复合材料科学与工程

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1. 先进热塑性复合材料现状及航空应用进展

赵淼

复合材料科学与工程 2024, 0 (12): 147-152. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241228.020

摘要（389）

PDF （3976KB）（238）

先进热塑性复合材料具有可回收、可重复利用、二次成型、成型周期短、制造效率高以及高韧性等优点,是一种有发展前途的飞机结构用新型复合材料。本文介绍了在航空主要承力结构中最常用的先进热塑性复合材料树脂基体、热塑性预浸料的主要性能特点,以及热塑性复合材料技术的发展现状,总结了先进热塑性复合材料在先进航空装备的应用进展,分析提出了先进热塑性复合材料预浸料高质量高效制造、自动铺放原位固结以及复合材料结构自动化焊接等重点发展方向。

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2. 碳纤维及其复合材料温度相关热膨胀特性研究

杨成, 姜鹏飞, 朱立平, 董继萍, 王经元

复合材料科学与工程 2025, 0 (1): 35-41. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250128.006

摘要（262）

PDF （7545KB）（145）

依据GB/T 2572—2005测试了-100~120 ℃区间内TG300碳纤维/环氧单向纤维增强复合材料的热膨胀系数,给出单轴向复合材料纵向及横向热膨胀特性随温度的变化规律及分布特征。基于试验结果,结合有限元分析方法,通过参数反演分析获得了-100~120 ℃环境温度下碳纤维轴向及径向热膨胀系数,为复合材料热膨胀特性设计分析提供原材料性能数据。进一步计算单轴向及双轴向CFRP的热膨胀系数,分析温度、纤维体积分数、织物结构、工艺参数及纤维屈曲对复合材料热膨胀性能的影响,为低热膨胀复合材料结构设计优化提供理论依据。

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3. 三维机织复合材料的连接性能与失效机制

张茜, 张一帆, 邹齐, 张鹏, 焦亚男, 安柳絮, 刘燕峰, 张代军, 郝俊杰, 陈利

复合材料科学与工程 2024, 0 (9): 5-11. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240928.001

摘要（231）

PDF （12545KB）（263）

为了研究织物结构对三维机织复合材料连接性能的影响,设计了多层多向机织结构和层联机织结构复合材料,建立了开孔连接结构宏细观耦合分析模型,揭示了三维机织复合材料连接失效机制。研究表明:±45°纱所占的比例对复合材料机械连接的挤压强度具有重要影响,±45°纱线的引入,可以提高承载纱线的含量,能够有效改善孔边的应力集中现象;多层多向机织复合材料主要发生0°纱、90°纱和斜向纱的横纵向的损伤,损伤最初发生在孔边并逐渐扩展且呈对称分布,载荷的传递方向和损伤的传播方向呈现角度的特征。

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4. 复合材料在民用飞机应用与发展趋势

徐林, 刘传军, 赵崇书

复合材料科学与工程 2024, 0 (9): 98-104. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240928.015

摘要（213）

PDF （4591KB）（148）

“一代飞机,一代材料”,材料是飞机制造的基础。在一百多年的世界航空史上,飞机发展的快慢,很大程度取决于材料。复合材料具有比强度和比模量高、疲劳性能和耐腐蚀性能好、密度小等特性,极大促进了民用飞机产业的发展。目前,高性能复合材料用量已经是衡量民机先进性的指标之一。本文重点阐述了欧美国家制定并实施的一系列航空复合材料研究计划及其取得的重要成果,介绍了国内航空复合材料发展历程,总结了复合材料在国内外民用飞机领域应用现状。基于未来国内民用飞机需求量,从原材料、结构件制造和工艺装备等方面,分析了复合材料应用降低飞机结构重量、减少运营成本和提升经济性的优势,讨论了复合材料应用于国产民用飞机的机遇与挑战。

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5. 平纹编织复合材料异形结构的多尺度分析研究

高晗, 尚闫

复合材料科学与工程 2025, 0 (1): 1-6. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250128.001

摘要（200）

PDF （19926KB）（154）

针对平纹编织复合材料的异形结构,研究了在铺层方向拉伸位移加载以及力加载两种工况下,采用刚度体积平均、一致应变边界条件两种计算均匀化方法所得多尺度计算结果的差异性,并将多尺度结果与精细化结果进行了对比。此外,还研究了异形区域划分数量对多尺度计算结果的影响。结果表明,在同一多尺度模型下,两种均匀化方法的 σ_y应力分布趋势是一致的,并且均与精细化模型结果相吻合。其中位移加载下的多尺度结果与参考结果的mises及 σ_y应力误差最大只有9.5%和3.3%,并且随着异形结构分区数量的增加,其误差值逐渐减小。而力加载下的结果误差值偏大,随分区数量的增加没有减小的趋势,并且一致应变边界条件的结果整体上大于刚度体积平均的结果。并且,多尺度模型的划分方式会破坏部分结构特征,并在一定程度上影响多尺度结果。

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6. 耐高温阻燃环氧树脂碳纤维复合材料性能研究

谢文博

复合材料科学与工程 2024, 0 (9): 43-47. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240928.006

摘要（191）

PDF （7076KB）（199）

本文针对耐高温阻燃环氧树脂碳纤维复合材料的力学性能、耐湿热性能、阻燃性能、防火性能进行研究,结果表明,耐高温阻燃复合材料具有良好的力学性能和阻燃性能。其中耐高温阻燃复合材料的阻燃等级为V-0级别,240 s内最大烟密度 D _m为5.17,极限氧指数为39.5%,并通过烟毒性及防火试验,基本满足适航相关法规。通过上述性能研究,为阻燃结构功能一体化环氧树脂基复合材料在先进航空飞行器及发动机上的实际应用提供支撑。

