复合材料科学与工程

关纪文, 王玉梅, 韦丽兰, 孔德辅, 陈华, 熊超华

2025, 0(2): 1-11. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250228.001

摘要 ( 83 )

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为研究纵筋率、偏心距对碳纤维复合材料(CFRP)筋增强珊瑚骨料混凝土偏压构件力学性能的影响,对9根CFRP筋增强珊瑚混凝土短柱、3根素珊瑚混凝土短柱进行偏心受压试验,研究偏心距(15 mm、30 mm、45 mm)、纵筋配筋率(2.09%、3.01%、4.10%)对构件开裂荷载、极限荷载、CFRP纵筋应力、珊瑚混凝土应力的影响。结果表明:所有试件均因受压侧珊瑚混凝土被压碎而破坏。增加纵向配筋率,可有效抑制混凝土裂缝发展,构件的开裂荷载、极限荷载明显增大,且整体延性增加;加载过程中,CFRP纵筋的强度利用率偏低,其最大压应力仅为95.78 MPa,约为CFRP筋极限抗压强度的21.28%。基于受弯构件配筋率的相关理论,提出CFRP增强珊瑚混凝土偏压构件纵向配筋率的计算方法,对其最小配筋率、界限配筋率的取值进行适应性修正,最后结合工程实际提出合理化建议。

高温环境对混凝土内GFRP筋拉伸性能退化影响

陆春华, 李朝晖, 漆仲浩, 朱学武, 徐奕帆

2025, 0(2): 12-19. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250228.002

摘要 ( 67 )

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对埋置于混凝土内的玻璃纤维增强复合材料(GFRP)筋进行高温后拉伸试验,分析了高温下混凝土试件内外温度变化、筋材外观变化,重点探讨了高温后混凝土内GFRP筋拉伸性能退化规律及其抗拉强度保留系数的预测方法。试验与分析结果表明:混凝土内GFRP筋存在明显温度滞后现象,炉内升温约2 h后,混凝土内GFRP筋才能达到环境温度,混凝土保护层降低了内部筋材在高温后的松散程度;300~350 ℃的工况温度下,混凝土保护层对GFRP筋的抗拉强度保护作用较明显。工况温度达到400 ℃后,GFRP筋的拉伸性能迅速下降,混凝土保护层的隔温保护作用逐渐减弱至消失;300 ℃工况下,恒温时长对混凝土内GFRP筋抗拉强度影响显著,对其弹性模量影响较小;采用Boltzmann函数可以有效预测混凝土内GFRP筋在高温后的抗拉强度保留系数。相关研究可为GFRP筋在混凝土结构中的耐火设计提供参考。

碱处理椰壳纤维对海水海砂混凝土力学性能影响研究

程艳雯, 赵菲, 黄振辉, 张青松, 李良勇, 习鑫强

2025, 0(2): 20-27. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250228.003

摘要 ( 50 )

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为解决海洋和岛礁工程建设中淡水河砂从陆上远距离运输的高成本问题,同时资源化利用椰壳纤维增强增韧性能,提出一种高性能、低成本、低能耗的建筑材料——碱处理椰壳纤维增强海水海砂混凝土。通过设计三种宏观破坏性试验(抗压、劈裂抗拉和抗折强度试验),结合宏观试验破坏现象以及微观结构电镜分析,研究并验证碱处理椰壳纤维长度和掺量对海水海砂混凝土力学性能的影响规律。将碱处理前后的椰壳纤维置于不同溶液中进行吸湿率测试,并利用电镜观测碱处理前后纤维的微观结构,证明碱处理不仅可提高椰壳纤维的粗糙度,削弱纤维的亲水性,还有效增强了纤维与混凝土之间的黏结效果。

含水量对环氧/酸酐树脂性能的影响及解决措施研究

王朔, 贾晨辉, 杨智明, 姚亚琳

2025, 0(2): 28-33. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250228.004

摘要 ( 56 )

