复合材料科学与工程

赵彦淇, 戴勇, 刘畅, 来晓靓, 孙成, 刘小林, 邵纯

2026, 0(4): 1-8. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260428.001

摘要 ( 55 )

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针对新型IMA/M21X复合材料的常用力学性能参数开展温度影响测试,对0°和90°铺层的试验件进行在常温、70 ℃、120 ℃、150 ℃和180 ℃工况下的拉伸试验,以及相应温度工况下剪切模量G₁₂、G₁₃和G₂₃的测量。研究结果表明:横向弹性模量受温度影响大,从常温到180 ℃下降了34.78%;横向泊松比接近于0且随温度升高而升高;剪切模量均随温度升高而降低,与通常情况下认为公式大28.49%;IMA/M21X材料的拉伸模量和面内剪切模量相对更加优异,但层间剪切模量相对较弱。本研究取得了IMA/M21X材料的常温与温度力学参数,并探究了温度对其性能的影响,为该类材料的应用提供了基础。

硅炔杂化树脂及其复合材料的制备与性能研究

张耀之, 徐锦文, 赵星诺, 蒋峰光, 束长朋, 周权

2026, 0(4): 9-17. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260428.002

摘要 ( 31 )

PDF (4214KB) ( 38 )

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硅炔杂化树脂因为其所具有的优异耐温与抗氧化性能,在航空航天、核电新能源、5G等重要领域有着广泛应用。为进一步研究该类树脂的结构与性能之间的联系,拓展其在更多领域的应用,本文研究了一种耐温高强硅炔杂化树脂的制备过程,并将其制成复合材料,探究分子结构对树脂基体和复合材料性能的影响,旨在提升材料耐热性能、力学性能和加工性能。本文选用不同取代基二氯硅烷与间二乙炔基苯制成聚(间二乙炔基苯-硅烷)树脂(PBS-R),研究树脂分子结构、固化过程、耐热性能以及复合材料力学性能。结果表明:PBS-R树脂固化温度随硅烷取代基空间位阻增大而上升;甲基氢二氯硅烷所合成的聚(间二乙炔基苯-甲基氢硅烷)树脂(PBS-H)具有最佳耐热性能,在氮气和空气下的T_d5分别达到了734.8 ℃、615.2 ℃;二甲基二氯硅烷所合成的聚(间二乙炔基苯-二甲基硅烷)树脂(PBS-B)具有最优力学性能,经玻璃纤维增强后,其常温弯曲和层间剪切强度分别达到了403.5 MPa和21.3 MPa,250 ℃下力学性能保留率在80%以上。

三维间隔织物混杂增强复合材料抗冲击性能研究

高龙威, 白一峰, 蒋金华, 陈南梁, 邵慧奇

2026, 0(4): 18-26. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260428.003

摘要 ( 31 )

PDF (11575KB) ( 28 )

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为提高碳纤维层合板的抗冲击性能,采用三维中空机织间隔织物与碳纤维层合板一体成型,设计制备了不同原料(玻璃纤维、碳纤维)、不同厚度(3 mm、7 mm、15 mm)的间隔织物与碳纤维经编双轴向织物混杂增强复合材料,进行了9 J、15 J、21 J、27 J能量的连续低速冲击测试,并讨论混杂顺序对抗冲击性能及吸能损伤模式的影响。研究结果表明:间隔织物单侧分布时可以提供较大的初次冲击吸能,与单一层合板相比,比吸能值(Specific Energy Absorption,SEA)提升25.74%以上,27 J冲击时SEA至少减小33.67%,间隔织物厚度越大,吸能能力越强;碳纤维间隔织物的吸能能力高于玻璃纤维间隔织物吸能能力,27 J冲击时SEA减小21.46%。夹芯结构的吸能随间隔厚度增大而增大,且渐进冲击后依然有效,27 J冲击时15 mm玻璃纤维间隔织物夹芯结构SEA依然提升了2.48%;与玻璃纤维相比,碳纤维间隔织物夹芯结构的抗冲击性能更优,27 J能量冲击时SEA降低30.34%。