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7. 碳纤维复合材料蜂窝结构制备及轴向压溃力学行为研究

朱宏伟, 刘轲, 赵昌方

复合材料科学与工程 2024, 0 (12): 5-11. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241228.001

摘要（185）

PDF （5579KB）（163）

碳纤维增强复合材料具有优异的力学性能,尤其是缓冲吸能特性。复合材料的结构类型对力学性能的影响很大,合理的结构形状能更好地发挥复合材料的吸能和比吸能潜力。蜜蜂的六角柱蜂巢结构历经自然选择,具有良好的承载稳定性。通过组装和粘接单板制备了周期性正六角柱体蜂窝结构,其单板结构采用T700预浸料经组合模具热压成型获得。通过万能电子材料试验机开展了单板结构的准静态冲击试验,分析了渐进失效和分层破坏机理。为更好地模拟复合材料蜂窝结构的冲击失效行为,基于连续介质损伤力学提出了一种同时考虑复合材料层内和层间的破坏机制,并开发了有限元增量本构模型对单板结构进行仿真,其仿真结果与试验数据吻合较好,验证了有限元方法的可行性。在此基础上,对蜂窝结构进行了仿真模拟,讨论了蜂窝结构的冲击响应,分析了冲击载荷下的失效模式及吸能效果。本文的研究结果证明了蜂窝结构的稳定性和吸能特性,可为复合材料缓冲吸能结构的设计和应用提供参考。

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8. 风电机组叶片覆冰预测和防覆冰技术综述

张莹博, 单光华, 王飞, 马海鹏, 刘瑞卿, 陈辉

复合材料科学与工程 2024, 0 (8): 119-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240828.016

摘要（181）

PDF （10302KB）（110）

风电机组运行在低温、潮湿环境下,叶片极易发生覆冰现象,严重影响机组的安全性、可靠性和发电效益。本文基于航空器防覆冰相关技术的研究,从叶片覆冰检测和监测技术出发,阐述了防覆冰涂层和低粘接力涂层等被动除冰技术以及液流融冰、机械除冰、电热除冰和气热除冰等主动除冰技术。通过对不同除冰技术的分析对比得出结论,电热除冰和气热除冰将成为主要的研究和应用方向。建议在投资新项目建设时,将覆冰折减率纳入投资收益率的影响因素,并采购出厂配置除冰系统的考虑覆冰折减的风电场建设机组。

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9. 碳纤维/芳纶纤维混杂三维编织复合材料制备与冲击性能的研究

王晓明, 王晓波, 程亚男, 张晨, 权震震, 张辉, 刘勇, 孙厚礼, 俞建勇

复合材料科学与工程 2024, 0 (8): 5-10. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240828.001

摘要（178）

PDF （8962KB）（194）

混杂是提高复合材料力学性能的一种有效途径。本文通过对三维编织预制件纱线运动路径进行研究,提出了层内混杂和层间混杂三维编织复合材料的设计与制备方法。根据上述研究,制备了层内混杂三维编织复合材料,采用树脂共固化法制备了两层和四层层间混杂三维编织复合材料,并对三种混杂三维编织复合材料进行了低速冲击性能测试。结果表明,混杂方式是影响三维编织复合材料冲击性能的重要因素,在面内冲击和轴向冲击下,冲击性能由强至弱排序为层间混杂(4层)三维编织复合材料>层间混杂(2层)三维编织复合材料>层内混杂三维编织复合材料。本文的研究结果可为三维编织复合材料的性能优化提供一种有效可行的方式。

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10. 碳纤维复合材料激光辐照温度场分布规律仿真

王文乾, 冯宇, 李哲, 刘宋婧, 安涛, 王逸韬, 李元凯

复合材料科学与工程 2024, 0 (7): 5-15. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240728.001

摘要（175）

PDF （19385KB）（196）

基于碳纤维复合材料激光辐照理论,应用有限元方法,开展了碳纤维复合材料激光辐照温度场仿真分析。首先,研究了碳纤维复合材料激光辐照温度场分布规律,建立了不同位置线上的温度场表征方程,定量分析了辐照表面温度变化规律,并通过文献数据验证了有限元模型的有效性。然后,基于该模型,探究了复合材料板材不同铺层方向、不同光斑直径和不同激光功率下的温度场变化规律。结果表明:在不同铺层方向下,热影响区为椭圆形,[0] ₁₆和[0/90] _4S板材的长轴方向为碳纤维0°铺层方向,而[45/90/-45/0] _2S板材的长轴方向为碳纤维45°铺层方向,且三者最高温度均约为1 830 ℃;当光斑直径分别为6 mm、10 mm和14 mm时,热影响区面积逐步增大,而中心最高温度逐步降低,整个过程中最高温度分别为3 347 ℃、2 401 ℃和1 838 ℃;在200 W、400 W和600 W激光功率下,板材中心温度随激光功率增大而增大,中心点最高温度分别为1 750 ℃、2 401 ℃和2 789 ℃。

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11. 纤维增强树脂基复合材料成型工艺在线监测方法研究进展

高瑞杰, 齐磊, 郭瑞琪, 顾轶卓, 王绍凯, 李敏

复合材料科学与工程 2024, 0 (12): 134-146. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241228.019

摘要（169）

PDF （14079KB）（149）

纤维增强树脂基复合材料的成型质量受树脂流动、固化反应、热应力等诸多因素影响,控制难度大,工艺优化复杂,将各类传感器置于复合材料内部或外部进行在线监测能获得反映上述变化的材料及工艺特征参量,为工艺参数的调整、优化以及成型过程的研究提供重要依据。本文综述了航空航天领域常用的成型工艺在线监测方法,包括光纤光栅法、碳纳米管传感器法、树脂压力在线监测法、薄膜压力传感器法、介电分析法等,可实现成型过程中温度、应变、压力、树脂流动前锋、树脂黏度及固化状态等信息的获取,进而实现成型缺陷消除和工艺优化;探讨了在线监测技术与数字化技术的结合方式,并指出了目前在线监测技术的存在问题和发展方向。

