航空航天工業(yè)的發(fā)展始終與材料科學(xué)的進(jìn)步緊密相連，而材料力學(xué)性能測(cè)試則是保障航空航天器安全可靠的基石。從高強(qiáng)度的金屬合金到*的復(fù)合材料，航空航天材料需要在環(huán)境下保持其結(jié)構(gòu)完整性和功能性，包括高溫、低溫、高濕、真空以及復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。本文將系統(tǒng)介紹航空航天材料的關(guān)鍵力學(xué)測(cè)試類型，結(jié)合國(guó)內(nèi)外最新研究成果，剖析測(cè)試方法的原理、應(yīng)用場(chǎng)景與技術(shù)進(jìn)展，為相關(guān)領(lǐng)域的研究人員和工程師提供全面參考。

1 航空航天材料力學(xué)測(cè)試概述

在航空航天工業(yè)中，材料力學(xué)測(cè)試構(gòu)成了飛行器設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)的核心環(huán)節(jié)。這些測(cè)試的核心目的是獲取材料在模擬使用環(huán)境下的力學(xué)性能參數(shù)，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐，確保飛行器在服役期間的安全可靠。航空航天材料測(cè)試涵蓋從靜態(tài)特性到動(dòng)態(tài)響應(yīng)，從常溫環(huán)境到條件的評(píng)估，其復(fù)雜性和系統(tǒng)性遠(yuǎn)超常規(guī)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

航空航天材料測(cè)試的主要類型包括靜態(tài)力學(xué)測(cè)試、動(dòng)態(tài)力學(xué)測(cè)試、環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試以及特殊性能測(cè)試。靜態(tài)力學(xué)測(cè)試如拉伸、壓縮、彎曲、剪切等，用于評(píng)估材料在準(zhǔn)靜態(tài)載荷下的基本力學(xué)性能，如強(qiáng)度、模量和泊松比。動(dòng)態(tài)力學(xué)測(cè)試包括疲勞測(cè)試（高周疲勞、低周疲勞）、沖擊測(cè)試和斷裂韌性測(cè)試，關(guān)注材料在循環(huán)載荷或瞬態(tài)載荷下的響應(yīng)和損傷演化行為。環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試則考察溫度、濕度、輻射等環(huán)境因素對(duì)材料性能的影響，如高低溫測(cè)試、熱循環(huán)測(cè)試、濕熱老化測(cè)試等。特殊性能測(cè)試針對(duì)航空航天特定工況，如蠕變、持久強(qiáng)度、應(yīng)力腐蝕、磨損等。

值得注意的是，航空航天結(jié)構(gòu)材料的選擇已從傳統(tǒng)鋁合金、鈦合金逐步擴(kuò)展到各類*材料，尤其是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料和特種金屬合金。這些材料的各向異性、非線性力學(xué)行為以及復(fù)雜損傷機(jī)制，使得測(cè)試方法需要不斷創(chuàng)新與完善。以復(fù)合材料為例，其性能不僅取決于組分材料，更受纖維取向、鋪層順序、界面性能等眾多因素影響，需要開發(fā)專門的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和分析方法。

在測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)方面，航空航天領(lǐng)域遵循著極為嚴(yán)格的規(guī)范體系，包括國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（如ASTM、ISO）、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（如GJB）以及企業(yè)自有標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了試樣尺寸、加載速率、環(huán)境條件、數(shù)據(jù)處理方法等，確保測(cè)試結(jié)果的可比性和可靠性。如中系統(tǒng)介紹了航空材料力學(xué)性能檢測(cè)的全套方法，包括基礎(chǔ)知識(shí)、短時(shí)力學(xué)性能、疲勞斷裂力學(xué)性能以及長(zhǎng)時(shí)力學(xué)性能試驗(yàn)，為行業(yè)提供了重要參考。

關(guān)鍵性能指標(biāo)的獲取是材料測(cè)試的核心目標(biāo)。對(duì)于航空航天結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，必需的性能數(shù)據(jù)包括：彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷裂韌性、疲勞極限、蠕變極限等。這些參數(shù)直接輸入到結(jié)構(gòu)分析模型中，用于預(yù)測(cè)構(gòu)件壽命和可靠性。特別是在新型飛行器的研發(fā)階段，全面而準(zhǔn)確的材料性能數(shù)據(jù)是減重設(shè)計(jì)、壽命預(yù)測(cè)和可靠性評(píng)估的基礎(chǔ)，具有極大的工程價(jià)值。

2 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)性能測(cè)試

復(fù)合材料因其高比強(qiáng)度、高比模量和可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，已成為航空航天結(jié)構(gòu)的主流材料。從飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)身蒙皮到衛(wèi)星支架、航天器外殼，復(fù)合材料的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。然而，復(fù)合材料的各向異性和非均勻特性也使其力學(xué)行為更加復(fù)雜，需要專門的測(cè)試方法與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 靜態(tài)力學(xué)性能測(cè)試

