复合材料科学与工程

经承贵, 武彤, 赵林, 陈宗平

2025, 0(6): 1-9. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250628.001

摘要 ( 38 )

PDF (12540KB) ( 234 )

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为研究GFRP管螺旋筋复合约束混凝土柱的轴压性能,以混凝土强度、螺旋筋屈服强度、螺旋筋配箍率和纵筋配筋率为变化参数,制作了29个试件并开展轴心受压试验,观察了试件的破坏过程,总结了试件的不同破坏模式,获取了荷载-位移和荷载-应变曲线,探究了不同变化参数对试件轴压性能的影响规律。结果表明:试件均因GFRP管的断裂和核心混凝土的压碎或螺旋筋的断裂而破坏;GFRP管螺旋筋复合约束混凝土柱的极限承载力随混凝土强度提高而提高,变形能力随混凝土强度提高而减弱;随着螺旋筋屈服强度和螺旋筋配箍率的提升,GFRP管螺旋筋复合约束混凝土柱的承载力和延性均增大;纵筋配筋率对GFRP管螺旋筋复合约束混凝土柱的影响较小;GFRP管可使钢筋混凝土柱的轴压峰值应力提高30%以上,延性系数提高90%以上;螺旋筋的加入可使GFRP管混凝土柱的轴压峰值应力提高10%以上,延性提高20%以上。最后,建立了GFRP管螺旋筋复合约束混凝土柱的轴压承载力计算公式,其计算结果与试验结果吻合较好。

一种UV光固化树脂固化动力学模型的建立

彭静璇, 丁安心, 徐秘, 胡雪琴, 杨琳, 郭宁

2025, 0(6): 10-18. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250628.002

摘要 ( 32 )

PDF (9395KB) ( 205 )

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光固化动力学是光固化研究中重要的一部分。使用外接UV光源的差示扫描量热仪分别测试在不同光强和温度下的光固化情况,得到树脂固化过程热流曲线、固化度曲线、固化速率曲线。采用自催化模型对固化速率曲线进行拟合,对得到的参数进行线性或非线性拟合,得到曲线函数关系。前人研究较多考虑单一变量对固化动力学模型的影响,具有局限性。本文提出一种假设,在所得固化动力学方程中同时引入固化温度、光强两个变量,通过实际实验与有限元固化仿真模拟对比,验证本文所提出固化动力学模型的可靠性。计算所得仿真与实际测试的最大误差不超过6.5%。这一研究拓展了对于光固化动力学的理解,为优化光固化工艺提供了新的思路和方法。

湿热环境对树脂预涂的复合材料-钛合金胶接接头强度影响研究

郑思民, 赵江铭, 崔九洋, 郑艳萍

2025, 0(6): 19-26. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250628.003

摘要 ( 23 )

PDF (9876KB) ( 265 )

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碳纤维增强聚合物与钛合金之间的粘接结构被广泛应用于飞机结构中,以实现轻量化和足够的强度。本研究对钛合金表面采用酸洗、阳极氧化和一种特殊的树脂预涂覆技术联合处理,以提高胶层/钛合金界面的结合强度,同时为了对比两种接头(无强化处理和树脂预涂处理)经湿热老化后的失效情况,选取80 ℃/95%RH为老化环境,在老化后进行单搭接拉伸试验。结果表明:未老化时,树脂预涂强化接头的强度提升约52.54%;经过30 d的老化,未强化接头抗拉强度下降约20.83%,而经过树脂预涂强化处理的接头抗拉强度下降约30.44%。树脂预涂处理不但增大了钛合金板/胶层界面粘接强度,而且对胶层的内聚强度也起到一定的积极作用,但与未强化接头相比,树脂预涂处理后的接头对环境更敏感。

基于改进YOLOv8的复合材料夹杂缺陷检测研究

吴志成, 王明泉, 谢绍鹏, 路宇鹏, 曹振锋, 王晋华

2025, 0(6): 27-33. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250628.004

摘要 ( 17 )

PDF (4838KB) ( 242 )

