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（136）

PDF （8359KB）（194）

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. 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（69）

PDF （16083KB）（103）

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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3. 复合橡胶基磁流变弹性体的动态力学特性研究与模型验证

马乾瑛, 李帅, 高晓敏, 吴宗欢

复合材料科学与工程 2023, 0 (9): 5-12. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230928.001

摘要（81）

PDF （4128KB）（100）

本文对研发的复合橡胶基磁流变弹性体材料(MRE)的动态力学特性进行了研究,通过循环剪切试验测试了其力学性能。设计了三组剪切试验,分别研究应变幅值、加载频率、外加磁场对MRE力学性能的影响,绘制了在不同加载条件下MRE的滞回曲线,根据试验数据计算得到最大阻尼力、等效刚度、储能模量、耗散能、损耗模量和损耗因子。试验结果表明:MRE的耗能能力明显受到幅值和频率的影响,在200%的幅值和2.0 Hz的加载频率以内,其耗能能力与幅值和频率呈正相关,且其耗能能力受幅值影响比受频率影响更大;外加磁场也能提升MRE的耗能能力,但在50 mT以上的磁场强度下,此MRE性能的提升趋势明显减弱。最后采用Bouc-Wen模型对MRE的动态力学特性进行描述,通过Simulink自带最小二乘算法进行参数拟合,对拟合结果的分析表明,最大阻尼力与耗散能的最大拟合误差在10%以内,平均误差低于5%。

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4. 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（86）

PDF （3981KB）（98）

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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5. 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（68）

PDF （7883KB）（95）

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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6. 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（60）

PDF （10364KB）（89）

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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7. 国产T800级高韧性环氧树脂基预浸料的TTT图绘制

何靓, 俆小伟, 胡大豹, 雷杨, 李尧

复合材料科学与工程 2023, 0 (5): 25-31. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230528.004

摘要（59）

PDF （6550KB）（88）

预浸料的固化动力学研究及TTT图绘制可指导相关制品的成型工艺设计及优化,保证制品的最佳力学性能。以国产T800级高韧性AC531环氧树脂基预浸料为对象,采用DSC测量法研究了其固化反应动力学,并根据固化反应特点,拟合得到了固化反应动力学的自催化模型表达式;针对预浸料的相转变行为,测试并拟合得到了玻璃化转变温度与固化度之间的关系,通过线性回归分析得到了凝胶时间与温度的关系式;绘制了TTT图,为国产T800级高韧性环氧树脂基预浸料的固化工艺优化提供理论支持。

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8. 环氧树脂增韧改性技术及其在航空先进复合材料中的应用

鹿海军, 李亚锋, 张杜鹃, 黄浩

复合材料科学与工程 2023, 0 (8): 121-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230828.019

摘要（36）

PDF （902KB）（87）

环氧树脂因其良好的粘接能力、介电性能和优异的工艺性能,在航空领域被广泛地用作纤维增强复合材料的基体材料。然而环氧树脂固化产物交联密度高导致的断裂韧性差的问题,限制了其在航空先进复合材料方面的应用。文章综述了超支化聚合物、热致液晶聚合物、互穿聚合物网络和纳米粒子等方法增韧环氧树脂近年来的发展,介绍了韧性环氧树脂在航空先进树脂基复合材料的应用情况,并对其发展前景进行展望。

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9. 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（69）

PDF （3222KB）（76）

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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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（53）

PDF （7155KB）（74）

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. 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（45）

PDF （4609KB）（71）

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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12. 基于失效理论的复合材料力学性能预测及试验验证

夏婉莹, 李志虎, 秦玉林, 张宁, 严路平

复合材料科学与工程 2023, 0 (9): 42-47. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230928.006

摘要（49）

PDF （8671KB）（67）

针对纤维增强复合材料力学性能预测方法进行研究,采用实际试验和有限元仿真分析相结合的方法,分别利用Tsai-Wu张量理论及Hashin失效准则确定工况的失效机能,从而获得相应工况或加载条件的最大载荷、最大位移、弹性强度和杨氏模量等力学性能结果。将试验结果与仿真结果进行比对,结果表明Tsai-Wu张量理论对工况安全性能校核较为适用,Hashin失效准则更加适用于实际的极限强度预测。同时,建立的有限元仿真模型仿真结果与试验结果吻合度较好,说明该预测模型具有良好的合理性。

