摘要：关注复合材料前沿公众号及视频号，复合材料前沿动态、技术、工艺、应用等信息一手掌握！近年来，复合材料领域正经历前所未有的技术革新与应用拓展，其中《Composites Part B: Engineering》作为国际权威期刊，持续聚焦前沿研究，推动材料科学与工程

透明纤维增强聚合物复合材料的优化：一种用于材料选择的机器学习方法

摘要

透明玻璃纤维增强聚合物（tGFRP）是一种新型高性能材料，结合了光学透明性与复合材料的优异力学性能。实现高透明度需要从大量可用材料中找到不同玻璃纤维和具有相似折射率的透明聚合物的最佳组合。由于制造大量样品耗时，可以使用现有的分析建模方法来预测最佳材料组合。为提高预测能力，可使用一种新开发的 tGFRP 机器学习模型。该模型能够利用一种经过数据驱动机器学习（ML）技术增强的分析方法，预测此类透明复合材料的透光率。收集了一个包含两种玻璃纤维和十一种不同聚合物组成的数据库。 一个分析模型和经典的多层感知器（MLP）作为基线预测，用于比较所开发机器学习架构的性能提升，这些架构集成了物理信息方程和长短期记忆（LSTM）层。所提出的机器学习模型能够准确预测可见光透射率，其中表现最佳的模型达到了可接受的均方误差。这种预测能力有助于从已知纤维和聚合物类型的数据库中识别最佳材料组合。这种优化有望提升光学性能，从而推动下一代透明复合材料的发展。

亮点

•用于透明复合材料中预测合适纤维-基体对的模型。

•可重复测量纤维和聚合物折射率的方法。

•分析模型与机器学习模型在预测透明复合材料透射率方面的比较。

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热-力耦合效应对连续纤维增强热塑性复合材料力学性能和损伤演化影响

摘要

开发了一个多尺度模型，用于揭示热-力耦合作用下碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTPs）的损伤演化机制。首先，在变化温度（23–230 °C）和应变率（0.0001–0.01 s−1）条件下对复合材料进行拉伸试验，并通过耦合条件下的实验校准了微观组分（即聚醚醚酮树脂（PEEK）、碳纤维（CF）和界面）的性能。然后，开发了热-力弹塑性损伤本构模型，以表征微观组分的力学行为。最后，基于均匀化过程和多尺度分析方法，系统地评估了热-力耦合对 CFRTPs 的微-宏观力学性能和损伤演化的影响。结果表明，在基体玻璃化转变温度（Tg）以下，应变率显著影响 CFRTP 性能。 相反地，当温度超过 Tg 时，温度成为主要因素，失效模式从纤维断裂和界面脱粘转变为纤维扭曲和基体塑性流动。此外，模拟的失效模式与扫描电子显微镜观察结果吻合得相当好，准确反映了 CFRTPs 在热-力耦合作用下的力学行为和损伤演化，并显示出最低的预测误差（小于 8.1 %）。这项研究为高性能热塑性复合材料在复杂和极端热-力耦合环境中的应用提供了坚实的基础。

亮点

•改进的 JC 模型捕捉了热塑性材料在 23 至 230°C 范围内的耦合响应。

•建立了一个多尺度模型来描述 CFRTP 的损伤演化。

•建立的多尺度模型具有极高的精度。

•CFRTPs 的宏观-微观尺度失效机制得到系统揭示。

•考虑了热和力学的耦合效应。

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一种仿生碳纳米管/氧化石墨烯/环氧树脂层间区域，用于同时增强和增韧玻璃纤维布/环氧树脂层压复合材料

摘要

层压复合材料的固有层状结构使其易发生分层，并表现出较低的断裂韧性，从而限制了其在实际应用中的全部潜力。受自然界中珍珠母等结构所展现出的优异强度-韧性平衡的启发，通过化学键合开发了一种多壁碳纳米管/氧化石墨烯（MWCNTs/GO）杂化材料；随后，通过一种简单但高效的自下而上的组装工艺将该杂化材料沉积到玻璃纤维织物（GFf）上。在注入环氧树脂后，在富基体的层间区域成功形成了珍珠母仿生结构，其特征为砖块状的 GO 纳米片、锚状 MWCNTs 和砂浆状的环氧树脂。通过调整 MWCNTs:GO 的质量比和脂肪族二胺的链长，显著优化了层压复合材料的结构完整性和性能。在最佳条件下，所得层压复合材料在强度和韧性方面均表现出显著提升。 具体而言，与纯 GFf 增强复合材料相比，层间剪切强度和工作断裂能分别提高了约 47%和 363%，显示出显著的增强和增韧效果。此外，在刚性的玻璃态和软化的橡胶态下均实现了最大储能模量，而玻璃化转变温度显著提高，表明热稳定性增强。这项研究为设计和制造高性能纤维增强复合材料提供了一种有前景的方法。

