复合材料科学与工程

陈英童, 魏欣, 吴晓青, 杨忠, 于柏峰

2026, 0(5): 1-8. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260528.001

摘要 ( 30 )

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本文分别使用有限元分析法和试验法研究了双轴向经编织物增强树脂泡沫夹层结构复合材料的导热行为,分析了织物结构、边界条件、材料属性等因素对复合材料热传导性能的影响。通过有限元方法分析了夹层结构复合材料的热传导行为,发现各组分材料导热性能的差异和温度梯度方向均会影响夹层结构复合材料的导热行为,且后者影响作用更明显。通过红外热成像试验测试了夹层结构复合材料的热传导过程、温度分布和最终热平衡时的温度,试验结果与有限元方法得到的结果具有一致性。

石墨烯微片/聚碳酸酯复合材料的阻燃性能和电学性能研究

费然, 李海军, 张江城

2026, 0(5): 9-15. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260528.002

摘要 ( 28 )

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本文制备了石墨烯微片(GNK)/聚碳酸酯(PC)复合材料,并研究了GNK对复合材料力学性能、阻燃性能和电学性能的影响。结果表明:GNK提高了复合材料力学性能、阻燃性能和导电性能。随着GNK加入,复合材料拉伸强度和弯曲强度先增大后降低;热释放速率(Heat Release Rate,HRR)、烟释放速率(Smoke Production Rate,SPR)和CO释放速率的峰值均减小,且峰值出现时间延长;总热释放量(Total Heat Release,THR)、总烟释放量(Total Smoke Release,TSR)和CO释放速率降低,极限氧指数(Limiting Oxygen Index,LOI)、火灾性能指数(Fire Performance Index,FPI)和阻燃等级提高;防静电性能提高,表面电阻率降低,电导率增大。当GNK添加量为6%时,复合材料综合性能最好,此时拉伸强度和弯曲强度最高,比空白样提高36.6%和16.2%,HRR、SPR和CO释放速率较小,LOI和FPI较高,阻燃等级达到V-0级,且具备较好的防静电性能。

基于四点弯曲试验的复合材料R区层间性能研究

李妍, 陈琳, 蔡志强, 李俊, 原崇新, 李志远, 陈振

2026, 0(5): 16-22. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260528.003

摘要 ( 24 )

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在飞机结构设计中,R区结构易产生面外的层间应力,是设计的关键细节。本文以四点弯曲的试验方法为基础,通过设计冲击方案,引入了目视勉强可见损伤(Barely Visible Impact Damage,BVID),并通过剩余强度试验,获得了在损伤条件下,损伤类型、试验件厚度及环境对R区层间拉伸强度的影响。对于本文构型,15 mm×7 mm预埋缺陷的放置方向对层间拉伸强度的影响较小;对于本文所研究的3.42 mm厚度试验件,BVID比预埋缺陷引起的层间拉伸强度折减更高;对于同样铺层方式、不同厚度的试验件,层间拉伸强度与厚度表现出相关性;湿热环境对层间拉伸强度有一定影响,本文的折减系数为0.38。本文研究的结论和规律对工程应用具有指导和借鉴意义。

复合材料U形结构固化变形与最大应力差的尺寸效应研究

刘洋, 赵红华, 白瑞祥, 黄钰棋, 贾志, 鉴锴

2026, 0(5): 23-33. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260528.004

摘要 ( 31 )

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复合材料固化成型产生的固化变形和应力差严重影响构件的成型精度、结构装配与使用寿命,尤其是在航空航天领域广泛应用的大尺寸异形U形结构中。本研究首次针对异形大尺寸U形结构的固化变形和应力差进行研究,分析并对比了不同铺层的温度、固化度、固化变形及应力分布特性,揭示了尺寸效应的规律和最大应力差的非线性变化。研究发现:固化度场与温度场存在相似性,前期内、外侧铺层温度与固化度上升较快,后期中间铺层会完成反超;厚度方向应力场呈现层间梯度效应,其中间层区维持均匀分布特征,而内、外边界层则形成非均匀分布模式;薄壁异形U形结构固化变形演化符合尺寸效应规律;最大应力差随外形尺寸增大而减小,在厚度调控过程中,存在一个最小值临界点,超过该点后,最大应力差逐渐增大,且这一临界厚度值随构件外形尺寸增大而增大。