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本文研究了不同含水量对拉挤环氧/酸酐体系理化性能和固化性能的影响。通过旋转流变仪、差式扫描量热仪、万能试验机等测试手段,探究了树脂中不同含水量对环氧/酸酐体系的黏度变化、T_g和固化行为的影响,并对环氧树脂浇注体力学性能进行了分析。结果表明:随着环氧树脂体系内含水量的增加,环氧树脂的耐热性能逐渐下降,浇注体力学性能呈现降低的趋势;在含水树脂中添加适量甲基四氢苯酐,可有效降低水分对环氧/酸酐体系固化性能的影响。

共固化蜂窝夹层结构长梁弯曲性能预测

牛芳旭, 孙超明, 贺靖, 尹航

2025, 0(2): 34-39. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250228.005

摘要 ( 38 )

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与层合结构相比,蜂窝夹层结构的材料构成、结构形式和力学行为更复杂。为了提高对蜂窝夹层结构力学性能预测的准确性,分析了共固化蜂窝夹层结构的面板形貌和力学性能,并以此为基础建立长梁弯曲有限元渐进失效分析模型,实现对长梁弯曲载荷、变形以及破坏模式的预测。结果表明,共固化蜂窝夹层结构的面板与采用相同预浸料、铺层数量和固化工艺单独成型的层压板相比,单层厚度更薄,压缩强度更低。以此为基础确定了模型的几何结构和材料参数,保证了对长梁弯曲性能预测的准确性,弯曲极限载荷及445 N时变形的预测值与试验结果误差在±11%范围内,破坏位置与试验结果较为吻合。

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

2025, 0(2): 40-45. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250228.006

摘要 ( 110 )

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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。

考虑湿热老化的单向纤维增强复合材料纵向脱黏行为的数值模拟

伊文昭, 刘璐璐, 徐凯龙, 陈伟

2025, 0(2): 46-53. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250228.007

摘要 ( 46 )

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通过ABAQUS计算软件对干态和湿热老化后的断裂纤维尖端周围的纵向脱黏行为进行研究。提出双线性牵引-分离定律与库仑滑动摩擦定律耦合来建立纤维/基体界面本构模型。结果表明:树脂的塑性性能和应变软化效应对界面脱黏行为同样有很大的影响,通常树脂应变软化效应越好,界面处越难脱黏;湿热老化使界面的性能下降,导致界面更低的应力传递能力,加快了界面剥离,产生更长的脱黏区域;湿热老化降低了相邻纤维上的最大应力集中系数(SCF),证实了差的界面在应力传递方面效率低下。干态下,高的应力集中系数往往会导致相邻纤维更容易发生断裂,纤维断裂快速扩展。该研究为更好地理解各种力学性能参数对纤维/基体界面的纵向脱黏行为以及湿热对单向CFRP纵向拉伸破坏的影响提供了依据。

基于改进遗传算法的纤维张力模糊控制研究

闫珊, 付天宇, 许家忠, 史新民

2025, 0(2): 54-61. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250228.008

摘要 ( 39 )

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玻璃纤维缠绕是复合材料制造的主要工艺,放卷张力控制的精度将直接影响缠绕成型产品的质量。为了达到纤维恒张力缠绕的要求,针对纤维缠绕过程中张力控制存在多扰动、时变、非线性等问题,通过建立放卷侧力矩平衡方程,分析卷径、加速度等因素对张力动态性能的影响,基于改进遗传算法的模糊PID控制策略,优化控制参数。通过模拟计算结果可以看出,优化后的模糊PID控制器能显著减小张力的超调量,有效抑制速度扰动时的张力波动,对参数的变化具有较好的鲁棒性。并通过实验验证了优化后的模糊PID控制器在张力控制系统中的可行性。

帽形加筋壁板共固化用硅橡胶芯模孔占比对维形传力效果及壁板成型质量的影响

周洁, 赵聪, 周来水

2025, 0(2): 62-69. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250228.009