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12. 高强度碳气凝胶复合材料的制备及结构、性能研究

沈泽慧, 曹宇, 郝晶莹, 张琪凯, 牛波, 张亚运, 龙东辉

复合材料科学与工程 2024, 0 (6): 5-14. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240628.001

摘要（167）

PDF （15223KB）（133）

针对热防护系统的热桥阻断需求,以碳/石英纤维混编针刺预制体为增强体,酚醛树脂为碳前驱体,通过溶胶-凝胶、常压干燥和高温碳化工艺,制备出一种中密度-高强度碳气凝胶复合材料,系统研究了材料的微观结构、力学性能和隔热性能。结果表明:所制复合材料在中密度(约为0.80 g·cm ^-3)下具有较强的力学性能(5%压缩应变时压缩应力约为10 MPa)和优异的隔热性能(室温热导率<0.230 W·m ^-1·K ^-1)。随着预制体中石英纤维质量分数从0%增加至20%,复合材料在1 000 ℃下等效热导率从0.224 W·m ^-1·K ^-1下降至0.158 W·m ^-1·K ^-1,具备了高温热桥阻断应用潜力。进一步采用格子玻尔兹曼方法对材料室温至1 600 ℃下的热导率进行预测,发现了材料结构和环境因素对热导率的影响趋势,即碳气凝胶基体孔隙率的上升会导致热量传递的阻碍增大,从而导致复合材料热导率下降;预制体密度的增大导致热量传递的通道增加,使复合材料热导率增大;石英纤维含量的增加会导致复合材料热导率逐渐下降;当气压较小时,热导率随气压的增大迅速增大,而当气压较大时,热导率几乎不受影响。

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13. 静电纺丝PPESK纤维毡层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料

吕续津, 霍红宇, 彭公秋, 张宝艳, 叶金秋, 刘勇

复合材料科学与工程 2024, 0 (9): 19-27. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240928.003

摘要（161）

PDF （22615KB）（143）

随着航空航天产业的蓬勃发展,我国对高性能碳纤维复合材料的需求日益增长。杂萘联苯聚醚砜酮[Poly (Phthalazine Ether Sulfone Ketone),PPESK]得益于良好的环氧相容性、可加工性和机械性能,具有在碳纤维/环氧树脂复合材料层间增韧方面的良好应用前景。本研究借助静电纺丝技术,实现了PPESK超细纤维毡的稳定制备,并通过层间铺贴、热压,实现了PPESK与T800级碳纤维/高温环氧树脂预浸料的复合。在预浸料层间添加17 g/m ² PPESK超细纤维毡,其复合材料冲击后压缩强度可达391 MPa,表明PPESK对T800级碳纤维复合材料的层间增韧效果较明显。静电纺丝PPESK纤维在碳纤维复合材料增韧领域具有巨大应用潜力。

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14. 大型风电叶片拉挤复合材料研究进展

卫立江, 邱锐磊, 王乾武, 谢博武, 李铭志, 冯威

复合材料科学与工程 2024, 0 (7): 116-121. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240728.015

摘要（156）

PDF （2798KB）（205）

随着风电叶片的大型化,对复合材料性能的要求越来越高。近年来,拉挤复合材料在风电叶片上成功应用,这是风电叶片制造工艺几十年发展历程的一个新的里程碑。拉挤复合材料具有更高的力学性能与生产效率及更低的制造成本,在制造风电叶片主承力梁帽时,拉挤工艺几乎完全取代了使用了20多年的真空灌注工艺。为了梳理风电领域拉挤复合材料的研究进展,本文从拉挤板用原材料、拉挤板力学性能、拉挤板缺陷检测技术以及拉挤板梁帽灌注工艺方面综述了风电领域拉挤复合材料的专利申请与研究进展,旨在为复合材料与叶片领域后续研究提供参考。

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15. 基于复合材料性能退化规律的疲劳剩余刚度预测模型构建

于欢, 孙鹏文, 孙文博, 邓海龙, 文耀光, 周文明, 董健, 刘伟超

复合材料科学与工程 2025, 0 (1): 23-28. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250128.004

摘要（153）

PDF （5611KB）（106）

针对现有复合材料剩余刚度预测模型考虑因素不全的问题,提出了一种考虑到最大应力、初始刚度、临界剩余刚度、循环周次及恒幅疲劳寿命共同作用的复合材料疲劳剩余刚度预测模型。结果表明:所提模型符合三阶段性能退化规律,可用于描述复合材料的剩余刚度退化,吻合精度高;模型在高应力区表现出比在低应力区更高的预测精度,这与高应力下数据点较为集中有关;与已有模型进行对比,本文所提模型对复合材料疲劳剩余刚度具有较高的预测精度和普适性。

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16. 国产高导热中间相沥青基碳纤维复合材料性能研究

徐小魁, 潘江, 郝尚, 张娟娟, 吴春燕, 刘千立

复合材料科学与工程 2025, 0 (2): 40-45. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250228.006