陶瓷颗粒增强铝基复合材料残余应力的多尺度模拟

李晓敏, 杨营, 黎家宝

2026, 0(5): 34-40. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260528.005

摘要 ( 26 )

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本研究旨在探究陶瓷颗粒增强金属基复合材料等效弹性响应特性及残余应力演化机制,通过多尺度建模策略,创新性地构建了包含有效代表性体积单元的多尺度弹性响应模型,实现了从细观弹性响应到宏观力学行为的跨尺度关联。以Al₂O₃/A356复合材料为例,理论预测了不同A356含量的复合材料等效弹性性能以及残余应力。结果表明:复合材料等效弹性常数随着A356含量的增加而逐渐降低,呈现明显的软化效应;承载时,Al₂O₃陶瓷相存在压缩应力,且复合材料压缩残余应力随A356金属相的增加呈现先升后降的非单调变化规律。模型预测的复合材料等效弹性性能以及残余应力与试验测量值相吻合,验证了该多尺度模型的准确性,为复合材料正向设计以及性能优化提供了可靠的理论依据。

玄武岩纤维复合材料大型结构管道及典型连接结构件力学性能分析

彭旭, 张艺伟, 王祥林, 肖文强, 冉龙飞, 杨中甲

2026, 0(5): 41-47. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260528.006

摘要 ( 46 )

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为促进玄武岩纤维复合材料(Basalt Fiber Reinforced Polymer,BFRP)管道在海洋养殖领域中得到应用,以连续玄武岩纤维/乙烯基树脂(Basalt Fiber/Vinyl Ester Resin,BF/VER)复合材料缠绕管道为研究对象,选取2根大型BF/VER缠绕圆管进行三点弯曲破坏试验,对5种直接接头、2种T形接头进行拉拔力学试验,测试管道及其典型接头力学性能。结果表明,2根10 m长的大直径BF/VER缠绕管道破裂时的最大载荷分别为128.9 kN、190.54 kN,破坏位置为加载区域1~1.5 m范围内,不同的加载方式所得结果存在显著差异。拉拔试验结果表明,除管道本体外,承插式的直接接头抗拉性能最优,极限载荷达1 223 kN,与管道本体抗拉性能仅相差6%,增加直接接头胶层厚度有利于提升其抗拉性能。同尺寸的T形接头抗拉性能与是否开马鞍口孔有关,与开马鞍口孔的接头相比,未开马鞍口孔的接头抗拉性能提高了12.2%。

碳纤维复丝拉伸试样制备过程对拉伸强度测试值的影响

马楚, 冯晓薇, 崔郁, 王雪明

2026, 0(5): 48-53. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260528.007

摘要 ( 32 )

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以7种碳纤维作为研究对象,通过改变碳纤维复丝拉伸试样制备过程中的张力、固化度和树脂含量,研究制样过程对碳纤维拉伸强度测试值的影响。结果表明:碳纤维复丝拉伸强度的测试值与制样时的张力密切相关;最佳张力与复丝的强度等级的相关性不明显,而与规格有关,规格越大,最佳张力越大;复丝拉伸试样的固化度控制在94%,树脂含量控制在40%~45%时,可获得最高拉伸强度测试值。

飞机新型轻质化雷电防护铜网设计及试验验证

张铁纯, 李杰, 巩翰林, 谭家明, 李小二, 张家俊, 司晓亮

2026, 0(5): 54-62. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260528.008

摘要 ( 30 )

