杨超凡的材料世界【19】：共享复合材料特性数据库

十多年来，美国国家航空航天局、美国联邦航空管理局、工业界和学术界一直致力于创建一个类似于金属的集中式复合材料特性数据库。他们的努力虽然富有成效，但并没有像金属标准化那样带来强制性的力量。复合材料行业遵循复合材料手册17或CMH-17（以前称为MIL-HDBK-17）。

如图所示，NCAMP程序与AGATE程序有两个不同之处：首先，NCAMP使用了美国联邦航空管理局发布的额外指导材料。其次，许多飞机公司也参与其中。一家飞机公司制造鉴定测试板，而其他公司制造等效性测试板。

AGATE共享数据库流程，如图所示，是与FAA密切协调的结果。

十多年来，美国国家航空航天局、美国联邦航空管理局、工业界和学术界一直致力于创建一个类似于金属的集中式复合材料特性数据库。他们的努力虽然富有成效，但并没有像金属标准化那样带来战争般的力量。

复合材料行业遵循复合材料手册17或CMH-17（以前称为MIL-HDBK-17）。许多人认为CMH-17相当于金属行业标准组织指南MMPDS（以前称为MIL-HDBK-5）。然而，MMPDS仍然是唯一一个美国政府认可的商用和军用飞机结构和机械紧固接头的已公布设计允许性能的公共来源。在没有额外证据的情况下，美国联邦航空管理局或美国国防部（DoD）通常不接受CMH-17中公布的复合材料允许的飞机认证和适航性。但CMH-17领导层与国家先进材料性能中心（NCAMP-National Center for Advanced Materials Performance）合作，致力于改变这一局面。证明这一点的是，即将推出的CMH-17 G版完整文档数据集旨在满足美国政府对商用和军用飞机结构的严格要求。

CMH-17 G版完整文档数据集采用的材料特性共享数据库方法包含许多新要求。数据提交者现在必须提供材料和工艺规范以及数据集。此外，材料供应商必须根据工艺控制文件（PCD-process control document）生产材料。规范和PCD旨在确保材料性能随时间稳定，并且必须根据FAA咨询通告（AC）23-20进行准备和维护。新要求涵盖了整个材料特性数据采集和鉴定过程，包括从材料到试板制造、检查和数据分析的所有详细文件。

传统上，飞机公司必须为单个复合材料系统生成基本的薄层和层压板复合材料特性，如右图所示。同一材料系统经常由多家飞机公司进行测试和鉴定，导致基本上相同的材料系统具有不同的专有允许值和单独的规范。共享物质财产的努力没有成功，通常是因为每家公司都认为自己的数据是专有的。

NASA AGATE计划

这种情况在1995年开始改变，当时美国国家航空航天局启动了AGATE- Advanced General Aviation Technology Experiments计划，以振兴通用航空业。NIAR负责AGATE材料工作组，以开发更高效的复合材料鉴定和性能数据采集流程。如右图所示，AGATE共享数据库流程是与FAA密切协调的结果。该流程发布在DOT/FAA/AR-03/19上，允许飞机公司共享基本材料特性和规格，类似于金属行业现有的共享数据库流程。在多批次材料鉴定程序之后，材料特性数据、材料和工艺规范以及其他必要的谱系信息将包含在共享数据库中。等效工艺仅涉及一批材料，是一种快速、低成本的取样工艺，旨在表明后续公司可以使用材料和工艺规范来重现原始材料特性。这是必要的，因为复合材料零件的制造与铝零件不同，涉及叠层、装袋和固化等操作，其中工艺参数可能会影响基本材料性能。

美国联邦航空局小型飞机管理局政策备忘录PS-ACE 100-2002-006题为“聚合物基复合材料系统的材料鉴定和等效性”，认定AGATE共享数据库过程是一种可接受的合规手段。AGATE计划于2001年结束后，美国联邦航空局和国家情报研究所继续通过制作额外的指导材料来支持共享数据库过程，例如制定材料和工艺规范的建议。美国联邦航空管理局还继续支持向AGATE数据库添加更多材料性能数据的努力，Toray Composites America（Tacoma，Washington）2510和Park Electrochemical Corp.（Melville，NY）Nelcote E765的层压板性能生成证明了这一点。该行业也继续支持这一努力。使用AGATE工艺合格材料的材料用户群继续增长，最初不在AGATE计划中的公司开始使用AGATE程序。例如，Advanced Composites Group股份有限公司（ACG，Tulsa，Okla.）为其MTM45和MTM45-1预浸料坯产生了性能。