摘要（152）

PDF （8963KB）（80）

为夯实国产高导热中间相沥青基碳纤维(MPCF)在航天领域中的工程应用基础,重点研究了国产MPCF及其复合材料性能。通过扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)表征了国产MPCF的微观形貌,利用X射线光电子能谱分析(XPS)、光学显微镜和表界面测试仪测定了国产MPCF的表面化学元素、浸润性和表面能,考察了国产MPCF预浸料制备工艺性,评价了国产MPCF复合材料的常温力学性能、理化性能和热真空放气性能。结果显示:与进口MPCF相比,国产MPCF粗糙度更高,表面化学活性、浸润性和表面能更优;国产MPCF预浸料成型工艺性差,制得的国产MPCF复合材料层间剪切强度(46.69 MPa)与进口MPCF复合材料层间剪切强度相当,其他如拉伸、压缩和弯曲等性能略低;国产MPCF复合材料热真空放气性能满足空间环境要求;国产MPCF各向同性复合材料平均面内热导率为152.1 W·m ^-1·K ^-1,与进口材料相比,导热性能略低,但与传统6063铝合金扩热结构相比,更具轻量化和结构功能一体化优势。

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17. 风电叶片用拉挤板应用现状及发展趋势

徐强, 张曦月, 黄辉秀, 王志伟, 刘传瑞

复合材料科学与工程 2024, 0 (6): 123-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240628.016

摘要（151）

PDF （4637KB）（266）

本文介绍了风电叶片用拉挤板的国内外研究发展历程及现状,共涉及五种不同材料体系的拉挤板,分别为碳纤维拉挤板、玻纤拉挤板、碳玻混拉挤板、免脱模布拉挤板及聚氨酯拉挤板。分析了拉挤板相比较于传统的真空灌注、预浸料复合材料的应用优势和面临的挑战。结合目前应用现状,针对各种材料体系的拉挤板分别提出了未来重点关注方向和发展趋势:玻纤拉挤板因其低成本的优势,在未来陆上风电叶片中仍会占据主流,并将向更高模量及更低成本的方向发展;随着海上风电的发展及碳丝国产化进程加速,碳纤维拉挤板将会有更广阔的应用前景;碳玻混拉挤板、免脱模布拉挤板及聚氨酯体系拉挤板减重或降本优势明显,但仍需进一步开展应用研究。

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18. CFRP层合板单搭接胶接接头拉伸失效机制研究

陈禹良, 张俊, 吴何畏, 杨柳, 李建亭

复合材料科学与工程 2024, 0 (10): 24-31. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241028.004

摘要（151）

PDF （8540KB）（127）

单搭接胶接是一种常见的复合材料连接方式,具有高强度和优异的耐久性等优点,在工程实际中应用广泛,但单搭接胶接接头常会发生失效和破坏。为深入研究胶接接头的失效机制,制备了不同搭接长度的单搭接胶接接头试样,使用拉伸机等设备进行拉伸试验,以获取接头的载荷-位移曲线。基于连续损伤力学模型及3D Hashin失效准则,选用Cohesive单元模拟胶层的损伤,利用有限元软件对CFRP层合板胶接接头在整个拉伸阶段中的损伤起始与演化过程进行数值模拟,试验数据验证了仿真结果的有效性。结果表明:接头失效过程经历了由胶层的裂纹产生到CFRP层间的损伤起始再到胶层的内聚失效;在拉伸载荷作用下,接头的损伤区域最先发生在接头的端头位置,随后逐步向里扩散;接头主要承受Ⅱ型断裂模式下的剪切应力和剥离应力,且剪切应力是导致损伤起始的主要原因。

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19. 超薄单层碳纤维增强复合材料板拉伸和压缩失效行为研究

刘雁鹏, 韩宇泽, 任中杰, 任明法

复合材料科学与工程 2024, 0 (12): 19-25. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241228.003

摘要（145）

PDF （12822KB）（137）

碳纤维增强复合材料薄层化使其力学性能及设计空间得到了进一步的提升。为了探究超薄单层碳纤维增强复合材料的基础力学性能及失效机理,制备了单层层厚为24 μm、55 μm、75 μm和100 μm的复合材料单向板,进行了纵向拉伸、横向拉伸、纵向压缩和横向压缩试验,分析了单层层厚对碳纤维增强复合材料模量、强度的影响,揭示了不同单层层厚碳纤维增强复合材料单向板的失效模式及机理。结果表明:单层层厚对碳纤维增强复合材料在纵向拉伸强度、横向拉伸强度、纵向压缩模量和横向压缩模量的影响并不是单调的,恰当的单层层厚可以使复合材料发挥出最佳的力学性能。此外,单层层厚对碳纤维增强复合材料单向板的失效模式有明显的影响,主要表现在横向劈裂程度、纤维断裂程度、单向板分层程度以及裂纹萌生扩展模式。

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20. 典型防护材料空爆载荷作用下动态响应及抗冲击设计研究现状

罗家元, 陈哲伦, 李世岳, 高聪

复合材料科学与工程 2024, 0 (10): 150-160. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241028.020

摘要（137）

PDF （1805KB）（75）

随着军事和民用领域需求的不断增加,装备防护性将会面临爆炸冲击等挑战,例如,空中爆炸冲击波对飞机、导弹以及警用防爆服结构的影响。在空爆载荷作用下,结构各部分相互作用,以及受材料和几何非线性的影响,导致其动态力学行为变得异常复杂,因此空爆载荷作用下结构的动态响应及防护性能研究是一个急需关注的热点与难点问题。本文主要对空爆冲击方向的研究现状进行详细梳理及总结,首先对空爆载荷传播特性的经验公式计算、数值模拟及试验研究现状进行了综述;其次详细介绍了空爆载荷作用下多孔材料、陶瓷、纤维增强复合材料与均质金属等典型防护设计材料的动态响应及抗冲击结构设计研究进展,其研究内容涉及结构损伤及破坏效应、抗爆吸能特性和防护设计等;最后对该研究领域进行总结与展望,提出了急需分析解决的几个关键研究难题,为后续抗爆冲击结构设计提供参考和借鉴。

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21. T700/PPS热塑缠绕复合材料NOL环拉-拉疲劳行为研究及寿命预测初探

