復合材料設計的回顧與方向

李蕩

摘 要：復合材料的生產(chǎn)之前首要解決的問題就是復合材料設計，目前有關(guān)復合材料設計的發(fā)展趨勢，正由定性化向定量化發(fā)展。復合材料力學、材料設計專家系統(tǒng)和智能化設計系統(tǒng)在復合材料設計方面的應用已經(jīng)越來越廣泛，它們的出現(xiàn)從根本上推動了復合材料科學技術(shù)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展。

關(guān)鍵詞：復合材料；設計；人工智能

近年來，復合材料在我國各個行業(yè)領(lǐng)域的應用越來越廣泛，甚至在固體火箭發(fā)動機殼體、噴管上都已經(jīng)得到了應用，復合材料包括樹脂基纖維增強復合材料、碳復合材料、以及新開發(fā)的金屬基、陶瓷基復合材料等等。隨著我國導彈研究與航天發(fā)動機研究的發(fā)展，復合材料在固體發(fā)動機材料中的應用越來越廣泛，因此，復合材料的設計水平得到了更高的重視，只有將復合材料的設計工作做好，才能從根本上提高發(fā)動機結(jié)構(gòu)及水平。

復合材料在設計方面有較高的可操作性，是由于其組成方式?jīng)Q定的，復合材料在結(jié)構(gòu)上是由兩種或兩種以上的材料復合制成，與傳統(tǒng)的金屬、有機材料等存在根本上的差別。復合材料在設計過程中可以根據(jù)需要靈活選擇構(gòu)成材料，并在制作方式上沒有較大的限制性，可以根據(jù)不同的用途設計成不同的結(jié)構(gòu)部件，而傳統(tǒng)的制作材料由于其結(jié)構(gòu)的單一性，無法達到復合材料所具有的新性能。復合材料設計的定義可以大致總結(jié)為：在長期的實驗過程中，通過對經(jīng)驗的積累以及總結(jié)，將組分進行合理搭配，通過一定的制作工藝，形成適合性能需求的復合材料。在復合材料的制作過程中，首先要將復合材料的性能及組分進行設計，只有進行了復合材料設計，才能對復合材料進行生產(chǎn)，因此，復合材料設計的發(fā)展歷史與復合材料生產(chǎn)的發(fā)展歷史是密不可分的。

1 復合材料設計的回顧

復合材料生產(chǎn)的科學技術(shù)與材料的科學水平發(fā)展直接影響著復合材料設計水平的發(fā)展，在不同的歷史時期，由于當時的社會發(fā)展水平不同，因此對復合材料設計的要求也是不同的，不同時期的復合材料設計具有著不同的內(nèi)涵。在復合材料設計的初期，主要依靠的是經(jīng)驗設計。當時還金相顯微鏡還沒有被研制出來，人們無法對材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行了解，因此當時的復合材料設計也不會涉及到組織結(jié)構(gòu)的設計。隨著X射線晶體學的創(chuàng)立，人們開始對材料結(jié)構(gòu)有了新的認識，因此，復合材料設計發(fā)展到了相結(jié)構(gòu)階段。人們通過原子結(jié)構(gòu)和量子力學的發(fā)現(xiàn)，認識到了材料結(jié)構(gòu)還具有原子結(jié)構(gòu)層。復合材料設計也開始深入利用到原子結(jié)構(gòu)層。隨著透射電鏡和高分辨電鏡等設備的出現(xiàn)，人們對復合材料結(jié)構(gòu)的認識深入到了納米尺度。利用會聚束、同步輻射連續(xù)X射線測量界殘余應力和脫粘技術(shù)對界面力學性能的測試，使復合材料微結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間建立了定量關(guān)系。特別是隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，使復合材料更具活力，從而復合材料在結(jié)構(gòu)分析、建模計算等方面有了更高的建樹，并受到了世人的矚目。通過對分子動力學的運用，將復合材料界面進行了微觀的計算機模擬，使人們對于復合材料設計有了更新的認識，對于復合材料界面的物理化學變化有了新的了解，使復合材料設計技術(shù)有了新的發(fā)展。

1.1 復合材料力學為復合材料設計打下堅實基礎(chǔ)

就一般情況而言，復合材料的宏觀性能與起微觀結(jié)構(gòu)存在兩類關(guān)系。首先，復合材料的微觀結(jié)構(gòu)在外部環(huán)境的作用下不會發(fā)生改變，由此可以根據(jù)給定的微觀結(jié)構(gòu)對復合材料宏觀性能進行預報。為了解決這一問題，研究表明可以利用宏細微觀力學的定量化分析的方法。如自洽法、等效夾雜法、微分法等理論已經(jīng)對復合材料性能預報方面起到了關(guān)鍵性的作用。在此之前，根據(jù)結(jié)構(gòu)復合材料的變形力學行為而進行的結(jié)構(gòu)設計和組元設計是當時運用較多的復合材料設計方法。有機復合材料是眾多復合材料中發(fā)現(xiàn)較早，使用較為成熟的復合材料，因此有機復合材料的組元和結(jié)構(gòu)多用于復合材料設計當中，并且較為成功。其次，材料的細觀結(jié)構(gòu)隨著外部受力而發(fā)生改變，如復合材料在外力的作用下，發(fā)生一定的形狀改變，界面脫粘、裂紋等。這種情況容易引起裂紋附近的應力場，從而改變材料的強度、韌性等宏觀性能。

