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MMC 14
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α2 28
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