項目驅動的復合材料設計、制備及測試綜合實驗課程的開發與實踐

姚佳偉+劉夢瑤

摘 要：基于中國民航大學中歐航空工程師學院飛機結構與材料方向復合材料類課程的課程建設，以培養學生工程應用能力為目標，創新性地以項目為導向，開發并實踐了集復合材料設計、制備及測試為一體的綜合性實驗課程。采取了實驗及數值模擬多種技術手段，達到了培養學生獨立分析問題、解決問題、創新、團隊合作及語言表達等能力的目標。

關鍵詞：復合材料 綜合實驗課程 項目驅動 開發與實踐

一、項目確立

以空客A380為例，復合材料在機翼、地板、垂尾、中央翼盒、整流罩等多處使用，占結構重量的25%。學生在掌握復合材料應用現狀、力學性能及可生產性等綜合性能的基礎上，啟發學生以工程技術人員的理念思考問題，嘗試設計應用于某飛機部件的新型材料或優化現役材料。學生自愿組成項目組，成員人數不易過大，以3-4人為宜。學生在分組時，建議學生考慮學習能力，性格特點及興趣愛好等因素，形成一個彼此互補，有利于后期項目開展的小組。以小組討論的形式，確定要優化設計的飛機部件，從而確定項目題目。

二、項目實施

為了使項目流程更加清晰，將項目構建成由開始、展開、結束三個階段組合而成的整體。

1.項目開始階段

在項目的開始階段，項目組需要明確優化設計方向及方案。組織學生以小組形式圍繞題目展開討論，要求學生通過查閱專業書籍、期刊文獻、飛機手冊等資料進行調研，明確所選飛機部件的功能、服役環境，現役材料的種類、使用及維修情況等，分析總結目前存在的問題，從而引導學生提出優化方向，給出對材料優化的具體描述，例如性能要求、加工成型要求等。鼓勵學生活躍思想，展開頭腦風暴，不要局限于常規材料，基于調研結果，制定優化設計方案及后續項目安排。

在學生小組討論的過程中，要善于傾聽，引導，對學生提出的問題給予解答，對學生提出的新想法給予關注肯定。

2.項目展開階段

在項目展開階段，項目組需要執行方案，并進行測試及評估。包括復合材料設計、制備及測試多項內容，考察學生的綜合能力。

（1）設計

由于復合材料性能特點，材料的優化設計涉及到選材，復合原理，鋪層方式，厚度等內容。

根據項目組對優化材料的設計要求，可以找出符合要求的材料。若為復合材料，則可省去復合原理這一內容，通過CES EduPack軟件可直接獲得單層復合材料的各項性能參數；在實際應用中單層復合材料不單獨使用，而作為層合結構分析計算的基本單元。單層復合材料是各項異性材料，以拉伸性能為例，長纖維為主要承受拉力的組分，因此平行于纖維方向的抗拉強度遠遠高于垂直于纖維方向的抗拉強度。將多層單層復合材料粘合在一起組成整體，構成層合板，層合板的性能與各層單層板的性能有關，且與各層單層板的鋪設方式有關。層合板的厚度對其彎曲、屈曲性能有重要影響，若所選飛機部件受彎曲、屈曲，指導學生注意層合板厚度，厚度越大，抵抗彎曲和屈曲的能力越大[13]。

（2）制備

項目組針對復合材料層合板組分、鋪層方向及厚度等問題進行分析，完成設計工作。實驗室備有常用單層長纖維增強復合材料預浸料，如：碳纖維增強、玻纖增強、凱夫拉增強、玻碳混編、凱夫拉碳混編。若項目組設計的新型材料為實驗室已有材料，該項目組基于實驗室設備熱壓罐，制備復合材料層合板；若為其他材料，項目組基于Patran、Nastran、Abaqus等有限元軟件模擬復合材料層合板。

復合材料熱壓罐成型主要用于高性能復合材料制備，是基于熱壓罐內部的程控溫度和靜態氣體壓力，使復合材料預浸料在一定溫度和壓力下完成固化及成型。指導項目組成員將復合材料預浸料裁成合適大小，根據鋪層方向及厚度，鋪設鋪層，為了保證鋪層貼合，沒有氣泡、褶皺等現象，可用電吹風加熱預浸料之后進行鋪貼。將鋪貼好的鋪層及其他所需材料工裝示意圖鋪放，置于真空袋中，接入熱壓罐內，設置溫度、壓力等工藝參數，壓制復合材料層合板。熱壓過程中關注罐體壓力和溫度變化情況。

（3）測試

按照熱壓固化制度固化完成后，從熱壓罐罐體內取出復合材料層合板。為進行測試，需按照不同性能測試的標準切割試樣。由于復合材料切割需要嚴格的除塵通風環境及專業的切刀，試樣切割由合作企業代為完成。

根據項目組對復合材料不同設計優化要求，項目組要根據測試標準，設計實驗方案，對復合材料層合板試樣進行力學、熱學及電學測試。以常用力學測試為例，實驗室配有Introns萬能試驗機及沖擊試驗機，基本能滿足學生測試拉伸、壓縮、彎曲、沖擊等力學性能測試的需求。

結語

由于復合材料的性能特點，性能影響因素較多，使得復合材料的理論教學一直困擾著高校師生，以項目為導向的復合材料綜合性實驗課程，將理論教學融入到實驗教學中，使學生深入理解并掌握復合材料的性能特點。

該綜合性實驗課程集復合材料設計、制備及測試為一體，囊括了復合材料性能的主要因素：組分、鋪層、厚度、制備工藝等，借助了選材軟件、有限元軟件、熱壓罐及試驗機等多種軟硬件，采取了實驗及數值模擬多種技術手段，并以項目為導向，配以多維度的評價方式對學生能力進行綜合評價，達到了培養學生獨立分析問題、解決問題、創新、團隊合作及語言表達等綜合能力的目標。

參考文獻

[1]沈軍，謝懷勤. 航空用復合材料的研究與應用進展[J]. 玻璃鋼/復合材料，2006，（05）：48-54.

[2]沈軍，謝懷勤.先進復合材料在航空航天領域的研發與應用[J].材料科學與工藝，2008，16（05）：737-740

[3] 趙云峰.先進纖維增強樹脂基復合材料在航空航天工業中的應用[J]. 軍民兩用技術與產品，2010，（01）：4-6

[4]吳良義，羅蘭，溫曉蒙.熱固性樹脂基體復合材料的應用及其工業進展[J].熱固性樹脂，2008，23（增刊）：22-31endprint