复合材料科学与工程

张晓刚, 崔迪, 张昊, 沙勇

2026, 0(7): 1-11. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260728.001

摘要 ( 20 )

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为提升运动头盔对低速集中冲击载荷的防护性能,设计了一种仿龟甲层级吸能结构(Bionic-turtle-shell Hierarchical Sandwich Structure,BHSS),采用数值模拟方法探究了BHSS在冲击载荷下的动态响应规律,系统分析了碳纤维铺层角度、橡胶缓冲层厚度、三周期极小曲面(Triply Periodic Minimal Surface,TPMS)胞元构型及壁厚对冲头加速度响应与结构能量吸收特性的影响。结果表明:73.98 J冲击能量作用下,冲头侵彻BHSS的动态过程可分为弹性变形、损伤起始、损伤加剧、刚度强化与回弹五个阶段;TPMS多孔芯层为BHSS核心吸能部件,吸能占比达63.76%,结构整体吸能峰值为63.77 J;正交铺层(cross-ply)、角铺层(angle-ply)和准各向同性铺层(quasi-isotropic)的碳纤维铺层角度对BHSS吸能峰值的影响微弱;橡胶缓冲层可有效降低冲击加速度峰值,但存在明显边际效应;P型胞元构型的BHSS综合缓冲吸能效果最优,增加胞元壁厚会使冲头加速度峰值显著上升。

“动态响应熵”驱动的激光冲击CFRP界面弱结合缺陷检测方法

王腾奥, 屈美娇, 宋雨恒, 程丹阳, 刘宇程

2026, 0(7): 12-17. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260728.002

摘要 ( 11 )

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针对碳纤维增强复合材料(Carbon Fibre Reinforced Plastics, CFRP)界面弱结合缺陷检测难题,提出“动态响应熵”驱动的激光冲击CFRP界面弱结合缺陷原位检测方法。该方法采用光子多普勒测速系统(Photonic Doppler Velocimetry,PDV)记录不同能量、脉宽的激光冲击作用下CFRP试件背面粒子速度响应,冲击后采用计算机断层扫描技术(Computed Tomography, CT)检测试件内部状态,发现激光冲击CFRP动态响应信号时域分布无序度与冲击波诱导的CFRP界面层裂行为之间存在显著关联,在此基础上,定义动态响应信号时间序列的模式混乱程度为“动态响应熵”,以熵值表征材料在激光冲击作用下是否发生层裂。结果表明,未层裂试件的“动态响应熵”熵值均为零,而层裂试件的“动态响应熵”熵值均明显大于零,证明了“动态响应熵”在激光冲击波诱导的CFRP界面层裂行为表征的有效性,为激光冲击CFRP界面弱结合缺陷检测提供了技术方案。

钛合金与碳纳米复合材料的制备及力学性能的研究

闻洪哲

2026, 0(7): 18-23. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260728.003

摘要 ( 16 )

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为探究成型工艺与温度环境对钛合金与碳纳米复合材料(CNTs/Ti)力学性能的影响,本文采用碳纳米管对钛合金材料表面进行改性,利用湿法球磨法制备CNTs/Ti粉末,采用选区激光熔化技术制备拉伸试件,系统研究了不同温度环境下CNTs/Ti的拉伸力学性能。结果表明:当球磨时间为5 h时,C元素显著增加至22.78at%;-58 ℃下,CNTs含量为0.6wt‰的试件抗拉强度最高,低温循环与低温(-58 ℃)下的变化趋势相同;600 ℃下,CNTs含量为0wt‰的试件抗拉强度最高。观察试件断口可知,试件在-58 ℃和600 ℃下仍旧保持较高塑性。

超细玻璃纤维棉毡的形貌结构及导热系数研究

马晓勇, 王世鹏, 李刚, 占浩, 林小军, 张亚娟, 李杲

2026, 0(7): 24-32. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260728.004

摘要 ( 9 )

