复合材料科学与工程

刘书恒, 黄晓阳, 刘庆辉

2026, 0(9): 1-11. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260928.001

摘要 ( 56 )

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基于半光滑牛顿法开展含分层双层梁受迫振动接触非线性分析。采用仅具有平动自由度的梁单元模拟含分层双层梁的上、下子梁。通过Fischer-Burmeister互补函数将分层界面的接触互补条件转化为非光滑方程,结合广义雅可比矩阵构造和自适应正则化策略,利用Newmark-β时域逐步积分法求解,实现了分层界面动态开闭状态的鲁棒捕捉。为验证模型的有效性和精度,以两端固支含分层双层梁为例进行计算。结果表明,在使用较少单元的情况下,本文得到的自振频率、时间-位移曲线与有限元解吻合良好。即使不考虑几何非线性因素,接触条件的改变依然会引起含分层双层梁复杂的非线性动力学行为。随着激励频率的变化,系统会经历周期运动、2倍周期运动和混沌运动等非线性动力学行为。

羟基化PPESK接枝MWCNTs上浆改性短切碳纤维增强PPESK复合材料摩擦学性能

邵明轩, 庄玉祥, 蹇锡高, 刘程

2026, 0(9): 12-19. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260928.002

摘要 ( 45 )

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针对短切碳纤维与热塑性树脂基体界面结合强度不足、易引发疲劳磨损的问题,本文设计了一种含羟基化杂萘联苯聚芳醚砜酮接枝多壁碳纳米管的上浆剂,有效提升了短切碳纤维/聚芳醚砜酮树脂(SCF/PPESK)复合材料的界面性能和摩擦学性能。在室温干摩擦条件下,其摩擦系数低至0.14,磨损率低至3.7×10^-16 m³·N^-1·m^-1,磨损率相较于未经上浆处理的复合材料降低了约24%。此外,借助微观形貌测试以及摩擦表面的元素分析,揭示了SCF/PPESK复合材料的摩擦磨损机理,证实了增强界面是提升耐高温热塑性树脂基复合材料耐磨性的有效策略。

碳纤维复合材料页型胶接接头横向冲击剩余强度研究

杨沫, 万率, 胡津恺, 轩浩, 周岳斌

2026, 0(9): 20-29. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260928.003

摘要 ( 47 )

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胶接接头是复合材料结构中的薄弱位置之一,受到横向冲击时易产生损伤,严重影响其连接强度。本文提出了一种新型页型胶接接头,采用有限元仿真和试验测试的方法,研究了该接头的横向冲击损伤和剩余强度。通过对不同冲击能量、不同搭接长度以及与单搭接胶接接头的对比研究发现:页型胶接接头的剩余强度系数随着冲击能量的增加而降低;随着搭接长度的增加,页型胶接接头的冲击后剩余强度系数提升明显;页型胶接接头的剩余强度能达到同尺寸单搭接接头的4倍以上,具备优越的抗冲击性能。

海水干湿循环下碳纤维束锚锚固性能劣化试验研究

董坤, 庞之贤, 刘辉, 高钰

2026, 0(9): 30-37. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260928.004

摘要 ( 35 )

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为探究海水侵蚀环境下碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics, CFRP)束锚的锚固性能劣化规律,进行了海水干湿循环作用下纤维束锚扇-CFRP片材黏结结点的拉伸剪切试验以及纤维束锚杆-混凝土黏结结点的拉拔试验。总结了试件的破坏形态、极限荷载和极限位移随干湿循环周期的变化情况,并且分析了树脂材料中添加短切碳纤维对黏结性能的影响。试验结果表明:随着干湿循环周期的增加,锚扇-CFRP布试件的破坏形式由搭接界面的部分剥离逐渐向完全剥离破坏转变,极限荷载在240次干湿循环后提高了17.6%,但锚扇-CFRP板试件极限荷载降低了42.79%。锚扇-CFRP试件的极限位移前期先上升,后期则降低40%~50%。锚杆-混凝土试件的极限荷载在各干湿循环周期后均有提高,在循环180 d时提高了25.16%;其破坏形态由锥形混凝土拔出破坏逐步转变为锚杆完全拔出破坏。添加短切碳纤维的试件界面黏结性能提升不明显。

