复合材料科学与工程

崔子涵, 张洪华, 李炜

2025, 0(12): 1-10. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251228.001

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本文使用碳纤维单向织物与碳纤维、玻璃纤维及碳/玻混杂三向织物,制备了6种不同碳/玻混杂比三向织物复合材料层合板。选用18 J与28 J的冲击能量,对这6种复合材料层合板进行低速冲击试验,通过目视测量得到了冲击正反面的表面损伤,并利用超声C扫设备获取了试样内部的总体损伤面积,再结合冲击响应曲线,分析了碳/玻混杂三向织物复合材料层合板冲击过程的损伤机理。结果表明:在低冲击能量下,U_C6(TG)冲击过程中最大位移增长最大,为11.4%,U_C6(TC)的吸收能量提升最大,为7.6%;在高冲击能量下,U_C6(TG)冲击过程中最大位移增长最大,为15.9%,U_C6(TCCG)的吸收能量提升最大,为33.4%。碳/玻混杂三向织物复合材料层合板存在90°方向为长轴的类椭圆形与类圆形两种损伤形态。

改性黑磷增强聚脲涂层的制备与性能研究

孟庆实, 董奕彤, 王朔, 韩森森

2025, 0(12): 11-19. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251228.002

摘要 ( 24 )

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为了提高聚脲(Polyurea,PUA)弹性体基复合材料的阻燃性能,本文选择改性黑磷纳米片,并将其添加到聚脲体系中,制备出改性黑磷增强聚脲复合材料。制备了四种不同的PUA试件:纯PUA试件、含1wt%黑磷(Black Phosphorus,BP)纳米片的BP/PUA试件、含1wt%壳聚糖改性黑磷(Chitosan-Modified Black Phosphorus,CS-BP)纳米片的CS-BP/PUA试件以及含1wt%壳聚糖和三聚氰胺硼酸盐(Melamine Borate,MB)改性黑磷(MB-CS@BP)纳米片的MB-CS@BP/PUA试件。通过垂直燃烧试验、锥形量热试验、拉伸试验和摆锤冲击试验,对比了四种PUA试件的阻燃性能、燃烧行为及力学性能。试验结果表明:MB-CS@BP纳米片的加入能明显提高PUA的阻燃性能,相比加入BP和CS-BP纳米片,MB-CS@BP/PUA复合材料表现出更好的燃烧行为,阻燃效果最佳;MB-CS@BP纳米片的加入能够有效提升PUA的拉伸强度,比纯PUA拉伸强度提升了36.7%;在低速冲击条件下,MB-CS@BP/PUA复合材料相比于采用裸铝合金作为防护涂层的复合结构,冲击强度提高了41.40%。

SiC/SiC复合包壳管的室温轴向拉伸和内压爆破性能

王卫军, 张华锋, 冯宗悦, 徐博, 陈冉, 孔淑妍, 郑罡

2025, 0(12): 20-25. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251228.003

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SiC/SiC复合材料是压水堆核电站事故容错燃料包壳主要的远期发展目标材料之一。为了建立相关试验能力,获得阶段性的材料力学性能数据,采用米级管材截短后的试样,开展了SiC/SiC复合包壳管室温轴向拉伸和内压爆破试验研究。结果表明,两种应力状态下,SiC/SiC复合包壳管表现出类似的“准塑性”应力-应变行为,呈渐进式失效。以45°纤维编织与管轴线夹角所制备SiC/SiC复合包壳管的轴向强度与环向强度基本相当,达到了平衡管材轴向和环向力学性能的目的。不同批次SiC/SiC复合包壳原料管截取的平行样品之间的力学性能测试结果波动范围不大,说明现阶段复合包壳制备工艺已能基本保证米级管材轴向力学性能的均匀性。

湿热环境对大丝束碳纤维平纹编织复合材料力学性能的影响及其失效机理

杨文涛, 于宁博, 王明振, 张楚哲, 冀运东

2025, 0(12): 26-36. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251228.004

