复合材料科学与工程

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1. 异质多层复合板层间剪切强度测量计算方法

周俊, 王阳, 黄明, 翟孟雷, 陈文广, 张娜, 刘春太

复合材料科学与工程 2023, 0 (11): 5-11. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.001

摘要（168）

PDF （8359KB）（276）

在现有的复合材料层间剪切强度测试方法中,用于计算强度的公式仅含有试样的几何参数而未考虑模量和中性面变化,所以仅适用于各向同性或横观各向同性复合板,对于不同材料非均匀铺设的异质多层复合板,使用该方法会得到不同严重程度的错误结果。鉴于此,本文首先构建了三层异质复合板中性面位置及层间切应力计算方法,进而推导出 n层复合板中性面及层间切应力计算通式,结合短梁剪切法,建立了异质多层复合板层间剪切强度测量计算方法。计算分析表明,对于异质复合板,其最大相对层间切应力会随各层模量的变化而改变,其中性面也不再位于试样几何中心。针对GFRPP/胶/GFRPP和GFRPP/胶/钢这两类三层异质复合板的试验结果表明,本文方法能较准确地测量计算出异质复合板层间剪切强度,而现有方法则会随复合板各向异性程度的增加而逐渐偏离真实值。

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2. 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（121）

PDF （19385KB）（100）

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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3. 挖补修理蜂窝夹芯结构侧压强度的可靠性及灵敏度分析

王轩, 王威, 余芬, 邹润文, 王魁奎

复合材料科学与工程 2024, 0 (1): 5-12. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240128.001

摘要（108）

PDF （3981KB）（131）

以挖补修理复合材料蜂窝夹芯结构为研究对象,考虑胶层性能的不确定性,通过ABAQUS-MATLAB-Python联合仿真,建立挖补修理蜂窝夹芯结构侧向压缩渐进损伤分析模型,得到随机变量与其所对应的输出响应。基于蒙特卡罗法进行可靠性分析,采用基于方差和失效概率的全局灵敏度分析方法进行参数灵敏度分析。结果表明:外载荷在不同数值区间下结构失效概率具有较大差异,在接近极限破坏载荷时失效概率显著增加;胶层厚度方向的弹性模量和面内两个相互垂直方向上的剪切模量对挖补修理蜂窝夹芯结构侧压强度方差和失效概率的影响较大。

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4. 补片搭接长度对修理层合板湿热振动特性的研究

崔开心, 卢翔, 赵耀斌

复合材料科学与工程 2023, 0 (11): 12-20. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.002

摘要（95）

PDF （16083KB）（124）

根据复合材料层合板损伤尺寸确定补片的搭接长度尤为重要,合适的搭接长度能够有效提高层合板的强度,延长使用寿命。通过数值仿真与试验验证,研究湿热效应下补片的搭接长度对修理层合板振动特性的影响。基于一阶剪切变形理论(FSDT)和Hamilton原理推导了层合板在湿热效应下的本构方程和自由振动控制方程。利用ABAQUS软件建立了双面阶梯修理层合板模型,分析了在不同温度、湿度和湿热耦合作用下,使用搭接长度 p分别为8 mm、10 mm、12.7 mm、14 mm、16 mm、18 mm的补片修理层合板与完整板的振动特性。结果表明:当温度 T为300~320.15 K, p为12.7 mm时,层合板的热稳定性与刚度恢复效果较好;当湿度 C为0%~0.158%, p为14 mm时,层合板的湿稳定性与刚度恢复效果较好;湿热耦合作用下,采用搭接长度较小的补片,固有频率变化较大,采用搭接长度过大的补片则会扩大修理区域导致层合板剩余刚度降低。 p值越靠近12.7~14 mm的修理构型,湿热效应对固有频率影响越小,层合板的湿热稳定性与修理效果越好。

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5. 碳纤维复合材料的湿热老化模型研究

王威力, 魏程, 田晶

复合材料科学与工程 2023, 0 (11): 44-48. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.006

摘要（94）

PDF （3222KB）（148）

在90%RH的高湿度环境下,选择40 ℃、60 ℃和80 ℃三个温度条件对碳纤维复合材料进行湿热加速老化试验,并对复合材料的动力学和力学性能进行测试。以扫描电镜(SEM)、力学性能、差热扫描(DSC)和红外(IR)测试结果为依据,选择了两种湿热加速老化模型,并计算确定了相应的参数,得到在90%RH的高湿度环境中,两种老化模型的具体计算公式。由计算结果可知,动力学模型较适用于推算不同温度条件下材料性能的变化情况,剩余强度模型适用于推算延长时间变量后的材料性能变化。

