复合材料科学与工程

姜端洋, 丁国民, 徐建蓉, 蔡永祺, 王垚, 梅启林

2025, 0(7): 1-9. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250728.001

摘要 ( 23 )

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氧化石墨烯(GO)薄膜具有优异的选择透过性,但其较低的制备效率和极差的耐水性能严重影响其发展与应用。为了改善GO薄膜的耐水性能,本文提出一种快速制备自支撑疏水聚合物(PMMA)/GO复合薄膜的方法。通过调控三元溶剂(丙酮-乙醇-水)比例将疏水PMMA与亲水GO共同分散到一起,并对其分散机制进行解释。此方法凭借易于挥发的溶剂体系,采用负压辅助成膜方法在气液界面快速自组装形成自支撑复合薄膜,最短成膜时间仅需6 s。复合薄膜的FTIR与XRD图谱及SEM结果表明PMMA与GO成功复合且形成致密的叠层结构。随着PMMA含量的增加,复合薄膜层间规整程度先增加再降低。成膜压力过高,会使薄膜规整程度变差。得益于PMMA的引入及其特殊结构,复合薄膜的拉伸强度提高44.39%。该薄膜耐水性能明显增强,与GO薄膜相比,体积溶胀率减少98.11%。本文采用三元溶剂体系大幅提高GO成膜性和成膜速度,制备的复合薄膜具有较好耐水性能,可极大扩展GO薄膜的应用场景。

NiTi-SMA丝/环氧树脂界面黏结性能试验与数值模拟

卢春玲, 甘潇, 杜诗远, 王强, 朱万旭

2025, 0(7): 10-18. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250728.002

摘要 ( 8 )

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研究了各因素对镍钛形状记忆合金(NiTi-SMA)丝/环氧树脂界面黏结性能的影响。首先通过SMA丝拔出试验测定SMA丝/环氧树脂界面的黏结强度,重点探究胶结剂种类、SMA丝黏结长度与预应变水平对界面破坏模式以及黏结强度的影响;然后基于内聚力模型对界面力学行为进行数值模拟,进一步分析SMA丝拔出过程的剪应力分布;最后根据试验结果建立荷载-滑移本构模型。结果表明:Sikadur-330 CN和Lica-102的破坏模式均为SMA丝/环氧树脂界面黏结破坏,且有效黏结长度处于2.0~3.0 cm之间。黏结性能最佳的是Sikadur-330 CN环氧浸渍树脂,其黏结强度约为另一胶体黏结强度的1.20~1.42倍。SMA丝预应变水平为12%时的黏结强度是其他预应变水平黏结强度的1.37~3.16倍。建立的荷载-滑移本构模型能够较好地模拟SMA丝/环氧树脂界面的力学行为。本研究可为FRP/SMA复合材料的设计制备以及实际工程应用提供一定的理论支撑。

复合材料-钛合金带衬套螺栓连接拉伸性能的数值模拟分析

崔九洋, 赵江铭, 郑思民, 郑艳萍

2025, 0(7): 19-26. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250728.003

摘要 ( 7 )

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本文在试验验证仿真模型可行性的基础上,通过数值模拟方法探究了衬套材料、螺栓孔尺寸、螺栓预紧力等参数对复合材料-钛合金带衬套螺栓连接结构拉伸性能的影响,为该结构的设计提供一定的理论参考。研究结果表明:衬套材料对带衬套螺栓接头承载能力的影响几乎可以忽略;螺栓孔径为5~7 mm时,增大螺栓孔尺寸可以提高接头的承载能力,当螺栓孔径为7 mm时,相较于未使用衬套的接头,带衬套接头的拉伸失效载荷提升了32.21%,当孔径超过7 mm时,接头的承载能力有所下降;拧紧力矩为0.5~3.5 N·m时,增加螺栓拧紧力矩可以提高接头的承载能力,当拧紧力矩超过3.5 N·m时,接头的承载能力有所下降。

腐蚀环境对碳纤维复合材料二次冲击损伤和剩余压缩强度的影响

陈燕荣, 王兴银, 许良, 孙琳, 王鑫

2025, 0(7): 27-32. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250728.004

摘要 ( 10 )