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大丝束碳纤维因其优异的成本效益和卓越的性能在多个领域中展现出巨大的潜力。本文研究了湿热环境对大丝束碳纤维平纹编织增强聚合物拉伸和压缩性能的影响,并对其失效形式和失效机理进行分析。以48K大丝束碳纤维平纹编织预浸料为原料,制备了[0]₄和[45/0/-45/90]_S两种铺层的层合板,并分别在室温干态和高温湿态环境下处理14 d后进行拉伸和压缩试验。结果表明,湿热处理后,大丝束CFRP的压缩性能严重劣化。使用扫描电子显微镜对断口形貌进行分析,从宏观和微观两个层面分析了材料的失效形式和失效机理。结果表明,湿热处理后树脂基体劣化,减弱了纤维-基体界面和正交编织界面的性能,最终导致大丝束CFRP的失效形式发生改变,同时使力学性能降低。

光固化制备极小曲面Al₂O₃/Al复合结构力学性能研究

杨秀丽, 徐磊, 郭紫威

2025, 0(12): 37-41. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251228.005

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本文采用光固化成型(Stereo Lithography Apparatus,SLA)技术制备了体积分数为30%的极小曲面Gyroid结构陶瓷骨架,通过金属浸渗的方式制备了互穿Al₂O₃/Al复合材料。将Gyroid曲面结构Al₂O₃/Al互穿复合材料与蜂窝结构Al₂O₃/Al互穿复合材料的抗压性能进行了比较,并通过扫描电镜观察复合材料受压破坏断裂截面的形貌,分析了互穿相复合材料受压破坏的机制。试验结果表明,两种结构复合材料受压破坏均主要发生在陶瓷骨架以及陶瓷/金属界面结合的位置,整体呈45°剪切角破坏。Gyroid曲面结构复合材料因其平滑且规则的拓扑结构使得局部应力集中较低,与蜂窝结构复合材料相比具有更高的强度和延展性。Gyroid曲面结构复合材料的极限抗压强度为236 MPa,是蜂窝结构极限抗压强度的3.4倍。

复合材料开孔蜂窝等效模量预测方法研究

焦轶涵, 冯碧晴, 李皓鹏, 宁晓周, 孙东华

2025, 0(12): 42-49. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251228.006

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为防止航天器憋气,在应用复合材料蜂窝时,需要对蜂窝壁进行开孔处理,因此在仿真计算中需考虑开孔对蜂窝模量的影响,需建立复合材料开孔蜂窝等效模量的理论预报方法。本文依据各向异性开孔板在面内拉压载荷作用下的应力分布公式,建立了复合材料开孔蜂窝等效平压模量的理论预报公式。采用半解析法,建立了复合材料开孔蜂窝面外剪切模量的理论预报公式。同时,建立了开孔板等效抗弯刚度的近似计算方法,以及复合材料开孔蜂窝等效面内模量的理论预报公式。为验证理论模型的有效性,进行了相应的有限元分析。结果表明,不同孔径下的模量理论预报结果与数值模拟计算结果具有很好的一致性,理论模型的可靠性得到验证。本文以典型遥感器主承力板为应用对象,分别建立了精细化模型与三维实体等效模型,并进行了模态分析。结果表明,两种建模方法计算得到的频率与振型接近,基频误差最大为4.4%。本文研究成果可为工程中复合材料开孔蜂窝等效建模提供参考。

连续玻璃纤维增强聚醚醚酮热塑性复合材料制备与性能研究

霍红宇, 姚鑫, 石峰晖, 高亮, 张宝艳

2025, 0(12): 50-55. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251228.007

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高性能连续纤维增强热塑性树脂基复合材料具备高韧性、耐疲劳、抗冲击、可重复加工等特性,可弥补传统热固性复合材料韧性不足、在低速冲击下易分层、疲劳极限低等不足。本研究以AC8201树脂为基体,国产高强玻璃纤维S6C10为增强材料,使用悬浮热熔法成功制备了一种连续高强玻璃纤维增强聚醚醚酮热塑性预浸料,牌号为S6C10/AC8201,其外观均匀平整且无干纱,树脂含量为24.8%,具有良好的物理性能与加工工艺性。使用热压成型工艺制备S6C10/AC8201复合材料层合板,其厚度均匀且无干纱,展现出了优异的力学性能和疲劳性能。其中弯曲强度为1 818 MPa,相比TC1200预浸料的弯曲强度提升13.6%;0°拉伸疲劳极限强度为490 MPa,相比热固性S6增强高温环氧复合材料的0°拉伸疲劳极限强度提升21.3%。