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为解决复合材料夹杂缺陷检测中由于目标尺寸小和特征相似导致的检测精度不足问题,提出了一种改进的YOLOv8算法。首先,引入SPD卷积模块以减少信息损失,结合MCA注意力机制增强三维通道特征提取能力,从而提高缺陷识别精度。然后,通过BiFPN双向金字塔网络改进多尺度特征融合,提升模型对相似特征和尺寸差异缺陷的识别能力。最后,针对小目标检测的瓶颈,加入Shape IoU损失函数,通过优化边界框形态和尺度信息,提升小尺寸缺陷的检测性能。实验结果表明,改进算法在mAP@0.5和mAP@0.95上分别提升10.1%和7.4%,召回率提升8.1%。该方法在复合材料缺陷检测系统中的测试结果验证了其可靠性与实用性,为复合材料夹杂缺陷检测提供了一种高效、精准的技术方案。

纤维增强树脂基复合材料结构极限强度预测方法

程显贺, 程宏川, 邹志伟, 刘佳鑫, 李玉龙, 林再文

2025, 0(6): 34-40. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250628.005

摘要 ( 29 )

PDF (7762KB) ( 248 )

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为了加快项目研制初期复合材料结构设计方案论证的进度,开发了一种便捷且实用的结构极限强度预测方法。首先,基于经典层合板理论给出层合板等效模量的解析表达式。其次,依据层合板逐层破坏及刚度退化的假定,采用数值算法预测了层合板的首层破坏强度与极限强度。然后,对比了典型铺层的层合板力学参数,结果表明等效弹性模量与极限拉伸强度的预测值与测试值完全吻合,仅极限压缩强度的预测值比测试值低10%。最后,以层合板的等效力学性能预测值作为基础参数,采用传统结构有限元方法预测典型端框法兰结构的极限强度,通过与试验件测试比较发现,预测破坏形式与试验破坏形式均为压缩破坏,且预测极限载荷比试验破坏载荷低15%。该方法计算速度快,计算精度满足设计初期结构方案论证需求。

PP-g-MAH与氨基化纳米二氧化硅协同增强CF/PP复合材料

王海旭, 孙进, 赵巍, 时振堂, 潘雨曦, 刘程, 蹇锡高

2025, 0(6): 41-47. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250628.006

摘要 ( 16 )

PDF (9829KB) ( 204 )

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树脂本身强度及树脂与碳纤维之间的界面强度是影响连续碳纤维增强热塑性复合材料力学性能的重要因素。为了提高连续碳纤维增强聚丙烯基(CF/PP)热塑性树脂基复合材料的力学性能,本文通过添加马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)及氨基化纳米二氧化硅(SiO₂-NH₂)对高熔指PP进行改性,先后通过熔融浸渍和热压成型,制备连续碳纤维增强聚丙烯热塑性树脂基复合材料。结果表明:添加PP-g-MAH与SiO₂-NH₂使PP的结晶度提升2.5%,拉伸强度提升4.8%,弯曲强度提升5.3%;CF/PP复合材料的弯曲强度和层间剪切强度分别达到543.7 MPa和17.2 MPa,分别提升112.2%和66.0%。

爆炸冲击波与破片联合作用下纤维织布失效行为研究

解江, 蒋逸伦, 李漩, 潘汉源, 冯振宇

2025, 0(6): 48-56. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250628.007

摘要 ( 14 )

PDF (13810KB) ( 203 )

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简易爆炸装置(IEDs)是民航恐怖袭击事件中常见的袭击破坏手段之一。在机舱内部需要对小当量爆炸装置进行防护的场景下,高性能纤维织布可作为防爆结构进行使用。针对含破片爆炸威力场下纤维织布的失效行为,开展了芳纶(Aramid)和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)平纹织布的预置破片自由场爆炸试验,并使用超压传感器、高速摄像机记录了试验过程。通过爆炸冲击波及破片传播的理论分析及试验结果,对纤维织布的失效行为进行了研究并评估了织布的防护效果。结果表明:预置破片后对爆炸威力场的改变会使织布的失效模式发生明显转变;近爆距下,含破片爆炸威力场中的冲击波早于破片作用于织布,织布经历冲击波作用后产生的预应力或失效会导致其抗破片能力变弱;在药量相同的近爆距工况下,预置破片时相比无破片时需要更大的织布厚度才能实现对冲击波与破片的完全防护,加强纤维织布抗破片性能是后续工作中防护性能提升的重点。

冲击荷载作用下冻融循环损伤碳纤维及碳纤维布混凝土力学性能试验研究

田学昭, 刘沛林, 张宏伟, 金家胜

2025, 0(6): 57-63. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250628.008