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在拉挤成型中基于 Elium®的热塑性纤维增强复合材料的固化动力学实验与数值研究

摘要

亮点

•开发了一个用于热塑性复合材料拉挤的有限元热化学模型。

•通过测量复合材料中的嵌入式热电偶来验证模拟。

•针对 Elium® C599，基于动态和等温 DSC 测试，提出了动力学模型。

•研究了模具温度、拉挤速度和纤维含量的影响。

•提供了用于工艺优化的实用设计图表和等值线图。

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M40X 碳纤维/环氧复合材料的多维液晶界面增强导热性和界面性能：实验分析与分子模拟的联合方法

摘要

在制造高性能碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料时，构建导热性界面而不牺牲界面性能仍然是一项挑战。在这项工作中，合成了的一维棒状液晶聚合物（1D C-LCP）和二维碟状液晶聚合物（2D D-LCP），并将其应用于构建 M40X 碳纤维/环氧（CF/EP）复合材料的结构功能界面，并实验分析和分子模拟了液晶聚合物的维度与导热性和界面性能的相关性。向列相 C-LCP 和柱状 D-LCP 提高了 M40X 碳纤维的表面粗糙度和化学活性。与原始 CF/EP 复合材料相比，由于在界面构建了单向和多通道导热路径，C-LCP-CF/EP 和 D-LCP-CF/EP 复合材料的实验面外和模拟界面热阻分别降低了 45.1%、32.2%和 53.1%、52.9%。 主导的面内振动模式促进了声子的平行传输，这导致 C-LCP-CF/EP 复合材料的界面声子耦合和界面相互作用能分别提高了 163.2%和 85.8%。相比之下，面外和面内振动模式的协同作用建立了多方向声子传输通道，这导致界面声子耦合和π电子积累密度分别增加了 26.7%和 77.5%，从而使得 D-LCP-CF/EP 复合材料的导热性和界面性能达到最高。

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环向铺层放置位置和铺层顺序对Ⅳ型复合材料压力容器失效行为的影响：数值与实验研究

摘要

IV 型复合材料压力容器（CPV）是氢能源储存和运输系统中的关键部件，其中复合层结构决定了机械承载能力和运行安全性。传统铺设设计往往忽略了结构过渡区中环向铺层搭接位置变化引起的应力重分布，从而增加了局部失效的风险。为解决这一局限性，提出了一种新型弧形穹顶过渡设计方法，以加强关键过渡区域。建立了 35 MPa IV 型 CPV 的三维有限元模型，包含多种铺设配置，并采用 Hashin 损伤准则评估复合层失效。数值结果表明，几何连续的过渡设计可缓解纤维应力集中，同时提高结构承载能力。向内发展的环向铺层序列表现出更优异的性能。 通过静水测试和 CT 扫描对双配置原型进行实验验证，证实了模型的准确性，模拟结果与实验结果之间的最大偏差为 4.4%。这种方法论为优化 CPV 的抗失效设计提供了系统框架，从而加速了其商业化进程。

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基于支持向量机（SVM）方法的 UHMWPE 层压/改性芳纶织物复合结构弹道性能

摘要

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维因其轻质和优异性能，在个人防护装备中得到了广泛应用。近期研究表明，UHMWPE 层压材料在遭受高温弹体冲击时，其防护效能会下降。本研究提出了一种新型复合结构，由改性芳纶织物和 UHMWPE 层压材料组成。弹道试验结果表明，新型柔性复合材料在弹道极限速度（vbl）上比纯 UHMWPE 层压材料提高了 25.6%，同时表现出显著增强的柔韧性。改性芳纶织物能有效屏蔽 UHMWPE 层压材料免受高温侵蚀。通过运用无量纲算法和支持向量机方法，进一步优化了复合结构的模量分布。优化复合织物的 vbl 比 UHMWPE 层压材料高 40.4%。横向波速、纱线摩擦系数和拉伸强度等参数会影响复合结构内的排列顺序。 复合织物的模拟误差约为10%。数值模拟中观察到的失效特征与实验结果高度一致，表明优化后的复合结构通过多种因素的综合作用进一步提升了其抗冲击性能，这些因素包括抗拉强度提升、横向波速优化以及纱线摩擦系数改善。