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为满足帽形加筋壁板共固化成型过程中固化压力的均匀传递,实现制件良好的厚度均匀性和型腔高度,对帽形加筋壁板成型工艺辅助芯模进行改进,提出一种设置梯形预制孔的硅橡胶薄壁芯模与真空袋组合的新型柔性芯模。利用有限元仿真方法,研究了不同孔占比的硅橡胶薄壁芯模对帽形加筋壁板共固化成型过程中的压力传递均匀性的影响,并对固化后帽形加筋壁板成型精度进行了分析。结果表明:当硅橡胶薄壁芯模预制孔孔占比为0.68~0.84时,硅橡胶薄壁芯模膨胀适中且均匀,能够实现压力的均匀、稳定传递,同时保证帽形加筋壁板外形准确度。最后,通过实验方法验证了硅橡胶芯模热膨胀有限元模拟的正确性,为实现硅橡胶芯模辅助帽形加筋壁板成型厚度均匀性开创了工艺窗口。

复合材料飞机副油箱结构铺层设计及性能分析

高文明, 刘琛, 聂海平, 阳铭广, 王显峰

2025, 0(2): 70-81. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250228.010

摘要 ( 61 )

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为了减轻飞机重量并提高其机动性能,将复合材料应用于飞机副油箱结构轻量化设计中。纵向拉伸试验结果验证了具有防雷击功能试样件力学性能预测仿真模型的准确性,并类比建立副油箱有限元模型。针对复合材料蒙皮加筋结构,提出了一种铺层顺序优化方法,基于副油箱在静载及冲击工况下的不同铺层方案中蒙皮的力学响应,确定最佳铺层方案中铺层角度基本循环单元,结合各铺层角度,优化了蒙皮的铺层顺序,并完成强度校核。结果表明:优化后副油箱蒙皮在静载工况下的最大应变降低了4.95%,冲击工况下降低了12.6%,同时蒙皮的强度、刚度也得到了提升,验证了此种优化方法的可靠性。研究成果可为飞机副油箱等复合材料壳体加筋结构的设计及制造提供指导。

硅烷改性氧化石墨烯增韧乙烯基酯树脂

杨瑞瑞, 王雅婷, 冉晓璐, 刘万双

2025, 0(2): 82-90. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250228.011

摘要 ( 49 )

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乙烯基酯树脂作为一类通用的热固性高分子材料在工业界被广泛使用,但固化后的乙烯基酯树脂交联密度大,质脆,受冲击载荷易开裂。本研究将硅烷偶联剂(KH570)通过一步反应接枝到氧化石墨烯(GO)表面,制备了改性氧化石墨烯(m-GO)。显微镜观察表明,相比于未改性氧化石墨烯(p-GO),m-GO在乙烯基酯树脂基体中具有更好的分散性。相应地,m-GO对乙烯基酯树脂表现出更佳的增韧效应。相比未改性乙烯基酯树脂,当加入0.4wt%的m-GO时,得到的改性乙烯基酯树脂临界应力强度因子(K_ⅠC)和临界应变能释放率(G_ⅠC)分别提高了40%和32%。此外,加入m-GO对乙烯基酯树脂的玻璃化转变温度和热稳定性几乎没有影响。

氰酸酯树脂与高强高模型碳纤维的界面相容和性能匹配研究

张月义, 唐小惠, 高尚兵, 李刚, 杨小平

2025, 0(2): 91-98. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250228.012

摘要 ( 43 )

PDF (10764KB) ( 39 )

