复合材料科学与工程

王润宁, 何财鑫, 渠振江, 张佳平

2026, 0(1): 1-8. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260128.001

摘要 ( 23 )

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连续纤维增强陶瓷基复合材料密度低,同时具备卓越的机械性能与抗烧蚀/氧化特性,被认为是极具发展潜力的热结构材料。本研究以2.5D机织碳纤维预制体作为增强体,采用化学气相渗透结合反应熔渗工艺制备碳纤维增强Zr基陶瓷复合材料,探究了其在氧-乙炔以及氧-煤油环境中的烧蚀行为。结果表明:经过2 200 ℃氧-乙炔环境100 s的烧蚀考核,材料结构完整,并表现出较低的线烧蚀率和质量烧蚀率,分别为-0.74 μm/s和1.51 mg/s,经1 300 ℃氧-煤油烧蚀100 s后,其线烧蚀率和质量烧蚀率分别为-0.99 μm/s和11.48 mg/s。氧-乙炔烧蚀后,材料表面形成ZrO₂+SiO₂复合氧化物保护层,可以有效阻挡氧气向材料内部扩散,使其具有良好的抗烧蚀性能,但在氧-煤油烧蚀环境下,由于燃气中的水蒸气与SiO₂反应生成气体,致使其氧化层疏松多孔,从而为氧化性气体扩散提供通道,引发基体与纤维氧化,削弱复合材料的抗冲刷能力。

玻璃纤维和麦秸秆纤维增强聚乳酸复合材料力学性能分析与预测

慕文龙, 张世坤, 黎世杰, 陈良玉, 蒋军委

2026, 0(1): 9-15. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260128.002

摘要 ( 22 )

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为了研究玻璃纤维(Glass Fiber,GF)的加入对麦秸秆纤维(Wheat Straw Fiber,WSF)/聚乳酸(Polylactic Acid,PLA)复合材料力学性能的影响,对制备的玻璃纤维和麦秸秆纤维增强聚乳酸(GFWSF/PLA)复合材料进行拉伸试验、差示扫描量热法分析以及Micro-CT扫描。结果表明:GF能有效传递和承受载荷,因此混杂复合材料的力学性能得到显著改善。在加入了25%质量分数的GF后,复合材料抗拉强度达到了52.4 MPa(相较于WSF/PLA复合材料提高40%以上),且在一定的范围内,复合材料的力学性能随着GF含量的增加逐渐提高。WSF与GF均可提高材料的玻璃化转变温度(T_g),相较于纯PLA的61.62 ℃,分别提高到了63.22 ℃、67.43 ℃,改善了复合材料的耐热性。WSF与GF的加入还降低了复合材料的冷结晶温度(T_cc),由纯PLA的95.03 ℃降低到了90.00 ℃,这使复合材料更容易结晶。Micro-CT可以有效提取出GF在基体中的分布特征,结合Micro-CT结果、试验结果的拟合函数及Halpin-Tsai经验公式,建立了考虑复合材料内部真实纤维分布的力学性能预测模型,实现了玻璃纤维-秸秆纤维-聚乳酸三相复合材料的力学性能预测。

高低温下飞艇囊体材料撕裂性能试验与仿真研究

王昕煜, 周金龙, 孙慧玉

2026, 0(1): 16-23. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260128.003

摘要 ( 19 )

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本文研究了一种新型飞艇囊体复合材料结构,其由聚氨酯基体、平纹尼龙编织物增强体组成。基于Ogden本构模型,拟合囊体材料经纬向的力学性能。在-5 ℃、80 ℃以及常温下进行撕裂试验,研究高低温条件下囊体材料的撕裂性能,利用扩展有限元法对含中心预制裂纹囊体材料的撕裂性能进行模拟,根据试验和模拟结果系统性地评估了不同温度下预制裂纹对囊体材料力学性能的影响,并进一步分析了裂纹扩展过程和路径,模拟结果与试验结果吻合较好。结果表明:当温度从-5 ℃到80 ℃时,最大撕裂强度下降了约40%,撕裂应变相应提高了约28%,所以需要重视囊体材料在高温下的撕裂特性。本文采用的扩展有限元方法对飞艇囊体材料的撕裂行为模拟有较强适用性。

采用不同胶黏剂的GFRP胶螺混接接头的拉伸性能试验研究

陈江, 肖潇, 刘明钒, 欧阳容海

2026, 0(1): 24-32. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260128.004

摘要 ( 19 )