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定制连续亚麻纤维增强形状记忆聚合物生物复合材料：提升热机械和形状记忆性能，用于可持续结构应用

摘要

连续纤维增强形状记忆聚合物复合材料（SMPCs）相较于纯形状记忆聚合物（SMPs），具有更优异的热机械性能，使其成为结构及建筑应用的理想选择。虽然合成纤维占据主导地位，但亚麻等天然纤维提供了可持续的替代方案。然而，现有的 SMPCs 主要使用纤维织物，这限制了纤维排列的控制。本研究调查了一种新型环保生物复合材料：连续亚麻纤维纱增强环氧-SMP 生物复合材料（SMPBC），利用定制纤维放置（TFP）实现精确的纤维排列。分析了具有三种纤维方向（0°、45°和 90°）及不同纤维分数的 SMPBCs 的热机械性能、形状记忆行为及多次循环后的耐久性。进行了差示扫描量热法、动态力学分析、拉伸、弯曲和折叠展开测试。结果表明，纤维方向对机械性能和形状记忆性能均有显著影响。40 wt%亚麻的 0° SMPBCs 具有最高的拉伸强度（提升 860%），但形状恢复率（Rr）最低，为 86%。 与此同时，90° SMPBCs 实现了接近 100%的 Rr，但强度有所降低。45° SMPBCs 表现出均衡的性能，抗拉强度提高了高达 222%，同时保持了较高的 Rr（96-99%）。几乎所有 SMPBCs 都表现出高形状自定形能力（~100%）。制造了具有可变方向和局部纤维分数的定制 SMPBCs，这使纤维结构能够针对特定应用性能进行战略定制。与现有复合材料的比较突出了 SMPBCs 的竞争优势。探索了热和电活性应用，并介绍了基于结构仿真的优化策略。这些发现突出了 SMPBCs 作为可持续、高性能材料的潜力，适用于自适应和自形变建筑和结构应用。

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碳纤维增强热塑性及热固性复合材料的共模压成型以优化界面载荷分布

摘要

亮点

•使用 PES-OH/环氧添加剂共模压 CFRTP 和 CFRP 实现了有效融合。

•厚度高达3毫米，抗拉强度随连接长度增加而提高，然后趋于平稳。

•在阶梯形和斜接连接中，连接路径长度对强度的影响大于几何形状。

•层间滑移使混合连接的抗拉强度降低了28%。

•混合连接中的熔合界面改善了应力传递。

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双因素解耦策略：在 PAEK 尺寸 CF/PEEK 复合材料中独立量化结晶和浸润效应

摘要

在碳纤维/聚醚醚酮（CF/PEEK）复合材料的界面增强过程中，虽然通常涉及耦合机制，但每种机制的具体贡献仍缺乏定量分析。本研究通过使用具有可控分子量（2000–8000）和不同结晶行为（平行结晶和亚非晶态）的聚芳醚酮（PAEK）浸渍剂，系统地解耦和量化了浸润和结晶过程。通过合成具有相同化学结构但内禀粘度和结晶度不同的 PAEK 聚合物，隔离了浸润动力学和界面结晶的作用。结果表明，结晶贡献了约 26 MPa 的界面剪切强度（IFSS）增强，几乎不受分子量的影响。相比之下，浸润增强与分子量成反比，当内禀粘度降低时，增强效果从 13 MPa 增加到 32 MPa。协同优化使 CF/PEEK 复合材料的 IFSS 达到了 110.02 MPa 的记录水平。 这项工作建立了一种双因素解耦策略，用于量化界面机制，并提供了一种可扩展的方法，用于高性能热塑性复合材料的设计。

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物理约束机器学习代理模型用于陶瓷基复合材料的时变行为

摘要

开发了一种基于物理信息的循环神经网络代理模型，用于模拟由微观基质损伤和组分蠕变驱动的陶瓷基复合材料（CMCs）的非线性、时变本构行为。通过正则化将物理信息约束引入代理模型，以使预测基于物理原理并提高其预测能力。该模型使用由高保真广义元胞法生成的数据训练，并采用适当的组分级蠕变和损伤模型。微观重复单元胞在代表涡轮发动机环境的蠕变疲劳条件下加载。代理模型根据可变输入应力序列、温度和微观结构特征预测结果应变历史响应，同时满足与蠕变速率、等容非弹性变形和应变能密度相关的约束。训练好的代理模型能够准确匹配不同输入数据下的应变历史，并显著提高计算效率。 采用物理信息约束的好处，包括减少训练数据和提高精度，得到了验证。最后，进行敏感性分析以突出微观结构特征对应变历史响应的影响。这项工作展示了开发、训练和执行具有复杂微观结构、非线性时变材料响应以及非单调加载条件下的 CMC 替代模型的可行性。