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目前飞机复合材料结构件雷电防护广泛采用防雷击铜网,然而这导致了整体结构重量增加的问题。为满足雷电防护层减重的迫切需求,本研究针对2A区雷电防护铜网进行轻质化设计。首先,结合2A区传统铜网设计参量,选取了不同厚度、网孔规格和梗宽下的13组铜网试样,通过仿真系统研究了不同参数下带铜网复合材料结构件的雷击损伤特性,确定了严重雷电直击工况下的铜网参数边界。基于此,设计了一款新型轻质铜网,经试验验证,其雷电防护性能满足设计要求,且单位面积重量较当前主流铜网产品降低了14.5%。

加热元件优化设计对7075铝合金与CF/PEEK电阻焊接的影响

谌顺心, 徐任信

2026, 0(5): 63-68. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260528.009

摘要 ( 23 )

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加热元件作为电阻焊接中的关键界面材料,其种类和焊接参数直接影响焊接接头力学性能。通过对加热元件制备工艺的优化,发现其浸润性、热稳定性和力学性能均能满足7075铝合金(7075AA)与碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)复合材料的电阻焊接要求。同时研究了不同焊接电流工艺下,不锈钢网加热元件(SS-HEs)与碳纤维加热元件(CF-HEs)对电阻焊接的影响。结果表明,随着焊接电流的升高,两种体系接头的单搭接强度(Lap Single Strength,LSS)均呈现先升高后降低的趋势。SS-HEs的LSS在35.0 A时达到最大值8.76 MPa,但焊接接头断面中CF/PEEK板表面由于界面大部分区域没有达到焊接温度,出现大面积未粘现象;CF-HEs的LSS在15 A时达到最大值10.47 MPa,相比于SS-HEs的接头强度提高了19.52%,其焊接接头断面铝合金表面出现热塑层脱黏现象。

结晶度对玻璃纤维增强聚芳醚酮拉挤棒材性能影响

张武星, 崔亓官, 蒋诗才, 姚佳楠, 周续鹏, 于有海

2026, 0(5): 69-77. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260528.010

摘要 ( 26 )

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本文采用拉挤成型工艺制备玻璃纤维增强聚芳醚酮复合材料棒材,通过等温热处理的方式调控成型后棒材中树脂的结晶度,研究了树脂结晶度对棒材弯曲、压缩及剪切强度等力学性能的影响。结果表明:拉挤成型后的等温热处理提高了复合材料棒材中树脂基体的结晶度,使树脂的刚度提高,进而显著提高了棒材的弯曲与压缩性能;但本体结晶随后处理温度的提高而提高,导致树脂/纤维界面强度下降,使得棒材剪切性能降低。由此可见,对于玻璃纤维增强聚芳醚酮棒材而言,结晶度会影响树脂基体刚度和纤维与树脂界面结合强度,进而影响棒材的力学性能。这一发现可为优化热塑性拉挤工艺及拓展其工程应用提供理论依据。

基于扩孔缠绕的Ⅲ型储氢气瓶铺层优化及应力分析

金树峰, 王静泊, 张智贤, 刘丹, 代紫璇

2026, 0(5): 78-88. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260528.011

摘要 ( 25 )

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为提高Ⅲ型储氢气瓶的承载能力和使用安全性,针对Ⅲ型储氢气瓶定角度缠绕导致的纤维堆积应力集中问题,基于扩孔缠绕的优化设计方法,对气瓶的缠绕层铺层方案进行了研究,并运用ABAQUS-WCM软件建立气瓶有限元模型,分析扩孔前后气瓶的应力分布规律及其对承载能力的影响。研究结果表明,通过改变气瓶纤维缠绕孔径,可降低环向缠绕层应力,提高螺旋缠绕层应力,改善气瓶的应力集中现象,使环向缠绕层与螺旋缠绕层应力分布更加均匀。根据最大应力失效准则进行失效分析,结果表明,气瓶扩孔后最小爆破压力从100.1 MPa提升至103.4 MPa,增加了3.3%,增强了纤维的承载能力。环向缠绕层和螺旋缠绕层在各方向应力分担中发挥了更大作用,从而提升了气瓶整体的结构强度和性能。