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13. 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（53）

PDF （12272KB）（59）

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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14. 含分层CFRP层合板结构的振动频率与剩余压缩强度的关联性研究

郭静静, 张芝芳, 罗子微, 刘文迪

复合材料科学与工程 2024, 0 (1): 38-44. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240128.005

摘要（29）

PDF （5215KB）（57）

纤维增强复合材料层合结构在生产和使用过程中容易出现分层损伤,为研究分层损伤对复合材料层合结构压缩强度的影响,本文对含有不同预制分层缺陷的复合材料层合板进行了模态测试,提取固有频率,并通过静强度压缩试验得到剩余压缩强度。主要研究了在复合材料层合板的中间界面预埋不同尺寸的穿透型分层对其固有频率及剩余压缩强度的影响。基于ABAQUS平台建立了含预制分层的复合材料结构有限元模型,将仿真结果与试验结果进行对比,验证了仿真模型。采用有限元模型进一步分析分层损伤对频率以及剩余压缩强度的影响。结果表明:试件的固有频率随预制分层损伤面积增加而下降;与无初始损伤试件相比,含有预制分层的试件,其压缩破坏的位置主要集中在预制分层缺陷的铺层,且随预制分层的尺寸变化呈现不同程度的分层扩展;改变层合板的铺层时,随着分层损伤尺寸增加,复合材料层合板的压缩强度与其固有频率均逐渐下降;试验和仿真分析皆表明复合材料层合板的固有频率与其剩余压缩强度具有定量的关联性,但关联性受铺层影响,改变铺层将导致二者的指数关系发生变化。

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15. 基于多尺度分析的EMAA自修复缝线复合材料层间增韧作用研究

杨威亚, 高东晨, 铁瑛, 张臻臻, 葛超坤

复合材料科学与工程 2023, 0 (9): 29-35. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230928.004

摘要（33）

PDF （9082KB）（55）

为研究热塑性EMAA纤维缝线网络对碳纤维复合材料层合板的层间断裂韧性和加热修复后韧性的双重增韧作用,本文采用试验和数值多尺度建模分析相结合的方法,对含有EMAA缝线网络的碳纤维复合材料层合板在热修复前后的Ⅰ型层间断裂韧性进行了分析。根据碳纤维束微观模型预测碳纤维束等效力学参数,通过对缝线处单层板细观结构进行测量,建立细观尺度单胞模型,预测细观单胞的等效力学参数。完成DCB试件宏观模型构建,在宏观模型中添加黏性层模拟EMAA修复剂,来进行Ⅰ型层间断裂韧性分析,采用三维Hashin失效判定准则和渐进退化模型对纤维束及基体进行损伤分析,利用双线性本构模型对黏性层失效进行判定。通过将试验结果与仿真结果进行对比分析,验证了该多尺度模型的有效性;仿真和试验结果表明,EMAA缝线网络能有效提高层间断裂韧性,减缓裂纹扩展;三维缝合网络能够将自愈合EMAA送入损伤区域,继而实现分层裂纹层间断裂韧性的高恢复(修复率为175%)。

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16. 透波疏水涂层制备及性能研究

李怀富, 刘序旻, 王智, 柴朋军

复合材料科学与工程 2023, 0 (9): 55-60. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230928.008

摘要（28）

PDF （4567KB）（54）

透波涂层作为天线罩最外层材料,不仅要对天线罩起到保护和美观的作用,还要能实现透波的电磁功能。天线罩表面涂覆疏水涂层能有效降低水滴在其表面黏附性,减少水滴对天线罩透波性能的影响。本文通过在低介电的氟碳树脂涂层中引入介孔二氧化硅粒子,构造了疏水表面。研究结果表明:10wt%二氧化硅粒子涂层体系疏水角达到129.4°;同时,偶联剂改性介孔二氧化硅粒子提高了粒子在溶液中的分散性。对比研究涂层体系的耐冲击性能、铅笔硬度、附着力、介电性能、透波性能,结果表明10wt%改性介孔二氧化硅粒子涂层具有优异的综合性能,实现了天线罩涂层透波、疏水功能的一体化。