复合材料层合板剪切非线性行为的试验及数值仿真研究

马铭泽, 熊欣, 孟庆春, 吴富强, 赵亚盼, 乔巍

2026, 0(4): 27-35. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260428.004

摘要 ( 38 )

PDF (8129KB) ( 44 )

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复合材料纵横剪切应力存在明显的非线性行为,本文针对碳纤维和玻璃纤维编织复合材料的剪切非线性现象,展开了试验和数值仿真研究。采用类似塑性损伤的本构方程描述了复合材料剪切非线性本构,考虑了塑性应变对残余变形的影响。通过与试验结果对比发现,本文模型可以准确描述编织复合材料的载荷-位移曲线、损伤分布和失效形貌,验证了本文模型的准确性。

卷边加筋肋约束下正交各向异性板剪切屈曲荷载的近似公式

丁慧, 刘庆辉, 乔丕忠

2026, 0(4): 36-43. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260428.005

摘要 ( 24 )

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构造恰当的屈曲形函数,采用瑞利-里兹法求解两对边简支、另外两对边受卷边加筋肋约束的正交各向异性板临界剪切屈曲荷载的解析解。引入无量纲正交各向异性参数、翘曲约束系数和两类屈曲系数,利用曲线拟合技术得到卷边加筋肋约束下正交各向异性板临界剪切屈曲荷载的近似计算公式。将得到的近似公式与解析解、转换解和ANSYS数值解进行对比,验证近似公式的有效性和通用性。求解得到的近似公式可以应用到具有卷边翼缘的复合材料型材的剪切局部屈曲分析中。

基于自适应聚类与语义加权的空气耦合兰姆波无基准损伤成像方法

秦塬, 周进节, 彭志康

2026, 0(4): 44-54. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260428.006

摘要 ( 25 )

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针对传统空气耦合兰姆(Lamb)波概率成像方法所存在的严重依赖无缺陷参考信号及易受边界伪影干扰的问题,提出一种融合密度聚类与语义加权的无基准概率成像新方法。该方法通过正交扫查采集全路径响应信号,提取小波低频近似系数与归一化对称差分因子构建联合特征向量,并采用基于密度的噪声应用空间聚类(Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise,DBSCAN)对扫描路径进行“健康-损伤”状态的无监督划分。进一步将聚类获得的语义标签作为自适应权重嵌入改进的损伤概率检测重构算法(Reconstruction Algorithm for Probabilistic Inspection of Damage,RAPID)概率成像模型,实现伪影路径抑制与软基准的动态构建。在碳纤维增强复合材料分层缺陷检测试验中,所提方法在完全无需独立健康基准的条件下,平均尺寸测量误差较传统RAPID方法降低50.5%,对40 mm×20 mm×0.05 mm缺陷在X/Y方向的测量误差分别降低81.7%与65.5%,并实现了对20 mm×20 mm×0.05 mm小缺陷的有效识别。在低至5 dB信噪比的强噪声环境中,该方法仍保持稳定的成像性能。研究表明,该方法有效解决了传统成像方法对健康基准数据的依赖问题,显著提升了损伤检测的精度与鲁棒性,展现出良好的工程应用潜力。

有机硅改性玄武岩纤维及其绝缘复合材料性能评估

刘贺晨, 王昱力, 吴雄, 南树岳, 汪子颖, 吴鹏

2026, 0(4): 55-62. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260428.007

摘要 ( 43 )

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由于玄武岩纤维表面呈惰性,与基体结合强度较低,在制备成为纤维增强复合材料后难以充分发挥其性能优势。以环氧有机硅树脂乳液作为成膜剂,KH-560作为偶联剂,并辅以其他助剂,配制出玄武岩纤维浸润剂,并对其进行改性处理,通过真空辅助成型技术制备复合绝缘材料,探究有机硅环氧树脂对玄武岩纤维改性的可行性。结果表明,有机硅环氧树脂对玄武岩纤维改性效果显著。与商用玄武岩纤维制备而成的复合材料相比,其击穿场强和沿面闪络电压分别提高了35.02%和17.88%,而介质损耗因数降低了31.4%,具备更优越的绝缘特性;弯曲强度提高了16.85%,且在23 ℃与100 ℃下具备更低的吸水率。综上分析,经过有机硅环氧树脂处理后的玄武岩纤维表现出更优异的性能,在大型电工设备中运用玄武岩纤维增强复合材料具有广阔的应用前景。