基于背包问题与动态规划的纤维铺叠过程料片存储优化研究

李论, 王琢然, 高航

2026, 0(5): 89-97. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260528.012

摘要 ( 20 )

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针对航空航天桨叶制造中纤维铺叠工艺的料片收纳优化问题,提出一种融合背包问题(knapsack problem)与动态规划的混合算法。该算法通过建立料片价值-空间双目标评估模型,构建以料仓层数、面积和利用率为约束条件的多目标优化函数,采用动态规划策略实现料片分层布局优化。试验选取料片总量为17种的典型算例。结果表明,该算法在多层空间待优化场景下表现出高效性。试验将4层方案的初始平均利用率79.3%提升至2层方案的平均空间利用率99.9%,较传统方法提升了25.9%;通过动态调整料仓空间的层间匹配,总空间减少了20.5%。研究证实,该算法通过动态调整料仓参数组合,可有效平衡空间利用率与工艺价值,为复杂构件制造提供高效收纳解决方案。

复合材料层合板边界条件的声辐射特性研究

朱从云, 朱云龙, 院蕾

2026, 0(5): 98-103. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260528.013

摘要 ( 21 )

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针对复合材料层合板在不同边界条件下的声辐射特性,本文基于分层理论与有限元分析,结合声辐射模态理论,系统分析了四边固支、简支和自由边界条件下单向、对称及反对称铺设方式对结构振动及声辐射功率的影响规律。通过推导声功率关于铺设方式和边界条件的灵敏度公式,揭示了铺层顺序与边界约束的交互作用机制。结果表明:固支边界会显著增强低频声辐射,而自由边界下声功率整体最低;反对称铺层在固支条件下可有效抑制低频声辐射,而单向铺层在高频段降噪效果最优。

3D打印连续碳纤维增强尼龙复合预浸丝材制备工艺研究

王宇轩, 连利仙, 杨东, 何泰君, 范聪泽, 宋文哲, 陈芳

2026, 0(5): 104-115. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260528.014

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为了提高连续纤维增强热塑性复合材料在增材制造技术中的树脂浸渍性能并降低孔隙率,实现打印样件力学性能增强,本研究采用热力耦合工艺制备了连续碳纤维/尼龙6(CCF/PA6)预浸丝材,采用正交试验设计不同的工艺参数组别,并通过对不同正交组别的拉伸性能、结晶度、微观形貌以及孔隙率进行极差分析,得出不同性能的最佳成型工艺参数。结果表明,经充分浸渍的预浸丝材拉伸强度可达691.37 MPa,最大结晶度为31.91%,最小孔隙率为1.28%。同时,采用最优工艺参数下的预浸丝材进行FDM打印工艺验证,通过力学试验和弯曲样件断裂面微观形貌对打印样件性能进行分析。结果表明,较低的打印层厚、较小的道间距以及较高的打印温度可提高打印样件的力学性能。

不同固化剂复配的灌注型环氧树脂制备及性能

侯燕, 张红元, 张锐涛, 樊创碧, 赵玉, 张兴刚, 曾飞

2026, 0(5): 116-120. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260528.015

摘要 ( 25 )