虑及树脂分布非均匀性的一体化CFRP传动轴固化变形预测

聂慧阳, 周锦涛, 郭嘉炜, 龙俊米, 刘舒霆

2026, 0(9): 38-50. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260928.005

摘要 ( 50 )

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大尺寸法兰-膜盘-轴管一体化碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)传动轴因其优异的比强度/刚度及减重潜力,已成为轻量化、高性能传动部件重要发展方向。针对现有模型尚难以准确描述树脂非均匀分布对一体化CFRP传动轴固化变形和残余应力影响的问题,提出一种虑及树脂分布非均匀性的一体化CFRP传动轴固化变形预测方法,通过建立不同树脂含量下的代表性体积单元(Representative Volume Element,RVE)模型,预测复合材料的力学性能、热膨胀及化学收缩特性,并将其映射至传动轴宏观有限元模型,模拟固化过程中的变形行为和应力分布。研究结果表明:一体化CFRP传动轴中树脂的非均匀分布显著影响变形和残余应力,传动轴上下两侧树脂体积分数差异每提升1%,最大固化变形增加0.63 mm,最大残余应力提升1.05 MPa;当复合材料上下两侧树脂体积分数差异达到40%时,轴管最大弯曲变形量可达23.67 mm(无膜盘)和22.45 mm(有膜盘),同时残余应力集中分布于一体化法兰与膜盘R角区域,最大应力增幅为102.4%。基于上述结论,进一步讨论了适用于工程实施的变形抑制策略,为高精度CFRP一体化传动轴的制造提供了重要的理论支撑和工艺优化途径。

磺化聚芳醚酮上浆剂的制备及其对CF/PEEK复合材料性能的影响

陈相, 吕楠, 王永林, 秦文贞, 白树林

2026, 0(9): 51-59. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260928.006

摘要 ( 27 )

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碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)复合材料在航空航天领域具有广泛的应用前景。但是,碳纤维表面呈惰性,与基体PEEK相容性较差,导致碳纤维与PEEK之间界面结合较弱,限制了CF/PEEK复合材料的应用。因此,本研究利用磺化法制备磺化聚芳醚酮(SPEKC)上浆剂,然后利用SPEKC上浆剂对碳纤维表面进行上浆改性,并对碳纤维表面形貌、结构以及CF/PEEK复合材料的界面与力学性能进行研究,分析界面增强机理。研究结果表明,磺酸基提高了SPEKC上浆剂的亲水性和稳定性。经磺化3 h的SPEKC复合材料改性CF/PEEK复合材料具有最佳的力学性能,其弯曲强度和层间剪切强度分别达到了1 232.61 MPa和73.57 MPa,相比于未改性的CF/PEEK复合材料分别提升了14.8%和6.2%。

阴极电化学接枝离子液体改善高模量碳纤维界面性能的研究

张彤, 李鸿鑫, 曹维宇, 王梦梵

2026, 0(9): 60-71. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260928.007

摘要 ( 32 )

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针对高模量碳纤维表面化学惰性强、表面能低导致其与树脂基体界面结合较差的问题,本文提出一种采用阴极电化学法接枝咪唑类离子液体改性碳纤维的新方法。研究系统考察了离子液体浓度和电流密度对聚丙烯腈基高模量碳纤维表面物理化学结构及其复合材料界面性能的影响规律。研究结果表明,离子液体通过电化学作用成功接枝于酸化碳纤维表面,并在纤维与基体间构建了“化学桥梁”,其胺基端与纤维表面的含氧官能团发生键合,另一端则参与环氧树脂的固化反应。这种双重作用显著改善了碳纤维的表面浸润性及界面结合强度。特别是当离子液体浓度为5wt%和电流密度为25 A·m^-2时,改性效果最佳,其界面剪切强度由未处理的42.27 MPa提升至95.52 MPa,增幅达125.9%。该研究阐明了电化学接枝离子液体的界面增强机理,为高模量碳纤维复合材料的界面优化提供了新的技术途径。