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17. 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（48）

PDF （7364KB）（52）

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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18. 酚酞型聚芳醚酮与硅烷偶联剂协同改性CF/PPS复合材料

赵乐, 陈正国, 杨青, 刁春霞, 陆承志, 王少飞, 刘勇, 张辉

复合材料科学与工程 2023, 0 (9): 21-28. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230928.003

摘要（34）

PDF （12076KB）（50）

本文使用不同浓度的KH570溶液和0.5wt%的PEK-C溶液依次对碳纤维进行改性处理,并通过模压成型制备了CF/PPS复合材料,使用X射线光电子能谱仪(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、万能材料试验机等手段表征改性后的CF/PPS复合材料。结果表明,使用2wt%的KH570溶液和0.5wt%的PEK-C溶液依次处理碳纤维后,复合材料的界面性能和弯曲性能大幅提升,相较于未经改性处理的CF/PPS复合材料,其弯曲强度由709 MPa提高至953 MPa,提升约34.4%,ILSS则由23.8 MPa提高至53.3 MPa,提升约123.9%。

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19. 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（56）

PDF （4219KB）（49）

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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20. 连续碳纤维3D打印的路径规划研究进展

张荣耀, 钱波, 刘钢

复合材料科学与工程 2023, 0 (9): 112-120. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230928.017

摘要（41）

PDF （2887KB）（46）

近年来,随着3D打印技术的发展,一些复杂几何形状复合材料结构能够有效制造出来,从而拓展了复合材料的应用范围。路径规划是3D打印制造过程中的关键技术之一,由于连续碳纤维各向异性的特点,不同的打印路径对成型件力学性能和成型效率有很大的影响。本文主要讲述了适用于连续碳纤维3D打印中面内非交错打印和基于载荷的路径规划。最后指出了3D打印路径规划的研究重点和发展方向。

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21. 中低温固化苯并噁嗪树脂的研究进展

康龙昭, 范春燕, 俞海文, 姚亚琳

复合材料科学与工程 2023, 0 (9): 121-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230928.018

摘要（30）

PDF （1964KB）（46）

在实际生产中,苯并噁嗪树脂200 ℃以上的固化温度限制了其在先进复合材料领域的大规模应用,研究苯并噁嗪树脂开环聚合机理,优化苯并噁嗪树脂固化特性,从而获取降低苯并噁嗪树脂固化温度的方法具有重要意义。因此,对国内外近些年关于降低苯并噁嗪树脂固化温度的研究进展进行了综述,并对通过向苯并噁嗪单体中引入活性官能团以及添加固化催化剂来实现苯并噁嗪树脂中低温固化的方法进行了详细介绍,分析了其反应机理,明确了其固化反应影响因素,并对比分析了这两类方法的特点。从分子角度出发,向单体中引入活性基团具有更高的灵活性,但改性工艺相对复杂,大批量工程化生产存在难度;相比较而言,添加合适的催化剂可显著降低苯并噁嗪树脂的固化温度,操作工艺较易实现,是目前最简单有效的方法之一。综述涵盖了多种催化剂的研究,对于优化苯并噁嗪树脂的固化条件,制备高性能苯并噁嗪树脂具有借鉴意义。

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22. 基于内聚力模型的复合材料疲劳分层数值模拟

项跟洋, 冯电视

复合材料科学与工程 2023, 0 (8): 19-25. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230828.003

摘要（26）

PDF （5500KB）（46）

为了研究复合材料层合板在疲劳载荷下的分层扩展行为,本文基于内聚力本构模型提出一种改进的疲劳分层损伤速率计算模型;该模型只需要疲劳裂纹扩展速率Paris准则作为参数输入,无需进行裂纹尖端追踪或额外的参数拟合。基于所提出疲劳分层损伤算法,开发了复合材料疲劳分层VUMAT用户子程序植入ABAQUS/Explicit软件,并分别对复合材料单向层合板的Ⅰ型、Ⅱ型以及Ⅰ/Ⅱ混合型疲劳分层开裂过程开展了有限元数值模拟,结果表明该模型可以有效模拟疲劳载荷下复合材料层合板层间分层开裂。最后,对该模型进行了误差分析和网格敏感性分析,分析结果表明较长的疲劳内聚区长度可以明显提高该模型的计算精度。