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6. 复合材料风电叶片预埋螺栓套连接的轴向刚度分析

高翔, 喻光安, 刘志强, 席振钊, 刘防防, 宋笑非, 秦志文

复合材料科学与工程 2023, 0 (11): 90-95. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.012

摘要（94）

PDF （4219KB）（79）

预埋方式的螺栓连接是大型风力机叶片根部连接和分段式叶片连接的主要形式之一。螺栓连接刚度的准确计算是保证风电叶片静态和疲劳载荷安全设计的重要因素。基于分段式叶片中的预埋螺栓套连接结构,假设被连接件内的轴向应力满足锥形分布,推导了其轴向刚度的解析方程;采用有限元数值方法确定了锥形半角;研究了螺栓直径、夹持长度以及螺栓套厚度对被连接件刚度的影响,通过对比被连接件刚度的解析解与数值解,验证了预埋螺栓套刚度解析表达式的精度。结果表明:预埋螺栓套连接的锥形半角取值范围为15°~18°;被连接件的刚度随着螺栓直径、螺栓套厚度的增大而增大,随着夹持长度的增大而逐渐减小。

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7. 复合材料成型模具补偿及构件自适应调整方法研究

鲍益东, 张恒, 张会杰, 宦蕾, 杨智勇, 左小彪, 安鲁陵

复合材料科学与工程 2023, 0 (11): 49-57. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.007

摘要（92）

PDF （12272KB）（86）

复合材料构件固化变形后进行模具补偿需要对构件有限元模型进行重新建模,效率低,工作量大且缺乏验证,针对复合材料成型模具型面补偿后需要调整对应的复合材料构件有限元模型的问题,提出了一种复合材料成型模具型面补偿及构件自适应调整的方法,采用虚拟材料模型实现了构件网格与补偿后模具网格相互贴合。使用典型件验证了方法的正确性,并依据T形加筋壁板构件实例讨论了在此方法下的试验结果。结果表明:①通过模具型面补偿,能够使T形加筋壁板和复杂筒形壁板构件固化变形量明显降低;②使用本文提出的方法进行T形加筋壁板固化试验,可得试验偏差测量值与数值模拟偏差值的最大相对误差为17.20%,满足工程验收标准;③使用本文复合材料固化成型模具型面补偿及构件有限元自适应调整方法能够避免模具补偿后构件有限元模型重构操作,提升模具补偿效率,提高结果准确性。

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8. PVDF膜材双轴全域拉伸非线性及力学参数研究

张燚聪, 陈建稳

复合材料科学与工程 2024, 0 (4): 5-13. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240428.001

摘要（88）

PDF （8175KB）（138）

为了明确织物膜材从拉伸到破坏整个过程的双轴拉伸性能,以典型PVDF涂层聚酯织物为研究对象,通过七个应力比下的双轴单调拉伸试验,利用编写的MATLAB程序获得了涂层织物复杂的变形性能和精确的弹性参数,并对其变形和力学参数进行响应面分析,揭示了涂层织物在不同应力水平和应力比下弹性模量、泊松比和正交各向异性的演化规律。结果表明,全域应力范围内材料的弹性参数和正交各向异性特征随着应力比和应力水平的改变而显著变化。此外,基于单、双轴拉伸应力-应变的关系,引入了表示双轴单调拉伸试验中拉伸与收缩比例的刚度耦合系数,推导出了弹性模量公式,其计算值与试验值吻合较好。研究所得结论可为膜结构工程中织物膜材的拉伸力学性能以及膜面破坏分析提供有益参考。

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9. 基于预制分层损伤方法的复合材料三次冲击损伤研究

许良, 胡鸿铭, 周松, 宋万万

复合材料科学与工程 2023, 0 (11): 21-27. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.003

摘要（86）

PDF （7883KB）（157）

在ABAQUS/Explicit中建立复合材料层合板三次冲击的三维仿真模型,采用预制分层损伤的方法,将前一次冲击损伤的状态变量预制进下一次冲击模型中,并将三维Hashin准则和刚度退化方案编入VUMAT子程序中。对层合板三次冲击过程中的层内损伤、层间损伤和接触力进行分析。结果表明,仿真结果与冲击试验结果吻合良好,所建立的模型可以较好地反映复合材料层合板三次冲击下的损伤演化过程。和后续冲击相比,第一次冲击的最大接触力最小,分层损伤的形状主要由第一次损伤形成,后续冲击仅增加分层损伤的损伤面积。