靜態(tài)力學(xué)性能是復(fù)合材料最基本也是最重要的性能指標(biāo)，主要包括拉伸、壓縮、彎曲和剪切性能。通過這些測(cè)試，可以獲得材料的強(qiáng)度、模量和破壞應(yīng)變等參數(shù)。以碳纖維增強(qiáng)樹脂基層壓板KT31/HFW285SA為例，研究通過經(jīng)向/緯向拉伸、壓縮和彎曲試驗(yàn)，系統(tǒng)評(píng)估了其在三種典型環(huán)境條件下的力學(xué)性能。

拉伸測(cè)試可獲取材料的彈性模量、泊松比、拉伸強(qiáng)度及破壞模式。復(fù)合材料拉伸測(cè)試通常需要考慮纖維方向和鋪層順序，一般按照0°（經(jīng)向）、90°（緯向）和±45°方向分別測(cè)試，以全面表征其各向異性特性。壓縮測(cè)試則關(guān)注材料在壓力作用下的穩(wěn)定性及破壞模式，復(fù)合材料的壓縮性能通常較拉伸性能敏感，尤其對(duì)纖維-基體界面性能、孔隙缺陷等更為敏感。

彎曲測(cè)試作為一種綜合性能測(cè)試，同時(shí)反映了材料拉伸和壓縮性能，且對(duì)試樣的制備要求相對(duì)寬松，被廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料質(zhì)量控制和初步篩選。三點(diǎn)彎曲和四點(diǎn)彎曲是兩種常用方法，其中三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)操作簡(jiǎn)便，而四點(diǎn)彎曲則提供純彎曲段，更利于材料本征性能的表征。例如，在碳纖維/氰酸酯復(fù)合材料的研究中，研究者通過三點(diǎn)彎曲測(cè)試揭示了材料從線性彈性到非線性變形，直至塑性流動(dòng)的全過程，并精確識(shí)別了各階段的應(yīng)力閾值。

2.2 層間與剪切性能測(cè)試

復(fù)合材料的層間性能和剪切性能對(duì)其結(jié)構(gòu)完整性至關(guān)重要。層間剪切測(cè)試用于評(píng)估復(fù)合材料層與層之間的結(jié)合強(qiáng)度，通常采用短梁剪切法。縱橫剪切測(cè)試則關(guān)注面內(nèi)剪切性能，對(duì)于±45°試樣的拉伸剪切測(cè)試是常用方法。研究表明，KT31/HFW285SA層壓板的層間剪切和縱橫剪切性能均滿足飛行器用復(fù)合材料的指標(biāo)要求。

對(duì)于厚截面復(fù)合材料，測(cè)試方法面臨額外挑戰(zhàn)。中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所的研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)厚截面復(fù)合材料層壓板開展了系統(tǒng)的測(cè)試方法研究，分析了含/不含加強(qiáng)片試樣對(duì)無缺口拉伸、無缺口壓縮以及剪切試驗(yàn)結(jié)果的影響。研究發(fā)現(xiàn)，加強(qiáng)片材料、夾持力大小對(duì)試驗(yàn)破壞模式有顯著影響，合理的加強(qiáng)片設(shè)計(jì)可以有效避免應(yīng)力集中導(dǎo)致的提前破壞，從而獲取真實(shí)反映材料性能的測(cè)試數(shù)據(jù)。

2.3 環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試

航空航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)需要在復(fù)雜的溫度、濕度環(huán)境下長(zhǎng)期工作，環(huán)境適應(yīng)性成為測(cè)試中的環(huán)節(jié)。以KT31/HFW285SA層壓板為例，研究特別考察了其在室溫干態(tài)(23℃)、低溫干態(tài)(-55℃)及高溫濕態(tài)(130℃)三種狀態(tài)下的力學(xué)性能。結(jié)果表明，環(huán)境濕度和溫度對(duì)層壓板力學(xué)性能的影響較為明顯，這與樹脂基體的吸濕軟化效應(yīng)以及高低溫下的性能變化密切相關(guān)。

更為嚴(yán)酷的環(huán)境測(cè)試是熱循環(huán)和熱沖擊實(shí)驗(yàn)，特別是對(duì)于航天器材料。碳纖維/氰酸酯復(fù)合材料在太空環(huán)境中的損傷演化規(guī)律研究表明，通過三點(diǎn)彎曲、熱沖擊等實(shí)驗(yàn)可以獲取熱循環(huán)閾值、分層擴(kuò)展速率等關(guān)鍵參數(shù)。動(dòng)態(tài)機(jī)械分析(DMA)與熱機(jī)械分析(TMA)聯(lián)合測(cè)試顯示，每增加100次熱循環(huán)(-180℃~250℃)，材料的彎曲模量衰減率達(dá)8.3%，且分層面積與溫度變化速率呈正相關(guān)，當(dāng)ΔT>150℃/min時(shí)損傷顯著加劇。