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23. 复合材料C形梁结构的固化变形控制研究

王雪华, 陈俊林, 满珈诚, 岳广全

复合材料科学与工程 2023, 0 (6): 67-72. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230628.010

摘要（36）

PDF （7281KB）（44）

针对民机复合材料C形梁结构的固化变形问题,建立了包括传热分析模型、固化动力学分析模型、弹性模量模型、树脂收缩模型在内的仿真预测模型,对C形梁缩比件结构的固化变形进行了预测,预测结果与试验结果相比,具有较小的误差。本文将固化变形的仿真预测结果用于指导C形梁缩比件的模具型面修正调节,用型面调节后的模具制备C形梁的变形测量结果满足结构精度要求,实现了对C形梁结构固化变形的有效控制。

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24. 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（37）

PDF （2682KB）（44）

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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25. 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（43）

PDF （8931KB）（43）

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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26. 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（31）

PDF （9021KB）（43）

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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27. 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（42）

PDF （4198KB）（41）

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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28. 车用碳纤维增强复合材料连接结构耐久性研究及失效机理分析

杨阳, 林英豪, 王元伍, 范以撒

复合材料科学与工程 2023, 0 (10): 78-86. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231028.011

摘要（24）

PDF （7329KB）（40）

粘接接头便于连接FRP型材料,具有应力分布均匀、疲劳性能好、质量轻等优点,常被用于车辆的轻量化结构设计。车辆在服役过程中会经历不同的温度、湿度耦合作用,给粘接结构的耐久性带来了巨大的挑战。因此,研究车用碳纤维增强复合材料连接结构(CFRP-CFRP)耐久性对车辆轻量化具有重要的指导意义。本文对CFRP-CFRP单搭接接头分别进行在60 ℃/95%RH、60 ℃/100%RH、60 ℃/3.5%NaCl和60 ℃/5%NaCl温湿盐耦合环境下放置240 h、480 h、720 h的老化试验。利用Fick定律模拟胶黏剂吸水过程,并与实际吸水率进行比较;通过准静态拉伸测试得到接头失效载荷和力-位移曲线,观察到失效载荷并不随时间增长而上升或下降,这表明后固化(失效载荷上升)和环境侵蚀(失效载荷下降)是两种具有相反作用相互竞争的因素。此外,采用DSC和FTIR测试设备对老化前后的胶黏剂进行表征,分析其内在失效机理。

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29. 改性甲基二苯乙炔基硅烷复合材料耐湿热性能

白小陶, 贾宇翔, 胡文杰, 张晓晖, 蒋峰光, 刘敏, 周权

复合材料科学与工程 2023, 0 (5): 19-24. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230528.003

摘要（27）

PDF （4083KB）（40）

采用改性双马来酰亚胺(GBMI)共混改性甲基二苯乙炔基硅烷(MDPES)树脂,并以此为树脂基体制备了GF/MDPES-GBMI复合材料。通过吸水、脱水实验及理论计算,研究GF/MDPES-GBMI复合材料吸湿、脱水行为和湿热老化对复合材料界面的影响。结果表明,随着MDPES-GBMI树脂中GBMI含量的增加,复合材料的扩散系数由0.019 3 mm ²/s下降为0.014 7 mm ²/s,渗透系数大幅度降低,由9.94×10 ^-4 mm ²/s下降为1.84×10 ^-4 mm ²/s,同时平衡吸水率和平衡脱水率也有所降低。虽然复合材料的弯曲强度在湿热老化后有所下降,但干燥后性能即可恢复。水分子以准自由态形式存在于GF/MDPES-GBMI复合材料的孔隙中,吸水和脱水规律遵循Fick第二定律。

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30. 绝热层自动缠绕成型关键技术研究

张伟超, 侯增选, 严文聪, 徐铭浩, 王浩东, 李彦良

复合材料科学与工程 2023, 0 (10): 109-114. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231028.015