美国国家航空航天局的科学家们意识到，AGATE过程应该从通用航空领域扩展到整个航空航天行业。2005年，美国国家航空航天局兰利专门为此目的建立了NCAMP：与CMH-17和FAA合作，将AGATE复合材料特性共享数据库过程改进和增强到自我维持的水平。与AGATE不同，AGATE是一个计划于2001年结束的“项目”，NCAMP已作为NIAR内的一个永久性国家中心成立，并独立于NIAR的其他实验室和研究计划运作。

如右图所示，NCAMP流程与AGATE流程在两个方面有所不同：首先，NCAMP使用了美国联邦航空管理局发布的额外指导材料，即DOT/FAA/AR-06/10、DOT/FAA/AR-07/3和DOT/FAA/AR-02/110。第二，许多飞机公司都参与其中；一家飞机公司制造鉴定测试板，而其他公司制造等效性测试板。开展资格认证和等效程序的目标是生成可供所有航空航天公司使用的材料特性和基本值。如果被认为是等效的，那么资格和等效程序中的属性将被汇集起来，以创建一个更大的数据集，从而为航空航天公司提供更好的分布模型。只有在同等资格项目与资格项目同时进行的情况下，才有可能进行这种汇集。

NCAMP使用最新的CMH-17指南和统计分析工具，如ASAP（AGATE统计分析程序）和STAT17（传统的MIL-HDBK-17统计分析程序。

在NASA的初步资助下，NCAMP目前正在为ACG的MTM 45-1、Hexcel的（都柏林，加利福尼亚州）8552和Cytec Engineered Materials股份有限公司的（坦佩，亚利桑那州）5215和5250-5鉴定和生成材料特性。超过22家航空航天公司正在制造测试板。2008年初，空军研究实验室（AFRL，Wright Patterson Air Force Base，Ohio）开始资助NCAMP，以产生材料特性，并对Renegade Materials Corp.（Springboro，Ohio）的FreeForm14聚酰亚胺进行鉴定。在NASA和AFRL赞助的项目中，NCAMP仅用于协调和测试费用。材料供应商直接向参与制造面板的航空航天公司提供材料。制造资格测试面板的航空航天公司受益于他们可以使用数据集来满足试验件级别的证明要求。如果能够证明等效性，制造等效性试板的人员也可能受益。FAA通过一致性检查和测试见证提供监督并帮助创建谱系。几个行业资助的NCAMP资格认证项目正在进行中，包括TenCate Advanced Composites USA（Morgan Hill，California）的TC250、Newport Adhesives and Composites（Irvine，Califoria）的NCT4708、ACG的MTM46和Park Electrochemical的Nelcote E752。NCAMP生成的所有数据将满足即将发布的CMH-17 G版完整文件的要求。一旦验证数据稳定，数据将立即提交给CMH-17。

由于材料供应商承担产生基本材料特性的成本，因此他们的客户无需反复再生基本特性。客户可以更多地关注过程建模以及更高级别构建块的测试和分析，例如接头和详图元素特性，在大多数情况下，这些特性与安全性和结构效率更相关。涵盖相同材料的材料规格将减少，因此材料供应商、零件制造商和维护设施的材料浪费将减少。材料供应量将增加，因为许多客户将按照相同的规格购买。

最终，这个概念的成功取决于飞机制造商。如果他们使用合格的材料，材料供应商将意识到共享数据库的价值，并将更多的材料纳入其中。由此产生的财富数据的标准化和更大的可用性将导致生产更节能、成本更低的航空运输系统。