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碳纤维复合材料的性能很大程度上取决于使用环境。本文研究同一温度(70 ℃)下,三种老化环境(蒸馏水、质量分数均为10%的硫酸溶液和氢氧化钠溶液)对T700碳纤维/环氧树脂基复合材料二次冲击损伤和剩余压缩强度的影响,并研究分析了其傅里叶变换红外光谱(FTIR)、老化前后的表面形貌及C扫损伤形貌变化。结果表明:在蒸馏水和酸溶液中,试样只发生了物理破坏,其表面形貌破坏程度、C扫损伤形貌、剩余压缩强度等变化均与水分子的渗透作用有关系;在碱溶液中,试样破坏严重,树脂也发生了化学反应,材料的性能、C扫损伤形貌等变化既有吸湿的影响,也有树脂化学破坏的影响。本文研究结果对提升此类复合材料在复杂环境下的持续服役寿命和维修经济性有着十分重要的实际意义。

空心玻璃微珠填充环氧树脂复合泡沫材料压缩模量研究

王烨煊, 高双, 高进城, 杨钒, 丁安心

2025, 0(7): 33-40. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250728.005

摘要 ( 11 )

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压缩模量是评估空心玻璃微珠填充环氧树脂复合泡沫材料力学性能的关键指标之一,准确预测其幅值对于工程应用具有重要意义。本文通过系统的压缩实验,研究了不同体积分数玻璃微珠填充环氧树脂复合泡沫材料力学压缩模量的变化,并将实验结果与Nielsen模型、线性模型以及平方律加和模型的预测值进行了对比。结果表明:对于玻璃微珠体积分数高于30%的体系,线性模型预测的复合泡沫材料的压缩模量误差最小,但低体积分数样品玻璃微珠分布不均匀,导致线性模型预测值出现较大偏差;对于低体积分数样品,采用Nielsen模型的预测结果相对准确;相比之下,平方律加和模型预测的空心玻璃微珠填充环氧树脂复合泡沫材料压缩模量误差最大。

纤维细观结构对SiC/SiC复合材料综合力学性能影响规律研究

梅文斌, 许慎微, 付泽宇, 陈欢

2025, 0(7): 41-48. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250728.006

摘要 ( 6 )

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SiC/SiC复合材料的综合力学性能及失效模式与纤维预制体内部细观结构形式密切相关。本文基于复合材料多尺度分析方法,开展多尺度单胞建模,结合渐进损伤分析,分析预测了微观尺度纤维束和细观尺度编织复合材料的综合力学性能,并与弯曲测试结果进行对比,验证了多尺度分析方法及组分本构模型的正确性,并进一步分析研究了二维铺层SiC/SiC复合材料中纤维编织结构和铺层角度等细观结构参数对材料宏观综合力学性能的影响。计算结果表明:在相同纤维体积分数条件下,不同纤维细观结构对复合材料的弹性模量影响很小,但对破坏强度有显著影响,其中纤维编织结构主要影响面内主方向拉伸强度,斜纹结构比平纹结构高约30%;织物铺层角度对面内主方向拉伸和剪切强度影响较大,0°铺层结构面内拉伸强度比45°铺层面内拉伸强度高约85%,但面内剪切强度要低约30%;此外,编织结构和铺层角度对层间剪切强度几乎没有影响,该性能主要由层间加强纤维和层间基体孔隙率决定。本文结果可为SiC/SiC复合材料构件研制时的纤维预制体结构设计提供支撑。

复合材料外骨骼关节一体化设计及力学行为研究

谢军虎, 赵英豪, 郝自清, 陈磊

2025, 0(7): 49-60. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250728.007

摘要 ( 8 )

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本文提出一种全新的结构-关节一体化构型方案,利用板壳的屈曲与后屈曲现象,设计了复合材料结构-关节一体化的基本构型,通过最小势能原理,推导了复合材料结构-关节一体化构型在弯曲过程中的回复弯矩,建立了一体化关节几何参数-材料力学性能参数与助力效果(回复力矩)之间的映射关系。采用非接触式全场变形测量系统,搭建了试验平台,验证了助力效果的理论结果,并结合有限元渐进损伤失效分析方法,研究了准静态折叠情况下复合材料结构一体化关节的力学行为与材料损伤演化模式,并进一步研究了不同几何参数对一体化关节稳定支撑和助力效果的影响。该探索性研究在满足无动力背负外骨骼结构-关节体系基本功能性需求的前提下,可大幅减少零件数量、减轻结构重量、降低产品的加工成本。

湿热振动环境下不同穿孔间距的层合板修理尺寸边界分析

谢昊航, 崔开心, 卢翔, 王明夫

2025, 0(7): 61-70. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250728.008