摘要（26）

PDF （3087KB）（39）

本文介绍了国内外固体火箭发动机绝热层缠绕成型技术的研究现状,提出了绝热层缠绕成型工艺方案和设备方案,重点研究了绝热层缠绕成型关键技术。根据绝热层缠绕成型压力控制要求和特点,提出了绝热层缠绕压力控制方法;分析了绝热层缠绕成型胶带跑偏原因,提出了缠绕胶带纠偏方法;设计了一种椭圆凹面压辊,保证胶带边缘粘接质量,避免胶带边缘产生翘边;利用圆柱面压辊与最小型号芯模半径参数,提出了一种绝热层缠绕通用胶带宽度计算方法;分析了绝热层缠绕成型胶带速度及张力控制要求和特点,提出了缠绕胶带速度和张力控制方法。开发、建立绝热层缠绕成型工艺仿真演示示范线,为绝热层缠绕成型设备研制提供支撑。

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31. 玄武岩纤维布-聚氯乙烯管复合约束纤维再生混凝土短柱的轴压性能

张振雷

复合材料科学与工程 2023, 0 (11): 58-69. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.008

摘要（28）

PDF （8982KB）（37）

为研究不同约束条件下的纤维再生混凝土短柱的受力性能,制作了45个再生混凝土短柱并对其进行了轴心抗压试验。探讨了聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride,PVC)管、玄武岩纤维(Basalt Fiber Reinforced Polymer,BFRP)布的层数以及BFRP布-PVC管复合约束对其受压性能的影响。结果表明:试件的承载力、极限应变和延性随外加BFRP布层数增加而上升;采用PVC管及BFRP布加固能明显提高短柱承载力;BFRP布-PVC管复合加固短柱充分利用了不同材料的优点,不仅提高了混凝土短柱的抗压强度,而且改善了素混凝土脆性破坏问题。此外,建立了极限应力与极限应变模型,其计算值与试验值具有较好的一致性,为今后的工程应用提供了一定的理论依据。

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32. 加捻对高模量碳纤维浸胶复丝拉伸性能的影响

黄伟, 周栋, 黄文煜, 史文锋, 孙子琦, 陈钰彬

复合材料科学与工程 2023, 0 (12): 50-54. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231228.007

摘要（11）

PDF （4916KB）（37）

为提高国产高模量碳纤维的拉伸性能,研究国产CCM40J,CCM55J碳纤维在浸胶前后加捻两种方式下的拉伸强度与断裂伸长率。结果显示:加捻可以有效改善CCM40J与CCM55J碳纤维的拉伸性能;与CCM55J碳纤维相比,当捻度为10 n/m时,浸胶后加捻的CCM40J碳纤维拉伸强度与断裂伸长率均提高17%;为改善两种高模量碳纤维的拉伸性能,确定了最佳捻度与浸胶方式。

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33. 厚轻木芯材造成的风电叶片质量缺陷研究

刘靖宇, 袁炜, 宋厚利, 梅同瑞

复合材料科学与工程 2023, 0 (5): 80-85. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230528.012

摘要（59）

PDF （4141KB）（37）

轻木,别名巴沙木,是一种原产于南美洲及西印度洋群岛的木棉科热带速生乔木,具有密度小、体积结构稳定、不易变形的特点,通过多年应用验证,其性能被风电叶片行业充分认可。近年随着风电度电成本不断下探,风力发电整机价格持续走低,作为占整机成本25%~30%的关键部件,风电叶片通过配合整机大型化等方式为行业成本降低提供支撑;应结构设计需要,以往较少使用的30 mm以上厚度轻木成为大型风电叶片结构中的常见选择;在风电叶片实际生产制造过程中,由此类厚度轻木导致的气泡、吸胶爆聚等缺陷多发,严重影响风电叶片制造质量。为改善该问题,从缺陷发生机理、轻木材料特性及影响等方面进行分析,提出破坏结合水附着、降低剩余水分总含量的解决方案。

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34. 湿热环境下不同挖补构型层合板振动特性分析

赵耀斌, 单金洋, 崔开心, 卢翔

复合材料科学与工程 2023, 0 (9): 13-20. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230928.002