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10. 低速冲击损伤后FML的剩余拉伸强度数值模拟研究

张邵峰, 魏金辉, 唐新春, 许家婧, 刘心语, 姚潞

复合材料科学与工程 2023, 0 (11): 28-36. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.004

摘要（85）

PDF （7155KB）（115）

纤维金属层合板(FML)结合了复合材料与金属材料各自的优异性能,逐渐被用于汽车、飞机等交通工具的轻量化结构。然而,低速冲击后结构会存在损伤,尤其是复合材料内部复杂损伤,严重影响FML的剩余拉伸强度。因此深入探索冲击损伤后FML的剩余拉伸强度具有非常重大的工程意义。本文首先建立FML的低速冲击以及准静态拉伸有限元数值模型,并通过低速冲击/拉伸试验,对FML冲击与拉伸数值模型的准确性与可靠性进行了验证。随后借助有限元重启动技术,建立了FML的冲击-分离-拉伸一体化数值模型,对不同冲击工况下FML的剩余拉伸强度进行了数值模拟研究,进一步总结了FML冲击损伤后的剩余拉伸强度规律。最后基于冲击后的当量化模型研究了FML的剩余拉伸强度,并与一体化数值模型结果进行对比,验证了当量化分析方法的准确性,可以节约计算成本并提高研究效率。

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11. 基于非线性本构的织物膜材梯形撕裂数值分析

马俊杰, 陈建稳

复合材料科学与工程 2024, 0 (5): 5-11. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240528.001

摘要（84）

PDF （11190KB）（67）

为提高针对织物复合膜材撕裂力学响应数值分析的精确性,本文基于连续损伤力学理论,建立了PVDF涂层织物膜材的非线性损伤本构模型。结合梯度为15°的偏轴拉伸试验,验证了非线性本构模型的精确性;并将非线性本构模型纳入数值分析,与传统三折线本构模型及梯度为15°的梯形撕裂试验结果进行对比,验证非线性本构在撕裂力学响应方面的精确性。结果表明:非线性本构模型可有效跟踪膜材实际应力-应变曲线。在撕裂力学响应方面,两种模型均能体现系列参数变化对撕裂性能的影响规律及相应撕裂机理,但非线性本构模型在破坏形态上能更好地体现膜材撕裂过程中拉剪耦合复杂应力影响。

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12. 三维编织复合材料细观结构建模关键问题研究

刘帅, 王真, 卢国盛, 刘芳, 沈敏

复合材料科学与工程 2024, 0 (1): 13-21. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240128.002

摘要（80）

PDF （10364KB）（107）

基于细观力学的数值分析方法是研究三维编织复合材料力学性能的有效方法,其中细观模型的建立是力学分析的基础。纤维束的空间走向和细观结构几何参数表征是细观结构建模中的两个关键问题。围绕这两个关键问题,针对三维四向编织复合材料的三单胞模型开展研究,全面分析了单胞45°划分方式和水平划分方式中纤维束的各种空间走向,获得了详细的三单胞的纤维束方向余弦;针对三种形状的纤维束横截面,分析推导了编织工艺参数与单胞几何参数的复杂关系,利用编织工艺参数作为初始参数对单胞结构进行定量化表征,并获得了纤维束体积分数和纱线填充系数的计算方法。研究工作为三维多向编织复合材料的细观结构建模提供理论参考,具有一定的工程实用价值。

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13. 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（76）

PDF （12545KB）（65）

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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14. 纤维增强热塑性复合材料3D打印研究进展

任佳军, 孙颖, 鞠博文, 于肖

复合材料科学与工程 2023, 0 (11): 122-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.017

摘要（74）

PDF （4609KB）（123）

3D打印(3DP),又称为增材制造(AM),是一种通过连续分层切片与材料层层沉积构建三维物体的新兴技术。近年来,关于3D打印技术的研究在全球范围内呈指数级增长。3D打印技术在航空航天、轨道交通、电子和生物医学等领域有着广泛的应用。纤维作为增强体在热塑性聚合物3D打印中的应用,极大地提高了复合材料的综合力学性能。本文在简要介绍纤维增强复合材料3D打印的发展历史基础上,评述了纤维增强复合材料3D打印的制件性能优化方式、存在问题与未来发展趋势。

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15. 玻璃纤维/环氧树脂预浸料固化全过程的比热容和热导率研究