复合材料泡沫夹层结构非穿透损伤修理的四点弯曲性能研究

刘国春, 沈赫, 孙华伟

2026, 0(4): 63-71. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260428.008

摘要 ( 35 )

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本研究针对复合材料泡沫夹层结构非穿透性损伤的修理结构弯曲力学特性,开展了复合材料面板与芯层材料的基础力学性能测试,构建了基于三维Hashin失效准则、可压溃泡沫塑性模型及B-K胶层失效准则的高精度夹芯结构渐进损伤有限元分析模型,进行了非穿透损伤修理结构的四点弯曲性能试验,探讨了修理结构在弯曲载荷作用下的损伤演化与失效机理,基于高精度有限元分析模型完成了附加铺层修理参数优化。研究结果表明,针对泡沫夹芯维修结构,采用层合板、泡沫夹芯和胶层三种失效准则的有限元模型具有较高的计算精度,弯曲强度和弯曲刚度同试验均值的偏差为4.15%和2.07%。通过有限元分析与试验验证能够有效揭示修理结构承弯的损伤扩展路径及破坏模式,选取的优化修理方案达到了90.68%的强度恢复率,具有较强的工程实用价值。

环氧树脂咪唑类潜伏性固化剂的制备与性能研究

刘伟

2026, 0(4): 72-77. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260428.009

摘要 ( 37 )

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通过咪唑(MI)与巴比妥酸(BA)在水溶液中的酸碱中和反应,制备了咪唑巴比妥酸盐(BAM),并将其用作环氧树脂(EP)体系的潜伏性固化剂。本研究借助傅里叶变换红外光谱与核磁共振氢谱,对BAM的分子结构进行了系统表征,采用差示扫描量热分析、流变测试、动态热机械分析和力学性能测试系统评估了EP/BAM体系的潜伏性、储存稳定性及机械性能。研究结果显示,巴比妥酸的引入显著降低了咪唑的固化活性,与EP/MI体系相比,EP/BAM体系的固化放热峰向高温区移动约60 ℃,室温储存期延长至63 d,并在中温条件下实现快速固化,兼具优异的潜伏性和高效固化性能。此外,EP/BAM固化物的玻璃化转变温度维持在163.9 ℃,与EP/MI固化体系相比,其强度和模量均更优,展现出更优异的耐热性和机械性能。综上所述,EP/BAM体系为单组分环氧树脂体系开发提供了一种高效的新策略。

基于机器学习的复合材料工字形加筋板压缩屈曲行为预测研究

杨馨怡, 聂小华, 张国凡, 常亮

2026, 0(4): 78-88. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260428.010

摘要 ( 34 )

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工字形复合材料加筋板是飞机承载部件中常见的工程结构,其轴向压缩屈曲性能研究多采用工程法和有限元分析法,但存在精度不高、耗时较长等问题,难以实现高效率、高精度研究。本研究针对工字形复合材料加筋板轴压屈曲载荷和屈曲波形的预测问题,建立了一种高效的机器学习模型框架。通过设计样本空间并形成数据集,选取了极限树(Extra Tree)回归模型和人工神经网络(ANN)分类模型作为预测模型,屈曲载荷和波形的预测精度分别达到98.34%和93.75%,显著提高了预测精度与效率,突破了传统方法的局限。

多颗磨粒异步刻划C/SiC复合材料的三维多相有限元建模与试验研究

张广滨, 李远辰, 李澳, 郑炎钊, 梁凯, 郭义

2026, 0(4): 89-100. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260428.011

摘要 ( 25 )

PDF (37085KB) ( 30 )