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采用扫描电子显微镜与压汞法测量了2种超细玻璃纤维棉毡的形貌结构参数,并采用瞬态平面热源法探究了温度变化对棉毡导热系数的影响。结果表明:棉毡一的平均纤维直径更小(3.36 μm),孔隙率更高(95.51%),总孔隙体积和面积更大(分别为0.013 2 m³/kg和1 270 m²/kg);而棉毡二的平均纤维直径较大(6.27 μm),孔隙率、总孔隙体积、总孔隙面积分别为93.61%、0.008 3 m³/kg和669 m²/kg。当测试温度为273.15 K时,棉毡一与棉毡二的平均导热系数分别为0.025 7 W/(m·K)和0.030 7 W/(m·K)。随着测试温度升高,分子热运动加快,2种棉毡的导热系数均呈增大趋势。393.15 K时,棉毡一与棉毡二的平均导热系数分别增至0.037 0 W/(m·K)和0.043 3 W/(m·K);此外,由于棉毡一的纤维直径更小、孔隙率更高、总孔隙体积及面积更大,其导热系数始终低于棉毡二,绝热性能更好。该研究为超细玻璃纤维棉毡在工程绝热领域的应用提供了理论依据和数据参考。

基于变刚度软物质的复合材料预紧力齿力学性能研究

李飞, 许伟, 赵烈秋, 陈维昭

2026, 0(7): 33-43. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260728.005

摘要 ( 9 )

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软物质的嵌入使复合材料预紧力齿接头中各齿的荷载分配趋于均匀,提高了接头的承载性能,但同时也导致单齿齿端出现应力集中现象,无法充分发挥软物质的性能。基于此,本文提出了嵌入变刚度软物质的单齿接头构型,通过试验与有限元模型,对比分析了等刚度与变刚度软物质对单齿接头承载力的影响。研究结果表明:相较于传统单齿接头,嵌入等刚度软物质使单齿接头的承载力降低了54.4%,而嵌入变刚度软物质使单齿接头的承载力提升了12.5%;相较于等刚度软物质,变刚度软物质的嵌入能够有效降低复合材料齿端的应力集中,从而提升接头的承载性能。

基于RVE模型的开孔层合板拉伸强度不确定性分析

李恩情, 刘兴龙, 宋挺, 卢翔

2026, 0(7): 44-56. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260728.006

摘要 ( 8 )

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针对材料制备过程中纤维和孔隙不均匀导致开孔层合板力学性能分散性的问题,开发了一种随机分布纤维-基体-孔隙三相RVE模型的生成算法,进行了开孔层合板宏细观渐进损伤分析,并利用混沌多项式展开方法求解纤维与孔隙的尺寸(R_f,R_v)和体积分数(V_f,V_v)的灵敏度,实现了对开孔层合板拉伸强度的不确定性预测。分析结果表明:在V_f降低与V_v增加的综合影响下,开孔层合板的弹性性能参数最大降幅为29.47%,极限载荷降幅为14.51%,均显著超过单一参数(V_f或V_v)变化引起的相应最大降幅(19.5%、10.94%)。对于开孔层合板失效位移,各参数影响排序为:V_f > R_f > V_v >R_v;对于开孔层合板极限载荷,各参数影响排序为:V_v > V_f > R_v > R_f。这表明体积分数变化影响均高于尺寸变化影响。

玄武岩纤维筋与玄武岩纤维煤矸石混凝土的黏结性能研究

李坤, 刘华新, 刘镇荣

2026, 0(7): 57-65. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260728.007

摘要 ( 6 )

PDF (9996KB) ( 19 )

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为研究BFRP筋与自燃煤矸石骨料混凝土之间的黏结性能,采用中心拉拔试验,分析了煤矸石细骨料替代率和玄武岩纤维体积分数对界面黏结行为的影响,并对典型黏结滑移模型的适用性进行了对比。试验结果表明,BFRP筋与煤矸石混凝土的界面破坏模式主要为劈裂破坏和拔出破坏。适量煤矸石细骨料可显著提升界面黏结性能;当替代率为25%时,峰值黏结强度达到最大;而替代率进一步提高时,会因骨料孔隙率较大导致黏结性能下降。玄武岩纤维对界面性能具有明显增强作用,黏结强度随纤维体积分数增加呈先增后降趋势,其中0.15%为最优掺量。模型对比结果表明,CMR模型能够较准确地描述BFRP筋与煤矸石混凝土的黏结-滑移关系。本研究可为煤矸石资源化利用及BFRP筋混凝土结构设计提供参考。

多层混杂纤维复合材料等效渗透率影响特性分析

李永静, 胥昇文, 晏石林, 张晓楠

2026, 0(7): 66-73. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260728.008

摘要 ( 7 )