马世恒, 葛敬冉, 刘凯, 李永善, 梁军

复合材料科学与工程 2024, 0 (4): 20-25. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240428.003

摘要（74）

PDF （1662KB）（386）

通过调制温度式差示扫描量热技术(MDSC)测定了玻璃纤维/环氧树脂预浸料在固化全过程不同方向上的比热容和热导率,并建立模型来描述比热容和热导率随温度和固化度的变化。未固化和完全固化时,预浸料的比热容和热导率随着温度的增大线性增加;在固化过程中受温度和固化度的双重影响,在固化反应前期,比热容和热导率有一个突变,在温度和固化度的作用下表现出先增大后减小的趋势。此外,通过混合定律和分段线性关系来描述比热容和热导率随温度和固化度的变化关系,结果有助于提高数值模拟中参数的准确性。

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16. 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（71）

PDF （15223KB）（40）

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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17. 多刺激响应型高强度复合材料柔性致动器研究进展

盛洁, 刘航, 王文乐, 姜生坤, 李明霞, 黄正强, 耿铁, 蒋林

复合材料科学与工程 2024, 0 (4): 117-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240428.016

摘要（70）

PDF （14830KB）（44）

复合材料柔性致动器兼具灵活性、适应性和结构可设计性等特点,能够响应外界刺激而改变结构、形状和宏观性质,具有广阔的应用前景。本文总结了近几年复合材料柔性致动器在多刺激响应性与力学强度提高方面的研究进展,介绍了该类致动器的成型制备方法,分析了致动原理。从填料的维度出发,总结了各类填料在致动器响应速度、机械性能、多刺激响应能力方面的影响,总结了该类致动器在柔性机器人、微型医疗器械、精密传感器、折叠电子器件等方面的现状。最后,对多刺激响应型高强度复合材料致动器的发展前景进行展望,以期为设计制备具有新颖功能和更有挑战性的致动器提供借鉴和参考。

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18. AC531树脂与胶膜界面相容性研究

翟全胜, 苗春卉, 崔海超, 张晨乾, 赵艳文, 叶宏军

复合材料科学与工程 2023, 0 (11): 37-43. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.005

摘要（70）

PDF （7364KB）（108）

本文采用J-116B胶黏剂和J-375胶黏剂,通过共固化的成型方式制备了胶接试样,并对胶接试样进行了湿热加速老化,测试了老化前后胶接试样的拉伸剪切性能,并分析了性能差异原因及界面破坏机理。结果表明:AC531树脂与J-375胶黏剂之间的界面相容性优于AC531树脂与J-116B胶黏剂之间的界面相容性,这是由于AC531树脂与J-375胶黏剂固化反应工艺窗口重合度更高,两者的表观活化能更加接近。

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19. 碳纤维复杂构件LCM成型工艺技术发展综述

李先阳, 刘彬, 于雅琳, 周何乐子, 周华民

复合材料科学与工程 2023, 0 (11): 116-121. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.016

摘要（70）

PDF （2682KB）（99）

复合材料液体成型工艺(Liquid Composite Molding,LCM)是纤维增强树脂基复合材料的主流成型工艺之一。随着航空航天工业的发展,高端装备对复合材料构件的性能以及复杂性提出了更多的要求,需要对当前LCM成型工艺进行创新,为此,新型复合材料成型工艺成为研究热点。本文按成型工艺类别划分,分别概述了复合材料LCM成型、自动铺放-液体成型、三维纺织预制体液体成型以及共固化液体成型的工艺原理、工艺特点与工业应用。最后对复合材料LCM成型工艺未来发展方向提出针对性建议。

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20. 不同冲击角度对复合材料层合板低速冲击损伤特点的影响

林逸, 刘玲

复合材料科学与工程 2024, 0 (1): 30-37. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240128.004

摘要（68）

PDF （9021KB）（71）

复合材料结构在服役过程中常受到低速冲击影响,产生不可目视的内部损伤,这将降低结构的承载能力。实际工程中,低速冲击物与结构相互作用时,可能呈现不同的冲击角度。因此,本文针对一种典型铺层的碳纤维/环氧复合材料层合板,采用ABAQUS建立90°和不同倾斜角度的低速冲击数值模型,以分析不同冲击角度对层合板接触力与损伤的影响,以及冲头旋转造成的二次接触对损伤的影响。在数值模型中,采用连续介质损伤力学模型和三维Hashin准则模拟层内的失效,并采用内聚力模型与双线性牵引-分离本构关系模拟层间分层。对90°模拟结果与试验结果进行对比分析,结果证明了所建立数值模型的可靠性。不同冲击角度冲击模拟结果表明:在冲击角度从30°升至90°过程中,法向接触力始终增大,切向接触力先增大后减小;随着冲击角度的减小,损伤的整体偏移逐渐明显,并且基体拉伸损伤面积始终较大。不同冲击能量下的二次接触模拟结果表明,随着冲击能量增大,产生二次接触的冲击角度范围减小,且二次接触对层合板顶部造成了新的损伤。