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针对碳纤维复合材料对中低温固化环氧树脂(Epoxy Resin,EP)的需求,系统研究了混合型固化剂5-氨基-1,3,3-三甲基环己甲胺(IPDA)/聚醚胺(8100)不同配比对树脂体系的黏度、固化物热性能和力学性能的影响。结果表明,随着固化剂8100添加量的增加,树脂体系的玻璃化转变温度(T_g)呈现下降的趋势,弯曲强度和冲击强度均呈现出先增加后减小的趋势。当IPDA与8100质量比为1∶1时,树脂体系黏度为347 mPa·s,满足真空灌注工艺的要求,且固化物的T_g达到101.8 ℃,弯曲强度达到110 MPa,冲击强度达到16.5 kJ/m²。通过真空灌注成型工艺制备的复合材料,其拉伸强度为919 MPa,弯曲强度为715 MPa,短梁剪切强度为49.4 MPa,与市售EP树脂制备的复合材料性能相当。通过SEM对CF/EP复合材料断面进行分析,结果表明,树脂与纤维之间具有良好的界面性能。综合分析可知,IPDA与8100质量比为1∶1时,EP具有良好的热性能和力学性能,碳纤维复合材料同样具有良好的力学性能。

碳纤维发动机罩多目标优化设计

康元春, 李盈莉

2026, 0(5): 121-129. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260528.016

摘要 ( 21 )

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为实现发动机罩的轻量化并保证其刚度和强度等性能,采用了多变量耦合多目标优化的方法。设计了碳纤维外板与金属内板的发动机罩。基于等刚度原理确定发动机罩碳纤维外板的初始厚度,并基于拓扑优化对金属板进行重构,得到三种内板结构方案。综合考虑内板材料、内板结构、内板厚度和碳纤维外板铺层厚度对发动机罩性能的影响,利用拉丁超立方抽样,并在此基础上构建径向基函数(Radial Basis Function,RBF)神经网络代理模型,进行多变量耦合的多目标优化;为得到最佳的碳纤维铺层顺序,在OptiStruct中对外板铺层顺序进行优化。优化结果表明,所设计的发动机罩系统静态性能符合设计要求,且较原发动机罩质量减轻了51.27%。

复合材料滑橇式起落架设计与试验验证

王洋洋, 张维, 赵小斌, 刘庚, 赵文博

2026, 0(5): 130-139. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260528.017

摘要 ( 31 )

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针对某型无人机总体设计要求,开展了滑橇式起落架设计、分析与试验验证。建立了复合材料滑橇式起落架的动力学有限元模型,其中机体结构采用等效质量点简化处理。在落震计算中综合考虑了旋翼升力的影响,并依据CCAR-27条款引入有效质量方法模拟无人机着陆过程。通过仿真获得了着陆过程中机体的过载值及结构响应数据,继而针对弓形梁各铺层区域进行反复迭代优化,确保起落架满足设计着陆速度且过载适中。同时,采用最大应变准则对弓形梁进行强度校核,最终设计出满足强度与刚度要求的起落架结构。落震试验验证结果显示,仿真数据与试验数据吻合良好,从而证明了所提出仿真流程和设计方案的有效性。以上研究成果对复合材料滑撬式起落架的工程设计具有重要的指导意义。

环氧树脂增韧改性及其模型研究进展

梁晗曦, 李闯, 杨帅, 高艺铭, 熊需海

2026, 0(5): 140-150. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260528.018

摘要 ( 39 )

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环氧树脂具有优异的综合性能,其作为复合材料的基体树脂被广泛应用于航空航天、国防军事、风电核能、汽车船舶以及交通运输等重点领域。环氧树脂的高交联密度在带来高比模量、高比强度的同时,也导致其脆性大、抗冲击性差和耐疲劳性低等缺点,严重限制了环氧树脂进一步的发展与应用。因此,平衡环氧树脂的韧性与强度成为亟待解决的关键问题。本文综述了近几年国内外环氧树脂增韧改性的研究进展,分别阐述了橡胶、热塑性树脂、纳米粒子、热致液晶聚合物、超支化聚合物等方式增韧环氧树脂的机理、优势以及存在的问题,同时指出利用微观力学模型和分子动力学模型研究增韧机理是一种有效的研究方法,可以深入探讨环氧树脂微观力学性能与宏观力学行为之间的联系。最后,本文对未来环氧树脂增韧技术的发展方向进行了展望,同时指出环氧树脂未来发展的目标以及面临的挑战。

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