摘要（52）

PDF （8217KB）（36）

通过理论推导和有限元仿真探究了自由边界条件下,不同损伤深度阶梯挖补修理层合板在不同温度和含湿量情况下的振动特性。基于Voklkersen胶接接头模型并考虑湿热效应的影响得出修理层合板的运动平衡方程,通过推导得到修理层合板的振动特征方程。在ABAQUS软件中建立了不同挖补深度层合板的有限元模型并通过试验验证,在不同温度、含湿量条件下,分析挖补层数、附加铺层数和搭接长度对振动特性的影响。研究结果表明:修理层合板固有频率增幅随挖补层数的增加而增加;含有附加铺层的层合板可以更好地维持固有频率,且两层附加补片的效果优于一层附加补片的效果;非穿透修理构型层合板的固有频率随搭接长度增加而增加;对于穿透修理构型层合板,其固有频率更易受到温度、含湿量和搭接长度影响,在高温干态环境( T=100 ℃、 C=0%)下,当搭接长度在1.5~9 mm之间变化时,搭接长度为4 mm的穿透修理构型层合板固有频率最低。

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35. 两次冲击距离对CFRP层合板冲击损伤和剩余压缩强度的影响

许良, 胡鸿铭, 周松, 宋万万

复合材料科学与工程 2023, 0 (12): 12-18. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231228.002

摘要（18）

PDF （10941KB）（35）

为了研究预损伤冲击对复合材料二次冲击及冲击后压缩行为的影响,对复合材料层合板进行预损伤冲击试验、二次冲击试验及冲击后压缩试验,探究预损伤冲击和二次冲击之间的距离与冲击损伤和剩余压缩强度之间的关系。基于三维Hashin准则和渐进损伤刚度退化方案,在ABAQUS/Explicit中建立预损伤冲击-二次冲击-压缩仿真模型,采用预制分层损伤的方法,将第一次冲击损伤预制进第二次冲击模型中。研究表明:所建立模型的仿真结果与试验结果吻合良好。当两次冲击距离小于两次冲击损伤面积纵向半径和的125%时,二次冲击损伤沿纤维方向向预损伤冲击位置延伸。当第二次冲击与预损伤冲击的距离为两次冲击损伤面积纵向半径和的150%时,剩余压缩强度最小,对层合板造成破坏最大。

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36. 碳纤维对纳米偏高岭土再生混凝土抗折强度及微观结构影响试验研究

阎杰, 罗岩, 于旭涛, 王丽君, 谢军, 舒新前

复合材料科学与工程 2024, 0 (1): 60-65. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240128.008

摘要（28）

PDF （6644KB）（35）

为了充分利用再生混凝土资源,采用碳纤维对纳米偏高岭土再生混凝土抗折强度进行改性,以不同碳纤维和纳米偏高岭土掺量作为变量制备再生混凝土,结合压汞法及扫描电镜研究再生混凝土孔隙结构及微观形貌特征,分析碳纤维对纳米偏高岭土再生混凝土的改性机理。结果表明:碳纤维对再生混凝土抗折强度增强效果显著,在不同纳米偏高岭土掺量下,碳纤维适配掺量有所不同,当纳米偏高岭土掺量为7%、10%、12%时,碳纤维最佳掺量分别为0.1%、0.15%、0.2%,当纳米偏高岭土掺量为10%,碳纤维掺量为0.15%时,抗折强度达到最大值,较普通再生混凝土强度增幅为59.1%;碳纤维的掺入细化了再生混凝土内部的孔隙结构,使有害孔和多害孔的比例降低,少害孔的比例增加;碳纤维在再生混凝土内部起到承载及阻裂作用,纳米偏高岭土的填充效应以及火山灰活性增强了界面过渡区的粘接强度,使碳纤维更能发挥其作用,进而促进再生混凝土强度的提高。

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37. 模具-复合材料相互作用的复合材料固化变形仿真方法研究

元振毅, 魏方见, 孔令飞, 杨振朝, 同新星, 李言

复合材料科学与工程 2023, 0 (10): 10-16. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231028.002