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自行制备了两种增刚氰酸酯树脂(7180M和7180S),比较了与纯氰酸酯树脂的固化反应和力学性能,在氰酸酯树脂主链中引入高刚性链段和笼型倍半硅氧烷(POSS)提高了交联密度和刚性,其拉伸模量分别达到3 450 MPa(7180M)和3 400 MPa(7180S)。研究了CCM55J/氰酸酯单丝、束丝和单向复合材料的界面性能与界面相增强机理,与CCM55J/CE复合材料相比,CCM55J/7180M和CCM55J/7180S复合材料单丝界面剪切强度、束丝横向拉伸强度与层间剪切强度分别提高42.5%和30.6%、152.2%和91.6%、18.1%和15.5%,提出了拓宽的界面相厚度和平缓的界面相模量过渡容易传递外加载荷,提高复合材料界面性能的增强机理。考察了单向复合材料的耐湿热性能和空间性能,与CCM55J/CE复合材料相比,CCM55J/7180M和CCM55J/7180S复合材料360 h的沸水吸湿率降低至0.67%、0.83%;质量损失和可凝挥发物分别降低至0.11%、0.095%和0.04%、0.006%。树脂基体完善的交联网络结构导致复合材料界面相应力集中减少,有效阻止水分子进入,提高了复合材料的耐湿热和空间性能。

温湿环境下CFRP层合板的弯曲疲劳寿命与结构频率的关联性研究

吕林泽, 张芝芳, 郑铭峰, 江剑

2025, 0(2): 99-107. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250228.013

摘要 ( 57 )

PDF (4131KB) ( 39 )

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纤维增强复合材料(FRP)层合结构在温湿环境下的疲劳性能会加速退化,影响结构使用安全,缩短结构服役寿命。为研究温湿环境下FRP结构的弯曲疲劳行为,对碳纤维增强复合材料(CFRP)层合板进行了不同温度下的水浴吸湿试验,对达到吸湿平衡状态的试件进行了弯曲疲劳试验和模态测试。试验过程中,每隔一定循环次数会停止施加弯曲疲劳荷载,对试件进行模态测试以获取在该疲劳状态下CFRP层合板的固有频率。结果表明:疲劳破坏发生在夹持端部位,主要表现为横截面处的脆性断裂,断口处呈现锯齿状;随着循环次数增加,CFRP试件的振动频率先突降后渐降,且频率下降幅度顺序为高温湿态(ETW)>常温湿态(RTW)>常温干态(RTD);相比RTD工况,RTW和ETW工况下CFRP试件的弯曲疲劳寿命分别下降8.96%和21.2%,表明温度和湿度耦合作用比单一作用对CFRP层合板的弯曲疲劳寿命影响更大,且温度比湿度因素对弯曲疲劳寿命的影响大。本文还推导了结构振动频率与CFRP层合板的弯曲疲劳寿命之间的定量关联公式,为基于结构频率预测FRP层合板的剩余弯曲疲劳寿命提供了理论依据。

螺栓和胶栓混合连接的GFRP梁柱新型端板节点的抗震性能分析

肖潇, 马超, 张铁山

2025, 0(2): 108-116. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250228.014

摘要 ( 42 )

PDF (17980KB) ( 38 )

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本文基于ABAQUS有限元仿真软件,研究螺栓连接和胶栓混接两种不同连接方式的GFRP梁柱新型端板节点在低周循环荷载下的抗震性能。探究不同螺栓预紧力和胶接长度对节点的抗震性能影响,设计了八个试件,从滞回曲线、骨架曲线、耗能能力以及刚度退化四个方面进行有限元分析。结果表明:新型端板节点的滞回曲线更饱满,所包围的面积更大。随着螺栓预紧力的增大,节点的承载能力、刚度和耗能均有提高;胶栓混合连接节点的刚度比螺栓连接节点的刚度也有较大的提高。

树脂预浸技术提升CFRP-混凝土界面力学性能研究

房恩惠, 杨树桐, 庞瑞阳, 孙忠科, 兰天

2025, 0(2): 117-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250228.015

摘要 ( 34 )

PDF (14687KB) ( 44 )