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为推动玻璃纤维增强复合材料在土木行业的应用,本文通过一种脆性胶黏剂与两种拉伸模量和拉伸强度不同的柔性胶黏剂胶螺混接接头的拉伸试验,探究了接头在不同搭接长度和胶层厚度下的连接性能。结果表明:三种胶中,高模量高强度的柔性胶接头承载力最高;随着搭接长度的增加,三种胶的混接接头承载力均提高;随着胶层厚度的增加,脆性胶接头承载力降低,低模量低强度柔性胶承载力提高,高模量高强度柔性胶在中间厚度为1.0 mm时承载力最佳;低模量低强度柔性胶在厚度为1.0 mm和1.5 mm时实现胶螺共同承载,而另两种胶无法实现共同承载,表现为承载过程中的分段脆性承载特征;三种胶的接头的破坏模式以GFRP板的剪切和劈裂破坏为主。本文研究可为后续工程实践提供一定指导参考。

复合壳体用改性DETDA耐高温湿法缠绕树脂性能研究

郝尚, 姚卓君, 刘翔宇, 王晓蕾, 田杰

2026, 0(1): 33-38. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260128.005

摘要 ( 24 )

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针对碳纤维复合材料发动机壳体缠绕工艺的需求,采用有机硼化合物改性DETDA固化剂,增强反应位点活性。使其与TDE-85环氧树脂/活性稀释剂搭配使用,可将固化温度从190 ℃降至160 ℃,同时T_g可达241.5 ℃。对该体系树脂进行了黏度-时间、热分析测试,探究了改性固化剂对成型过程的影响,并对其树脂浇注体与复合材料壳体性能进行了探究。试验结果表明,树脂体系初始黏度为800 mPa·s,适用期为8 h,满足大型发动机壳体缠绕成型工艺需求。该树脂固化后在具有高T_g的同时,依然具有优良的强度和韧性。该树脂与T800碳纤维复合,制成的复合材料壳体密闭性完好,经测试,平行水压爆破试验的爆破压强均值为24.6 MPa。

基于直接多尺度法的单向纤维复合材料弯曲渐进损伤分析

许欣怡, 马连华, 周伟

2026, 0(1): 39-44. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260128.006

摘要 ( 28 )

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基于ABAQUS仿真平台,本文采用一种高效的并行多尺度计算方法,即直接多尺度有限元(Direct FE²,DFE²)法,对碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)在弯曲载荷下的渐进损伤行为开展了数值研究。该方法实现了宏观尺度模型和微观尺度代表性体积元(Representative Volume Element,RVE)的同时计算。在考虑纤维在基体内随机分布的基础上,利用Python脚本实现了微观尺度RVE模型的参数化建模。基于ABAQUS内置的热-力耦合分析模块,通过编制UMATHT和UMAT子程序,比拟求解了基于局域化梯度增强模型的聚合物基体损伤问题。最后,DFE²和全尺寸直接数值模拟(Direct Numerical Simulation,DNS)的对比计算研究表明,DFE²方法在保证准确性的同时,显著提高了计算效率,从而大幅降低了计算成本。

增材制造C-CFRP拉伸及压缩跨层断裂仿真及试验研究

孙光永, 王勤淮, 贾晓航, 庞通, 罗俊杰

2026, 0(1): 45-54. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260128.007

摘要 ( 16 )

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具有高设计自由度的增材制造连续碳纤维增强复合材料(Continuous Carbon Fiber Reinforced Polymer,C-CFRP)取得了高速发展,然而尚未有关于其跨层断裂力学性能的详细研究。本文基于[0/90]_4S铺层的增材制造C-CFRP试样,开展了紧凑拉伸(Compact Tension,CT)试验和紧凑压缩(Compact Compression,CC)试验,并通过X射线计算机断层扫描(Computed Tomography,CT)和扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)表征了其失效模式,进而揭示了其失效机理。结果表明增材制造C-CFRP拉伸断裂临界能量释放率为9.50~21.41 kJ/m²,压缩断裂临界能量释放率为22.18~188.97 kJ/m²。SEM结果表明拉伸断裂的微观失效模式包括纤维断裂、纤维拔出、界面脱黏等,且拉伸过程存在纤维桥接现象。值得注意的是,X射线断层扫描结果表明在CT试件尾端存在压缩失效模式。纤维桥接及尾端压缩失效使得拉伸断裂韧性随着裂纹长度增大而增大。CC试件宏观失效模式为屈曲和压剪断裂,由于压缩过程中断裂失效的材料仍具有承载能力,因此压缩断裂能也随着裂纹长度增大而增大。本研究揭示了增材制造C-CFRP拉伸及压缩断裂失效机理,同时为增材制造C-CFRP仿真模拟提供可靠的断裂参数。