摘要 ( 8 )

PDF (5986KB) ( 200 )

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基于试验探究碳纤维应用方式及冲击荷载作用对冻融损伤混凝土力学性能影响规律,利用霍普金森压杆(SHPB)对不同冻融循环次数(0,25,50,75,100次)作用后四种混凝土(素混凝土、碳纤维混凝土、碳纤维布混凝土、碳纤维与纤维布混凝土)试件开展不同加载率下的冲击压缩试验,分析冻融循环次数、碳纤维应用方式及加载率对混凝土动态应力-应变曲线、峰值应力、韧性及耗能效果影响规律。结果表明:①冻融循环0次、0.3 MPa冲击气压下,碳纤维混凝土、碳纤维布混凝土及碳纤维与纤维布混凝土峰值应力是素混凝土峰值应力的1.30,1.63,1.95倍,碳纤维及碳纤维布均能够有效提升混凝土动态抗压强度,碳纤维布提升效果更显著;②相较于未冻融试件,冻融循环25,50,75,100次时,素混凝土试件峰值应力降幅3.93%、19.01%、28.52%、41.95%,四种混凝土试件峰值应力均与冻融循环次数间呈线性负相关;③0.3 MPa冲击气压、冻融循环100次时,碳纤维及纤维布混凝土、碳纤维布混凝土、碳纤维混凝土试件韧性分别为素混凝土韧性的3.78,2.44,1.81倍,碳纤维及碳纤维布不仅能够增强试件韧性,同时能够增强试件的抗冻性能;④冻融循环25,50,75,100次时,碳纤维及纤维布混凝土试件单位体积耗散能降幅分别为1.70%、3.64%、6.07%、12.14%,素混凝土试件单位体积耗散能降幅分别为21.43%、35.71%、53.57%、73.21%,碳纤维对混凝土抗冻融损伤存在一定的提升作用。

复合材料制件转角区厚度偏差分析及改进研究

熊文磊

2025, 0(6): 64-70. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250628.009

摘要 ( 14 )

PDF (9480KB) ( 205 )

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采用热压罐工艺成型带转角的复合材料零件时,由于结构原因,复合材料零件的转角区存在压力差,导致零件固化后阴角偏厚,阳角偏薄。以帽形长桁为研究对象,对复合材料热压罐工艺转角区厚度偏差的原因及关键影响因素进行了分析,并针对性地进行了试验验证。根据理论分析及试验验证结果可知,转角区厚度偏差程度与转角区R角大小及厚度的比值(R/t)直接相关,R/t值越小转角区厚度偏差越大。在R/t值确定的情况下,减小试验件固化封装时转角区辅料的厚度和架桥风险,如在转角区采用裁开的玻璃布替代整块透气毡作为试验件固化时的导气材料,可明显改善转角区的厚度偏差和成型质量。

芳纶纤维对CFRP层合板的雷电防护效应

张铁纯, 夏安, 孙斌, 张波, 司晓亮, 黄业园

2025, 0(6): 71-77. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250628.010

摘要 ( 8 )

PDF (10130KB) ( 188 )

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芳纶纤维具有良好的电热绝缘性和阻燃特性,本文利用芳纶纤维织物作为金属铜网和碳纤维复合材料层合板之间的隔离层,制备了无芳纶纤维、单层芳纶纤维和双层芳纶纤维三种结构复合材料层合板,通过雷电试验、建立电-热耦合模型以及无损超声C扫描技术方法,分析了含芳纶纤维的复合材料层合板在雷电流C波和D波作用下的雷电防护效果以及芳纶纤维厚度对复合材料层合板雷电防护效率的影响,讨论了芳纶纤维织物作为隔离层的雷电防护机制。研究结果表明:在雷电流C波和D波作用下,与无芳纶纤维相比,单层芳纶纤维复合材料层合板的第一层碳纤维面积损伤分别减小了69.1%和78.9%,深度损伤分别减小了72.2%和68.8%;双层芳纶纤维的碳纤维层合板均无雷击损伤。这证明芳纶纤维能够抵御电流厚度方向流入,大幅减小了CFRP层合板的电流密度和雷击烧蚀损伤。此研究可为CFRP层合板雷电防护结构设计提供有力支撑。

