复合材料科学与工程

王宇豪, 徐永军, 张德东, 潘春呈, 刘栋, 陈飞

2026, 0(8): 1-10. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260828.001

摘要 ( 26 )

PDF (15182KB) ( 18 )

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玻璃纤维(玻纤)增强环氧树脂(Glass Fiber Reinforced Epoxies,GREs)被广泛用于航空航天、风电等领域,其界面是决定整体机械性能的关键因素。通过相分离浸润剂改性玻纤构建界面相分离结构,可提升界面强度与韧性,解决界面强韧矛盾问题。然而,GREs制备所需的高温固化过程会导致浸润剂分子间氢键断裂、相分离结构破坏。针对此问题,本论文制备了新型聚脲(PU40)作为相分离浸润剂改性玻纤,并提出“室温固化与高温固化相结合”的新策略制备GREs。在室温固化阶段,PU40与环氧树脂反应形成互穿聚合物网络(Interpenetrating Polymer Networks,IPNs),锁定相分离结构;随后的高温固化虽会削弱氢键,但IPNs维持了相分离结构的完整性,在界面构建相分离结构。经PU40浸润剂改性并通过“室温固化与高温固化相结合”策略制备的GREs,其界面剪切强度(Interfacial Shear Strength,IFSS)达到30.2 MPa,界面断裂韧性达到59.7 J·m^-2。相较于未改性体系及直接高温固化体系,界面性能显著提升。本论文为开发高性能GREs提供了新途径。

多腔拉挤型材夹芯复合材料板受弯试验与理论分析

韩娟, 陈忱, 方海

2026, 0(8): 11-18. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260828.002

摘要 ( 32 )

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本文提出了一种新型多腔拉挤型材夹芯复合材料板,该夹芯板由纤维增强复合材料面板、腹板及拉挤型材芯材组成。通过四点弯曲试验研究了多腔拉挤型材夹芯复合材料板的受弯性能,试验结果表明,多腔拉挤型材夹芯复合材料板的破坏模式基本为芯材剪切和面板受压。极限承载力随着纤维铺层数的增加而增大,增加芯材纤维铺层最大可提升20.32%的极限承载力,增加整体面板纤维铺层最大可提升28.04%的极限承载力。增大多腔拉挤型材夹芯复合材料板的高宽比,极限承载力最大可提高40.46%。多腔拉挤型材夹芯复合材料板的极限承载力是泡沫夹芯复合材料板的204.90%,比强度和比刚度也高于泡沫夹芯复合材料板。此外,采用经典夹芯板理论计算所得多腔拉挤型材夹芯复合材料板的理论等效抗弯刚度值,与试验结果吻合较好。

复合材料通信杆塔动力性能试验研究

李志远, 谢鹏, 郭宇辉, 刘坤, 冯鹏

2026, 0(8): 19-27. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260828.003

摘要 ( 25 )

PDF (22136KB) ( 15 )

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纤维增强复合材料是一种轻质、高强、耐腐蚀且绝缘的新型材料,近年来在电力与通信工程中备受青睐,单管塔是其典型的应用形式之一。其变形能力强、耐疲劳、易于运输和施工,在近海、高原及山区等地区优势显著。本文开展了复合材料通信杆塔的足尺动力性能试验(自由振动法),获得了不同规格的复合材料杆塔在自由振动下的动力响应,并计算得到其一阶自振频率、阻尼比以及一阶振型系数。在复合材料杆塔的设计方法中,一阶自振频率和阻尼比是计算结构承受风荷载的重要参数,本文的试验结果可为复合材料杆塔设计参数的取值提供技术参考。

聚酰亚胺纤维三维机织复合材料高速冲击损伤特性研究

何泽侃, 燕吉强, 张代军, 宣海军, 田宇辰, 贾文斌

2026, 0(8): 28-34. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260828.004

摘要 ( 23 )

PDF (10071KB) ( 12 )