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该项目的成就包括提高可用性、降低测试

成本和缩短开发时间。

高级通用航空技术实验联盟（AGATE- Advanced General Aviation Technology Experiments）由美国联邦航空管理局NASA于1994年成立。（FAA）和来自工业界、学术界和其他政府机构的约70名其他成员。它的使命是振兴美国的通用航空业，在一半的开发时间内交付更多的飞机。通过改进小型飞机，该财团希望将更多的航空旅行转移到公共降落设施，减少对有限的轮辐式机场系统的依赖。其结果将是运力的大幅增加和旅行时间的缩短。

AGATE将通过为单飞轻型飞机的机身、驾驶舱、飞行训练系统和空域基础设施开发负担得起的新技术、标准和认证方法来完成这一任务。项目工作分为十个技术领域或工作包。集成设计与制造（ID&M）工作包的任务是降低机身和螺旋桨的成本和重量。ID&M内部的材料小组负责开发通用航空（GA- general aviation）飞机中使用复合材料的设计手册。其具体任务包括标准化测试方法、开发材料特性数据库、开发制造过程控制方法和供应商采用新材料和工艺的方法，以及将材料开发和认证周期从五年缩短到三年。

2001年4月，美国联邦航空局发布了DOT/FAA/AR-00/47“聚合物基复合材料系统的材料鉴定和等效性”，简称AGATE方法。本文件提供了详细的鉴定计划，用于生成薄板（层）级复合材料的基于统计的设计容许值。A基和B基容许值给最终用户一个统计置信度，即材料性能将至少与最小容许值一样好（见HPC 2000年5月/6月，第27页，更完整的讨论）。更具体地说，该方法涵盖了在115.5°C/240°F或更高温度下固化和处理的碳或玻璃预浸料，使用热压罐和仅真空固化循环。这些方法还可以应用于更广泛的复合材料。

尽管AGATE项目于2001年11月结束，但综合资格鉴定方法至今仍是一个有效的标准。FiberCote Industries股份有限公司（康涅狄格州沃特伯里）和Toray Composites（America）股份有限公司（华盛顿州塔科马）是最早使用AGATE方法开发材料数据库的两家公司，他们继续进行测试，将更多材料添加到数据库中。2002年7月，Advanced Composites Group股份有限公司（ACG，Tulsa，Okla.）添加了一种高温预浸料。Newport Adhesives and Composites股份有限公司（Irvine，California）添加了一种中温预浸料坯。

合格材料

FiberCote已将AGATE方法应用于基于其E-765树脂系统的一系列材料。预浸料包括T300 3K平纹碳纤维、T300 6K 5光泽缎面碳纤维、T700单向碳纤维和7781玻璃纤维。T700 12K斜纹碳纤维和12K平纹碳纤维目前处于筛选阶段。6K缎面预浸料坯在3.1巴/45psi热压罐固化下合格；其他材料经真空袋固化合格。E-765在121°C/250°F下固化，并提供82.2°C/180°F的湿工作温度。

东丽已将AGATE应用于基于2510树脂体系的三种材料。这些预浸料包括7781玻璃纤维、T700G 12K单向碳带和T700S 12K平纹碳织物。2510系统设计用于热压罐和非热压罐。它在132°C/270°F下固化，但提供128°C/262°F（146°C/294°F干燥）的湿热玻璃化转变温度。尽管碳纤维织物由12K丝束制成，但其面密度为193 g/m²（5.67 oz/yd²），与3K织物的密度相同。单个纤维束更像是微型单向带，而不是丝束，即使在高度弯曲的部位，织物也非常平坦，易于处理。该织物也表现出优异的抗损伤性，尽管东丽尚未确定是什么赋予了织物这种性能。

ACG的HTM45是一种177°C/350°F固化的增韧环氧树脂系统，其目标是更传统的航空航天材料。使用AGATE方法测试了两种形式：0.368 mm/14.5密耳的8综缎面碳纤维和0.20 mm/7.7密耳的平纹碳纤维。有了这种材料，ACG瞄准了军用飞机制造商。ACG还在其MTM45树脂体系中应用AGATE，该树脂体系的固化温度为79.4°C/175°F至121°C/250°F。未来要测试的增强材料包括额外的碳织物、石英和玻璃织物以及单向碳。