摘要（32）

PDF （5374KB）（34）

针对L形复合材料结构固化变形所引起的装配问题,建立了考虑模具-复合材料相互作用的复合材料固化变形仿真模型。首先,利用设置摩擦系数与最大剪切应力的方法,表征成型阶段模具对复合材料结构的剪切滑移效应。其次,考虑复合材料各向异性、材料热胀冷缩效应以及基体化学收缩效应对结构本身固化变形的影响。最后,利用固化硬化瞬时线弹性本构模型,在有效提升计算效率的前提下实现固化变形仿真计算。在此基础上,通过设计不同厚度、不同铺层顺序的L形结构件固化变形实验,验证仿真模型的有效性。实验和仿真分析结果比对最大误差为-20.8%,平均误差为-7.35%。结果表明:对于铝制模具制备的L形结构件,模具与复合材料相互作用会加剧结构的固化变形情况,并且结构刚度对这种变形有重要影响作用。

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38. 2.5D-C/C复合材料压缩试样构型及损伤失效试验研究

蒙怡, 杨胜春, 刘小川, 杨海龙, 宋贵宾

复合材料科学与工程 2023, 0 (9): 48-54. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230928.007

摘要（33）

PDF （13969KB）（34）

为探究2.5D-C/C复合材料在常温压缩载荷下的损伤过程,通过试验方法比较了不同压缩构型下的试验结果与失效模式,同时利用声发射(AE)技术实现损伤在线监测,采用改进的K-均值聚类算法对AE信号进行模式识别,结合聚类后的AE信号随时间变化的统计分析与扫描电子显微镜(SEM)微观表征,发现2.5D-C/C复合材料压缩过程损伤模式包含基体开裂与裂纹扩展、界面脱黏以及纤维弯曲断裂,并将损伤模式与AE信号相匹配,描述了材料的压缩损伤演化进程。

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39. 玻璃纤维/乙烯基酯复合材料在火灾条件下热解气体内压预报方法

解江, 袁浩然, 韩雪飞, 李翰, 冯振宇

复合材料科学与工程 2023, 0 (5): 120-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230528.018

摘要（22）

PDF （8542KB）（34）

聚合物基复合材料在高温环境下会发生热解反应,伴随着热解气体的产生,在材料内部形成气体压强。本文通过对UMATHT子程序进行二次开发,展开高温环境下复合材料基质热解与热解产物扩散的数值模拟,建立了复合材料内压预报模型,实现了传热方程、阿伦尼乌斯方程、达西定律、理想气体状态方程的耦合计算,模拟了75 kW/m ²热流作用下玻璃纤维/乙烯基酯复合材料的内压变化。结果表明:该方法得到的压强预测值与试验值吻合较好,最大压强峰值误差约为4.68%,可有效预测玻璃纤维/乙烯基酯的内压变化趋势。各位置的压强达到峰值后开始下降,且影响因素不同。3 mm位置的压强下降受分解速率、渗透率、孔隙率共同影响;6 mm位置则是孔隙率增大与初始渗透率两者导致的;9 mm位置仅受初始渗透率的影响。

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40. 加热工艺对树脂基复合材料挖补修理固化过程的影响

陈淑仙, 闫登杰, 丁镇源

复合材料科学与工程 2023, 0 (6): 44-51. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230628.007

摘要（26）

PDF （6873KB）（33）

基于复合材料热固化过程中物性参数的时变特性,建立了树脂基复合材料挖补修理热固化的三维热-力-化学多场耦合模型,数值研究了不同加热方式及不同工艺参数下修补片固化过程中温度、固化度及残余应力的变化规律。结果表明:不同热环境对修补片内温度峰值影响较小,在0.8%以内;热补仪固化方式下,增大升温速率可缩短修补片固化时间,但会使残余应力增加,6 K/min升温速率下比2 K/min升温速率下完成固化所需时间缩短23%,但残余应力增大9%;热压罐固化方式下,降低罐内对流换热系数,可降低修补片内残余应力,且不会延长固化时间,23 W/(m ²·K)对流换热系数下比63 W/(m ²·K)对流换热系数下残余应力减小12.3%;热压罐与热补仪固化方式相比,完成固化所需时间接近,热压罐固化方式对应的残余应力下降7%。但是热压罐固化成本远高于热补仪,因此可继续优化热补仪固化工艺,达到提高固化质量降低固化成本的目的。

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