航空航天工業(yè)的發(fā)展始終與材料科學的進步緊密相連，而材料力學性能測試則是保障航空航天器安全可靠的基石。從高強度的金屬合金到先進的復合材料，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、真空以及復雜的應力狀態(tài)。本文將系統(tǒng)介紹航空航天材料的關(guān)鍵力學測試類型，結(jié)合國內(nèi)外最新研究成果，剖析測試方法的原理、應用場景與技術(shù)進展，為相關(guān)領(lǐng)域的研究人員和工程師提供全面參考。

1 航空航天材料力學測試概述

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

航空航天材料測試的主要類型包括靜態(tài)力學測試、動態(tài)力學測試、環(huán)境適應性測試以及特殊性能測試。靜態(tài)力學測試如拉伸、壓縮、彎曲、剪切等，用于評估材料在準靜態(tài)載荷下的基本力學性能，如強度、模量和泊松比。動態(tài)力學測試包括疲勞測試（高周疲勞、低周疲勞）、沖擊測試和斷裂韌性測試，關(guān)注材料在循環(huán)載荷或瞬態(tài)載荷下的響應和損傷演化行為。環(huán)境適應性測試則考察溫度、濕度、輻射等環(huán)境因素對材料性能的影響，如高低溫測試、熱循環(huán)測試、濕熱老化測試等。特殊性能測試針對航空航天特定工況，如蠕變、持久強度、應力腐蝕、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、鈦合金逐步擴展到各類先進材料，尤其是碳纖維增強復合材料、陶瓷基復合材料和特種金屬合金。這些材料的各向異性、非線性力學行為以及復雜損傷機制，使得測試方法需要不斷創(chuàng)新與完善。以復合材料為例，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)專門的測試標準和分析方法。

在測試標準方面，航空航天領(lǐng)域遵循著極為嚴格的規(guī)范體系，包括國際標準（如ASTM、ISO）、國家標準（如GJB）以及企業(yè)自有標準。這些標準詳細規(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性能檢測的全套方法，包括基礎(chǔ)知識、短時力學性能、疲勞斷裂力學性能以及長時力學性能試驗，為行業(yè)提供了重要參考。

關(guān)鍵性能指標的獲取是材料測試的核心目標。對于航空航天結(jié)構(gòu)設(shè)計，必需的性能數(shù)據(jù)包括：彈性模量、屈服強度、抗拉強度、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，用于預測構(gòu)件壽命和可靠性。特別是在新型飛行器的研發(fā)階段，全面而準確的材料性能數(shù)據(jù)是減重設(shè)計、壽命預測和可靠性評估的基礎(chǔ)，具有極大的工程價值。

2 復合材料的結(jié)構(gòu)性能測試

復合材料因其高比強度、高比模量和可設(shè)計性等優(yōu)點，已成為航空航天結(jié)構(gòu)的主流材料。從飛機機翼、機身蒙皮到衛(wèi)星支架、航天器外殼，復合材料的應用范圍不斷擴大。然而，復合材料的各向異性和非均勻特性也使其力學行為更加復雜，需要專門的測試方法與評價標準。

2.1 靜態(tài)力學性能測試

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

拉伸測試可獲取材料的彈性模量、泊松比、拉伸強度及破壞模式。復合材料拉伸測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°方向分別測試，以全面表征其各向異性特性。壓縮測試則關(guān)注材料在壓力作用下的穩(wěn)定性及破壞模式，復合材料的壓縮性能通常較拉伸性能敏感，尤其對纖維-基體界面性能、孔隙缺陷等更為敏感。

彎曲測試作為一種綜合性能測試，同時反映了材料拉伸和壓縮性能，且對試樣的制備要求相對寬松，被廣泛應用于復合材料質(zhì)量控制和初步篩選。三點彎曲和四點彎曲是兩種常用方法，其中三點彎曲試驗操作簡便，而四點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/氰酸酯復合材料的研究中，研究者通過三點彎曲測試揭示了材料從線性彈性到非線性變形，直至塑性流動的全過程，并精確識別了各階段的應力閾值。

2.2 層間與剪切性能測試

復合材料的層間性能和剪切性能對其結(jié)構(gòu)完整性至關(guān)重要。層間剪切測試用于評估復合材料層與層之間的結(jié)合強度，通常采用短梁剪切法?？v橫剪切測試則關(guān)注面內(nèi)剪切性能，對于±45°試樣的拉伸剪切測試是常用方法。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合材料的指標要求。

對于厚截面復合材料，測試方法面臨額外挑戰(zhàn)。中國飛機強度研究所的研究團隊針對厚截面復合材料層壓板開展了系統(tǒng)的測試方法研究，分析了含/不含加強片試樣對無缺口拉伸、無缺口壓縮以及剪切試驗結(jié)果的影響。研究發(fā)現(xiàn)，加強片材料、夾持力大小對試驗破壞模式有顯著影響，合理的加強片設(shè)計可以有效避免應力集中導致的提前破壞，從而獲取真實反映材料性能的測試數(shù)據(jù)。

2.3 環(huán)境適應性測試

航空航天復合材料結(jié)構(gòu)需要在復雜的溫度、濕度環(huán)境下長期工作，環(huán)境適應性成為測試中的環(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)下的力學性能。結(jié)果表明，環(huán)境濕度和溫度對層壓板力學性能的影響較為明顯，這與樹脂基體的吸濕軟化效應以及高低溫下的性能變化密切相關(guān)。