闫磊, 赵飞, 还大军, 张盛源, 王斌, 肖军

复合材料科学与工程 2024, 0 (9): 73-81. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240928.011

摘要（137）

PDF （12198KB）（118）

面向碳纤维增强聚苯硫醚(T700/PPS)热塑性复合材料缠绕构件应用,首次将NOL环试验用于拉-拉疲劳行为研究并提出寿命预测方法。基于自主研发的热塑性复合材料原位固结缠绕平台,采用T700/PPS预浸料和激光辅助缠绕原位固结工艺制备NOL试样;按照标准NOL环拉伸试验得到其静拉伸强度均值为2 438.35 MPa,离散系数为2.0%,破坏模式表现为脆性断裂,据此静强度数据制定疲劳测试的应力水平。针对环形试验件特点设计“分瓣圆环”疲劳夹具,开展NOL环在不同应力水平下的拉-拉疲劳试验,借助红外热成像仪观测并分析其在疲劳周期内的热学行为,捕捉和分析破坏模式。针对疲劳寿命数据离散性大的特点提出便捷高效的寿命预测算法:基于K-means聚类实现快速数据筛选,构建灰色GM(1,1)模型进行NOL环疲劳寿命预测并绘制 S-N曲线。结果显示,当应力水平低于静强度的47%时,疲劳寿命将超过10 ⁷次,进入无限疲劳寿命阶段,为高速旋转缠绕件及热塑缠绕压力容器寿命设计提供了支撑。

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22. 铺层角度对聚酰亚胺纤维增强复合材料抗高速冲击性能影响

燕吉强, 谢宗佑, 李军, 邹齐, 雷帅, 曹铁男, 张代军

复合材料科学与工程 2024, 0 (9): 12-18. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240928.002

摘要（135）

PDF （15637KB）（140）

为探究聚酰亚胺纤维铺层角度对复合材料抗高速冲击性能的影响,制备了一系列不同铺层方式的聚酰亚胺纤维增强双马树脂基复合材料层合板,研究了铺层角度对复合材料损伤形貌、弹道极限速度和击穿吸能的影响。结果表明:不同铺层角度层合板内纤维各向异性越大,层合板变形量越大;[0/90]铺层具备最优抗高速冲击性能,非击穿情况下,[0/90]铺层的弹道吸能比[45/0/-45]铺层的弹道吸能效率提升61%,击穿情况下,[0/90]铺层击穿吸能比[30/0/-30]铺层击穿吸能提高68%;铺层角度影响冲击载荷在不同层间沿纤维轴向的传递,[0/90]铺层可以避免纤维横向剪切破坏,因此具备最优抗高速冲击性能。

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23. 大型复合材料风电叶片回收技术的现状与发展趋势

王宝龙, 刘锦帆, 李成良

复合材料科学与工程 2025, 0 (2): 151-156. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250228.019

摘要（132）

PDF （6193KB）（112）

以风电为代表的新能源产业近年来蓬勃发展。风电叶片材料中的环氧树脂具有稳定的化学结构,导致风电叶片在自然环境下的降解速度极为缓慢;随着风电叶片的大量服役,生命周期结束和报废的叶片由于无法处理而占用了大片土地,给环境造成了巨大的压力。本文通过梳理国家政策导向,指出了风电叶片回收的迫切性,列举了目前主流的风电叶片回收处理技术,包括机械回收、热回收、化学回收及可回收叶片技术等,系统性分析了各回收技术的差异,探讨了未来叶片回收领域的需求与发展前景。

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24. 环氧树脂复合材料残余应力检测技术研究进展

荣亚鹏, 陈允, 王亚祥, 李天辉, 陈荣, 李进

复合材料科学与工程 2024, 0 (8): 110-118. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240828.015

摘要（131）

PDF （2271KB）（181）

环氧树脂复合材料被广泛应用于电工装备核心构件制造,但成型过程增强材料和树脂基体的热学、力学参数不匹配会导致内部存在较大残余应力,对构件机械性能和使用寿命产生直接影响,因此准确有效的残余应力检测表征手段对于优化构件成型工艺和提高电工装备可靠性具有重要意义。本文首先介绍了增强型环氧树脂复合材料残余应力的形成机理,综述了基于曲率测量法、去层法、柔度法、钻孔法、光弹性法、X射线衍射法、拉曼光谱法、光纤法和声弹性法几种残余应力检测方法的原理及其适用范围,讨论了残余应力影响环氧树脂构件机械性能的研究进展,最后对环氧树脂复合材料残余应力检测方法进行了展望。本文相关总结有助于掌握构件残余应力分布规律并为成型工艺优化提供参考。

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25. 一种考虑应变率的复合材料动态压缩响应预测模型

文劲钧, 屈美娇, 沈永鳌, 李孟奇, 宋雨恒, 朱瀚锐

复合材料科学与工程 2024, 0 (7): 23-30. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240728.003

摘要（131）

PDF （8922KB）（112）

本文提出一种考虑应变率效应的复合材料动态压缩响应预测模型,该模型基于人工神经网络,根据材料的弹性模量等属性参数即可预测其不同应变率下的动态压缩响应。建立了T300/QY8911预浸料制备的碳纤维增强复合材料高应变率压缩响应预测模型,预测了该材料应变率为517 s ^-1、721 s ^-1和1 070 s ^-1时的动态压缩响应,并开展试验,对预测结果进行了验证。结果表明,预测结果与试验结果吻合度较高,应力最大误差仅为-1.585 6%,应变最大误差仅为1.703 7%。

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26. 基于碳纳米管膜的树脂基复合材料电加热除冰技术

叶璐, 张代军, 李军, 栗付平, 陈祥宝

复合材料科学与工程 2024, 0 (7): 45-52. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240728.006