熱沖擊實(shí)驗(yàn)采用液氮-沸水循環(huán)模擬太空熱震，結(jié)果顯示：3次循環(huán)后局部出現(xiàn)輻射狀微裂紋，10次循環(huán)時(shí)分層面積占比達(dá)17%，表明材料在非穩(wěn)態(tài)熱應(yīng)力場(chǎng)中會(huì)形成梯度損傷。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星展開機(jī)構(gòu)等間歇性暴露部件的設(shè)計(jì)具有重要警示意義。

3 典型金屬材料的特殊測(cè)試

盡管復(fù)合材料應(yīng)用日益廣泛，金屬材料在航空航天領(lǐng)域仍占據(jù)重要地位，特別是在關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)部件和起落架系統(tǒng)等方面。高強(qiáng)度鋼、鈦合金、鋁合金等憑借其優(yōu)異的綜合性能，成為航空航天金屬結(jié)構(gòu)的主要選擇。針對(duì)這些材料的特殊測(cè)試方法也不斷發(fā)展完善。

3.1 高強(qiáng)鋼的沖擊與疲勞測(cè)試

高強(qiáng)度鋼在航空航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)，如艦載機(jī)阻攔鉤、起落架等。這些結(jié)構(gòu)在服役過程中常常承受重復(fù)沖擊載荷，導(dǎo)致沖擊誘導(dǎo)的疲勞損傷，直接影響其使用壽命和結(jié)構(gòu)安全。以30CrMnSiNi2A高強(qiáng)鋼為例，其用于艦載機(jī)阻攔鉤，在著艦過程中承受反復(fù)的高應(yīng)變率沖擊載荷。

針對(duì)這一情況，研究人員開發(fā)了綜合實(shí)驗(yàn)-數(shù)值框架，集成碰撞-回彈測(cè)試、有限元?jiǎng)討B(tài)模擬和基于連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)(CDM)的疲勞建模。重復(fù)沖擊實(shí)驗(yàn)在專用測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行，用于捕捉鉤頭關(guān)鍵區(qū)域的瞬態(tài)應(yīng)變演化。通過結(jié)合有限元分析和損傷力學(xué)模型，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高強(qiáng)鋼沖擊疲勞壽命的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。比較分析表明，該方法下應(yīng)變和沖擊力的實(shí)驗(yàn)值與數(shù)值預(yù)測(cè)偏差在6.6%以內(nèi)，顯著提高了預(yù)測(cè)精度。

這種虛擬疲勞測(cè)試與連續(xù)損傷力學(xué)相結(jié)合的方法，不僅彌補(bǔ)了物理試驗(yàn)與虛擬預(yù)測(cè)之間的差距，還提供了一種評(píng)估率相關(guān)疲勞退化的通用方法，為艦載阻攔系統(tǒng)的預(yù)測(cè)性設(shè)計(jì)和壽命評(píng)估提供了有力工具。

3.2 SiC_f/Ti復(fù)合材料的剪切性能測(cè)試

SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料（SiC_f/Ti）因其在纖維方向上具有優(yōu)異的力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。將其制成單向增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)件，可大幅度提高結(jié)構(gòu)件承載能力、減輕結(jié)構(gòu)件重量。針對(duì)受剪切應(yīng)力狀態(tài)下的SiC_f/Ti結(jié)構(gòu)件，剪切性能測(cè)試方法具有重要的研究意義。

目前，針對(duì)此類復(fù)合材料的剪切測(cè)試方法仍在不斷發(fā)展中，包括軌道剪切、雙缺口剪切等不同方法。這些測(cè)試旨在獲取材料的面內(nèi)剪切強(qiáng)度、剪切模量及剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。由于纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料(MMC)的各向異性特性，其剪切性能測(cè)試需要考慮纖維取向、界面強(qiáng)度等多種因素，測(cè)試方法的標(biāo)準(zhǔn)化仍是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。

4 測(cè)試技術(shù)的新進(jìn)展

隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)材料力學(xué)測(cè)試技術(shù)也提出了更高要求。測(cè)試方法正朝著更高效、更精確和更接近真實(shí)工況的方向發(fā)展，涌現(xiàn)出許多新技術(shù)和新方法。

4.1 虛擬測(cè)試與數(shù)值模擬技術(shù)