纽波特基于其NB321预浸树脂系统将AGATE应用于三种材料形式：7781玻璃织物；Grafil股份有限公司（Sacramento，California，U.S.a.）34-700单向碳带；和3K 70P平纹碳织物。NB 321系统在135°C/275°F和163°C/325°F之间固化。纽波特还有三个补充的AGATE方法材料数据库，用于AGATE材料：浸渍NB 321的铝和铜网雷击材料；和NB 101兼容的薄膜粘合剂。所有材料表格都已被美国联邦航空局接受，目前正在生产认证的飞机上飞行。

材料制造商似乎一致支持新的AGATE方法。目前，大多数航空航天材料都符合基于性能的客户规范。要将材料出售给另一家公司，供应商必须重新获得新规范的资格。其结果通常是对单个材料的测试进行重大投资，最终会产生重复的数据。ACG的Chris Ridgard说：“AGATE方法的优点是只进行一次测试，并提供给多个最终用户。产生数据的责任更多地在于材料供应商，供应商负责选择产品形式、树脂含量和其他定义规范的因素。”。“这种方法对材料供应商和最终用户来说都具有成本效益。最终，目标是创建由行业规范而非公司规范驱动的材料标准，类似于目前买卖金属的方式。一旦材料通过AGATE方法鉴定合格，就会被FAA、美国国防部、美国运输部接受体育和其他组织，只要他们的个人要求得到满足。

最初的AGATE程序仅涵盖薄层特性。根据堪萨斯州威奇托州立大学的John Tomblin博士的说法，下一步是将该方法扩展到层压板水平。通过使用层压板统计数据，应该可以减少层压板水平的测试量，并使用MIL-HDBK-17提出的构建块方法。每个初始测试系列将在来自三个不同批次材料的层压板样品上进行，并确定每个失效模式的总体特征。东丽AGATE预浸料业务发展总监Leslie Cooke表示：“我们的想法是在薄板、一批层压材料和三批层压材料数据之间建立一座桥梁。”。如果桥接有效，那么未来可能不需要进行三批测试。Tomblin认为这种方法会起作用，因为从历史上看，它已经被MIL-HDBK-17材料证明了。2003年2月，东丽向美国联邦航空局提交了一批层压材料数据。FiberCote已获得T300碳纤维织物和T700单向碳带的一批层压材料数据批准。

材料等效性

然而，AGATE方法不仅仅是生成数字。MIL-HDBK-17为复合材料性能的统计表征提供了指南，但现有数据尚未在应用中得到广泛应用。美国联邦航空局先进材料和结构部门的Curtis Davies解释说，问题是MIL-HDBK-17中的许多数据都是不确定的。尽管遵循了统计指南，但测试方法的细节可能并不清楚；测试可能是在实验室而不是生产批次上进行的，或者采购和加工要求可能不可用。

相比之下，MIL-HDBK-5中列出的金属数据具有可靠的谱系，并且这些材料被广泛使用。金属合金是在工厂环境中生产的，在那里可以严格控制工艺。使用金属加工材料生产产品的制造商：他们不是自己制造金属的。戴维斯说：“认识到复合材料是工艺密集型的，这一点很重要。”。“你需要对采购和加工进行更严格的控制。”最终的复合材料性能直到固化后才能确定，因此材料制造商和零件制造商都参与了加工。两个不同的最终用户可以从一个制造商的同一预浸料开始，但最终得到明显不同的成品性能。

AGATE方法认识到这种过程依赖性。材料供应商通过资格认证程序建立初始数据库。然后，机身制造商执行原始测试的一小部分，以表明他们的程序产生的材料在统计上与原始数据集等效。尽管公司已经能够证明其等效性，但戴维斯指出，由于某些性能测试中使用的测试的试验件数量较少，一些公司遇到了困难。在这种情况下，确定合适的测试试验件数量将是正在进行的开发的一部分。

