進(jìn)行材料鑒定，為此所需進(jìn)行的試驗(yàn)數(shù)量一般是無(wú)法接受的，因此對(duì)出現(xiàn)變化前后兩種材料體系的等效性評(píng)定是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用必須解決的新問(wèn)題，例如對(duì)民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)適航zui重要的法規(guī)：美國(guó)FAR 25部的咨詢通報(bào)AC 20-107B（草稿）和歐洲CS-25中均增加了有關(guān)復(fù)合材料變化的評(píng)定要求?；谏鲜隹紤]，在修訂稿中分別增加了相應(yīng)于選材、材料規(guī)范、驗(yàn)收和等效性評(píng)定等應(yīng)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(xué)性能表征主要基于結(jié)構(gòu)完整性的要求，提出只需84個(gè)試樣試驗(yàn)就可以對(duì)候選材料體系在結(jié)構(gòu)中應(yīng)用前景進(jìn)行評(píng)價(jià)的試驗(yàn)矩陣。根據(jù)國(guó)外的實(shí)踐，用戶是供應(yīng)商的上帝，材料規(guī)范應(yīng)由用戶提出，其中的力學(xué)性能指標(biāo)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(qiáng)度與彈性模量、縱橫剪切強(qiáng)度與彈性模量和短梁強(qiáng)度，以及準(zhǔn)各向同性層壓板的開(kāi)孔拉伸與壓縮強(qiáng)度、單釘雙剪擠壓強(qiáng)度、沖擊后壓縮強(qiáng)度與zui大靜壓痕接觸力，其中強(qiáng)度要求zui小平均值和zui小個(gè)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(yīng)用對(duì)象的具體要求來(lái)提出。等效性評(píng)定要考慮的材料變化情況非常復(fù)雜，基于MIL-HDBK-17F和國(guó)產(chǎn)碳纖維國(guó)產(chǎn)化工程應(yīng)用的實(shí)踐，針對(duì)變化的程度，修訂稿給出了相應(yīng)的等效性評(píng)定性能表征要求，以便可用zui小的試驗(yàn)工作量，來(lái)得到明確的結(jié)論。

5  試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

    復(fù)合材料性能測(cè)試和數(shù)據(jù)表征是復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)中大量應(yīng)用的前提條件之一，我國(guó)在上世紀(jì)80年代，當(dāng)復(fù)合材料剛剛開(kāi)始用于結(jié)構(gòu)時(shí)，曾對(duì)性能測(cè)試方法開(kāi)展過(guò)比較多的研究，并參照國(guó)外的先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)建立了一系列國(guó)家和航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為隨后的新復(fù)合材料體系研究和結(jié)構(gòu)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

    復(fù)合材料性能測(cè)試的早期方法基本上是參照金屬及增強(qiáng)塑料制定的，隨著對(duì)復(fù)合材料研究的深入，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料與金屬或增強(qiáng)塑料的破壞機(jī)理*不同，近30年來(lái)美國(guó)ASTM D30復(fù)合材料委員會(huì)對(duì)原有的復(fù)合材料性能測(cè)試試驗(yàn)方法進(jìn)行了多次修訂，并根據(jù)復(fù)合材料的特點(diǎn)增加了許多標(biāo)準(zhǔn)，目前使用的標(biāo)準(zhǔn)大部分都是進(jìn)入本世紀(jì)后重新制定的，隨著2006年用D 7264《聚合物基復(fù)合材料彎曲性能標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》將D 790《非增強(qiáng)和增強(qiáng)塑料及電絕緣材料彎曲性能標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》代替后，使得復(fù)合材料性能測(cè)試*脫離了金屬和增強(qiáng)塑料性能測(cè)試體系。而我國(guó)從上世紀(jì)90年代以來(lái)，對(duì)復(fù)合材料性能測(cè)試方法研究基本上處于停頓狀態(tài)，致使目前國(guó)內(nèi)使用的復(fù)合材料性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)只相當(dāng)于國(guó)外上世紀(jì)70年代末的水平。另外一些有關(guān)的國(guó)標(biāo)雖為近年所制定，但大多數(shù)為參照ISO標(biāo)準(zhǔn)制定，較適用于民用，對(duì)于航空行業(yè)不能*適用。