碳/芳纶纤维混杂增强环氧基复合材料制备及抗高速冲击性能研究

左小彪, 赵泽华, 杨智勇, 孙建波, 朱世鹏, 易凯, 周金岑, 樊虎, 张超

2025, 0(12): 56-62. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251228.008

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碳纤维复合材料抗高速冲击性能不佳,在一定程度上阻碍了其进一步扩大应用。采用碳纤维与其他纤维混杂设计,是提高复合材料综合性能的有效措施。静/动态力学性能对比研究表明,以TG800-12K-603B制备的碳/环氧复合材料(C/EP)具有更优的静态力学性能,以F12-23T-603B制备的芳纶织物复合材料(F12/EP)则拥有更好的动态力学性能和抗高速冲击能力。基于自动铺丝工艺、结构设计和芳纶/碳纤维混杂比例调控,制备出兼具良好结构承载性能和抗高速冲击性能的新型碳/芳纶纤维混杂复合材料,最优混杂比例为35%~55%。对经高速冲击试验并发生子弹穿透的试样进行损伤形貌分析和冲击损伤仿真分析,结果表明,与F12/EP相比,C/EP冲击正/背面的损伤面积明显更小,说明F12/EP有更强的冲击能耗散能力,所以表现出更高的临界穿透速度。

缝合装置中含间隙刺料机构分析及优化

王昊轩, 何俊杰, 王天琪, 凌雨风

2025, 0(12): 63-71. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251228.009

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为提高碳纤维复合材料缝合成功率,对缝合装置样机进行优化。本文研究了缝合装置中含间隙刺料机构的动力学响应。建立间隙模型并对其进行动力学分析,对比三种含间隙旋转副接头的接触力模型,通过三维建模并使用MATLAB软件对间隙模型进行动力学仿真,研究三种接触力模型对刺料机构的动力学性能影响。搭建实体样机,进行针穿刺试验、缝合碳纤维复合材料试验。研究结果表明:选用流体动力接触力模型对含间隙旋转副接头进行分析,机构的动力学响应更接近于理想旋转副的动力学响应,减小了刺料机构的振动,从而优化了缝合线迹,提高了碳纤维复合材料缝合成功率。由此证明该接触力模型以及机构设计符合缝合碳纤维复合材料要求。

基于Lamb波的复合材料不同界面分层损伤扩展监测

武李奇亚, 耿亚南

2025, 0(12): 72-78. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251228.010

摘要 ( 12 )

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分层损伤是复合材料中常见的损伤之一,会随着工作时间的延长而逐渐扩展,严重削弱复合材料的强度与稳定性,同时分层损伤处于不同界面也会使其各项力学性能发生不同程度的变化,因此能有效地对其进行识别定位与扩展监测对结构整体安全性具有重要意义。本文提出一种基于Lamb波的ToF分层损伤监测方法,通过对比分析复合材料层合板上下表面Lamb波ToF差异,对存在初始分层损伤的复合材料层合板进行损伤界面的定位,并对不同界面的分层损伤扩展进行可在线的持续监测。首先,研究了Lamb波监测分层损伤的原理。其次,建立了分层损伤界面深度、长度与Lamb波在结构中传播速度的关系,得到对分层损伤界面定位与扩展监测的理论基础。最后,通过有限元仿真验证所提出方法的有效性。仿真结果显示,分层损伤界面距离层合板表面越浅,Lamb波信号延迟越明显,上下表面接收的信号时间差异越大,且信号延迟程度与分层损伤长度的增长呈线性关系。

钛合金/三元乙丙橡胶接头粘接界面性能参数的测试与反演

陈彩月, 丁安心, 张宇, 黄泽勇, 杨帆, 赵飞, 周睿, 唐自佳

2025, 0(12): 79-87. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251228.011

摘要 ( 15 )