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21. 基于改进的Halpin-Tsai模型对颗粒增强复合材料弹性常数预测

武顺心, 朱水文

复合材料科学与工程 2024, 0 (4): 33-39. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240428.005

摘要（65）

PDF （7322KB）（62）

为了预测不同形状颗粒增强复合材料的弹性常数,以碳化硅(SiC)颗粒增强环氧树脂为例,建立了不同颗粒形状的代表性体积元(RVE)模型,研究了不同颗粒形状及其体积分数对复合材料弹性常数的影响。通过改进的Halpin-Tsai模型,得出了形状因子与体积分数、颗粒体积和几何因子之间的关系式。有限元模型和改进的Halpin-Tsai模型计算的复合材料弹性常数结果相近,最大误差仅为4%。研究表明,改进的Halpin-Tsai模型可以用于预测碳化硅颗粒增强环氧树脂复合材料的弹性常数。

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22. 褶皱石墨烯微球制备与浸润性调控及其丙酮感知研究

汪瑞, 梅启林, 丁国民, 陈述慧, 徐建蓉, 姜端洋

复合材料科学与工程 2024, 0 (4): 14-19. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240428.002

摘要（64）

PDF （6951KB）（52）

为了增加表面粗糙度,获得超疏水复合材料,本文引入水-丙酮的二元溶剂,探究氧化石墨烯(GO)在二元溶剂中的分散与蒸发,而后通过喷雾油炸法,得到褶皱石墨烯微球(FGO),探究溶剂组分对浸润性的影响,最后将FGO与聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合,制成对丙酮敏感的超疏水传感器。结果表明:在二元溶剂中,水的组分为20%时,GO在其中分散良好并且有不错的蒸发率,得到的FGO接触角为149.1°;制备的复合材料结合良好,具备150.2°的超疏水性能,同时能在丙酮浓度为0.03~0.075 mol/L时具有良好感知性能,灵敏度达到115 (mol/L) ^-1。

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23. 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（64）

PDF （8962KB）（66）

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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24. 丙烯酸共聚改性液态丙烯酸酯树脂及其复合材料力学性能研究

陈述慧, 梅启林, 丁国民, 汪瑞, 蔡永祺, 姜端洋

复合材料科学与工程 2024, 0 (5): 12-18. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240528.002

摘要（63）

PDF （7295KB）（96）

为了解决丙烯酸酯树脂拉伸强度不足及其与纤维界面结合较弱的问题,本文通过原位聚合的方法,以丙烯酸(AAc)共聚改性液态丙烯酸酯类低聚合树脂(AOLM),通过提高聚丙烯酸酯类树脂基体(PAOLM)分子间作用力,显著提升固化后树脂基体及其玻纤(GF)增强复合材料的整体力学性能。研究结果表明:引入的AAc使PAOLM红外光谱图中出现了分子内氢键(3 545 cm ^-1)和分子间氢键(3 294 cm ^-1)的振动吸收峰;与未改性的PAOLM相比,共聚改性后树脂P(AOLM-AAc)的拉伸强度和模量分别提高了20.86%和32.65%,弯曲强度和模量分别提高了18.14%和25.73%,冲击韧性提高了24.03%,玻璃化转变温度提高了10.03%;与采用AOLM制备的复合材料GF/PAOLM相比,采用AAc改性AOLM制备的复合材料GF/P(AOLM-AAc)的拉伸强度和弯曲强度分别提高了11.62%和37.18%。

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25. 阻尼层复合材料夹芯梁的动力学性能

赵晓军, 杨怡婷, 吴磊

复合材料科学与工程 2024, 0 (5): 25-29. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240528.004