对于通过液体成型工艺（如RTM）制造的复合材料零件，工艺依赖性甚至更大。对于预浸料，单一材料供应商负责将纤维和树脂结合在一起，然后产生容许值。使用RTM，最终用户通常从不同的制造商那里获得纤维和树脂，然后在制造零件时将它们结合在一起。2001年10月，Tomblin与人合著了两份报告，确立了鉴定方法，并提出了用Cytec Engineered Materials股份有限公司（亚利桑那州坦佩市）PR520树脂和a&P Technology股份有限公司（俄亥俄州辛辛那提市）用Hexcel（加利福尼亚州都柏林市）AS4碳纤维编织而成的RTM零件的B基允许值。预浸料允许值仅由材料供应商产生，RTM允许值文件专门指零件制造商雷神飞机公司（堪萨斯州威奇托市）。

FiberCote的John Tauriello指出，AGATE方法还概述了将AGATE材料鉴定为第二来源的程序。最近，FiberCote的E-765系统被一家全球公认的公务机制造商认定为第二来源，可用于多个主要结构。该计划将E-765系统确立为最初合格材料的统计上可接受的替代品。监管部门的批准尚待批准，但Tauriello认为，这是AGATE方法数据库首次用于根据现有客户规范简化材料鉴定。

最初两架广泛使用AGATE技术（包括复合材料）的认证生产飞机是Lancair Columbia 300（Lancair International股份有限公司，Bend，Ore.）和Cirrus SR20（Cirrus Design Corp.，Duluth，Minn.）。从那时起，许多其他公司选择在认证飞机和非认证项目中使用AGATE材料。例如，FiberCote材料用于C-130（洛克希德·马丁公司）、Dash 8（庞巴迪公司）、德克萨斯复合材料股份有限公司（德克萨斯州博恩市）制造的螺旋桨背板，以及捷蓝航空公司A320和DC-9飞机的SATCOM雷达罩；未经认证的应用包括NemesisNXT套件飞机（Nemesis Air Racing，Mojave，California）和HITCO Carbon Composites股份有限公司（Gardena，Califoria）制造的Atlas V固体火箭发动机整流罩，先进技术产品股份有限公司（佛罗里达州德兰德）通用电气霍尼韦尔喷气发动机的定子叶片，以及联合攻击战斗机（洛克希德·马丁公司）的垂直尾翼结构。

AGATE应用程序

亚当飞机A500（科罗拉多州亚当飞机工业公司；见HPC 2002年7月）是第一架采用AGATE的全复合材料飞机。Adam Aircraft选择了东丽的12K碳织物、单向碳带和7781玻璃织物作为飞机结构。Adam Aircraft的Pierre Harter报告称，碳材料的等效性鉴定已经完成，玻璃预浸料的测试几乎已经完成。Harter说：“测试非常简单，没有任何问题。”。测试报告定于2003年3月中旬公布。Harter估计，使用AGATE材料至少为公司节省了一年时间和160000美元的测试成本。接受东丽的层压板数据将节省更多，因为无需Adam进行层压板测试。

Liberty XL2（Liberty Aerospace股份有限公司，佛罗里达州墨尔本）是一款新型的双座旅行飞机，也使用了Toray碳纤维、碳带和玻璃纤维材料。复合材料约占结构总重量的11%。首席设计工程师Jason Russell解释说，Liberty仔细研究了使用复合材料最有意义的地方。机身和发动机整流罩是一个薄的碳三明治层压板；翼尖、尾翼尖端和翼根整流罩是玻璃层压板。复合材料机翼必须在高温下承载载荷。这种操作条件要求Liberty建造一个用于全尺寸测试的环境试验室，这会增加大量成本，或者使用复合静载荷系数，增加重量。金属的因素要小得多，所以Liberty选择了薄规格的铝作为机翼结构。主要承载结构为4130钢特拉斯。Liberty是最早进行等效性测试的公司之一，因此这个过程比预期的要长。尽管如此，这还是非常简单的，Russell认为测试现在最多需要四个月的时间。