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为探究聚酰亚胺(Polyimide, PI)纤维三维机织复合材料在高速冲击下的损伤特性与抗冲击性能,本研究以三向正交机织聚酰亚胺纤维增强双马来酰亚胺(Bismoleimide,BMI)树脂基复合材料为对象,开展了14组直线弹道冲击试验,弹体入射速度范围为130~300 m/s,并结合高速摄像与数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)技术对靶板变形进行分析,同时与碳纤维三维机织复合材料进行对比。试验结果显示,该聚酰亚胺纤维复合材料靶板弹道极限为293 m/s,最大吸能量达到836 J,表现出优异抗穿透能力。其主要破坏机制包括纤维束拉伸断裂、基体脆性开裂及局部鼓包等。DIC数据表明,临界击穿、反弹、击穿状态下靶板背部最大变形分别为16.2 mm、8.3 mm、4.95 mm。与碳纤维三维机织复合材料对比发现:聚酰亚胺纤维复合材料吸能提高了70.6%,其以延展破坏为主,通过大范围塑性变形吸收能量;而碳纤维以脆性断裂为主,易发生突发性脆断。聚酰亚胺纤维三维机织复合材料具备优异的抗高速冲击性能与能量吸收能力,有潜力应用于航空发动机包容机匣等抗冲击结构。

超薄铺层碳纤维增强复合材料面内剪切性能研究

刘雁鹏, 闫强强, 赵瑞杰, 梁绍敏, 任明法

2026, 0(8): 35-41. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260828.005

摘要 ( 20 )

PDF (6992KB) ( 12 )

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超薄铺层复合材料具有较常规铺层厚度复合材料更加优异的力学性能。通过±45°层合板拉伸试验,研究了单层层厚分别为24 μm、55 μm、75 μm和100 μm的碳纤维增强复合材料的面内剪切性能;讨论了拉伸载荷作用下,单层厚度对试验件硬化、颈缩以及失效过程的影响;揭示了不同单层厚度层合板的剪切失效机理;获得了剪切强度和剪切模量的定量结果。结果显示,超薄铺层复合材料在剪切载荷作用下表现出更强的渐进损伤现象,强度极限较低,但断裂位移较大。与常规铺层复合材料相比,超薄铺层复合材料剪切强度提高了15.8%,剪切模量提高了8.1%。

基于声发射多模态特征融合的复合材料风电叶片后缘损伤演化机理

窦奇玮, 侯鹏, 周加兴, 王泽洲, 杭健, 刘鹏飞

2026, 0(8): 42-51. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260828.006

摘要 ( 24 )

PDF (14553KB) ( 12 )

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针对超长风电叶片服役过程中后缘裂纹难以实时判别的问题,本文以一根全尺寸51.5 m玻璃纤维/环氧叶片为对象,在断铅标定—分级扩缝—变幅疲劳的地面试验中,沿裂纹潜在扩展路径布设20只谐振声发射传感器,实施5 MHz并行采集与动态门限触发。结果表明:声发射幅值在传播距离0.2~0.5 m内快速衰减,局部打磨可提升信号强度;触发门限改变会导致声发射特征出现明显统计漂移,实际监测宜采用固定基线。累计能量沿裂纹法向呈指数衰减,形成“端峰中谷”空间格局,揭示裂尖应力强化机理;40~60 h内裂纹稳定扩展,高频热点局限于裂尖,60~70 h转入失稳阶段后,高频区沿展向与弦向迅速扩张。将能量、质心频率与幅值三参量经t-SNE降维后形成连续谱带,可清晰分离起裂、稳态与失稳三阶段,声发射统计特征在三个阶段展现一定规律,为叶片后缘裂纹的在线预警提供了物理可解释的判据。

玻璃钢夹砂管层间界面断裂行为及特性研究

冯建立, 王艳朝, 连海坤, 孙颖晖, 王清洲

2026, 0(8): 52-60. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260828.007

摘要 ( 19 )

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工程中,玻璃钢夹砂管缠绕层/夹砂层界面处易率先发生层间分离破坏,导致管材使用寿命缩短。基于原位拉伸试验构建层间界面内聚力断裂模型,以分析基体及薄弱界面断裂参数对层间界面裂纹演化过程及力学行为的影响规律。结果表明:基体内聚力参数变化虽不影响裂纹的起始时间,但其强度增强可显著延缓裂纹扩展,有效抑制颗粒-基体脱黏与层间分层协同破坏,从而提升整体抗拉强度;基体/颗粒界面与层间界面的耦合作用对裂纹演化路径具有显著调控作用,提升界面强度可缩短裂纹长度、延迟萌生,并增强抗拉性能;适度优化层间界面亦有助于改善整体力学性能和断裂延性。