摘要（131）

PDF （10760KB）（96）

本文开展了碳纳米管膜应用于树脂基复合材料电热除冰技术的研究,采用一体化成型工艺制备了碳纳米管膜/复合材料,并对其结构进行优化,考察了碳纳米管膜/复合材料的电热性能和除冰性能。研究结果表明,所得碳纳米管膜/复合材料内部质量良好,电加热性能优异,与金属电热元件相比,其除冰效率高,除冰能耗低。

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27. 复合材料共胶接帽形长桁加筋壁板的固化变形研究

闫超, 戎笑远, 赵月青, 钱忠健

复合材料科学与工程 2024, 0 (9): 67-72. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240928.010

摘要（131）

PDF （7507KB）（124）

以五长桁加筋壁板为对象研究帽形长桁加筋壁板的固化变形。采用三坐标仪测量了帽形长桁固化后外形,并对其固化变形进行了有限元仿真,长桁截面方向存在回弹变形,长度方向存在扭转变形。测量了帽形长桁固化后和加筋壁板固化后帽形长桁的高度和宽度,帽形长桁高度降低约0.5 mm,宽度增大约2 mm,帽形长桁存在压塌变形,有限元仿真结果与试验结果变化趋势一致。采用激光跟踪仪测量了加筋壁板的外形,加筋壁板沿垂直长桁长度方向存在明显弯曲变形,最大为12.9 mm,且仿真结果与试验结果一致。经过分析可知,帽形长桁扭转变形和压塌变形导致了帽形长桁加筋壁板的固化变形。

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28. 湿热环境下纤维增强复合材料吸湿与界面性能研究

张藕生, 李承高, 牛延沼, 田经纬, 咸贵军, 郭瑞

复合材料科学与工程 2024, 0 (10): 87-96. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241028.012

摘要（130）

PDF （10087KB）（98）

湿热环境下纤维增强树脂基复合材料(FRP)力学性能会发生劣化,影响其服役性能与寿命。本论文研究了拉挤碳纤维(CFRP)与玻璃纤维增强复合材料(GFRP)杆体在40 ℃、60 ℃与80 ℃蒸馏水中的吸湿与扩散行为,以及杆体的短梁剪切强度退化规律,建立了基于时温等效原理的杆体短梁剪切强度寿命预测模型。结果表明:GFRP杆体具有较低的水扩散速率与饱和吸水率;水分子与浸泡温度是影响杆体短梁剪切强度劣化的关键因素,在低温浸泡下,杆体短梁剪切强度随着水分子的侵入快速退化;80 ℃高温暴露加速玻璃纤维-树脂界面脱黏,导致GFRP杆体的短梁剪切强度退化速率远远高于CFRP杆体速率。长期寿命预测结果表明,CFRP杆体短梁剪切强度稳定保留率为77.4%,而GFRP杆体短梁剪切强度在长期浸泡下完全丧失。

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29. 复合材料风力机叶片参数化设计及优化

金想想, 马远卓, 赵振宙, 许波峰, 李洪双

复合材料科学与工程 2024, 0 (8): 39-44. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240828.006

摘要（125）

PDF （4888KB）（180）

风力机叶片重量过大不仅会影响叶片的结构性能,还会增加运输、维修等成本。为解决叶片质量问题,本文选取经典的1.5 MW复合材料风力机叶片,叶片主梁、腹板、前缘和后缘分区铺设不同的复合材料。由于复合材料的铺设厚度从叶根向叶尖呈现递减趋势,且失效位置也多位于叶根处,故取距离叶根约1/3部分为研究对象来简化问题。为便于后期优化,采用ANSYS APDL参数化构建复合材料风力机叶片模型。考虑到陷入局部最优的情况,选择子集模拟优化方法进行随机优化。设计变量为腹板位置,约束函数为极限载荷下叶片满足位移及Tsai-Wu准则校核,目标为叶片重量最小。通过30组子集模拟优化统计结果可知:当腹板位置约在29.4%、53.3%弦长处时,相较于确定性设计,叶片减重约15.4%。最终结果表明,该优化方法在风力机叶片结构优化方面具有可行性,且优化结果对工程设计具有参考价值。

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30. FRP/钢嵌入式T形接头工艺性能优化及失效机理研究

夏奕, 张二, 孟田珍, 陈国涛

复合材料科学与工程 2024, 0 (10): 5-10. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241028.001

摘要（125）

PDF （8204KB）（142）

在文献[1]给出的FRP/钢嵌入式T形连接方案基础上,设计两端面对称的内嵌式T形连接方案。在制备工艺上,提出了钢质槽体内密封芯材处不含U形卡槽(Ⅰ型)、含U形卡槽(Ⅱ型)以及U形卡槽与平铺层织物缝合(Ⅲ型)三种工艺方案,并参照上述三种工艺方案制作内嵌式T形连接接头,分别开展了拉伸、压缩弯曲承载特性试验研究,对比分析了三种接头分别在拉伸弯曲和压缩弯曲载荷作用下的初始损伤特性、损伤演变规律以及连接失效机理。研究结果表明:内嵌式T形连接方案有效降低了压缩弯曲载荷作用下钢质槽体两侧端面与层合板应力集中水平;无论是在拉伸弯曲还是在压缩弯曲载荷作用下,Ⅲ型接头初始损伤载荷均最高,且在极限承载状态下,Ⅲ型接头结构连接可靠性更高。

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31. 碳纤维复合材料刚性界面相和刚柔界面相构筑研究进展

李宝来, 甄梓廷, 步同安, 杨家乐

复合材料科学与工程 2024, 0 (7): 122-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240728.016