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混杂纤维复合材料综合性能显著优于单一纤维复合材料。渗透率作为表征纤维被浸渍能力的核心参数,直接影响制品的质量与力学性能。本文采用数值模拟与试验相结合的方法,开展混杂纤维复合材料等效渗透率研究。建立了考虑纤维束内孔隙率的双尺度多孔介质单胞模型,与试验结果进行对比,验证了该方法的可靠性。考察了纤维种类、铺层方式及嵌套效应对单胞等效渗透率的影响特性。结果表明:单胞内碳纤维含量增加会显著降低单胞等效渗透率;不同铺层顺序下,低渗透率层会抑制高渗透率层内流体流动,进而降低单胞等效渗透率;嵌套效应会减小织物内部孔隙率、增大流动通道曲度,导致单胞等效渗透率显著下降。

中间相沥青改性可陶瓷化硅橡胶复合材料性能及烧蚀层微观分析

吴李炜, 赵杨阳, 刘欣, 黄志雄, 王雁冰

2026, 0(7): 74-82. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260728.009

摘要 ( 8 )

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以硅橡胶为基体,硅化钼(MoSi₂)为耐烧蚀填料,玻璃料为低熔点填料,中间相沥青(Mesophase Pitch,MP)为助陶瓷化反应物质,通过混炼的方法制备可陶瓷化硅橡胶。测试了复合材料在室温下的拉伸强度,经600 ℃、800 ℃、1 000 ℃、1 200 ℃高温热处理后的弯曲强度,以及在氧-乙炔火焰烧蚀后烧蚀中心区域的微观形貌和物相演变。研究了MP含量对可陶瓷化硅橡胶复合材料力学性能、高温抗氧化性能和耐烧蚀性能的影响。结果表明,添加20份MP的复合材料经过1 200 ℃热处理后的弯曲强度可达9.54 MPa,相较于未添加MP的复合材料提升了55.9%。微观形貌显示:MP的加入能够有效改善炭层的致密性;随着MP含量的增高,复合材料表面逐渐变得平整,表面基本观察不到裂纹和孔洞。

吸波蜂窝夹层结构损伤后的吸波性能研究

曹慧杰, 孙运刚, 宣善勇

2026, 0(7): 83-92. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260728.010

摘要 ( 10 )

PDF (14774KB) ( 29 )

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在实际应用中,吸波蜂窝夹层结构易出现透波蒙皮分层、脱黏和冲击损伤等问题,进而影响其电磁波吸收性能。本文基于一种优化设计的吸波蜂窝夹层结构,建立了含不同典型损伤的仿真分析模型,分析了透波蒙皮分层、蒙皮-蜂窝脱黏以及蒙皮破损等损伤形式对吸波性能的影响,验证了研究结果在不同损伤形状、电磁波入射角度及极化方式下的适用性,最后建立了分层脱黏及蒙皮损伤的吸波蜂窝夹层结构理论模型,详细讨论了损伤对结构吸波性能的影响机制。研究结果表明:分层及脱黏损伤对吸波蜂窝夹层结构在低频带下的吸波性能几乎没有影响,对结构在高频带下的吸波性能甚至有所提升,当损伤直径达到100 mm时,结构的有效吸波带宽最多仅降低了0.06 GHz;透波蒙皮破损则会破坏结构的阻抗匹配特性,使吸收峰向高频移动,导致中高频吸波性能显著下降,当损伤直径达到60 mm时,结构的有效吸波带宽降低了0.6 GHz,平均反射率升高了0.6 dB。

基于微波特征的储氢气瓶塑料内胆及碳纤维层缺陷识别

郭凯, 卞昭沛, 凌晓, 牛江, 姚勇创

2026, 0(7): 93-99. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260728.011

摘要 ( 8 )

PDF (9525KB) ( 22 )

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为实现塑料内胆及碳纤维层的无损检测,本文采用微波检测技术,对含预制缺陷的塑料片与碳纤维样品展开实验研究。首先,设计了四种铺层角度的碳纤维样品,并对塑料片及碳纤维试件进行了缺陷加工;然后,通过微波检测系统对样品进行测试,结合检测数据完成缺陷评估与特征分析。结果表明:0°铺层角度下透射参数(S₂₁)稳定性最佳,拟合度最高,此时微波信号受干扰最小,最利于缺陷检测。此外,缺陷会显著改变微波透射,不同类型缺陷在S参数上呈现独特的变化规律,可用于缺陷识别。本研究为储氢气瓶复合材料结构的微波无损检测提供了参数优化依据与缺陷识别新思路。