聚酰亚胺复合材料J形筋条壁板的压缩性能研究

钟小丹, 黄超然, 王号森, 高宗战, 耿小亮

2026, 0(8): 61-69. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260828.008

摘要 ( 24 )

PDF (17409KB) ( 16 )

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本文针对聚酰亚胺复合材料J形加筋壁板在常温与高温(350 ℃)环境下的压缩性能进行仿真分析和试验研究。通过常温与350 ℃下的壁板压缩试验,获取壁板结构屈曲载荷、破坏载荷、应变随载荷变化规律及结构失效模式。基于顺序耦合法,开展壁板压缩仿真分析,研究了单侧热环境下壁板温度分布和热应变,揭示高温状态下壁板压缩失效过程、屈曲载荷和破坏模式。研究发现:高温环境下壁板抗压缩能力减弱,尤其是后屈曲承载能力减弱非常明显;高温与常温下的壁板失效模式相似,均为纤维层间失效;仿真结果与试验结果吻合较好,误差在10%以内。本文研究可为聚酰亚胺复合材料加筋壁板在高温服役条件下的性能预测与工程应用提供理论与试验依据。

空心玻璃微珠填充环氧树脂固化动力学模型研究

舒礼伟, 张颍, 高进城, 胡雪琴, 丁安心

2026, 0(8): 70-78. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260828.009

摘要 ( 22 )

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围绕空心玻璃微珠填充环氧树脂体系的固化行为,系统开展了试验测试与动力学建模研究。首先通过非等温DSC试验,考察了升温速率对固化反应放热的影响。结果表明,随着升温速率的增大,反应放热峰逐渐后移,幅宽和峰值增大,反应热流增大,释放速率加快。基于n级反应和自催化动力学模型,对不同升温速率下的固化速率与转化率进行了拟合,发现自催化动力学模型拟合度高。随后选取50 ℃、70 ℃、75 ℃和90 ℃,采用等温DSC试验进一步分析不同恒温条件下的固化过程。结果表明,空心玻璃微珠填充环氧树脂体系在高温下反应速率显著提升,但难以实现100%转化率,说明存在反应受扩散控制的阶段,且低温条件下固化缓慢,固化度偏低。结合Kamal模型对等温数据进行拟合,构建了完整的等温固化动力学方程。

轻质低介电石英纤维/环氧树脂基复合材料的制备与性能

高畅, 栾贻浩, 宋立, 邵明哲, 李洁, 王俊涛, 卢逸林, 刘战硕

2026, 0(8): 79-87. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260828.010

摘要 ( 21 )

PDF (15850KB) ( 14 )

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针对航空航天领域低导热及低介电性能需求,开发了一种轻质低介电石英纤维/环氧树脂基复合材料。通过差示扫描量热仪(Differential Scanning Calorimetry,DSC)及热失重分析仪(Thermogravimetric Analysis,TGA)对其热行为进行测定,采用固体密度计、导热系数测试仪及矢量网络分析仪探究其密度、导热系数和介电常数。结果表明,固化剂用量对环氧树脂交联反应效率具有显著影响。当固化剂用量为45%(以环氧树脂质量为基准)时,交联反应效率最高,固化反应热焓值最佳。当发泡剂用量为5%时,制备的石英纤维/环氧树脂基复合材料相比于未发泡的环氧树脂复合材料,密度降低27%,导热系数降低11%,介电常数降低31%,介电损耗降低48%。

GFRP-圆形箍筋双约束ECC混凝土柱的轴压性能

张云峰, 许耀祥, 马锦辉, 李炳君, 滕振超, 王桐

2026, 0(8): 88-95. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260828.011

摘要 ( 17 )

PDF (7856KB) ( 12 )