摘要 ( 7 )

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针对复合材料结构小范围内的多处损伤,如何确定湿热环境下合理的修理尺寸边界对超手册修理方案设计和民机复合材料修理标准制定具有重要的工程应用价值。通过ABAQUS软件仿真和试验验证,研究湿热效应下双孔损伤碳纤维/环氧树脂层合板的修理尺寸边界对振动特性的影响。基于一阶剪切变形理论(FSDT)和Hamilton原理推导了层合板在湿热效应下的本构方程和自由振动控制方程。利用ABAQUS建立了双面合并/分别挖补修理层合板模型,分析在不同环境条件下,不同损伤孔距的双面挖补修理层合板与完整板的振动特性。结果表明:合并修理的固有频率随孔距增大而减小、分别修理的固有频率随孔距增大而增大,且此变化趋势不随温湿度的改变而改变。当损伤孔距小于20 mm时,即损伤孔距小于5倍损伤孔径时,选用合并修理效果更好;当损伤孔距为20 mm和22 mm时,选用合并修理或分别修理对层合板性能恢复效果影响不大;当损伤孔距大于22 mm时,即损伤孔距大于5.5倍损伤孔径时,选用分别修理效果更好。

蒙脱土/二氧化硅改性环氧胶对复合材料-钢界面黏结性能的影响

李梦晴, 吉新柱, 方园

2025, 0(7): 71-78. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250728.009

摘要 ( 5 )

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为了提升复合材料-钢界面黏结性能,采用表面功能化纳米蒙脱土(MMT)和二氧化硅(SiO₂)对环氧胶进行改性,研究纳米粒子含量、胶层厚度、搭接长度等参数对复合材料-钢双搭接接头界面黏结性能的影响。试验结果表明:当纳米MMT和SiO₂质量比为7∶3、总添加含量为1%时,试件的拉伸强度、剪切强度达到最高,分别为46.13 MPa、12.79 MPa,相比于纯环氧胶试件,提升了53.2%和44.85%。胶层厚度的增加能够提高试件承载力和最大应变值;搭接长度的增加对于改善应变的分布梯度和提升最大剪应力、极限滑移量有明显效果,由于有效黏结长度的存在,搭接长度对试件承载力的增加呈现先快后慢的趋势。相比于纯环氧胶,采用表面功能化纳米MMT/SiO₂改性的环氧胶内部粒子分布均匀,断面粗糙度明显,能够减少应力集中,促进复合材料-钢界面相互作用,从而提升其黏结性能。

考虑拉伸和弯曲载荷的多工况CFRP-Al胶接结构多目标优化设计

吴汪箭, 游有鹏, 朱如鹏, 王旦

2025, 0(7): 79-90. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250728.010

摘要 ( 3 )

PDF (11392KB) ( 53 )

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由碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)与铝合金(Al)胶接而成的单搭接胶接结构,由于缺乏拉伸载荷和弯曲载荷作用下力学性能和损伤行为的系统性研究,其连接性能和可靠性的进一步提升受到限制。本研究建立了CFRP-Al单搭接胶接结构有限元模型,分析了拉伸载荷及三点弯曲载荷作用下胶接结构力学响应和损伤分布。其中,采用三维Hashin失效准则和内聚力模型分别模拟CFRP层内损伤、层间损伤及胶层损伤的演化过程,并与试验对比分析,验证损伤模型的有效性。之后,基于胶接参数构建以拉伸强度、剪切强度及弯曲强度为优化目标的多目标优化代理模型,代理模型结果与仿真结果最大相对误差为2.57%,验证了代理模型的准确性。在此基础上,采用NSGA-Ⅱ算法对代理模型迭代优化,获得三维分布Pareto最优解集,与初始模型相比,优化后胶接结构拉伸强度、剪切强度及弯曲强度分别提高7.34%、24.12%和9.51%,实现了胶接结构综合连接性能的有效提升,该研究可为胶接结构可靠性优化设计提供参考。

碳纤维复合材料层合板铣削力试验研究

崔怡, 董娟, 张兴敢, 谭梦华, 刘松年, 赵娟

2025, 0(7): 91-98. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250728.011

摘要 ( 9 )