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为深入揭示碳纤维增强陶瓷基复合材料(C/SiC)磨削机理,针对目前宏观单相有限元方法无法直观体现纤维和基体的失效形式、切屑类型等问题,本文综合考虑了纤维-界面-基体多相的相互作用机制,通过数值仿真建立了多颗磨粒刻划C/SiC复合材料的三维有限元模型,对磨粒轴向间距和刻划深度进行了仿真分析。通过相应的试验研究,阐明了基体和纤维的失效形式、切屑形成过程、磨粒不同轴向间距下中间区域表面损伤形貌,揭示了多颗磨粒在不同轴向间距和刻划深度下的刻划力变化规律。结果表明:磨粒的刻划力会交互影响,磨粒一刻划后在表面留下较多的损伤,有效降低了磨粒二的刻划力,且这种影响随着轴向间距的不同而表现为不同程度的干涉作用,表明磨粒之间存在较强耦合关系;当间距为70 μm时,磨粒之间干涉不明显,为临界间距。与沿着横向纤维方向刻划相比,沿着纵向纤维方向的刻划力更大,这是由于界面的剪切强度大于界面的脱黏强度,且纤维轴向强度大于径向强度导致的。

铝合金表面协同处理及其与CF/PEEK板的电阻焊接研究

陈新宇, 余敬升, 谌顺心, 徐任信

2026, 0(4): 101-106. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260428.012

摘要 ( 31 )

PDF (16565KB) ( 94 )

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为解决航空装备制造中7075铝合金和碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)复合材料的高效可靠连接问题,通过喷砂处理铝合金,并在其表面设计不同厚度的聚醚酰亚胺(PEI)热塑层,研究铝合金喷砂对热塑层的附着力以及不同厚度热塑层对焊接接头的焊缝质量、强度和断面结构的影响。结果表明,喷砂形成的粗糙结构有效增强了铝合金的润湿性能和表面粗糙度,提升了其对热塑层的附着力。当热塑层为0.4 mm时,喷砂后的焊接接头强度从2.18 MPa显著提升至18.48 MPa。焊接接头的断面失效形式主要为加热元件碳纤维撕裂层间失效。

基于贝叶斯理论的湿热环境下含孔层合板剩余强度预测

贾宝惠, 周家星, 肖海建, 任鹏

2026, 0(4): 107-114. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260428.013

摘要 ( 32 )

PDF (5765KB) ( 27 )

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复合材料层合板凭借优越性能得到广泛应用。在湿热环境下,含孔复合材料层合板剩余强度下降明显,且分散性增加。针对复合材料层合板实际应用环境,本文开展了6种湿热环境下的静强度拉伸试验和仿真。以仿真数据作为层合板剩余强度评估的基础,应用贝叶斯理论结合试验数据对层合板剩余强度进行理论评估,得出了湿热环境下层合板剩余强度参数的分布规律。采用Metrohast-Hastings算法得到层合板剩余强度的数值解,并通过数值反演给出复合材料层合板剩余强度随温湿度变化的分布规律。基于90%和99%分位值推导出含孔层合板结构强度以温湿度为自变量的函数。该模型能够有效预测湿热环境下含孔层合板剩余强度数值和分散性。

全复合材料波纹夹芯圆柱壳轴压屈曲行为解析预测

周文婷, 王从, 王艳霞, 马苗立

2026, 0(4): 115-123. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260428.014

摘要 ( 31 )

PDF (7357KB) ( 27 )

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针对全复合材料纵向连续梯形波纹圆柱壳轴压线性屈曲行为,提出便于工程应用的解析预测方法。该方法计算分析效率高,能区分胞元间面板屈曲、波纹腹板屈曲、夹芯壁板屈曲和圆柱壳整体屈曲等4种屈曲失稳模式,对应计算出的屈曲临界应力与三维有限元仿真结果的误差在±12%以内。基于验证过的解析公式开展参数分析,协同分析了复合材料波纹夹芯圆柱壳屈曲临界应力和失稳模式随结构、铺层参数的变化规律,绘制了失稳机制图。研究发现:全复合材料波纹夹芯圆柱壳不易发生夹芯壁板屈曲,增大波纹倾斜角度或芯子壁板厚度能提高屈曲临界应力;保持所有几何尺寸不变,屈曲临界应力和失稳模式会随面板、芯子铺层角度的变化而变化,胞元间面板屈曲临界应力和波纹腹板屈曲临界应力均在45°时达到极值。