织物结构对多向三维机织复合材料力学性能的影响

仇普霞, 郭琦, 王冬梅, 李磊

2026, 0(9): 72-78. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260928.008

摘要 ( 53 )

PDF (11860KB) ( 78 )

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本文设计开发了两种不同织物结构增强的复合材料。基于这种新型多层多向角联机织结构,通过多轴向力学测试(拉伸、压缩及面内剪切),结合数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)技术和失效界面微观形貌分析,系统表征了经、纬向加载试样的损伤演化机制及其与织物结构的关联。试验数据表明,不同织物结构制成的三维多向机织复合材料,其内部承载纤维体积含量和聚集状态不同,对其力学性能产生不同影响。承载纤维体积含量较高且呈集中分布结构的复合材料,其性能提升显著。

基于前端聚合的复合材料穿孔损伤原位快速修复研究

宋龙杰, 张宏武, 杨莉玲, 陶小芳, 陈丁丁, 邢素丽, 尹昌平, 唐俊

2026, 0(9): 79-87. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260928.009

摘要 ( 32 )

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现有复合材料修复技术工艺流程长、时效性差,且依赖加热加压设备进行辅助固化,无法满足外场条件下原位、低能耗、快速修复的要求。以双环戊二烯为代表的前端聚合高分子仅需简单的热源激励便能快速完成固化,其固化过程简单、速率快、能耗低且力学性能优异。基于此,本论文针对复合材料穿孔损伤,开展基于前端聚合复合材料的快速修复技术研究,系统探究了补片铺层数、胶黏层、补片形状等因素对穿孔损伤复合材料薄板修复效果的影响规律。研究发现,当补片铺层数为4层时,修复效果最佳,但是由于前端聚合补片与损伤母板之间缺乏界面粘接,此时强度恢复率仅为40.74%。通过在前端聚合补片与损伤母板之间涂敷能够协同快速固化的环氧DP100胶,可以将修复后强度恢复率提升至71.94%。进一步将等长补片优化为梯形形状后,强度恢复率提升至84.48%。相较于传统贴补修复,前端聚合贴补修复能够使修复能耗下降1~4个数量级,修复时间由数小时下降至分钟级,且无需额外的加热加压设备,在装备应急维修领域具有广阔的应用前景。

纤维增强复合材料低压涡轮轴结构强度优化设计

郑源林, 孙远驰, 骆丽, 李世超, 赵奉同

2026, 0(9): 88-98. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260928.010

摘要 ( 38 )

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针对新一代航空发动机所应用的纤维增强复合材料传动轴结构在实际应用中的强度问题,开展了复合材料传动轴结构强度优化设计方法研究及强度参数计算与试验验证,通过对RVE有限元模型强度参数计算结果与试验结果进行对比,发现两者的误差均在合理范围内,证明了有限元仿真计算方法的正确性。选用单向缠绕铺层结构的纤维增强金属基复合材料轴结构整体模型算例,对其进行优化设计应用,建立复合材料轴分层复合结构模型,对复合材料轴结构的最优铺层方案进行设计。在铺层厚度不变的条件下,通过计算得到最佳铺层角度为47.8°;在铺层角度不变的条件下,计算得到最佳铺层厚度为8层。采用响应面法对纤维增强复合材料低压涡轮轴进行强度优化设计,选择其优化参数,并确定响应值为最大Mises应力和最大蔡-吴指数,获得响应面模型,并得到二阶响应面近似方程,进而求得响应值最优解时的各项优化参数,并将其应用于复合材料低压涡轮轴。结果表明,优化后复合材料轴结构的减重率为35.21%。

船用编织复合材料夹芯结构极限强度渐进失效仿真方法研究

胡涛, 秦恺, 王玮, 汤云溪

2026, 0(9): 99-106. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260928.011

摘要 ( 29 )