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为减少碳纤维复合材料(CFRP)铣削加工时产生的分层等损伤,提高其服役周期和生产效率,选用MV80三轴数控加工中心沿多种纤维角度(θ)对CFRP单向层合板进行铣削加工试验。基于单因素试验法研究纤维角度和铣削加工参数对铣削力及铣削表面质量的影响规律。试验结果表明:当θ<90°时,主铣削力与纤维角度呈正相关,而当θ>90°时,主铣削力与纤维角度呈负相关;随着主轴转速递增,主铣削力递减,且主铣削力随着铣削深度、每齿进给量的增加而增大;在不同纤维方向,CFRP表面粗糙度随主轴转速增加而减小,但随铣削深度和每齿进给量增加而增大,纤维角度为90°时,表面质量最佳。采用正交试验法分析各加工参数对铣削力影响权重,结果表明对主铣削力影响最大的是纤维角度,其次是铣削深度。并通过试验数据线性回归构建铣削力加工数学模型,旨在为碳纤维环氧树脂基复合材料加工参数优化和数字化加工提供一定的参考依据。

基于人工神经网络海因环氧树脂体系流变性的比较研究

雷世裕, 李玲, 曹伟, 王艺轩, 董夏瑞

2025, 0(7): 99-107. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250728.012

摘要 ( 4 )

PDF (6339KB) ( 54 )

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化学流变学分析在热固性树脂基复合材料加工成型中具有广泛应用,然而传统化学流变模型对加工黏度的预测常使用Dual-Arrhenius流变模型,该方法在具有多场耦合效应的热固性树脂体系中预测精度受限。为突破这一瓶颈,引入了人工智能的方法。采用DSC法分析了海因环氧树脂/马来酸酐体系的反应性,在65~85 ℃等温固化模式下进行了黏度数据采集,采用BP人工神经网络模型(BP-ANN模型)与Dual-Arrhenius流变模型(DA模型)对海因环氧树脂/马来酸酐体系的流变性能进行对比分析研究。结果表明,相较于DA模型,BP-ANN模型的均方误差降幅达26.0%,平均绝对百分比误差锐减65.0%,均方根误差降低13.0%,同时决定系数提升0.25%。BP-ANN模型相较于DA模型在预测精度上显著提升,这对热固性树脂基复合材料成型过程中的工艺选择和参数优化提供了一定的支撑。

2.5D织物/酚醛复合材料辊压浸渍制备及性能研究

李然, 赵一搏, 吴文敬

2025, 0(7): 108-114. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250728.013

摘要 ( 6 )

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本文针对辊压浸渍方法,通过设计五因素三水平正交试验研究五项工艺参数对浸渍织物质量和复合材料物理、力学性能的影响。研究结果表明,浸渍过程中的辊压次数对树脂含量的影响最大,其次为树脂预热温度。辊压浸渍适宜在较低树脂预热温度(30 ℃)下进行多次辊压(辊压次数大于等于5次),可保证预浸织物具有较高的树脂含量,由此制备的复合材料具有理想的树脂含量、密度和厚度。织物下铺放塑料网格的网孔尺寸对织物浸渍均匀性影响较大,较小网孔(0.8 mm)更有利于辊压浸渍均匀,且由此制备的复合材料力学性能更高。

30 kg级复合材料垂直起降倾转旋翼固定翼无人机设计与分析

刘峰, 韦振鹏, 毛嘉元

2025, 0(7): 115-122. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250728.014

摘要 ( 13 )

PDF (6210KB) ( 55 )

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本文设计了一款多用途、长航时、垂直起降倾转旋翼复合材料固定翼无人机,最大起飞重量为30 kg,增程续航时间大于24 h。同时完成了全机总体设计、气动分析和结构设计,开展了中翼段静力加载验证试验,并与计算数据进行了对比。基于有限元分析,对机体进行了强度、刚度、稳定性校核:采用了Hashin失效准则,对夹芯结构碳纤维面板、轻木芯材和碳纤维蒙皮进行了强度校核;对机翼蒙皮铺层方案进行了优化设计,评估了结构承载性能。分析表明,机身挂载任务载荷以2.5g过载爬升为最严酷工况,高应力区位于中翼中部,上蒙皮易发生屈曲,结构初始损伤为轻木夹芯的压缩损伤。初始铺层方案的结构满足性能要求,载荷裕度过大。机翼蒙皮进行分区准等强度优化设计后,减重1.51 kg,占初始重量的17%。载荷裕度降为0.13,结构承载效率大幅提升,最后根据能耗关系评估了无人机续航能力。