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为研究方形GFRP管-圆形箍筋双约束纤维混凝土柱的轴压性能,设计了6根组合柱并进行了轴压试验。观察纤维组合柱在轴压下的破坏状态,基于荷载-位移曲线分析了不同纤维掺量和箍筋间距对纤维组合柱轴压性能的影响,并提出了纤维组合柱的轴压理论承载力计算式。结果表明:在相同的箍筋间距下,随着纤维掺量的增加,组合柱的极限承载力和延性都有不同程度的增加。纤维掺量为1.5%的组合柱相较于纤维掺量为1%的组合柱,极限承载力提升幅度为12.4%~14.3%,延性提升幅度为24.6%~36.8%。相同纤维掺量下,随着箍筋间距的增加,组合柱试件的极限承载力和延性都有不同程度下降。基于本文提出的轴压承载力计算式得出的计算结果与试验结果吻合较好,可为实际工程相关应用提供参考。

带开口复合材料壁板剪切稳定性数值仿真与试验研究

杨永钾, 周良辰, 刘传军

2026, 0(8): 96-101. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260828.012

摘要 ( 19 )

PDF (4355KB) ( 12 )

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本文对带开口复合材料加筋壁板的剪切稳定性进行了数值仿真、解析计算和试验研究,验证了有限元仿真分析的准确性。通过数值仿真,研究了不同长桁构型对开口处应力集中和剪切稳定性的影响。相关结论可为带开口复合材料加筋壁板的结构设计提供技术参考。

碳纤维复合材料页型胶接接头增强机理研究

杨沫, 奚佳男, 万率, 胡津恺, 轩浩, 周岳斌

2026, 0(8): 102-108. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260828.013

摘要 ( 25 )

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提出了一种梳状页型胶接接头结构,基于Hashin失效准则与内聚力模型构建了接头有限元分析模型,设计并制备了页型接头与单搭接接头试件,进行了拉伸试验。结果表明:页型接头的仿真极限载荷为19 666 N,试验均值为16 729 N,误差为14.9%;其失效模式包括胶层内聚损伤和CFRP被粘件撕裂损伤,仿真与试验的失效形貌一致,验证了有限元模型的准确性。与同尺寸单搭接接头相比,页型接头平均失效载荷提升了4.09倍。页型接头通过结构优化实现了胶层和被粘件的等强度设计,可为复合材料轻量化连接提供高效设计方案。

基于层合参数的复合材料壳结构纤维铺角优化

刘兴炜, 孙文博, 侯佳琦, 张兰挺, 贾春晓, 孙鹏文

2026, 0(8): 109-114. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260828.014

摘要 ( 28 )

PDF (6667KB) ( 10 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

针对以铺层角度为设计变量优化复合材料层合板存在的设计变量多、易于陷入局部最优解和多解性问题,引入层合参数和Lobatto多项式,提出了基于层合参数的纤维铺角优化方法。该方法分为优化层合参数和将优化后的层合参数分布转换为与之对应的纤维铺角分布两个阶段。给出了层合参数与纤维铺角的关系式和层合参数可行域,分别建立了相应的优化数学模型。数值算例表明,该方法改善了纤维铺角布局,提高了壳结构的刚度、强度和收敛性,验证了其可行性和有效性。

修理工艺对非对称复合材料剩余强度影响研究

马铭泽, 孟庆春, 熊欣, 王世明, 吴富强, 王冠华

2026, 0(8): 115-123. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260828.015

摘要 ( 21 )

PDF (17865KB) ( 12 )

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对划痕损伤非对称复合材料修理后剩余强度展开研究,完成了贴补及挖补修理复合材料的拉伸试验,对比了不同修理工艺的修复效果。采用数值仿真模型,进行了修补试验件仿真分析,并通过与试验结果对比,验证了仿真模型正确性。为进一步研究修理参数对挖补修理效果的影响,计算了不同搭接宽度下的极限载荷,获得了不同厚度及搭接方式所对应的最佳强度恢复系数。结果表明:贴补修理工艺对表面划痕损伤具有较好的修复效果,修理后的强度恢复系数可达90%;逐层搭接修理工艺的修理效果优于双层搭接修理效果;随着复合材料厚度增加,修理效果有所降低。

基于BPNN与NSGA-Ⅱ的翼身整流罩复合材料壁板调形工艺参数优化方法

李欣欣, 赵聪, 安鲁陵, 张学壮, 王琦

2026, 0(8): 124-135. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260828.016

摘要 ( 24 )

PDF (12387KB) ( 12 )