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碳纤维增强复合材料(CFRP)已被广泛应用于混凝土结构加固工程中,但CFRP-混凝土界面常因为表层混凝土薄弱区的过早破坏而影响加固效果。鉴于此,本文采用不同浓度树脂预浸(Resin Pre-Coating,RPC)溶液对混凝土表面进行预浸处理以增强其表层力学性能。分析并阐明了体积浓度为10%~50%的RPC溶液处理混凝土表面对CFRP-混凝土界面承载力、界面应力分布及黏结-滑移关系等的影响规律及其增强机理。结果表明,RPC处理可以使环氧树脂有效渗入混凝土表层的微裂缝和孔洞,固化后的环氧树脂与混凝土之间形成机械咬合作用,能有效提高CFRP-混凝土界面力学性能,改善界面破坏形式。针对本文试验的C40混凝土,采用体积浓度为30%的RPC溶液处理,可以有效避免混凝土过早破坏,使胶层强度得到充分利用,与未经RPC处理的对照组相比,界面极限承载力提高了78.4%,界面抗剪强度和界面剪切断裂能分别提高了71.1%和3.66倍。

基于多注意力机制的双通道模型对风机叶片表面目标识别

柯灿阳, 文传博

2025, 0(2): 129-136. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250228.016

摘要 ( 37 )

PDF (10153KB) ( 38 )

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目前,风机叶片缺陷识别主要依赖于望远镜和停机吊篮这两种方法,但这些方法存在准确率和安全性方面的问题。随着无人机技术的广泛应用,利用无人机进行风机叶片表面缺陷的目标识别成为备受瞩目的选择。本文采用计算机视觉的方法,提出了一种结合Swin Transformer和轻量级神经网络两种不同架构的中量级网络对风机叶片表面目标进行识别。本文收集了华东某沿海风场的1 275张叶片图像,并通过图像增强技术将数据扩充为原来的5倍。模型中,Swin Transformer为主特征提取器,轻量级神经网络为辅特征提取器,引入CBAM注意力机制增强模型对局部关键信息的聚焦能力,并采用CosineAnnealingWarmRestarts的学习率调整策略优化模型性能。实验结果表明:本文所提出的模型在风机叶片目标识别中准确率、F1分数分别达到97.8%和96.35%,均领先于同等量级的主流模型,为风机叶片表面目标识别提供了一种新的思路。

基于数字单元法的平纹织物压实形态变化研究

颜丙越, 张卓, 尹立, 何剑飞

2025, 0(2): 137-144. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250228.017

摘要 ( 41 )

PDF (14369KB) ( 36 )

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平纹编织复合材料因其强度高、性能稳定、结构简单等优点,被广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域。作为复合材料的增强结构,平纹织物的几何特征对结构性能有重要影响。作为一种柔性结构,平纹织物纱线的几何形状受工艺参数影响易发生明显形变。针对玻璃纤维平纹织物,采用四种压力制备了四种复合材料试样。对四种试样内部纱线结构进行了Micro-CT扫描。使用数字单元法对平纹织物进行了细观尺度建模,并进行四种压力下的压实模拟。将Micro-CT扫描结果与模拟的纱线形态进行对比,验证了模拟方法的正确性,进一步分析了织物在压力载荷下的纱线形态变化过程。

基于机器视觉玻璃纤维束缺陷检测技术的研究

徐东亮, 薛紫阳, 赖九衡

2025, 0(2): 145-150. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250228.018

摘要 ( 36 )

PDF (3207KB) ( 36 )

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玻璃纤维束是由成百上千根细小的玻璃纤维组合而成的整体,这种结构导致在纤维缠绕制品生产工艺过程中的断纱缺陷难以识别。针对此难题,提出了一种基于机器视觉检测玻璃纤维束是否有缺陷及缺陷位置定位的方法。利用工业相机实时拍摄纱路上玻璃纤维束的图像,并把图像传输到计算机,由计算机利用OpenCV库对每一帧玻璃纤维束的图像进行处理,得到每根玻璃纤维束的轮廓及缺陷特征,根据缺陷特征通过缺陷检测算法判断玻璃纤维束是否完全断开或部分断开,利用KNN算法判断缺陷所在位置。玻璃纤维束的运动速率为1 m/s,以30 fps的帧率采集600张图像进行实验验证,检测数据表明综合准确率达96.6%,满足玻璃纤维束缺陷检测的要求。

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

2025, 0(2): 151-156. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250228.019

摘要 ( 97 )

PDF (6193KB) ( 64 )

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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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