摘要（121）

PDF （5485KB）（201）

碳纤维树脂基复合材料(CFRP)具有轻质、高强、高模量等优异性能,在航空航天领域有广阔的应用前景。界面作为连接树脂基体和碳纤维(CF)增强体的桥梁,是影响复合材料力学性能的重要因素。针对碳纤维与树脂的模量差异过大的问题,提高界面相的模量使两者的模量平稳过渡,提高应力传递效率,是改善界面性能的有效策略。本文主要综述了近年来刚性界面相、刚柔界面相的构筑方法及其对复合材料增强效果的研究进展,并对碳纤维树脂基复合材料界面相存在的问题进行了讨论,对今后界面增强的研究方向进行了展望。

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32. SiBCN陶瓷先驱体合成、固化动力学及陶瓷化产物性能研究

彭喆, 姚利超, 柴笑笑, 李松

复合材料科学与工程 2024, 0 (6): 15-21. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240628.002

摘要（120）

PDF （4203KB）（76）

采用脱氢偶联聚合方法,以聚硅氮烷和环硼氮烷制备了四种低黏度SiBCN陶瓷先驱体,通过红外表征了SiBCN陶瓷先驱体的结构,通过非等温DSC研究了SiBCN陶瓷先驱体的固化动力学过程,通过超高温TG,XRD,XPS等手段表征了SiBCN陶瓷化产物的性能。结果表明:四种SiBCN陶瓷先驱体的室温黏度为198~275 mPa·S,固化温度范围为120~235 ℃。SiBCN陶瓷先驱体的固化过程为双放热峰,通过Kissinger,Ozawa,Crane方程对主放热峰进行分析得到SiBCN陶瓷先驱体P1、P2、P3、P4固化动力学参数,其中活化能 E _a分别为96.9 kJ/mol、88.4 kJ/mol、119.5 kJ/mol、268.2 kJ/mol,反应级数 n分别为0.933,0.930,0.940,0.943。SiBCN陶瓷先驱体P4经过1 300 ℃裂解后的SiBCN陶瓷结构为非晶态,其B含量为4.67%,分解温度高达1 651 ℃。四种SiBCN陶瓷先驱体裂解产物的分解温度与B含量表现出一定的关系:当B含量超过一定浓度时,陶瓷化产物的高温稳定性得到有效提高。

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33. 石英纤维增强环氧树脂基复合材料的激光烧蚀行为

陈松, 甄岳泽, 马壮, 高丽红, 王东红

复合材料科学与工程 2024, 0 (10): 11-16. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241028.002

摘要（117）

PDF （9723KB）（126）

以环氧树脂为基体,以石英纤维为增强体,制备了石英纤维增强环氧树脂基复合材料,探究了不同功率密度的高能连续激光对石英纤维增强环氧树脂基复合材料的辐照效应,分析了功率密度分别为100 W/cm ²、500 W/cm ²和1 000 W/cm ²的激光对辐照样品宏微观形貌和质量烧蚀率的影响,并通过温度演变数据和树脂热解阈值模型对烧蚀行为作进一步分析。研究结果表明:激光作用于复合材料表面后,沉积的能量将造成环氧树脂基体的热解,随着激光功率密度增加,环氧树脂基体热解程度增加,复合材料表面烧蚀区域不断扩大,质量烧蚀率增加,对复合材料的破坏加剧。环氧树脂基体热解生成的气体和残炭起到了消耗能量、遮蔽激光、阻隔热量等作用,使复合材料具备了一定的抗激光烧蚀性能。

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34. 基于有限元和DIC测试对FRP部分约束混凝土柱应变响应及数值模型研究

纪泳丞, 邹云飞

复合材料科学与工程 2024, 0 (6): 76-86. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240628.010

摘要（113）

PDF （20619KB）（92）

纤维增强聚合物(FRP)部分约束混凝土应用可以提高混凝土的承载力和经济价值。然而,FRP部分约束混凝土在垂直方向上不均匀应变响应还不够深入,应力-应变模型不够准确。本文通过应变片和数字图像相关(DIC)记录对FRP部分约束混凝土进行了轴向压缩试验,并利用ABAQUS有限元建立了包括0/1,1/4,1/3,1/2,2/3,3/4和1/1约束面积比的部分约束混凝土。试验结果表明:DIC和应变片结果分别反应了垂直和水平方向的应变规律,即试件在应变硬化或应变软化响应下均发生了明显的应变局部化;有限元结果能捕捉到试件表面约束力与 x,y和z三轴的应变关系,得到了不同约束面积比的FRP部分约束混凝土柱的应力-应变关系,所提出的应力-应变模型能有较高的预测效果。

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35. 玻璃纤维复合材料电池包上盖设计与分析

赵港, 曹清林, 邱睿, 郭平安, 王居闯

复合材料科学与工程 2024, 0 (10): 125-133. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241028.017

摘要（113）

PDF （15645KB）（76）

为减轻车身重量,对金属电池包上盖进行玻璃纤维复合材料轻量化设计。依据上盖的技术要求,采用黑阻燃玻璃纤维方格布预浸料进行铺层设计,通过试验优选[(0,90)/(±45)/(0,90)/(±45)/(0,90)] ₂铺层为性能最优方案。利用 FiberSIM 软件进行电池包上盖结构的铺覆设计,探讨盖类件的铺覆裁剪方案,分别对(0,90)和(±45)的铺层进行铺覆可行性分析,依据完整度指标对铺层展开图进行分析,确定剪口方案为最佳方案。选取颠簸、紧急制动和左急转弯工况对电池包上盖作静态分析,分别对金属材质与玻璃纤维材质两种电池包上盖最大位移值和最大应力值进行比较,验证了玻璃纤维复合材料铺层方案的准确性。实际制造产品的强度、刚度、气密性、阻燃、导热、耐电压均满足设计要求,减重41.22%,满足轻量化要求。