连续纤维增强3D打印复合材料声发射监测与损伤模式识别

雒新宇

2025, 0(6): 78-84. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250628.011

摘要 ( 14 )

PDF (8001KB) ( 188 )

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连续纤维3D打印复合材料兼顾了复合材料的力学性能和极端复杂结构的打印工艺,具有较好发展前景。为探究纤维增强3D打印复合材料损伤演化行为和失效机理,制备了5%和15%芳纶纤维3D打印复合材料试件,开展了三点弯曲和声发射监测试验。结合小波包变换和k-means聚类算法,提出了芳纶纤维3D打印复合材料损伤模式识别方法,分析不同芳纶纤维含量对3D打印复合材料的损伤机理影响。结果表明:与试样A(5%纤维含量)相比,试样B(15%纤维含量)的最大载荷提高了29%。由于试件A纤维含量少,内部三角形填充结构最先发生严重的基体开裂和分层损伤,最终引起芳纶纤维断裂,而试样B损伤主要集中在弯曲加载后期。该方法为纤维增强3D打印复合材料失效分析提供了思路。

碳纤维复合材料/三元乙丙橡胶粘接界面性能参数表征与优化

方世锐, 丁安心, 杨帆, 唐自佳, 赵飞

2025, 0(6): 85-93. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250628.012

摘要 ( 9 )

PDF (6974KB) ( 281 )

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为获取发动机碳纤维复合材料(CFRP)/三元乙丙橡胶(EPDM)粘接界面性能参数,本文基于DCB试样和双线性内聚力模型获取了界面断裂能和试验曲线,结合利用ABAQUS搭建的DCB仿真平台,输出仿真曲线。根据仿真曲线和试验曲线的差异,建立仿真曲线和测试曲线的重合度公式,作为优化的目标函数,采用响应面等优化算法求解函数最小值及其对应的变量值,获得界面性能参数的精确值。本文采用性能测试-数值仿真-优化计算相结合的方法获取了CFRP/EPDM粘接界面性能参数,并基于测试与仿真对参数进行验证,结果吻合良好,可为发动机在服役工程中出现的界面失效破坏提供判据。

CFRP/铝材料轮毂轻量化设计

康元春, 杨建华

2025, 0(6): 94-100. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250628.013

摘要 ( 9 )

PDF (5148KB) ( 199 )

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对轮毂进行轻量化设计,使用碳纤维复合材料替换原铝合金轮辋,采用了以神经网络作为代理模型的优化方法。基于等刚度理论确定碳纤维复合材料轮辋的初始厚度;综合考虑铝合金轮辐和碳纤维轮辋厚度对其性能的影响,利用拉丁超立方抽样生成多组试验样本;基于试验样本运用神经网络作为代理模型,对轮辐的厚度尺寸和轮辋各角度碳纤维铺层厚度进行优化;为得到最佳的碳纤维铺层顺序,在Optistruct中进一步对碳纤维轮辋铺层顺序进行优化。最终得到的CFRP/铝材料轮毂重量上减轻18.43%,且满足刚度及强度的相关要求。

混杂复合材料大展弦比机翼结构特性研究

周杨, 王军利, 李金洋, 张升, 王佳欢

2025, 0(6): 101-108. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250628.014

摘要 ( 11 )

PDF (12614KB) ( 204 )

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碳/玻混杂纤维复合材料的应用使机翼的可设计性大幅提升,在满足强度要求的情况下,在基体中编入一定比例的玻璃纤维可有效提高机翼热稳定性、隔热与绝缘性能。基于有限元软件Nastran对混杂纤维复合材料大展弦比机翼结构特性进行研究,讨论铺层混杂方式与混杂比例对混杂纤维复合材料大展弦比机翼模态特性、最大变形量、应力、应变与屈曲特性的影响。结果表明:混杂纤维复合材料的混杂方式与混杂比例对大展弦比机翼的结构特性均有影响,随着碳纤维铺层体积分数逐渐增大,机翼的结构性能也逐渐提升。机翼屈曲易发生于机翼翼根靠近后缘处的蒙皮,对起主承载作用的前梁或仅对易屈曲区域进行铺层优化设计均可以提高机翼的临界屈曲载荷,但前梁铺层优化设计还能大幅提高机翼整体结构承载能力,减小机翼最大变形量。