1.2 復合材料設計與制造的一體化，逐步形成了材料設計專家系統(tǒng)

先進的復合材料在制作過程中由于其結(jié)構(gòu)精細，工藝復雜，因而制作成本較高。但是如果采用傳統(tǒng)的制作配方進行研制，不僅耗費時間和精力，還很難總結(jié)出有價值的科學結(jié)論。復合材料隨著新時代科技發(fā)展演變，不僅具有可設計的優(yōu)點，還能夠?qū)⒕唧w的性能與材料設計相結(jié)合，使復合材料具備了設計與制作一體化的最大優(yōu)點，促進了復合材料的發(fā)展。計算機技術(shù)的應用使復合材料設計工作更加完善，通過計算機模擬技術(shù)的應用，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)復合材料設計的優(yōu)化，還能夠?qū)秃喜牧线M行性能分析，通過對工藝作品制作過程的監(jiān)控及成品的仿真效果，以及對復合材料在外力作用下產(chǎn)生破壞的過程進行模擬，大大降低了復合材料設計和制作的成本，節(jié)約了進行實體實驗的費用，并且從根本上縮短了研制周期，使復合材料設計的發(fā)展上了一個新臺階。

2 復合材料設計未來的發(fā)展方向

2.1復合材料宏細微觀力學將更廣泛的應用于復合材料設計

復合材料宏細微觀力學和計算機模擬技術(shù)的應用在對復合材料變形等方面獲得了較大的成功，它不僅為復合材料的微細結(jié)構(gòu)定量化設計提供了精確的模型，還為這些模型在實驗上打下了堅厚的基礎(chǔ)。目前，復合材料宏細微觀力學的結(jié)構(gòu)復合材料設計在諸多領(lǐng)域均取得了巨大進展，在某些性能方面已經(jīng)能夠 實施定量化設計。復合材料宏細微觀力學在智能復合材料設計方面也建立起了一部分模型，有望給智能材料定量化設計帶來發(fā)展。

2.2 經(jīng)驗設計和科學設計并舉，大量材料設計專家系統(tǒng)的建立和應用

在材料設計原理中，大多是由材料的結(jié)構(gòu)預報材料成品，或者根據(jù)材料整體的性能要求來進行材料結(jié)構(gòu)的設計，一些結(jié)構(gòu)較為簡單，層次較為低的材料在經(jīng)過制作形成結(jié)構(gòu)復雜的材料時會發(fā)生質(zhì)的改變，其性能也隨之提高了。當前我們對于結(jié)構(gòu)層次較低的材料沒有充分的認識，結(jié)構(gòu)層次了解不夠透徹，但是在沒有進行充分認識的低層次次材料在形成高層次材料的過程中會被充分利用，因此還存在大量可以開發(fā)利用的空間。從科學教學來講，材料的設計技術(shù)不可能超越材料結(jié)構(gòu)認知水平，完全拋開經(jīng)驗設計與實驗設計在一定程度上是行不通的，在相當長的時期以內(nèi)也是不可能實現(xiàn)的，因此，復合材料設計與科學技術(shù)是共同進步的。

2.3 傳統(tǒng)專家系統(tǒng)與人工神經(jīng)網(wǎng)方法相輔相成，共同組成復合材料智能化設計大系統(tǒng)

在傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)中，專家會建立相應的規(guī)則，基于對有關(guān)材料現(xiàn)有的理論進行分析，對復合材料制成的情況進行預測，其在于運用較少的實驗和例子來總結(jié)出大量的科學理論。隨著宏細微觀力學的發(fā)展，專家可以根據(jù)現(xiàn)有的材料結(jié)構(gòu)分析與計算機技術(shù)相結(jié)合，進行復合材料的預測及設計。而人工神經(jīng)網(wǎng)絡以歸納法進行設計，可以在實驗數(shù)據(jù)收集完成之后自動進行數(shù)據(jù)分析及歸納結(jié)論，總結(jié)出特定性能材料制作的方法。但其需要較多的實驗數(shù)據(jù)才能保證其結(jié)論的真實性，數(shù)據(jù)與例子越多，得出的結(jié)論真實性越高。由于復合材料的復雜性，以及大量新型材料的不斷出現(xiàn)，使復合材料設計的發(fā)展在一定程度上受到了阻礙。

3 結(jié)語

總而言之，復合材料的發(fā)展直接影響著復合材料設計的發(fā)展，而復合材料設計是復合材料制作的首要重點工作，其關(guān)系著復合材料研制的成敗。復合材料是不斷延續(xù)的研究課題，而復合材料設計更是學科中的新鮮血液，隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，材料結(jié)構(gòu)及層次的研究也將越來越深入，對復合材料設計的發(fā)展必然起到重要的推動作用。

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