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36. 风力机叶片结构拓扑与铺层分级优化设计研究

汪泉, 夏威, 杨建忠, 徐唐杰, 王冯云

复合材料科学与工程 2024, 0 (11): 69-75. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241128.009

摘要（110）

PDF （5937KB）（56）

针对目前大型风力机叶片拓扑结构与内部铺层参数相互独立设计,导致不能最大限度地降低叶片重量的问题,本文提出风力机叶片结构拓扑与铺层参数分级优化的设计策略。以5 MW风力机叶片为优化对象,考虑七种极限载荷工况,基于密度法对叶片进行拓扑结构优化。第一级优化结果显示叶片具有主梁非对称及腹板偏移等特性。将拓扑结构参数与材料铺层参数作为第二级优化变量,将叶片重量最小作为优化目标,以蔡-吴(Tsai-Wu)失效因子、叶尖位移、固有频率作为约束条件,利用粒子群算法对叶片拓扑结构和铺层参数进行联合优化。结果表明:与参考叶片相比,在满足叶片结构强度及变形条件下,叶片重量减少了12.1%,叶尖位移减少了9.5%。本研究对于风电叶片轻量化设计具有重要的参考价值。

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37. 热固性树脂基碳纤维复合材料的闭环化学回收与再利用

龚浩杰, 田正刚, 刘俐波, 张涛, 李丽英

复合材料科学与工程 2025, 0 (1): 141-148. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250128.019

摘要（109）

PDF （4072KB）（79）

热固性树脂及碳纤维增强热固性树脂基复合材料(CFRP)日益增长的需求量和废料量使碳纤维的回收利用问题进入人们的视线。然而,由于树脂基体具有永久交联的网络结构,使CFRP难以温和降解回收。在双碳目标之下,闭环化学回收成为热固性材料可持续发展的关键。近年来,动态适应网络(CANs)成为可闭环化学回收热固性树脂设计与制备的优选方案之一。文章综述了含酯键、亚胺键、六氢三嗪结构、间乙烯氨酯键、酮胺结构和二硫键的CANs聚合物及碳纤维复合材料的闭环化学回收与再利用进展,并从催化剂、温度、pH值、溶剂等方面比较了它们各自回收的优缺点,旨在为未来可闭环化学回收的热固性树脂设计提供借鉴和参考。

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38. 功能化PVC/PET柔性复合材料的性能研究

郭毅川, 姜育阳, 沈春晖, 高山俊, 卢豪, 姜颖

复合材料科学与工程 2024, 0 (7): 31-38. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240728.004

摘要（109）

PDF （3067KB）（209）

本研究采用聚氯乙烯(PVC)和聚酯纤维(PET)作为原料,通过热压贴合工艺制得了PVC/PET柔性复合材料。在PVC涂层膜中添加不同的阻燃剂和抗紫外剂,发现氧化锑-硼酸锌协同作用的阻燃体系表现出良好的阻燃效果,当添加5 phr时,可将涂层布的极限氧指数提高至28.7%。此外,该阻燃体系还具有抑制烟雾生成的效果,使烟密度降低了35.2%。在抗紫外方面,抗紫外剂UV-531的效果与UV-234效果相当,但在抗热迁出方面表现更加优异,因此选择UV-531作为PVC/PET柔性复合材料的抗紫外剂。在涂层膜和基布复合时,添加3.0 g/m ²的胶黏剂可将材料的剥离强度提高至28.89 N/5 cm,同时不影响其他性能,从而延长PVC/PET柔性复合材料的使用寿命。

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39. 孔向和径向蜂窝梯度浸渍对比

张亚发, 刘文言, 刘辰旭, 赵智斌

复合材料科学与工程 2024, 0 (6): 118-122. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240628.015

摘要（108）

PDF （3735KB）（61）

通过弓形法测试2~18 GHz电磁波孔向入射和径向入射炭黑分段梯度浸渍蜂窝的吸波性能,电磁波孔向入射炭黑涂料浸渍蜂窝吸波性能稳定,随着浸渍次数的增加,有阻抗匹配的最优浸渍次数,吸波性能优于径向入射蜂窝结构吸波性能。径向入射梯度浸渍蜂窝,由于蜂窝结构的各向异性,两个方向性能差异较大,蜂窝结构能增加电磁波在蜂窝腔体中的反射次数,随着浸渍次数增加,蜂窝结构的吸波性能先减弱后提升。同时,蜂窝高度对蜂窝性能有很大影响,增加孔向入射最后段浸渍蜂窝高度,整体蜂窝高度增加,蜂窝整体的吸波性能提升,阻抗匹配效果变好,此时增加各段阶梯浸渍次数,有最优的浸渍次数,阻抗匹配效果最好,吸波性能最佳。蜂窝结构被广泛应用于军事电磁隐身,梯度浸渍能有效提升阻抗匹配效果,径向梯度浸渍蜂窝应对电磁波大角度入射有很大的发展前景。

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40. 纤维增强复合材料-金属混合连接接头疲劳性能研究进展

宋建辉, 虞筱琛, 祝颖丹, 吴化平, 张雄军, 陈刚

复合材料科学与工程 2024, 0 (9): 105-112. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240928.016

摘要（107）

PDF （1549KB）（79）

纤维增强复合材料由于其优异的力学性能已被广泛应用于各种轻量化场合。通常情况下,复合材料在实际应用中需要和金属等异质材料进行连接,其中混合连接接头相比胶接、传统机械连接具有更优异的力学性能。疲劳寿命是影响纤维增强复合材料-金属混合连接接头服役性能的关键,本文对混合连接接头各部分材料的疲劳性能进行了分析,探讨了混合连接接头疲劳寿命预测方法,分析了影响混合连接接头疲劳性能的重要因素,并对其发展趋势进行了总结和展望。

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