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翼身整流罩复合材料壁板在制造后易产生外形偏差,影响飞机的气动性能,装配过程中需进行调形。针对其调形过程中优化求解效率低与调形受力难以有效控制的问题,提出一种基于反向传播神经网络(Back Propagation Neural Network,BPNN)与非支配排序遗传算法Ⅱ(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm Ⅱ,NSGA-Ⅱ)的复合材料壁板调形工艺参数优化方法。建立了壁板变形与受力预测模型,并将其嵌入多目标优化算法,基于理想点法求解得到兼顾外形精度与调形受力的最优调形单元布局与驱动量。实验结果表明,所提方法在保证预测精度的同时提升了优化效率,为复合材料壁板的高质量装配调形提供了可靠技术路径。

激光处理天线覆铜面对共形天线结构Ⅰ型断裂韧性的影响

徐梁, 袁国青

2026, 0(8): 136-143. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260828.017

摘要 ( 18 )

PDF (10991KB) ( 11 )

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天线覆铜面因表面光滑,在制备共形承载天线结构时需进行表面处理。相比吹砂处理工艺,激光表面处理工艺可靠性好且可控性强。本文采用纳秒红外激光对聚酰亚胺(PI)覆铜膜覆铜面进行处理,后制得类共形承载天线结构双悬臂梁(Double Cantilever Beam, DCB)试样,测定了其Ⅰ型断裂韧性G_ⅠC。试验结果表明,激光表面处理可使G_ⅠC提高542%。试验过程中发现,经激光处理后,裂纹在扩展过程中由覆铜面界面转移至了其他界面。使用ABAQUS软件,基于黏聚力单元(cohesive element)建立了双悬臂梁试验的有限元分析模型。仿真结果表明,当cohesive单元的厚度为0.1 mm时,发生分层失效时最大载荷为64.9 N,与试验结果相差11.3%。

国产T800级碳纤维上浆剂与树脂基体匹配性研究

田铁兵, 逯佳慧, 白钰, 彭公秋, 李国丽, 曹正华

2026, 0(8): 144-152. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260828.018

摘要 ( 25 )

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采用流变分析仪、傅里叶变换红外光谱(Fourier Transform Infrared Spectroscopy,FTIR)及差示扫描量热法(Differential Scanning Calorimetry,DSC)等表征手段,分析了湿法纺丝和干喷湿纺工艺国产T800级碳纤维上浆剂及高温环氧树脂的黏-温特性与化学成分,考察了上浆剂与树脂的固化反应动力学特性,研究了上浆剂与树脂的反应特性和匹配性。研究结果表明:两种纺丝工艺的上浆剂与BA9918E树脂反应性能匹配度较高,树脂分子与上浆剂分子可互相渗透;GW800G碳纤维上浆剂与BA9918E树脂的活化能相当,更容易与碳纤维表面的活性基团以及环氧树脂发生化学结合;上浆剂加入使树脂放热反应提前,上浆剂/树脂混合体系反应过程中官能团发生变化,表明树脂与上浆剂可发生化学反应,即碳纤维上浆剂与环氧树脂有良好的化学反应性,有利于碳纤维与树脂形成良好的界面匹配。

先进复合材料跨尺度与结构-功能一体化制造技术研究进展

郭红缘, 矫维成, 芦乔, 彭庆宇, 洪毅, 隋超, 赫晓东

2026, 0(8): 153-164. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260828.019

摘要 ( 22 )

PDF (20263KB) ( 13 )

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先进复合材料作为现代工业和科技革命的战略基石,正在深刻改变航空航天、交通运输、能源、生物医学等领域的技术格局。本文围绕先进复合材料跨尺度制造、复杂构件工艺力学与装备成型、结构-功能/智能一体化设计与应用等方向,系统梳理当前面临跨尺度结构精准构筑、强耦合工艺过程可控成型以及面向工程应用的低成本规模化制造的核心挑战。进一步凝练多级结构调控、工艺力学行为及工艺-设计-成型协同关键科学问题,并结合相关研究总结该领域由经验驱动向机理驱动、由离线优化向闭环调控、由单一承载向多功能集成演进的发展趋势。最后从跨学科协同、数字化智能制造、绿色低碳与标准化评价等方面提出发展建议,以期为先进复合材料制造技术的高质量发展提供参考。

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