风电叶片防除冰电加热膜的防雷击性能模拟研究

卢家骐, 蒋慧, 陈超, 唐少春

2026, 0(7): 100-107. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260728.012

摘要 ( 7 )

PDF (10686KB) ( 20 )

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风电叶片在低温高湿环境下运行时极易结冰,严重劣化其气动性能并大幅降低发电效率。电加热膜因其高效融冰、轻量化及长寿命等优势,已成为风电叶片防除冰的关键技术。然而,电加热膜作为叶片表面的分布式导电结构,在雷暴天气下更易遭受雷击,瞬态强电流和高电压可能引发电热耦合损伤,抗雷击性能不足是影响风电机组可靠性的关键因素。本文针对风电叶片电加热膜的抗雷击性能问题,采用有限元分析方法,建立了精细化的电热耦合模型。在此模型基础上,模拟不同雷电流波形下电加热膜的电热响应特性,并对比分析了多层防护结构对防雷击性能的影响。研究表明,采用高密度防雷铜网(195 g/m²)结合树脂增强层的复合结构,可显著降低雷击瞬间电加热膜内部的电场集中和温度梯度,提升电加热膜抵抗瞬态高电压击穿和热损伤的能力。本研究为风电叶片防除冰电加热膜的结构优化提供了重要的理论依据与技术参考。

抽芯铆钉多钉连接复合材料搭接板的失效特征研究

张恒, 董炜璘, 熊若钦, 王润泽, 杨晨, 耿小亮, 李林松, 杨晋, 刘军

2026, 0(7): 108-116. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260728.013

摘要 ( 7 )

PDF (10374KB) ( 19 )

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本文通过单剪多钉连接拉伸试验与仿真分析,研究了沉头抽芯铆钉多钉连接的复合材料搭接板的承载能力,重点探讨搭接高度和铆钉排列形式的影响。试验结果表明,破坏形式主要为铆钉钉体断裂及层合板局部损伤,铆钉断裂由层合板剪切作用导致,层合板损伤源于铆钉孔边挤压。研究发现,搭接高度与承载能力无明显正相关性,不同排列方式因铆钉数量不同而承载能力各异,平行排列承载能力较交错排列高。此外,使用强度更高的T700碳纤维复合材料搭接板,并未提升多钉连接结构的承载能力,反而因应力集中和载荷分配不均,较T300碳纤维复合材料搭接板承载能力降低。

基于多目标优化的构件外形检测路径规划方法

安韬, 孙小巍, 刘战伟, 刘凯, 李建溪, 王兴华

2026, 0(7): 117-125. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260728.014

摘要 ( 8 )

PDF (8826KB) ( 21 )

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大型复合材料构件的加工过程需要在不同阶段随时对成型情况进行评估测量,常用的人工经验法或自动化方法检测精度低且效率不足。为解决各加工阶段对大尺寸复杂构件进行外形成型快速检测的问题,需发展一种满足双目激光测量系统约束条件并对目标件进行外形检测路径规划的方法。以大尺寸船舶板件的三维模型为基础,获取板件初始外观数据,考虑板件自身的几何特征和测量系统的有效工作范围,对模型进行分区,获得检测路径的初始空间视点网络。采用非支配排序遗传算法对视点网络进行空间搜索规划,将测量系统的约束条件作为多目标联合优化函数,将视点覆盖率与个数作为优化目标,对视点网络进行优化。将优化后的视点网络作为输入,将路径优化问题转化为空间三维旅行商问题,使用改进蚁群算法对遍历所有视点的路径进行优化分析,引入成本函数对优化后的路径进行评价,通过试验验证,最终发展得到具有测量路径短、消耗时间少、模型覆盖率高等特点的大尺寸构件外形检测路径规划方法。

曲面功能复合材料结构电磁性能的分区梯度设计分析

杨胜书, 礼嵩明, 郭闻, 刘雨舜, 鹿海军

2026, 0(7): 126-133. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260728.015

摘要 ( 6 )

PDF (8263KB) ( 20 )