基于XGboost的FRP条带约束混凝土短柱的抗压强度预测方法

孙阳, 田泽峰

2025, 0(7): 123-131. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250728.015

摘要 ( 4 )

PDF (9481KB) ( 54 )

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纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)约束混凝土在轴向压力作用下的极限状态模型可分为设计型模型和分析型模型,其极限状态中包含的轴压应力和应变构成了模型参数的基础,准确计算这些参数可为评估FRP布约束混凝土结构性能提供依据。通过对以设计为导向的FRP布部分约束混凝土的极限状态模型性能进行综合评估,发现现有模型普遍存在通用性差、预测精度低以及离散性大等问题。针对现有设计型模型的局限性,基于XGboost(extreme gradient boosting)机器学习方法,建立112个FRP条带约束混凝土圆柱数据库,对抗压强度和极限应变进行预测。研究结果表明:XGboost模型不仅克服了现有经验模型使用性差、预测精度不高、离散性大的缺点,还能反映各类参数对轴压应力及应变的重要性,且相较于已有设计型模型,基于机器学习模型的计算值和试验值吻合更好,偏差和随机性都显著减小,保证了预测结果的准确性和稳定性。

CFRP板加固连续T梁桥优化与纵向影响规律分析

彭文柏, 邱斌, 温强, 董春彦, 邬文祥

2025, 0(7): 132-139. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250728.016

摘要 ( 5 )

PDF (11632KB) ( 53 )

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为了分析CFRP板加固连续T梁桥不同桥跨时,加固跨与相邻跨之间的影响效应和纵向预应力损失效应,从而提高CFRP板的利用效率及加固效果,首先对单片T梁进行了CFRP板加固和加载试验,并将试验与有限元分析结果进行了对比分析,验证了单梁有限元模型的合理性和准确性。之后建立了CFRP板加固5 m×30 m连续T梁的数值模型,分析了加固跨与邻跨之间加固效果的影响规律及纵向预应力损失效应。最后基于影响矩阵法优化CFRP板张拉应力值并应用于实桥,且通过加固后荷载试验验证了该桥5跨T梁预应力补足量均满足设计要求。结果表明:连续T梁桥加固跨和邻跨之间的加固影响规律及纵向预应力损失较为明显;基于影响矩阵法优化CFRP板张拉应力值可显著提高边跨与次边跨CFRP板的利用效率,边跨和次边跨的优化效果分别可达38.16%、24.64%。

国产雷达罩用玻璃纤维增强环氧树脂预浸料制备及复合材料性能

张晶, 苏宏静, 贺靖, 任亮

2025, 0(7): 140-147. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250728.017

摘要 ( 11 )

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目前国产雷达罩用材料为溶液浸渍法制备的玻璃纤维/环氧树脂预浸料,溶液浸渍法存在树脂含量与挥发分含量难以精确控制、溶剂挥发对环境造成污染等问题。本文使用国产原材料,采用热熔胶膜法制备玻璃纤维/环氧预浸料(牌号为ES78/E40),系统地研究了ES78/E40预浸料的物理性能及复合材料力学和阻燃性能,并与溶液浸渍法制备的预浸料相关性能进行对比。结果表明:ES78/E40预浸料物理性能、力学性能和阻燃性能均满足指标要求,室温拉伸强度和压缩强度分别为517 MPa和443 MPa,在71 ℃下,拉伸和压缩性能保留率约为80%;与溶液浸渍法制备的预浸料性能相比,拉伸性能和压缩性能分别提升11.8%和9.9%。ES78/E40预浸料可应用于国产雷达罩等次承力结构件。

DIC对复合材料变形和损伤表征的研究进展

赵丽滨, 于少瑜, 张哲绎, 胡宁

2025, 0(7): 148-160. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250728.018

摘要 ( 7 )

PDF (15608KB) ( 54 )

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数字图像相关(DIC)技术作为一种实用且有效的物体表面变形测量工具,目前已被广泛接受并越来越多地用于测量复合材料的变形和损伤行为。复合材料具有非均匀性和各向异性,受载后会产生复杂的变形行为,传统的测量技术由于种种因素限制无法准确捕捉到这些行为,DIC作为一种先进的光学测量技术和手段,在测量复合材料变形行为方面发挥出显著的优势。本文首先对DIC的原理以及影响测量精度的因素做了详细的阐述,接着介绍了DIC在复合材料变形测量和损伤表征方面的应用,最后对DIC未来的发展方向进行了展望。

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