复合材料设计的回顾与方向

李荡

摘 要：复合材料的生产之前首要解决的问题就是复合材料设计，目前有关复合材料设计的发展趋势，正由定性化向定量化发展。复合材料力学、材料设计专家系统和智能化设计系统在复合材料设计方面的应用已经越来越广泛，它们的出现从根本上推动了复合材料科学技术的不断创新与发展。

关键词：复合材料；设计；人工智能

近年来，复合材料在我国各个行业领域的应用越来越广泛，甚至在固体火箭发动机壳体、喷管上都已经得到了应用，复合材料包括树脂基纤维增强复合材料、碳复合材料、以及新开发的金属基、陶瓷基复合材料等等。随着我国导弹研究与航天发动机研究的发展，复合材料在固体发动机材料中的应用越来越广泛，因此，复合材料的设计水平得到了更高的重视，只有将复合材料的设计工作做好，才能从根本上提高发动机结构及水平。

复合材料在设计方面有较高的可操作性，是由于其组成方式决定的，复合材料在结构上是由两种或两种以上的材料复合制成，与传统的金属、有机材料等存在根本上的差别。复合材料在设计过程中可以根据需要灵活选择构成材料，并在制作方式上没有较大的限制性，可以根据不同的用途设计成不同的结构部件，而传统的制作材料由于其结构的单一性，无法达到复合材料所具有的新性能。复合材料设计的定义可以大致总结为：在长期的实验过程中，通过对经验的积累以及总结，将组分进行合理搭配，通过一定的制作工艺，形成适合性能需求的复合材料。在复合材料的制作过程中，首先要将复合材料的性能及组分进行设计，只有进行了复合材料设计，才能对复合材料进行生产，因此，复合材料设计的发展历史与复合材料生产的发展历史是密不可分的。

1 复合材料设计的回顾

复合材料生产的科学技术与材料的科学水平发展直接影响着复合材料设计水平的发展，在不同的历史时期，由于当时的社会发展水平不同，因此对复合材料设计的要求也是不同的，不同时期的复合材料设计具有着不同的內涵。在复合材料设计的初期，主要依靠的是经验设计。当时还金相显微镜还没有被研制出来，人们无法对材料的内部结构进行了解，因此当时的复合材料设计也不会涉及到组织结构的设计。随着X射线晶体学的创立，人们开始对材料结构有了新的认识，因此，复合材料设计发展到了相结构阶段。人们通过原子结构和量子力学的发现，认识到了材料结构还具有原子结构层。复合材料设计也开始深入利用到原子结构层。随着透射电镜和高分辨电镜等设备的出现，人们对复合材料结构的认识深入到了纳米尺度。利用会聚束、同步辐射连续X射线测量界残余应力和脱粘技术对界面力学性能的测试，使复合材料微结构与宏观性能之间建立了定量关系。特别是随着计算机技术的不断发展，使复合材料更具活力，从而复合材料在结构分析、建模计算等方面有了更高的建树，并受到了世人的瞩目。通过对分子动力学的运用，将复合材料界面进行了微观的计算机模拟，使人们对于复合材料设计有了更新的认识，对于复合材料界面的物理化学变化有了新的了解，使复合材料设计技术有了新的发展。

1.1 复合材料力学为复合材料设计打下坚实基础

就一般情况而言，复合材料的宏观性能与起微观结构存在两类关系。首先，复合材料的微观结构在外部环境的作用下不会发生改变，由此可以根据给定的微观结构对复合材料宏观性能进行预报。为了解决这一问题，研究表明可以利用宏细微观力学的定量化分析的方法。如自洽法、等效夹杂法、微分法等理论已经对复合材料性能预报方面起到了关键性的作用。在此之前，根据结构复合材料的变形力学行为而进行的结构设计和组元设计是当时运用较多的复合材料设计方法。有机复合材料是众多复合材料中发现较早，使用较为成熟的复合材料，因此有机复合材料的组元和结构多用于复合材料设计当中，并且较为成功。其次，材料的细观结构随着外部受力而发生改变，如复合材料在外力的作用下，发生一定的形状改变，界面脱粘、裂纹等。这种情况容易引起裂纹附近的应力场，从而改变材料的强度、韧性等宏观性能。