聚碳硅烷改性短切碳纤维的制备及其复合材料高温抗氧化性能研究

谢勇, 傅华东, 窦继鹏, 刘迪至, 秦岩

2026, 0(1): 55-61. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260128.008

摘要 ( 20 )

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采用化学接枝法在短切碳纤维表面制备了聚碳硅烷的衍生涂层,并使用模压工艺制备了短切碳纤维增强硼酚醛树脂复合材料,通过扫描电子显微镜和傅里叶红外光谱仪分析,探究了聚碳硅烷化学接枝的基本机理。测试了复合材料在室温、800 ℃、1 000 ℃、1 200 ℃下氧化后的弯曲强度,以及经氧-乙炔火焰烧蚀后烧蚀中心区域的微观形貌和物相演变,研究聚碳硅烷衍生涂层对复合材料高温抗氧化性能和耐烧蚀性能的影响。结果表明:经过1 200 ℃热处理10 min后,聚碳硅烷改性短切碳纤维/酚醛树脂复合材料的弯曲强度保留率仍有12.77%。在聚碳硅烷衍生涂层的保护下,改性短切碳纤维/酚醛复合材料表现出优异的耐烧蚀性能。通过微观形貌显示,材料表面形成了复合陶瓷膜,提升了表面致密度,保护了内部材料。

二维超构热防护结构热调控特性研究

陈圣兵, 王鑫, 贺旭照

2026, 0(1): 62-68. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260128.009

摘要 ( 17 )

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基于超构材料的热调控思想,设计了一种新型二维超构热防护结构。与传统热防护结构相比,其增加了由高导热材料和相变材料构成的超构材料层,以实现热防护结构内热量的定向疏导和热能的存储与管理。采用有限元方法建立了二维超构热防护结构的数值仿真模型,分析了空域高斯分布的不均匀热载荷产生的局部高温情况,以及时域交变热载荷和阶跃热载荷造成的温度振荡情况。结果表明:超构热防护结构能够有效地缓解空域不均匀热载荷引起的局部高温,还能够显著地减弱交变和阶跃热载荷引起的温度振荡与冲击。相同载荷情况下,与传统热防护结构相比,超构热防护结构外表面最高温度降低了15.3%,稳态温度振荡幅值降低了48.6%。因此,通过引入超构材料层,不仅能够提升热防护结构的防热性能,还能增强其抗热震能力,对于未来高效热防护系统设计具有重要参考意义。

氮化硅纤维增强氮化硼基复合材料制备及高温性能研究

彭喆, 李娇娇, 袁志清, 李松

2026, 0(1): 69-73. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260128.010

摘要 ( 24 )

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针对超高声速飞行器对新型高温透波复合材料的应用需求,采用先驱体浸渍裂解工艺,以缝合氮化硅纤维缎纹布的立体织物为增强体,以环硼氮烷为陶瓷先驱体,制备了氮化硅增强氮化硼基(Si₃N_4f/BN)复合材料,通过SEM、XRD、高温弯曲、烧蚀表征了Si₃N_4f/BN复合材料的结构和性能。结果表明:Si₃N_4f/BN复合材料质地均匀致密,密度达到1.82 g/cm³,具有优异的高温力学性能,其1 400 ℃下的弯曲强度为76.9 MPa,强度保留率超过70%,仍保持着无定型结构;Si₃N_4f/BN复合材料表现出优异的抗烧蚀性能,按照GJB 323A—1996,采用氧乙炔烧蚀测试线烧蚀速率为0.026 mm/s,烧蚀表面以及沿热流方向均表现为烧蚀中心区域、烧蚀过渡区域以及未烧蚀的本体区域,其中烧蚀中心区域纤维被消耗,仅残留多孔的氮化硼基体以及少量的氧化物,烧蚀过渡区域的纤维表面被熔融氧化物包裹,未烧蚀区域依旧为致密的Si₃N_4f/BN本体。

考虑纬斜的三维机织圆筒预制体细观结构表征

胡敬爱, 焦亚男, 张一帆, 段静静

2026, 0(1): 74-81. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260128.011

摘要 ( 16 )