第一架真正投入生产并出售给客户的采用东丽材料的飞机是来自Windward Performance LLC（俄勒冈州本德）的SparrowHawk滑翔机。SparrowHaw克的设计广泛使用了东丽的12K碳织物。作为一架未经认证的飞机，Windward不需要进行等效性测试，但所有者兼设计师Greg Cole甚至没有考虑非AGATE材料。只要拥有一个良好、可靠的材料特性数据库，Cole就可以减少用于解释材料不确定性的击倒因素，从而节省重量。SparrowHawk的总重量只有70.3公斤/155磅，但它的设计负载极限更高，安全标准与典型的272公斤/600磅滑翔机相同。Toray材料的高适形性和可加工性对于实现完全模制设计的极低阻力也是至关重要的。加里·奥索巴驾驶的“麻雀鹰”目前保持着三项世界纪录：300公里的速度纪录；三角形距离记录；以及500公里的速度记录。前两项记录分别以36%和20%的优势击败了旧记录，尽管飞行条件不太理想。

事实证明，AGATE数据库对航空业以外的用户具有吸引力。例如，德尔塔Velocity公司（弗吉尼亚州利斯堡）最近根据美国空军小企业创新研究（SBIR）第一阶段合同，选择FiberCote的E-765单向碳带开发运载火箭整流罩结构。第一阶段合同提供100000美元的资金，必须在六个月内完成。德尔塔Velocity总裁Joe Padavano解释道：“我们选择FiberCote材料是因为它价格低廉，库存充足，并且拥有良好的性能数据库。”。“我们不得不立即开始制造零件，无法承担材料测试项目的时间或成本。”当德尔塔速度公司获得继续开发的第二阶段合同时，全尺寸飞行整流罩的制造也选择了相同的材料。

共享数据库的未来

AGATE项目通过继续应用鉴定方法和MIL-HDBK-17组织的努力而得以延续。2003年2月底举行的MIL-HDBK-17协调小组会议讨论了将AGATE数据纳入MIL-HDBK17、将AGATE扩展到层压板测试和制定采购标准的问题。在与MIL-HDBK-17协调小组会议同时举行的AMS-P17小组委员会会议上，还针对复合材料规范的标准化开展了工作。其想法是指定复合材料的一般类别，例如121°C/250°F固化碳平纹预浸料，这样就更容易显示不同材料供应商之间的等效性。

材料供应商不断添加新材料，使用AGATE方法的制造商数量也在逐渐增加。纽波特航空航天业务经理John McKnight认为，AGATE的增长速度慢于预期，这主要是由于经济的整体健康状况，这也导致通用航空业的活动放缓。尽管如此，纽波特和其他供应商仍看到其他行业对B基容许值在产品开发中很重要的兴趣增加。事实上，AGATE方法在经济困难时期证明了它的价值。正如东丽的库克所说，“AGATE的全部主旨是可承受性，不仅是原材料的可负担性，而且是材料和最终部件的合格性。”

威奇托州的Tomblin认为，最初的AGATE项目之所以成功，是因为它汇集了有史以来最大的政府机构、公司和大学联盟。较小的公司已经在最大程度上接受了AGATE流程，他们的成功向行业其他部门表明，AGATE方法具有良好的商业意义。这些公司的持续发展和MIL-HDBK-17组的协调将有助于保持AGATE的势头。

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作为对传统专有聚合物基复合材料（PMC）资格的回应，NCAMP继续努力公开材料性能数据库。

与铝和钢等金属相比，与聚合物基复合材料（PMCs）相关的刚度和强度特性数量众多。对于金属，这些机械性能是各向同性的，因此被认为与材料取向无关。因此，只有两个独立的刚度特性（拉伸模量和剪切模量）和只有两个单独的强度特性（拉伸强度和剪切强度）。

相反，PMCs的刚度和强度特性与方向有关，因此必须在三个垂直方向上进行测量，才能完全表征材料。另一个复杂的问题是，在拉伸和压缩载荷下，强度特性可能显著不同，因此需要进行拉伸和压缩测试。最后一个复杂因素是一些机械性能对环境条件的依赖性，包括温度和湿度。因此，除了在室温/环境条件下进行测试外，PMCs通常在预期使用的极端环境条件下测试。对于飞机应用，这包括在-54ºC（冷）以及71ºC至121ºC之间的湿度调节（热/湿）下进行测试。所有这些考虑因素都导致了大型且昂贵的机械测试程序，以充分表征用于航空航天应用的PMC。