1.2 复合材料设计与制造的一体化，逐步形成了材料设计专家系统

先进的复合材料在制作过程中由于其结构精细，工艺复杂，因而制作成本较高。但是如果采用传统的制作配方进行研制，不仅耗费时间和精力，还很难总结出有价值的科学结论。复合材料随着新时代科技发展演变，不仅具有可设计的优点，还能够将具体的性能与材料设计相结合，使复合材料具备了设计与制作一体化的最大优点，促进了复合材料的发展。计算机技术的应用使复合材料设计工作更加完善，通过计算机模拟技术的应用，不仅能够实现复合材料设计的优化，还能够对复合材料进行性能分析，通过对工艺作品制作过程的监控及成品的仿真效果，以及对复合材料在外力作用下产生破坏的过程进行模拟，大大降低了复合材料设计和制作的成本，节约了进行实体实验的费用，并且从根本上缩短了研制周期，使复合材料设计的发展上了一个新台阶。

2 复合材料设计未来的发展方向

2.1复合材料宏细微观力学将更广泛的应用于复合材料设计

复合材料宏细微观力学和计算机模拟技术的应用在对复合材料变形等方面获得了较大的成功，它不仅为复合材料的微细结构定量化设计提供了精确的模型，还为这些模型在实验上打下了坚厚的基础。目前，复合材料宏细微观力学的结构复合材料设计在诸多领域均取得了巨大进展，在某些性能方面已经能够 实施定量化设计。复合材料宏细微观力学在智能复合材料设计方面也建立起了一部分模型，有望给智能材料定量化设计带来发展。

2.2 经验设计和科学设计并举，大量材料设计专家系统的建立和应用

在材料设计原理中，大多是由材料的结构预报材料成品，或者根据材料整体的性能要求来进行材料结构的设计，一些结构较为简单，层次较为低的材料在经过制作形成结构复杂的材料时会发生质的改变，其性能也随之提高了。当前我们对于结构层次较低的材料没有充分的认识，结构层次了解不够透彻，但是在没有进行充分认识的低层次次材料在形成高层次材料的过程中会被充分利用，因此还存在大量可以开发利用的空间。从科学教学来讲，材料的设计技术不可能超越材料结构认知水平，完全抛开经验设计与实验设计在一定程度上是行不通的，在相当长的时期以内也是不可能实现的，因此，复合材料设计与科学技术是共同进步的。

2.3 传统专家系统与人工神经网方法相辅相成，共同组成复合材料智能化设计大系统

在传统的专家系统中，专家会建立相应的规则，基于对有关材料现有的理论进行分析，对复合材料制成的情况进行预测，其在于运用较少的实验和例子来总结出大量的科学理论。随着宏细微观力学的发展，专家可以根据现有的材料结构分析与计算机技术相结合，进行复合材料的预测及设计。而人工神经网络以归纳法进行设计，可以在实验数据收集完成之后自动进行数据分析及归纳结论，总结出特定性能材料制作的方法。但其需要较多的实验数据才能保证其结论的真实性，数据与例子越多，得出的结论真实性越高。由于复合材料的复杂性，以及大量新型材料的不断出现，使复合材料设计的发展在一定程度上受到了阻碍。

3 结语

总而言之，复合材料的发展直接影响着复合材料设计的发展，而复合材料设计是复合材料制作的首要重点工作，其关系着复合材料研制的成败。复合材料是不断延续的研究课题，而复合材料设计更是学科中的新鲜血液，随着科学技术的不断发展，材料结构及层次的研究也将越来越深入，对复合材料设计的发展必然起到重要的推动作用。

参考文献：

[1] 区焕文，徐稳林，冼定国. 等效介质理论数值方法应用于随机取向纤维复合材料的杨氏模量[J]. 复合材料学报. 1994（04）.

[2] 杨庆生，唐立民，陈浩然. 短纤维增强金属基复合材料的细观塑性变形与宏观性能[J]. 复合材料学报. 1995（03）.

[3] 崔定军，杨尔辅，张振鹏，刘国球. 用相关参数实现参数多步预测的神经网络方法[J]. 航空学报. 1996（03）.

[4] 李道明，赵占国. 不同界面结合强度条件下金属基复合材料拉伸断裂行为分析[J]. 复合材料学报. 1993（01）.

[5] 吕允文，夏宗宁，赖树纲，孙义忠. 材料设计专家系统与人工神经网络的应用[J]. 材料导报. 1994（06）.