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利用微计算机断层扫描技术解构了三维机织角联锁圆筒预制体真实细观结构,分析了各系统纱线横截面形态和空间位置分布规律,发现圆筒预制体在织造过程中会形成纬斜的现象。基于经纬纱截面分别为矩形和凸透镜形的假设,构建了带有纬斜的三维机织圆筒织物几何模型,建立了圆筒预制体纱线参数、织物参数和结构尺寸间的关系,与织物厚度实测值进行对比,误差为-1.958%。制备了圆筒试样进行分析,研究结果表明,纬斜角一般在30°~50°之间,受纬密影响明显,随纬密增大而增大,可为三维机织圆筒预制体的工艺设计提供技术支撑。

基于RTM-预浸料工艺的数值模拟与固化制度优化

陈婕, 谢金鑫, 彭飞, 张峰嘉, 许林鹏, 周何乐子, 周华民

2026, 0(1): 82-91. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260128.012

摘要 ( 17 )

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RTM-预浸料工艺界面处预浸料和树脂固化的不同步导致了明显的固化度梯度,使得界面力学性能下降,但是目前少有共固化过程的数值模拟和对其固化制度的探索。基于环氧树脂和碳纤维/环氧树脂预浸料的固化动力学模型,利用ABAQUS软件的二次开发对共固化过程进行数值模拟,从而优化工艺曲线参数,使界面处两种材料同步固化,并通过短梁剪切试验和双悬臂梁试验验证了模拟结果的可靠性。结果表明:界面的两种材料存在放热耦合作用,但对界面材料的固化影响很小;在不同固化制度下,层合板界面层短梁剪切强度和Ⅰ型层间断裂韧性均优于预浸料层相应值,且采用以约5 ℃/min的升温速率升温至180 ℃保温2 h的固化制度,层合板力学性能更优。研究结果对实际生产具有一定的指导意义。

复合材料电池箱体RTM成型工艺仿真及孔隙缺陷分析

张赛, 邹文涛, 宋通, 程从前, 曹铁山, 吴晓重, 孟宪明, 赵杰

2026, 0(1): 92-101. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260128.013

摘要 ( 28 )

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针对复合材料电池包下箱体的树脂传递模塑(Resin Transfer Molding,RTM)成型进行了方案设计,基于PAM-RTM软件对其充模过程进行仿真分析及孔隙缺陷预测。首先,对比了两种方案在三种出胶口状态下充模时间,分析了注胶压力及树脂黏度对RTM成型时间的影响规律;其次,分析了充模过程中注胶口附近位置的压力变化情况;最后,预测了宏观/微观两种尺度孔隙缺陷在构件中分布及注胶压力对孔隙含量的影响规律,并结合流速优化理论控制树脂前沿流速以降低孔隙含量。结果表明,模腔内注胶与出胶口压力差越大,成型用时越少,且受到注胶位置影响。注胶压力与充模时间呈线性关系,压力越低,充模时间缩短效果越明显,且黏度越大,充模时间越长。孔隙含量与前沿流速有关,注胶压力越大导致流速越快,宏观孔隙随之减少,微观孔隙相应增多;且流速优化方式注胶能够显著降低总体孔隙率水平,但会延长成型周期。

复合材料蜂窝夹层结构挖补修理表面平整度研究

崔立军, 孔娇月, 陈海燕, 瞿明城, 赵子平

2026, 0(1): 102-108. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260128.014

摘要 ( 17 )

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为了保证复合材料蜂窝夹层结构挖补修理后获得较好的表面平整度,研究了安装替换蜂窝芯时不同蜂窝芯的补偿高度和固化保温温度对复合材料蜂窝夹层结构背面面板表面平整度的影响;同时还研究了填充层数量、复合材料均压板以及替换蜂窝芯芯格表面密封对修理铺层固化后表面平整度的影响。研究结果表明:替换蜂窝芯补偿高度与原结构面板外表面齐平或不大于1 mm时,背面面板可以获得较好的表面平整状态,最大凸起变形量为0.05 mm;在背面面板侧安装加热毯可以保证替换蜂窝芯固化时底部的固化温度,使用比原结构面板材料固化温度低的胶膜进行蜂窝芯粘接时背面面板可以获得较好的表面平整状态;在替换蜂窝芯和结构修理铺层之间安装3层填充层并且固化使用0.4 mm厚的复合材料均压板,固化后修理铺层可以获得较好的表面平整状态,表面凹陷变形量为0.13 mm;安装结构修理铺层前使用糊状灌封胶对替换蜂窝芯芯格表面进行密封,固化后修理铺层可以获得较好的表面平整状态。