基于响应面法复合材料固化变形影响研究

刘世宇, 牛雪娟

2026, 0(4): 124-131. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260428.015

摘要 ( 55 )

PDF (9398KB) ( 39 )

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针对复合材料固化成型残余应力导致固化变形的问题,本文采用顺序热-力耦合的数值模拟方法预测复合材料固化变形。通过热压罐成型工艺制备构件,基于响应面法探究工艺参数对固化变形的影响研究和控制。以各数据点所测数据为基础建立响应面模型,得到最优固化工艺参数。结果表明,通过顺序热-力耦合方式进行数值模拟,构件最大变形与试验结果之间的误差为14.56%。利用响应面优化得到的最优固化工艺,其固化变形的预测值与试验测得的最大变形之间的最大偏差不超过36.17%。相较于传统工艺,优化后最大变形量降低了55.38%。

单向纤维铺缝复合材料单轴拉伸性能试验及模拟研究

马元春, 闫丽, 耿小亮, 张恒

2026, 0(4): 132-137. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260428.016

摘要 ( 25 )

PDF (6660KB) ( 88 )

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本文针对以纤维变角度牵引铺缝技术制备的1311RTM/GW300单向纤维复合材料层合板,开展了单轴拉伸试验与数值仿真,探索了纤维偏转对材料力学性能及失效模式的影响。结果表明,相比于无铺缝试样,铺缝试样的拉伸强度与刚度均有所下降,断裂位置及裂纹扩展路径与缝纫针脚分布吻合,说明纤维局部方向偏转对力学性能产生影响。采用反映针脚处纤维偏转特征的建模方法,并结合Hashin损伤准则模拟纤维偏转与损伤演化,预测所得拉伸强度与模量同试验结果一致,应变分布特征与试验结果相同。

碳纤维中空织物复合材料的树脂缓释工艺研究

王晓文, 孙婕, 赵大娟, 王芸铖, 董继萍, 周正亮

2026, 0(4): 138-143. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260428.017

摘要 ( 26 )

PDF (6545KB) ( 93 )

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针对三维中空织物真空辅助成型中下面层树脂含量明显高于上面层树脂含量的问题,设计树脂缓释技术,在织物和脱模布上方铺设树脂缓释层,分别制备了5 mm和8 mm两种高度的碳纤维中空织物复合材料,并测试分析该复合材料的上、下面层树脂含量及力学性能。结果表明,树脂缓释技术可以有效缓解碳纤维中空织物上、下面层树脂含量不均的问题,5 mm试样的上、下面层树脂含量差异由6.9%降低至2.5%,8 mm试样的上、下面层树脂含量差异由6.4%降低至3.3%,上面层的树脂含量分布均匀性同步提高。同时,随着树脂含量差异的减小,复合材料的拉伸、弯曲、冲击等力学性能均有所提高。

碳纤维增强树脂基复合材料拉挤成型工艺研究进展

胡玉杰, 曾永红, 刘永红, 孙琳, 张联合, 朱洪强, 路文凤, 蔡雅迪, 朱敏江, 周泽文, 张辉

2026, 0(4): 144-160. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260428.018

摘要 ( 43 )

PDF (29155KB) ( 59 )

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拉挤成型工艺以其高生产效率、高原材料利用率、优异的可设计性等特点在碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)生产中有着独特的优势,被广泛应用于风电叶片、航空航天等各个领域。本文综述了拉挤成型工艺的应用现状。以树脂作为基体材料,按照热固性树脂和热塑性树脂分类,对拉挤成型CFRP进行了详细的讨论。拉挤型材的截面结构主要有一字形、工字形、圆形等。讨论了拉挤工艺的详细过程以及相应的优化设计方案,包括纤维排纱、纤维浸胶、固化成型等;阐述了拉挤成型复合材料的性能测试与评价,包括拉伸、弯曲、层间断裂韧性等力学测试手段,以及无损检测、抗老化测试等性能检测方法。最后,对复合材料的回收和拉挤成型工艺在CFRP中存在的问题进行了讨论,并对未来的发展趋势进行了展望。

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