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

熱沖擊實驗采用液氮-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)時分層面積占比達17%，表明材料在非穩(wěn)態(tài)熱應力場中會形成梯度損傷。這一發(fā)現(xiàn)對衛(wèi)星展開機構(gòu)等間歇性暴露部件的設(shè)計具有重要警示意義。

3 典型金屬材料的特殊測試

盡管復合材料應用日益廣泛，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)動機部件和起落架系統(tǒng)等方面。高強度鋼、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。針對這些材料的特殊測試方法也不斷發(fā)展完善。

3.1 高強鋼的沖擊與疲勞測試

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

針對這一情況，研究人員開發(fā)了綜合實驗-數(shù)值框架，集成碰撞-回彈測試、有限元動態(tài)模擬和基于連續(xù)介質(zhì)損傷力學(CDM)的疲勞建模。重復沖擊實驗在專用測試平臺上進行，用于捕捉鉤頭關(guān)鍵區(qū)域的瞬態(tài)應變演化。通過結(jié)合有限元分析和損傷力學模型，可以實現(xiàn)對高強鋼沖擊疲勞壽命的準確預測。比較分析表明，該方法下應變和沖擊力的實驗值與數(shù)值預測偏差在6.6%以內(nèi)，顯著提高了預測精度。

這種虛擬疲勞測試與連續(xù)損傷力學相結(jié)合的方法，不僅彌補了物理試驗與虛擬預測之間的差距，還提供了一種評估率相關(guān)疲勞退化的通用方法，為艦載阻攔系統(tǒng)的預測性設(shè)計和壽命評估提供了有力工具。

3.2 SiC_f/Ti復合材料的剪切性能測試

SiC纖維增強鈦基復合材料（SiC_f/Ti）因其在纖維方向上具有優(yōu)異的力學性能，被廣泛應用于航空航天領(lǐng)域。將其制成單向增強的結(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。針對受剪切應力狀態(tài)下的SiC_f/Ti結(jié)構(gòu)件，剪切性能測試方法具有重要的研究意義。

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

4 測試技術(shù)的新進展

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

4.1 虛擬測試與數(shù)值模擬技術(shù)

虛擬測試技術(shù)和數(shù)值模擬在材料力學測試中的應用日益廣泛，成為物理試驗的有效補充。通過建立準確的有限元模型，可以模擬材料在復雜載荷下的力學響應，預測其破壞行為。例如，在艦載機阻攔鉤的沖擊疲勞壽命預測中，研究人員開發(fā)了經(jīng)過驗證的有限元模型，結(jié)合VDISP子程序，再現(xiàn)了真實邊界條件下的循環(huán)沖擊序列。

變剛度復合材料的測試也大量借助數(shù)值仿真。研究人員通過應變片和非接觸式三維光學測量系統(tǒng)，全面測量了變剛度復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變?；谠囼灧桨讣毣臄?shù)值模型，其屈曲載荷、面外位移及應變的計算結(jié)果與試驗結(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)計的抗屈曲機制。

近年來，物理信息化的數(shù)字孿生方法在測試中的應用也逐漸增多。如Variational Physics-Informed Neural Operator (VINO)方法在復合材料層合板測試中表現(xiàn)出與實驗的定性一致，顯示了物理知情神經(jīng)網(wǎng)絡在預測氣動彈性模擬中的潛力。

4.2 智能材料與結(jié)構(gòu)測試

隨著智能材料在航空航天領(lǐng)域的應用，對其力學性能的測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結(jié)構(gòu)中的應用，要求測試方法能夠同時考慮機械載荷和物理場（溫度、電場、磁場）的耦合作用。

以預拉伸NiTi形狀記憶合金嵌入玻璃纖維增強聚合物(GFRP)層合板的研究為例，測試不僅關(guān)注靜態(tài)力學性能，更著重于其在氣動彈性穩(wěn)定性方面的增強效果。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%。風洞實驗驗證了這些發(fā)現(xiàn)，顯示4層試樣的振動幅度降低了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線同時提供了剛度和阻尼，能夠優(yōu)異抑制氣動彈性失穩(wěn)。這類智能結(jié)構(gòu)的測試方法通常需要結(jié)合傳統(tǒng)力學測試和特殊功能性能測試，全面評估其力學-功能一體化性能。

4.3 測試技術(shù)的發(fā)展趨勢

未來，航空航天材料力學測試技術(shù)將呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：

- 標準化與個性化結(jié)合：一方面，測試方法的標準化程度將不斷提高；另一方面，針對特定應用的個性化測試方法也將不斷發(fā)展，以更好地滿足實際工程需求。

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

- 高效測試方法：發(fā)展高通量測試技術(shù)，通過一次試驗獲取多種性能參數(shù)，提高測試效率。同時，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，減少物理試驗次數(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，測試技術(shù)也需要發(fā)展相應的環(huán)境模擬能力，如超高溫、超低溫、強輻射、超高真空等環(huán)境下的測試方法。

- 智能測試系統(tǒng)：結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)測試過程的智能化、實時化和自動化，提高測試結(jié)果的可靠性和可重復性。

航空航天材料力學測試作為連接材料研發(fā)與工程應用的橋梁，其重要性不言而喻。隨著測試技術(shù)的不斷進步，我們將能夠更深入地理解材料在復雜環(huán)境下的力學行為，更準確地預測其服役性能，從而為航空航天器的安全可靠提供堅實保障。