碳/玻混杂三维五向编织复合材料工字梁弯曲及失效行为

赵雨晴, 李倩倩, 李炜

2026, 0(1): 109-116. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260128.015

摘要 ( 15 )

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采用三维编织技术和真空辅助树脂灌注成型工艺制备了碳/玻混杂三维五向编织复合材料工字梁,对不同混杂比例和不同混杂部位的复合材料工字梁进行四点弯曲测试,结合三维数字图像相关(3D Digital Image Correlation,3D-DIC)技术分析其应变分布和损伤过程。结果表明:采用不同混杂比例时,1/3碳纤维轴纱和2/3碳纤维轴纱相比纯玻璃纤维试样的强度提升了4.5%和11.5%,随着碳纤维占比的增加,复合材料的强度逐渐提升,但提升幅度较小;而碳纤维分布位置不同时,工字梁弯曲失效形式也不同,纯玻璃纤维和碳纤维在下翼缘的2种试样属于下压头附近边缘断裂的失效形式,碳纤维在腹板、腹板和下翼缘的2种试样属于腹板前后错位倾斜的失效形式,碳纤维在上翼缘、上翼缘和下翼缘、上翼缘和腹板的3种试样都属于腹板中心纵向断裂的失效形式;结合位移-载荷曲线及失效形式分析可知,1/3碳纤维分布于上翼缘,2/3碳纤维分布于上翼缘和下翼缘时,工字梁强度及抵抗变形的能力更佳,碳纤维更适合混杂于上翼缘。

碳纤维复合材料面齿轮辐板轻量化设计与制造

危干军, 杜晨, 扶碧波, 尹红灵, 严岳胜, 彭雄奇

2026, 0(1): 117-123. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260128.016

摘要 ( 12 )

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齿轮作为机械传动系统的重要部件,其轻量化设计对提升整体传动效率和降低能耗具有重要意义。本文针对直升机齿轮传动系统的轻量化需求,采用碳纤维复合材料代替高强钢,设计了面齿轮碳纤维复合材料辐板结构。基于等代设计与有限元分析,完成了对碳纤维复合材料面齿轮辐板结构关键参数的设计。通过对结构区域的划分,设计了不同尺寸的碳纤维复合材料预浸料铺层体,并实现了变厚度碳纤维复合材料辐板的制造。在满足结构强度和刚度要求的条件下,整个齿轮减重达10.48%。研究结果为齿轮辐板的碳纤维复合材料轻量化设计制造提供了科学依据和技术支持。

基于机器学习的风电叶片关键部位设计和优化方法

刘俊邦, 刘清, 林启扬, 张文华, 黄轩晴

2026, 0(1): 124-132. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260128.017

摘要 ( 24 )

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对风电叶片的主梁结构性能进行分析,结合FOCUS和Python语言开发了一套基于机器学习模型的风电叶片关键部件逆向结构优化方法。以某1.5 MW风电叶片设计为例,建立了叶片有限元分析模型。以主梁铺层厚度为设计变量,以主梁应变峰值为优化目标,通过建立机器学习模型来反映主梁铺层参数和应变及质量的底层映射关系,并基于此机器学习模型开发了一种基于机器学习的自学习循环优化方法。实现了同一型号叶片的关键部位在不同风场、不同工况载荷下的快速迭代。优化后的主梁保持成本不变,性能提升约11.44%。该方法以其高度可移植性的特点有望成为叶片各关键部位设计与优化的有效工具。

风电叶片基于龙门与六轴机器人的全自动推胶设备设计及应用

周瑞瑞, 闫少轶, 陈晓亮, 李振飞

2026, 0(1): 133-140. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260128.018

摘要 ( 15 )

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风电叶片粘接胶涂胶作业是风电叶片主成型工序的核心作业步骤之一,其直接影响成品叶片的使用寿命和发电效率。当前,叶片生产企业仍采用人工手持刮板推胶的形式作业,胶型质量差,受员工熟练程度影响大,试合模数据与胶层参数匹配率低,粘接胶浪费严重,人工成本高。为解决上述问题,本文综合考虑了现场实际作业需求及功能分析方案,设计采用了龙门绗架式机械臂、工业六轴机器人、智能可调节胶靴的构造形式,使用可编辑逻辑控制器,实现各部件间的协同总控,进而实现大型风电叶片的全自动推胶作业。设计完成后,使用研制样机进行试验。结果证明,该设备的应用可有效降低工序用工成本,提升作业效率与胶型质量,降低粘接胶用量。

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