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钛合金(Ti)/三元乙丙橡胶(EPDM)粘接界面是固体火箭发动机壳体的重要界面之一。本文基于Ⅰ,Ⅱ型断裂韧性测试获取界面仿真性能参数,结合剪切和扯离测试推导界面失效判据参数。建立含双悬臂梁(Double Cantilever Beam,DCB)试件的有限元模型,以双线性内聚力模型定义粘接面的接触关系,通过公式计算出仿真曲线和试验曲线的重合度,采用人工神经网络联合遗传算法(GA-ANN)、模拟退火算法(SA-ANN)以及MATLAB联合遗传算法(GA-MAT)、模拟退火算法(SA-MAT)求解函数最优值,从而获得界面模量的精确值。并以试验测试数据为基础,数值仿真为反演工具,优化计算为分析手段,采用测试-仿真-计算相结合的方法获取了Ti/EPDM粘接界面性能参数的精确值,为评估燃烧室壳体界面结构的环境适应性提供判据。

电解液氧化性对高模量碳纤维表面处理效果影响研究

高东晓, 康永朝, 王梦梵

2025, 0(12): 88-95. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251228.012

摘要 ( 14 )

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电化学阳极氧化表面处理是提升高模量碳纤维表面活性的重要手段,为探究此过程中电解液的氧化性对高模量碳纤维表面处理效果的影响,采用五种氧化性不同的电解液(NaOH,NH₄HCO₃,H₂SO₄,NaNO₂,HNO₃)对聚丙烯腈基高模量碳纤维进行电化学阳极氧化表面处理,并系统讨论了其对碳纤维表面物理化学结构及界面性能的影响规律。结果表明,随着电解液氧化性的增强,碳纤维表面石墨片层膨胀愈发加剧,sp³碳结构及含氧官能团含量呈升高趋势,表面化学活性显著增强。本文揭示了电解液氧化性在碳纤维阳极氧化过程中的关键作用,为高模量碳纤维表面结构优化提供更多理论依据。

复合材料复杂内筋网格闭腔结构成型技术研究

章轩, 王昊, 郑连刚, 翟东坤, 汪梓迅, 陈一

2025, 0(12): 96-102. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251228.013

摘要 ( 14 )

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碳纤维复合材料星载安装板具有特殊的内筋网格结构形式,为解决现有复合材料成型工艺方法制备大尺寸闭腔结构件成型难的问题,本文设计一种具有柔性膨胀皮芯特征的复合型水溶性芯模,提出基于复合型芯模共固化成型复合材料内筋网格闭腔结构的工艺方法,并通过典型件工艺试验验证工艺策略的合理性。采用铺层热压罐和热膨胀工艺配合共固化成型工装,最终实现了星载安装板产品的制备。与传统分区预压-二次胶接成型工艺相比,本文提出的共固化成型方案大幅度降低了制造成本和工艺繁复程度,无紧固件连接,无二次胶接,星载安装板结构连续性、整体力学性能和内腔洁净度明显提高。产品通过抗弯、平压、振动及热环境考核。

铝框复合材料夹芯板的制备及其受弯性能

刘明龙, 方海, 张中威, 宋春明, 徐佳佳

2025, 0(12): 103-113. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251228.014

摘要 ( 21 )

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为满足高原型拆装式存储装置耐久性要求,本文设计了一种新型铝框复合材料夹芯板。采用试验、理论和有限元的方法研究了铝框复合材料夹芯板的受力性能。试验采用配重砝码块进行重力分级均布加载,模拟铝框复合材料夹芯板在风荷载下的受力响应,在最大一级荷载(2.46 kN/m²)作用下,铝框复合材料夹芯板跨中挠度值为4.74 mm,为正常使用极限范围挠度限值5.52 mm(l/400)的85.87%。运用复合材料夹层结构经典理论,推导了铝框复合材料夹芯板跨中挠度计算公式,理论计算值大于试验值,最大误差为9.90%,总体吻合较好。使用ANSYS/Multiphysics软件建立了铝框复合材料夹芯板三维模型并进行有限元分析,模拟铝框复合材料夹芯板在风荷载下的响应,有限元模拟值小于试验值,最大误差为9.62%,吻合较好。采用复合材料夹芯板有限元模型进行参数分析,在最大一级荷载加载下,发现有铝框、有格构腹板和提高面板厚度分别使跨中挠度降低了57.43%、78.05%和30.16%。