摘要（61）

PDF （4458KB）（42）

采用哈密尔顿原理,推导得到了阻尼层复合材料夹芯梁的偏微分振动平衡方程;使用Navier型闭环解得到梁的固有频率和损耗因子,并与其他文献中的解进行对比验证;最终揭示了夹芯复合材料梁动力学性能随结构参数的变化。结果表明:随着梁长度的增大,梁的固有频率逐渐减小,结构的损耗因子呈现先增大后减小的趋势,梁的长度存在最佳动力学设计值;增大阻尼层剪切模量,结构固有频率逐渐增大,结构的损耗因子呈现先增大后减小的趋势,阻尼层剪切模量也存在最佳动力学设计值;随阻尼层厚度的增大,结构的固有频率逐渐降低,一阶模态下的损耗因子逐渐增大,但是其余模态下的损耗因子呈现先变小后增大的规律;中间层损耗因子值对频率的影响不大。

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26. 三维四向碳/碳复合材料预制体压实致密多影响因素分析与研究

任洪庆, 董九志, 梅宝龙, 陈云军, 蒋秀明

复合材料科学与工程 2023, 0 (11): 84-89. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.011

摘要（61）

PDF （2412KB）（53）

为提高预制体纤维体积含量,基于三维四向碳/碳复合材料预制体成型工艺,设计正交试验分析每循环压实次数、保压时间和助剂含量对纤维体积含量的影响规律,结果显示助剂含量对最终纤维体积含量影响最大,每循环压实次数影响次之,保压时间影响最小;纤维体积含量随助剂含量的增加先增大后降低,随保压时间及每循环压实次数的增加而增大。通过设计BBD响应面优化试验,建立相应纤维体积含量数学模型并验证了模型的可靠性,进而优化工艺参数并进行了试验验证。结果表明:每循环压实3次,保压7 s,两束含助剂纤维为最优压实工艺参数。在最优参数下编织的预制体最终纤维体积含量与预测值仅相差0.24%,与原工艺参数相比提高4.54%。最后通过显微观测发现最优参数下所编织的预制体更加密实。

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27. 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（59）

PDF （5485KB）（66）

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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28. 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（58）

PDF （2798KB）（47）

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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29. 大尺寸变截面翼梁的自动铺丝成型

薛柯, 何大亮, 薛凯, 马占宇, 唐珊珊, 张亮, 房晓斌

复合材料科学与工程 2023, 0 (11): 96-101. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.013

摘要（58）

PDF （8931KB）（79）

机翼翼梁是飞机的主承力构件,为了保证其成型质量和生产效率,需要采用自动化成型方式进行翼梁构件的生产制造。本文对目前翼梁成型方法的应用及研究现状进行了介绍,根据大尺寸变截面翼梁(长度大于10 m)的结构特点,研究了复合材料翼梁的自动铺丝成型技术。以M.TORRES龙门铺丝机为铺放平台,提出了翼梁的自动铺丝成型要点,确定了各个角度铺层的轨迹规划方法,结合轨迹规划情况,给出了翼梁的铺丝成型轨迹完善处理方案。最后,通过大尺寸复合材料翼梁的自动铺丝成型制造,验证了轨迹规划方法和轨迹处理方案的可行性与正确性,为国内自动铺丝技术在大尺寸复合材料翼梁成型上的应用提供参考。

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30. 复合材料水平尾翼的后梁铺层优化研究

刘嘉, 吴江, 张夫恩, 吴道明

复合材料科学与工程 2023, 0 (11): 78-83. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.010

摘要（58）

PDF （4198KB）（69）

为有效降低水平尾翼的重量,合理布置铺层方式,提高复合材料的利用效率,以某型复合材料水平尾翼为研究对象,借助专业分析软件Patran & Nastran建立了水平尾翼的有限元模型,校核了水平尾翼的静强度。设计制造了水平尾翼主承力结构试验件和试验夹具,并完成试验验证,试验结果表明二者应力分布基本一致,说明有限元模型是合理的。水平尾翼承受最大过载时,主承力件后梁最大应力远远小于材料许用值,以铺层厚度为设计变量,材料应力极限为约束对后梁铺层进行优化设计。结果表明:优化后的结构重量减轻了15.75%,且强度性能满足要求。

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31. 聚醚醚酮复合材料制备技术在医疗领域中的应用进展

高亮, 白钰, 高军鹏, 凌常月, 张宝艳, 齐楠

复合材料科学与工程 2024, 0 (1): 111-118. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240128.015

摘要（58）

PDF （4842KB）（46）

随着科学技术的进步和人们健康意识的提升,植入性医疗器械被越来越广泛应用于临床。聚醚醚酮复合材料因具有低影像学干扰、轻质高强、模量更接近人体组织、动态负载性能优异、耐腐蚀以及耐磨等特点,在医疗领域应用前景广阔。本文重点介绍了注塑成型、3D打印成型和预浸料热压成型三种聚醚醚酮复合材料制备技术的基本原理、国内外研究及其在医疗领域中的应用进展,比较了不同制备技术的优缺点和适应性。同时,提出了聚醚醚酮复合材料在医疗应用中所面临的问题与挑战。希望未来相关研究深入开展,促进我国医用材料水平的发展和植入性器械的更新换代,提高患者身体健康水平,改善生活质量。