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为解决船用大中型夹芯复合材料结构极限强度分析中三维精细化建模计算成本过高的问题,本文提出并验证了一种高效的“壳-实耦合”有限元简化模型。本文将三维渐进损伤破坏准则降维适配至二维壳单元,并以典型L形加强筋连接结构为对象,对比评估了芯材实体/蒙皮壳单元耦合(方法一)与夹芯板整体壳单元等效(方法二)两种简化策略。结果表明:方法二的简化策略在基础结构刚度预测上有较大偏差;而方法一结合在关键区域(如帽形加强筋)划分不少于6个单元的网格策略,能在还原非线性破坏模式并将极限载荷预测误差控制在7%以内的前提下,实现近百倍的计算效率提升。

机器人玻璃纤维自动挂切纱机构设计及断纱实验研究

徐东亮, 刘炜, 张心怡, 周亮

2026, 0(9): 107-112. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260928.012

摘要 ( 25 )

PDF (4853KB) ( 64 )

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针对当前纤维缠绕设备辅助系统自动化程度较低的问题,设计了一种机器人纤维自动挂切纱机构,并重点对关键挑切模块的断纱效果进行了实验研究。选用工业领域广泛使用的玻璃纤维和环氧树脂作为本次研究的材料,分别在干纱和浸胶两种状态下,研究了纤维根数、刀片距离及施加张力对纤维切断瞬间机器人末端轴旋转角度的影响;同时,对比分析了丝束断口形貌以评估切断效果。实验结果表明:机器人末端轴旋转角度随纤维根数增加而增大,随刀片距离或张力的增大而减小;在较高张力条件下,浸胶处理对断纱效果无显著影响;相同实验条件下,处于浸胶状态的玻璃纤维丝束所需最小切断力更小,且其断口形貌更为理想。

基于铺层参数优化的无人机多模态共振抑制研究

林剑春, 陈春寺, 沈冠斌, 彭天赐, 刘燕德

2026, 0(9): 113-121. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260928.013

摘要 ( 37 )

PDF (10101KB) ( 65 )

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针对三叶桨四旋翼无人机结构模态与桨频(43~55 Hz)和三倍频(129~165 Hz)激励耦合引发的共振问题,提出一种基于铺层参数优化的共振抑制方法。首先通过模态分析识别出落在激励频带内的整机横滚模态及中框弯扭模态,明确多模态耦合下的共振风险;通过铺层参数敏感性分析,揭示中性面0°铺层占比越高、结构刚度提升越显著的规律,且机臂铺层参数对无人机多阶模态存在耦合影响。因此,以整机横滚模态、中框模态移出工作频段及非目标模态无新共振为约束,筛选出机臂中性面45°、中框中性面3层0°铺层强化的优化方案。频响曲线验证表明,优化后整机横滚模态迁移至59 Hz,中框模态迁移至188 Hz,均脱离桨频与三倍频带宽;各测点多方向频响曲线在工作频带中无显著共振峰、相位无-90°突变,机臂的加速度响应峰值降低20%,共振风险得到有效抑制。

轻质预浸料复合材料机翼设计与有限元分析

汤贺, 余启勇, 许俊祥, 李明明, 刘光亚, 卢小斌, 刘蒙恩

2026, 0(9): 122-130. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260928.014

摘要 ( 40 )

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随着航空航天技术向轻量化、低成本方向发展,对复合材料综合性能的要求越来越高。本文选取某型号低速固定翼无人机翼型NACA2415为研究对象,设计了纯碳纤维材料结构、PMI泡沫夹层结构和轻质预浸料夹层结构三种不同形式的机翼,并进行生产制备。随后进行了静力加载试验,同时采用有限元分析对机翼进行校核,给出了机翼的应力、形变和Tsai-Wu指数结果,对比得出最优的复合材料结构设计形式,并通过静力试验验证有限元分析结果的准确性。研究结果表明,轻质预浸料夹层结构在满足该机翼力学承载要求的同时,使机翼整体重量减轻了36.9%,达到了轻量化、低成本的目的。

飞行器罩体RTM成型质量优化研究

徐挺, 王洋, 姚旗, 武海生, 于帅, 韩宝荘

2026, 0(9): 131-137. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260928.015

摘要 ( 32 )

PDF (4916KB) ( 94 )