    隨著復(fù)合材料在我國(guó)航宇乃至其他工業(yè)界的應(yīng)用迅速增加，特別是民機(jī)用復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)的研究和發(fā)展，采用與接軌的復(fù)合材料性能先進(jìn)測(cè)試方法和標(biāo)準(zhǔn)已成了刻不容緩的需求。美國(guó)ASTM D30復(fù)合材料委員會(huì)負(fù)責(zé)用于表征高模量（大于20 GPa）纖維及用這些纖維增強(qiáng)的聚合物或金屬基復(fù)合材料的標(biāo)準(zhǔn)，包括組分性能、熱和物理性能、單層和層壓板力學(xué)性能及結(jié)構(gòu)性能的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。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(jìn)復(fù)合材料制造的汽車、娛樂(lè)、醫(yī)藥和其他工業(yè)產(chǎn)品。美國(guó)國(guó)防部和FAA通過(guò)軍用手冊(cè)MIL-HDBK-17《復(fù)合材料手冊(cè)》明確規(guī)定“只要適用，就應(yīng)采用ASTM D30的試驗(yàn)方法”，ASTM D30的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)代表了當(dāng)前先進(jìn)水平，也是迄今為止國(guó)內(nèi)編制復(fù)合材料性能航空行業(yè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的主要依據(jù)。

    基于上述原因，原標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)已不能*適應(yīng)當(dāng)前飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，特別是不適用于民用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)適航取證的需求，同時(shí)考慮到修訂國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)使其與接軌在短期內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此在修訂稿中改為按有關(guān)部門認(rèn)可的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的措辭，并在標(biāo)準(zhǔn)的附錄B中提供了可采用的標(biāo)準(zhǔn)目錄清單。2008年對(duì)部分力學(xué)性能試驗(yàn)方法（包括拉伸、開(kāi)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(guó)標(biāo)參照ASTM標(biāo)準(zhǔn)完成了修訂或制訂，已完成報(bào)批手續(xù)待批準(zhǔn)頒布，這些標(biāo)準(zhǔn)也作為推薦標(biāo)準(zhǔn)寫入修訂稿。

    值得說(shuō)明的是在修訂稿正文中沒(méi)有明確沖擊后壓縮試驗(yàn)中引入沖擊損傷的能量，這是由于過(guò)去長(zhǎng)期使用的6.7 J/mm能量選擇對(duì)韌性樹(shù)脂基復(fù)合材料評(píng)定有可能給出錯(cuò)誤的引導(dǎo)，因此在附錄中給出了空客公司的試驗(yàn)方法供參考，該方法的基本思路是根據(jù)要滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)損傷容限的初始缺陷假設(shè)，而迄今為止結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均采用目視勉強(qiáng)可見(jiàn)沖擊損傷，空客公司的假設(shè)是沖擊后立即測(cè)量的凹坑深度為1 mm。

6  數(shù)據(jù)處理方法

    原標(biāo)準(zhǔn)中的第7章“B基準(zhǔn)值統(tǒng)計(jì)方法”是參照MIL-HDBK-17B“聚合物基復(fù)合材料手冊(cè)”中的第8章“數(shù)據(jù)的分析與給出”制訂的。經(jīng)過(guò)20多年的應(yīng)用和研究，有關(guān)的數(shù)據(jù)處理方法有了一些的變化。修訂版中將有關(guān)內(nèi)容歸入正文，并將詳細(xì)的公式和描述列入附錄，并編制了相應(yīng)的聚合物基復(fù)合材料強(qiáng)度B基準(zhǔn)值計(jì)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(jì)方法”，同時(shí)還參照FAA的有關(guān)文件，修訂稿與原標(biāo)準(zhǔn)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?yàn)榍罢哌^(guò)于保守，不利于發(fā)揮復(fù)合材料的性能優(yōu)勢(shì)；

    b）  原標(biāo)準(zhǔn)中將同一性能但在不同試驗(yàn)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(yàn)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(shè)計(jì)用數(shù)據(jù)。FAA的文件則進(jìn)一步擴(kuò)大了回歸分析的應(yīng)用范圍，即可將不同試驗(yàn)條件下（包括吸濕量與試驗(yàn)溫度均不同）得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)也可用回歸分析方法處理。當(dāng)然其前提條件是認(rèn)為目前的試驗(yàn)方法（MIL-HDBK-17推薦，以ASTM標(biāo)準(zhǔn)為主的方法）已將試驗(yàn)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(kuò)大為4%的處理方法。因?yàn)榇罅康臄?shù)據(jù)表明復(fù)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(huì)增加使用的風(fēng)險(xiǎn)。