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32. 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（57）

PDF （3067KB）（80）

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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33. BN粒子改性PVDF电纺纤维膜插层增强碳纤维/环氧树脂复合材料层间韧性

曾塘玉, 马传国, 向阳, 邵士磊

复合材料科学与工程 2024, 0 (4): 26-32. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240428.004

摘要（57）

PDF （15741KB）（74）

针对纤维增强复合材料层压板的分层失效问题,本文提出了一种氮化硼(BN)粒子改性聚偏氟乙烯(PVDF)电纺纤维膜以插层方式增强碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料层间断裂韧性的方法。通过超声处理将BN均匀分散于PVDF溶液中,利用静电纺丝方法制备了BN改性PVDF纤维膜(BN&PVDF),作为插层材料被引入碳纤维的层间,采用手工铺设-真空热压法制备BN&PVDF增强CF/EP复合材料层压板(BN&PVDF-CF/EP)。重点研究了BN粒子含量对改性PVDF电纺纤维膜增强CF/EP层间断裂韧性的影响及相关增韧机理。研究结果显示:当BN含量为3.2wt%时,BN&PVDF电纺纤维膜的增韧效果最好,相对于CF/EP,BN&PVDF-CF/EP的Ⅰ型层间断裂韧性提高了129.6%,Ⅱ型层间断裂韧性提高了160.6%;BN粒子引入后,提高了PVDF的拉伸强度和模量;SEM分析显示,BN粒子被部分镶嵌于PVDF纤维上,提高了PVDF纤维表面的粗糙度,增强了PVDF纤维与基体的界面相互作用,引起了更加复杂的增韧形式并提高了PVDF纤维的增韧效果。

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34. 高耐热线性环氧树脂的合成及流变特性研究

张相昌, 王钧, 陈晞

复合材料科学与工程 2024, 0 (2): 20-26. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240228.003

摘要（55）

PDF （4344KB）（21）

通过N-苯基马来酰亚胺(N-PMI)与4,4′-二氨基二苯甲烷(DDM)迈克尔加成反应合成了一种改性二元胺(PDP),并与双酚A型环氧树脂(EP)反应制备了线性环氧树脂。通过核磁共振氢谱(HNMR)、红外光谱法(FTIR)和差式扫描量热法(DSC)研究了PDP的化学结构与性质,并通过DSC,FTIR和凝胶渗透色谱法(GPC)研究了线性环氧树脂耐热性( T _g)及流变特性。结果表明:随着反应时间延长,EP/PDP(1∶1摩尔比)树脂体系黏度由0.55 Pa·s增至57 Pa·s, T _g由55 ℃升至120 ℃,平均分子质量由4 651增至25 096;随着温度的降低,体系黏度由200 ℃的0.55 Pa·s增加至140 ℃的60 Pa·s。不同比例EP/PDP树脂体系的 T _g随PDP过量的比例增大而升高,当EP∶PDP为0.8∶1时, T _g为121 ℃,在相同反应时间,体系黏度随PDP过量比例的增大而增大。

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35. 全碳纤维复合材料太阳能无人机机翼结构优化设计

苏桐, 胡果馨, 刘振

复合材料科学与工程 2024, 0 (3): 79-83. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240328.011

摘要（55）

PDF （5783KB）（67）

针对大展弦比太阳能无人机的性能要求,开展碳纤维复合材料太阳能无人机机翼的优化设计。选用NACA4412为基准翼型,利用xfoil软件作为气动计算软件,基于NSGA-Ⅱ优化算法进行翼型优化。在此基础上对机翼进行三维建模,采用 CFD 软件进行气动特性分析,并利用ANSYS Workbench静力学模块对机翼进行流固耦合分析。结果表明:翼型优化后,升力系数提高4.20%,阻力系数降低8.74%,升阻比提高14.18%;在气动载荷作用下,从翼根向翼尖方向压力逐渐增大,翼尖处最大压力相对外界大气压力为242 Pa;在外载荷作用下,最大应力显示在翼根附近,为61.397 MPa,翼变形的最大值为40.262 mm,整体满足太阳能无人机的允许变形量在 5%以内即翼尖变形不得大于半翼展长度值的5%的刚度要求。研究结果可为碳纤维复合材料太阳能无人机设计和研制提供理论参考。