虛擬測(cè)試技術(shù)和數(shù)值模擬在材料力學(xué)測(cè)試中的應(yīng)用日益廣泛，成為物理試驗(yàn)的有效補(bǔ)充。通過建立準(zhǔn)確的有限元模型，可以模擬材料在復(fù)雜載荷下的力學(xué)響應(yīng)，預(yù)測(cè)其破壞行為。例如，在艦載機(jī)阻攔鉤的沖擊疲勞壽命預(yù)測(cè)中，研究人員開發(fā)了經(jīng)過驗(yàn)證的有限元模型，結(jié)合VDISP子程序，再現(xiàn)了真實(shí)邊界條件下的循環(huán)沖擊序列。

變剛度復(fù)合材料的測(cè)試也大量借助數(shù)值仿真。研究人員通過應(yīng)變片和非接觸式三維光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，全面測(cè)量了變剛度復(fù)合材料平板和開孔板試件在單軸壓縮載荷過程中的面外位移和載荷方向應(yīng)變?；谠囼?yàn)方案細(xì)化的數(shù)值模型，其屈曲載荷、面外位移及應(yīng)變的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，成功提取了數(shù)值模型中的剛度分布和加載截面載荷分布，闡明了變剛度設(shè)計(jì)的抗屈曲機(jī)制。

近年來，物理信息化的數(shù)字孿生方法在測(cè)試中的應(yīng)用也逐漸增多。如Variational Physics-Informed Neural Operator (VINO)方法在復(fù)合材料層合板測(cè)試中表現(xiàn)出與實(shí)驗(yàn)的定性一致，顯示了物理知情神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在預(yù)測(cè)氣動(dòng)彈性模擬中的潛力。

4.2 智能材料與結(jié)構(gòu)測(cè)試

隨著智能材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)其力學(xué)性能的測(cè)試方法也需要不斷創(chuàng)新。形狀記憶合金(SMA)、壓電材料、磁致伸縮材料等在自適應(yīng)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，要求測(cè)試方法能夠同時(shí)考慮機(jī)械載荷和物理場(chǎng)（溫度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)）的耦合作用。

以預(yù)拉伸NiTi形狀記憶合金嵌入玻璃纖維增強(qiáng)聚合物(GFRP)層合板的研究為例，測(cè)試不僅關(guān)注靜態(tài)力學(xué)性能，更著重于其在氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性方面的增強(qiáng)效果。研究表明，SMA的集成使阻尼提高了28%，顫振速度比基線GFRP提高了20%。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這些發(fā)現(xiàn)，顯示4層試樣的振動(dòng)幅度降低了30-40%，8層試樣出現(xiàn)了6-7 Hz的頻率偏移和42%的位移減少。

與僅提供剛度的鋁插入件不同，SMA線同時(shí)提供了剛度和阻尼，能夠優(yōu)異抑制氣動(dòng)彈性失穩(wěn)。這類智能結(jié)構(gòu)的測(cè)試方法通常需要結(jié)合傳統(tǒng)力學(xué)測(cè)試和特殊功能性能測(cè)試，全面評(píng)估其力學(xué)-功能一體化性能。

4.3 測(cè)試技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

未來，航空航天材料力學(xué)測(cè)試技術(shù)將呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢(shì)：

- 標(biāo)準(zhǔn)化與個(gè)性化結(jié)合：一方面，測(cè)試方法的標(biāo)準(zhǔn)化程度將不斷提高；另一方面，針對(duì)特定應(yīng)用的個(gè)性化測(cè)試方法也將不斷發(fā)展，以更好地滿足實(shí)際工程需求。

- 多尺度測(cè)試：從宏觀力學(xué)性能測(cè)試向微觀、納觀尺度延伸，通過多尺度測(cè)試全面理解材料的力學(xué)行為與損傷機(jī)制。如通過SEM、in-situ測(cè)試等技術(shù)觀察材料微觀結(jié)構(gòu)演變與損傷過程。

- 高效測(cè)試方法：發(fā)展高通量測(cè)試技術(shù)，通過一次試驗(yàn)獲取多種性能參數(shù)，提高測(cè)試效率。同時(shí)，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，減少物理試驗(yàn)次數(shù)，降低研發(fā)成本。

- 環(huán)境模擬：隨著航空航天器性能邊界的不斷拓展，材料需要在更加的環(huán)境下工作，測(cè)試技術(shù)也需要發(fā)展相應(yīng)的環(huán)境模擬能力，如超高溫、超低溫、強(qiáng)輻射、超高真空等環(huán)境下的測(cè)試方法。

- 智能測(cè)試系統(tǒng)：結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試過程的智能化、實(shí)時(shí)化和自動(dòng)化，提高測(cè)試結(jié)果的可靠性和可重復(fù)性。

航空航天材料力學(xué)測(cè)試作為連接材料研發(fā)與工程應(yīng)用的橋梁，其重要性不言而喻。隨著測(cè)試技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們將能夠更深入地理解材料在復(fù)雜環(huán)境下的力學(xué)行為，更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)其服役性能，從而為航空航天器的安全可靠提供堅(jiān)實(shí)保障。