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针对飞行器载荷罩体在树脂传递模塑(Resin Transfer Molding,RTM)成型批量生产中可能存在的尺寸偏差大、内部缺陷多、质量一致性差等工程问题,开展流道设计、模具热补偿、工艺参数优化及无损检测方法优选研究。以楔形大开口薄壁筒体构件(外径Φ_A、高度H、壁厚1.6 mm)为对象,采用ESI Group数值模拟、GOM三维扫描、旋转对穿水超声等手段,系统分析树脂流动、热应力变形及缺陷评价机制。结果表明:触发式线式一进一出流道可显著提升填充均匀性,将注胶时间控制在工艺窗口期内;经模具热补偿与型面尺寸补偿后,最大外形偏差由4 mm 降至1.5 mm 以内;采用旋转对穿水超声可实现带铜网薄壁构件的高效无损检测,产品满足GJB 2895-97 标准C级要求。研究可为航空复合材料复杂曲面构件RTM成型质量一致性控制提供工程参考。

无人机领域耐高温二氧化硅气凝胶隔热材料研究进展

姬东昊, 卢威, 孟博, 赵婉彤, 艾素芬, 季生洪, 刘佳

2026, 0(9): 138-146. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260928.016

摘要 ( 31 )

PDF (4153KB) ( 84 )

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二氧化硅(SiO₂)气凝胶凭借其独特的纳米结构具有优异的隔热性能,在无人机领域已得到广泛应用,但其长期使用温度通常不超过650 ℃,极大地限制了其在无人机发动机高温部位的应用。硅源前驱体的种类和反应特性决定了SiO₂气凝胶纳米颗粒的尺寸和晶型,高温下纳米多孔结构的收缩坍塌以及晶型变化影响其耐高温性能。本文综述了有机硅酯、掺杂前驱体、无机前驱体和结晶型前驱体所制备的SiO₂气凝胶在耐温性方面的研究进展。研究表明,通过掺杂改性、增大SiO₂溶胶颗粒尺寸、调控前驱体颗粒晶型等改性方式,可将SiO₂气凝胶耐温性提高至1 200 ℃以上。同时,结合当前研究现状,对耐高温SiO₂气凝胶未来的发展方向进行了展望。

聚丙烯腈基碳纤维原丝新型预氧化方法研究进展

辛美音, 李艺鑫, 王晓旭, 刘杰

2026, 0(9): 147-157. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260928.017

摘要 ( 26 )

PDF (3385KB) ( 72 )

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预氧化是聚丙烯腈(PAN)基碳纤维生产过程中的重要步骤。预氧化过程中,PAN纤维在200~300 ℃空气气氛下转化为不熔不燃状态,为碳化反应提供结构支撑,并直接决定碳纤维力学性能。现有加热形式的预氧化方法存在耗时过长、能耗高、氧扩散不均匀造成皮芯结构等问题,因此寻找不同反应形式的新型预氧化方法一直是碳纤维研究的重点方向之一。本文报道了目前研究较深入的微波、紫外线、电子束、伽马射线和等离子体辐照处理PAN纤维的研究现状,发现能量场辅助预氧化方法可有效降低预氧化温度并缩短预氧化时间,解决了传统预氧化耗时耗能的缺点。

民用飞机复合材料机身隔框制造技术研究进展

卢鑫, 陈南梁, 谈源, 丁文杰, 刘林明, 李春惠

2026, 0(9): 158-172. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260928.018

摘要 ( 40 )

PDF (36281KB) ( 76 )

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隔框作为飞机核心主承力结构件,具有结构形态特殊、需求量大、质量一致性要求严苛等特点,其制造技术水平直接决定飞机轻量化程度、结构安全性与生产效率,是航空复合材料领域的研究重点与难点。本文系统梳理复合材料机身隔框的常见结构形式及制造技术,重点从设备及工艺控制技术成熟度、产品一致性、适用场景及应用案例等方面,分析包括热固性复合材料自动化预成型与热压罐/液体成型制造及热塑性复合材料隔框制造在内的9种工艺技术路线的情况,并对相应技术在未来的发展趋势进行评估和展望。

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