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本文分析了基于平板结构的梯度电磁功能复合材料设计在曲面结构应用中雷达散射截面积(Radar Cross Section,RCS)减缩效果受限的可能原因,通过引入按电磁波入射角分区的曲面功能复合材料结构梯度设计方法,实现了曲面功能复合材料结构低频双极化电磁性能优化提升。本文指出:整体梯度设计可以实现平板结构RCS减缩效果提升,但在曲面结构情况下,由于曲面结构表面各点局部实际电磁波入射角在随位置变化,同为电磁波垂直照射,整体梯度设计在曲面结构情况下难以直接发挥其电磁散射抑制优化效果,需要在梯度设计时考虑入射角因素才可实现RCS减缩能力的提升。本文提出了按入射角分区的梯度电结构设计方法,并优化分析了按入射角分区梯度设计的曲面功能复合材料结构,实现了1~2 GHz水平极化平均RCS减缩效果较单一种类电磁芯材提升8.94 dB,1~6 GHz平均RCS减缩达16 dB以上。最终获得了在低频水平极化下具有高效低频减缩性能,且兼具垂直极化减缩能力的曲面功能复合材料结构。

气囊内胀法制备发动机复合壳体的技术研究

李世成, 周琳赟, 史文锋, 王志远, 李来福

2026, 0(7): 134-140. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260728.016

摘要 ( 6 )

PDF (7576KB) ( 20 )

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为了保证两端收口复合壳体的内部质量,采用斜带平叠螺旋缠绕和气囊内胀法进行制备。通过试验测试黏合后的斜带性能来确定黏合参数,设计斜带缠绕模型并推算斜带变形量来确定缠绕参数,选择不同气囊压力进行试验和测试,对比样件的性能差异。结果表明,斜带黏合的优选时间为1 s,黏合温度为80~90 ℃,缠绕时斜带最大变形量控制在10 mm左右,气囊压力为3 MPa时,制备的内绝热壳体内部质量最优。

孔隙率对风电叶片用大厚度复合材料结构弯曲刚度影响研究

胡聪丽, 王晓菁, 丁安心

2026, 0(7): 141-149. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260728.017

摘要 ( 13 )

PDF (8907KB) ( 26 )

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研究了孔隙率对风电用大厚度复合材料结构弯曲刚度的影响,通过真空导入工艺制备了孔隙率为0.64%、2.04%和5.42%的大厚度复合材料层合板,按照ISO 14125标准制备四点弯曲试样,开展100万次弯曲疲劳循环试验。基于应变法和挠度法,分别计算了疲劳试验前及循环20万、60万、80万、100万次后试样的弯曲模量。试验结果表明:对于高孔隙率(5.42%)试样,两种测试方法计算的模量差异显著,应变法计算的模量值偏高61%,这源于应变片仅能捕捉表层应变,无法反映含层间分层等内部缺陷结构的整体承载能力;孔隙率对结构弯曲模量的衰减具有显著影响,低孔隙率(0.64%)试样经100万次疲劳循环后模量下降3.7%,从52.18 GPa 衰减到50.27 GPa,而高孔隙率(5.42%)试样在20万次疲劳循环后模量下降38.4%,从50.65 GPa 衰减到31.21 GPa,并在100万次疲劳循环后进一步降至28.90 GPa。最后,基于试验数据建立了考虑孔隙率的弯曲模量衰减模型。该模型可为大厚度复合材料壳单元在弯曲载荷下的力学仿真分析提供数据支持。

电磁吸收复合材料及构件电磁性能测试技术

齐楠, 杨开, 郭闻, 鹿海军

2026, 0(7): 150-162. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260728.018

摘要 ( 5 )

PDF (1799KB) ( 26 )

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作为连接电磁吸收复合材料理论研究与工程应用的关键环节,电磁性能测试技术是揭示损耗机制、指导材料研发、评价材料及构件性能的重要手段。随着电磁吸收复合材料在航空、航天、船舶等高精尖领域的广泛应用,对电磁性能测试技术的精确性、稳定性与工程适用性提出了日益迫切的需求。因此,有必要对其研究现状、现存问题及发展趋势进行系统总结。本文从电磁参数、吸收特性以及构件性能等维度,对电磁吸收复合材料及其构件的电磁性能测试技术研究现状进行了系统梳理,总结了其在测试精度、工作频带及工程适用性等方面的前沿成果,并在此基础上对其发展趋势和应用前景进行展望。

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