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36. 碳纤维复合材料固化变形预报方法对比

罗玲, 张涛, 田智立, 刘雷波, 夏雅男, 李卓达, 魏洪峰

复合材料科学与工程 2023, 0 (11): 108-115. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.015

摘要（55）

PDF （4437KB）（48）

碳纤维复合材料固化变形引起复合材料制件装配困难、残余应力等问题。因此,非常有必要建立复合材料构件制造过程引起变形缺陷的准确预报方法。本文对半经验模型与CHILE模型这两种应用最为广泛的固化变形仿真分析方法进行对比,并通过热压罐成型工艺试验对其进行验证。试验结果表明,这两种模型均可准确地模拟复合材料层合板的固化变形行为,其模拟误差均小于10%。基于CHILE模型研究材料参数对固化变形的影响,发现对固化变形影响最大的是玻璃态横向热膨胀系数,其次是橡胶态横向化学收缩系数。

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37. 混杂碳/玻纤维复合材料自行车轮辋的铺层优化分析及抗疲劳验证

周勇军, 邱宇鸿, 李红周

复合材料科学与工程 2023, 0 (11): 70-77. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.009

摘要（53）

PDF （5030KB）（32）

对碳纤维/玻璃纤维层间混杂复合材料自行车轮辋进行数值优化分析,能够设计出具有价格适中、安全性能高、耐疲劳等特点的自行车轮辋。借助有限元分析对自行车轮辋模型进行服役状态下的力学行为模拟,能够为试验研究提供相对可靠的方案,减少试验过程中不必要的原料浪费,从而降低整个复合材料轮辋的设计和制备成本。本文通过ABAQUS软件构建了自行车轮辋模型,通过调整碳纤维预浸布铺层和玻璃纤维预浸布铺层的顺序、各铺层角度比例和顺序,计算轮辋在服役状态下的力学性能,通过比较各方案得到较优的设计方案。5万次加速疲劳测试结果表明:采用优化后的自行车轮辋侧壁铺层方案及凸缘铺层方案指导复合材料轮辋的制备,可以显著提高复合材料自行车轮辋的抗疲劳能力。

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38. 先进复合材料用模具材料及结构形式现状与发展趋势

马全胜, 王文义

复合材料科学与工程 2024, 0 (1): 119-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240128.016

摘要（53）

PDF （12890KB）（67）

复合材料制件的制备一般在模具中进行,在材料固化的同时完成复合材料制件成型,因而模具直接影响复合材料制件的尺寸及表面精度。随着先进复合材料制件在航空航天等领域应用的显著增长,为满足对复合材料产品不断提高的性能和精度要求,多种模具材料及结构形式应运而生,为复合材料制件的高精密制造提供了丰富的加工方式。总结了用于复合材料制造的模具材料由使用传统材料到殷钢、轻质复合材料及新型材料的发展过程,针对不同成型工艺及复合材料制件结构类型,对复合材料成型模具的结构形式进行了论述,并探讨了复合材料成型模具的发展方向。

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39. 刀具磨损因素分析及对CFRP制孔质量的影响

周欣康, 位浩杰, 陈晓龙, 王佳鑫, 卢大伟, 谢辉

复合材料科学与工程 2024, 0 (4): 111-116. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240428.015

摘要（51）

PDF （5783KB）（87）

为了保证碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)加工质量,研究刀具磨损对CFRP制孔质量的影响,本文制备了CFRP层压板样件,对刀具磨损规律、刀具磨损与CFRP制孔质量的关联性进行定量试验研究。使用数字显微镜跟踪标定制孔过程中的后刀面磨损量 VB,绘制了刀具磨损曲线,对不同转速下的后刀面磨损规律进行了定量对比分析。同时通过对制孔后的出口毛刺长度和分层情况进行试验标定,分别利用出口毛刺缺陷因子和制孔分层缺陷因子对制孔质量进行评价,绘制了缺陷因子与 VB的相关曲线,对刀具磨损因素及对制孔质量的影响进行了定量分析。结果表明:高转速下刀具更早进入急剧磨损,但在急剧磨损阶段,低转速下刀具磨损更快;刀具进入急剧磨损阶段后,刀具磨损逐渐成为出口缺陷的主要原因,且刀具磨损量相同时高转速下制孔质量更高。

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40. 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（51）

PDF （8922KB）（27）

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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