海洋环境下CFRP布加固混凝土圆柱约束有效性系数分析

高婧, 吴书航, 周月明

2025, 0(6): 109-117. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250628.015

摘要 ( 6 )

PDF (10254KB) ( 197 )

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为研究海洋环境下CFRP布加固混凝土圆柱构件的约束有效性系数,设置正常环境与海洋环境2种工况,进行了5组共27个混凝土圆柱试件轴压试验,对比分析各组试件的破坏形态、轴向变形、极限破坏荷载值,并计算出了海洋环境下CFRP布约束混凝土圆柱理论模型的约束有效性系数。结果表明:海洋环境下,CFRP布与混凝土圆柱的黏结作用得到增强,改变了混凝土圆柱构件的破坏形态;CFRP布加固的层数对混凝土圆柱极限承载力的显著提升并不受海水腐蚀条件影响,海洋环境下的约束有效性系数对该理论模型仍然适用。

质子交换膜燃料电池用碳纸的制备及性能研究

陈亚波, 付文静, 潘晓钢, 刘青辉, 李海龙, 李鹏

2025, 0(6): 118-123. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250628.016

摘要 ( 10 )

PDF (4943KB) ( 215 )

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本文采用水溶性酚醛树脂作为碳纸的前驱体,以氧化石墨烯(GO)作为功能性填料,制备得到高性能质子交换膜燃料电池用碳纸。采用差示扫描量热仪和热重分析仪对水溶性酚醛树脂和GO进行表征,发现随着GO含量的增加,树脂的残碳率有显著提升,从57.36%升至66.23%。通过扫描电镜观察改性碳纸的微观形貌,发现随着GO含量的增加,树脂碳与碳纤维之间的界面结合得到了明显提升。此外,采用万能试验机、四探针测试仪和汞注入测试仪探究了树脂浓度和氧化石墨烯对碳纤维纸的力学性能、电学性能以及孔隙率的影响。结果表明:随着树脂浓度和GO含量的增加,碳纸的导电性和力学性能显著增强。为确保燃料电池具有良好的水气传输能力、导电性和机械性能,碳纸需具备适宜的孔隙和孔径分布、高导电性以及良好的机械强度。当树脂浓度为30wt%时,0.6wt% GO改性的碳纸性能最佳,其抗拉强度为25.56 MPa,孔隙率为65.27%,面电阻率达到1.365 Ω·sq^-1。

烯丙基类化合物对双马来酰亚胺树脂的改性研究进展

孔德创

2025, 0(6): 124-132. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250628.017

摘要 ( 10 )

PDF (2299KB) ( 208 )

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双马来酰亚胺(BMI)树脂因其出色的力学性能和热稳定性被广泛应用。然而,BMI树脂具有熔点高、加工工艺性差、固化温度高且脆性大的缺点,采用烯丙基类化合物与BMI共聚加成改性是最常用的改性方法。本文通过对近些年烯丙基类化合物改性BMI相关文献进行梳理,包括烯丙基双酚A、烯丙基酚醛树脂、烯丙基醚化合物、烯丙基酚氧树脂以及含硼化合物,旨在为BMI树脂的改性提供参考和指导。

连续纤维复合材料蜂窝芯材制造方法及其研究进展

罗云烽, 康铭珈

2025, 0(6): 133-140. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250628.018

摘要 ( 29 )

PDF (8455KB) ( 223 )

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蜂窝芯材因其低密度、轻质、高比强度、高比刚度、优良的抗压性能以及隔热散热性能等备受关注,目前已被广泛应用于航空航天、车辆、船舶、建筑和机械工程等各个领域。近年来,具有轻质和优异力学性能的连续纤维复合材料蜂窝芯材取代传统的铝蜂窝和芳纶纸蜂窝受到关注。本文基于碳纤维和玻璃纤维复合材料蜂窝芯材的最新研究进展进行综述。在碳纤维复合材料蜂窝芯材方面,介绍了其不同的制备方法,包括热压成型法、真空辅助树脂模塑传递法、嵌锁组装成型法、3D打印成型法及裁剪-折叠制备法。在玻璃纤维复合材料蜂窝芯材方面,讨论了其制备方法研究进展、多功能设计和加工技术研究进展。对连续纤维复合材料蜂窝芯材领域的新进展进行了回顾,以为该领域初学者提供较为深入的概述。

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