湿热环境下修理参数对贴补修理蜂窝板固有频率的影响

李宸, 马传宁, 谢昊航, 卢翔

2025, 0(12): 114-122. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251228.015

摘要 ( 16 )

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复合材料蜂窝板结构修理方案设计时一般不考虑湿热效应对其振动特性的影响,合理的修理参数设计可以有效恢复修理后蜂窝板的固有频率。通过有限元仿真和模态试验,综合分析了不同修理参数下,单侧贴补修理碳纤维环氧树脂/芳纶纸蜂窝板固有频率受湿热作用影响的变化规律。基于分段剪切变形原理并结合湿热等效理论,建立了单侧贴补修理蜂窝板有限元模型,分析了在不同湿热条件下,修理参数对修理后蜂窝板固有频率的影响。结果表明:当补片铺层与待修理板面板铺层层数一致时,修理板固有频率受湿热条件影响较小,补片铺层过少或过多均有较大影响;补片搭接长度为损伤直径的0.5~1倍时,修理板固有频率受湿热作用影响较小,当搭接长度进一步增加时,受湿热作用影响更明显。与在热环境下相比,贴补修理蜂窝板在湿环境下固有频率的降低更明显,湿热联合作用对复合材料蜂窝修理板固有频率的影响比单一湿、热作用的影响更大。

不同力学特性胶对胶栓混接GFRP梁柱节点的抗震性能的影响

刘洛含, 肖潇, 张志恒

2025, 0(12): 123-130. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251228.016

摘要 ( 17 )

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针对套筒连接的GFRP梁柱节点在循环荷载下容易发生梁撕裂和耗能不足的问题,基于试验结果研究节点的破坏模式以及抗震性能,分析并且比较是否加入胶黏剂以及加入不同力学性能的胶黏剂后节点抗震性能提升效果。在套筒连接的基础上,加入不同力学性能的胶黏剂,制作了无胶、柔性胶、刚性胶、组合胶4组GFRP梁柱节点并进行低周反复加载试验,研究强度不同的胶对节点抗震性能的影响。结果表明:相较于无胶,加入柔性胶后,节点耗能大约提升了97.19%;加入刚性胶后,节点耗能大约提升了298.86%。柔性胶相较于刚性胶容易撕裂,胶撕裂后导致节点表现接近无胶组。刚性胶和组合胶结果相近,说明在套筒侧面涂抹不同力学性能胶黏剂的作用差异不大。刚性胶组没有撕裂现象,破坏模式为套筒屈曲断裂,梁柱完好无损。建议在套筒连接模式下加入刚性胶,以提高节点的抗震性能。

SiC_f/SiC复合材料:SiC纤维、制备技术及其在航空发动机的应用进展

焦春荣, 焦健

2025, 0(12): 131-137. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251228.017

摘要 ( 21 )

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SiC_f/SiC复合材料具有轻质低密度、优异的高温稳定性、良好的机械性能、突出的化学稳定性和高耐磨损特性,是航空发动机热端部件的理想材料。本文主要介绍SiC纤维的发展现状、SiC_f/SiC复合材料的制备工艺及其性能、SiC_f/SiC复合材料在航空发动机的应用进展,分析了当前SiC_f/SiC复合材料发展面临的挑战,提出SiC_f/SiC复合材料进一步发展的重点。

热塑性复合材料在汽车轻量化中的应用前景

姚利超, 王淑霞, 李义全, 毛雅赛

2025, 0(12): 138-144. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251228.018

摘要 ( 23 )

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针对汽车轻量化的发展需求,具有优异力学性能、低密度特性以及良好加工适应性的热塑性复合材料在汽车工业中展现出广阔的应用潜力。本文综述了热塑性复合材料在汽车结构件、内饰件、外覆盖件以及承力部件中的实际应用。同时,针对面临的成本较高、成型工艺复杂及回收利用技术不成熟等挑战,提出了可行的工程解决方案。随着高分子材料改性技术和智能制造的进步,热塑性复合材料将在汽车轻量化领域发挥更重要的作用,推动汽车产业向绿色低碳方向转型升级。

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