传统上，这些测试项目是由大型航空航天项目资助的，测试结果仍然是拥有该项目的公司（如波音、空中客车、诺斯罗普·格鲁曼、洛克希德·马丁）的专利。材料生产商通常为其产品提供更小的测试数据集，重点关注室温/环境条件下有限数量的刚度和强度特性，以及航空航天应用预期的最恶劣环境条件。因此，直到最近，用于PMCs的材料特性数据库的公开可用性一直非常有限。

与航空航天工业相比，用于许多非航空航天PMC应用的设计和分析过程可能不需要生成大量的测试结果。其他市场中复合材料结构设计和分析所需的机械性能取决于许多因素，包括结构的复杂性、分析与测试的作用，以及安全考虑和管理法规。然而，对于任何应用，使用数值分析，例如有限元分析（FEA），通常需要一整套材料刚度特性以及各种强度特性来预测结构中复合材料失效的各种模式。因此，使用复合材料的许多行业都对综合材料数据集感兴趣。

目前，NCAMP数据库中包括超过25个PMCs，重点是航空航天工业中使用的材料。

25年来，一直在努力为PMCs创建一个公开可用的材料特性数据库。高级通用航空运输实验（AGATE-）计划始于1995年，重点研究通用航空工业中使用的PMCs的材料特性。继AGATE之后，美国国家先进材料性能中心（NCAMP）于2005年成立，该中心最初是美国联邦航空管理局资助的位于美国堪萨斯州威奇托州立大学的国家航空研究所（NIAR）内的项目，CMH-17和行业为PMCs创建一个公开可用的数据库。NCAMP数据库中的每个材料系统都包括薄板级刚度和强度特性，以及无缺口拉伸和压缩试验、裸孔和填充孔拉伸和压缩测试以及冲击试验后压缩的有限薄板级材料特性。其他物理测试结果包括密度、固化层厚度、纤维和树脂体积分数以及玻璃化转变温度（Tg）。目前，NCAMP数据库1中包括超过25个PMCs，重点是航空航天工业中使用的材料。

该数据库包含PMC与金属的测试要求之间的最终差异：成品PMC材料特性根据所使用的制造工艺而变化。与金属不同，PMCs通过进一步处理输入材料（如干纤维增强材料和液体树脂或未固化的复合材料预浸料）而达到其最终状态。因此，最终的机械性能取决于制造过程中使用的铺层方法、成型技术和固化工艺。可能影响机械性能的相对较小的制造变化的例子包括纤维或基质材料、其体积分数或其制造工艺的微小变化，以及叠层、成型或固化工艺的微小差异。

这种材料特性对加工的依赖性不同于金属经常经历的情况。例如，市售铝合金的机械性能是容易获得的，并且预计不会受到从购买的材料库存中制造部件的影响。因此，对于许多航空航天应用，需要一个额外的步骤，称为材料等效测试，以确定制造商制造方法产生的PMC零件的性能是否与开发数据集的性能等效。

材料等效性测试的目的是进行有限的测试并评估选定的材料特性，以证明零件制造商创建的层压板将具有与用于结构分析的材料特性数据集相同的特性。用于评估材料等效性的材料特性是根据其检测纤维和基体材料变化的能力、预浸料坯制造工艺、叠层方法和固化工艺来选择的。表1列出了NCAMP用于证明材料等效性的材料特性和相关测试方法。参考文献2和3中提供了有关NCAMP等效性测试过程的其他信息。

最后，请注意，上面讨论的所有测试都与我在2021年8月和2021年12月专栏中讨论的位于构建块金字塔底部的试验件级别测试有关。这种试片级等效测试能够使用NCAMP数据集对使用该材料制造的零件进行结构分析。然而，请注意，在试片测试水平上证明材料等效性并不意味着在积木金字塔的较高元件和子部件水平上与NCAMP材料等效。因此，为了在这些更高的构建块级别上证明结构的认证，还可能需要在元件和子组件级别上使用更复杂的测试品进行额外的测试。

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注：本文根据网上资料编译。

杨超凡 2023.10.1