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仿生“软-硬-软”梯度界面工程：多级结构协同与双层摩擦膜调控，以提升 CF/PTFE 复合材料的摩擦学性能

摘要

亮点

•软-硬-软多阶段梯度界面设计用于增强复合材料。

•仿生多阶段界面协同：化学-物理-动态网络。

•BiOBr 纳米片首次应用于摩擦领域。

•独特的双层摩擦膜：富 Bi 沉积基底与富 C 层隔离。

•它为航空航天摩擦系统界面设计提供了一种新范式。

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对考虑 LPBF 表面界面特性的 FMLs 准静态和低速度冲击弯曲行为的实验和数值研究

摘要

本研究旨在探究在静态和低速条件下具有不同界面性能的纤维金属层压板（FMLs）的弯曲行为。FMLs 是一种夹层结构，由 Ti–6Al–4V 层作为面板和连续碳纤维增强热塑性塑料（CFRTP）作为芯材组成，分别通过激光粉末床熔融（LPBF）和熔融丝制造（FFF）技术构建。对准静态和低速冲击三点弯曲试验进行了实验和有限元模拟，以研究 Ti–6Al–4V/CFRTP 界面结合特性对 FMLs 弯曲性能的影响。研究发现，受打印角度控制的 LPBF 表面的界面性能显著影响测试样本的弯曲性能。增加界面性能，包括刚度、强度和断裂能，可显著提高 FMLs 的弯曲性和抗冲击性，因为界面分层风险降低，且更倾向于发生混合模式失效。 当使用 45°的构建角度时，FMLs 的最大载荷和临界挠度分别提高了 212%和 342%，导致表面粗糙度最高达到 22μm。冲击能量吸收也能增加高达 47.18%。在不同初始冲击速度下观察到了 FMLs 的不同失效机制，包括分层、CFRTP 核心损伤和钛底面断裂。在所研究的速度范围内，冲击速度对所有界面属性测量的 FMLs 最大弯曲载荷的影响都最小。低速冲击期间的分层起始可以通过速度-挠度或能量-挠度曲线上的一个弯曲点来识别。可以通过定制 FMLs 的界面属性来实现，这对于设计优化至关重要，需要高强度和刚度或弯曲柔度与损伤容限。

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SiC/SiC 复合材料管在硬接触径向膨胀下的损伤进展与失效

摘要

碳化硅（SiC）纤维增强碳化硅基体（SiC/SiC）复合材料包壳在裂变燃料机械相互作用下的响应是一个需要克服的知识空白，以便设计和评估用于先进核应用的 SiC 基包壳系统。本研究开发了相关的力学测试能力，并确定了失效行为以及关键微观结构特征和加工缺陷。将 SiC 复合管的截面在 X 射线计算机断层扫描显微镜中进行改进的压缩膨胀（EDC）测试：聚氨酯塞将替代 Al2O3 压入 SiC/SiC 复合管的内壁以实现硬接触。同时也进行了一个仅使用聚氨酯塞的纯 EDC 测试作为参考。通过位移场的使用，数字体积相关技术揭示了管内不均匀的变形场，即使在纯 EDC 测试中也是如此，这与结构中固有的缺陷有关。 深度学习辅助分割和系统数据分析表明，硬接触施加的非均匀变形在基质致密过程中留下的内表面缺陷存在时会被加剧。这些发现为应用提供了见解，突出了改进内表面粗糙度和在颗粒-包层机械相互作用计算模型中结合局部接触的必要性。

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热固性聚芳醚酮（R PAEK）复合材料用于下一代摩擦产品

摘要

亮点

•R-PAEK，作为先进 PAEK 聚合物家族的新成员，被探索用作环保刹车片的粘合剂。

•R-PAEK 解决了酚醛树脂在无铜刹车片中所带来的加工、储存和性能方面的挑战。

•一种务实的刹车片制造方法满足了可持续性、可扩展性和性能目标，并通过测功机测试得到验证。

•4–6 wt.% R-PAEK 基体在无铜刹车片中表现出优异的摩擦学性能和 NV 行为。

•R-PAEK 复合材料在多种下一代摩擦应用中展现出显著潜力——这是一个迫切的需求。

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玻璃纤维的表面设计用于聚苯硫醚，以及界面/相结构的谱学表征

摘要

本研究旨在确定表面处理剂对经过氨基硅烷和环氧树脂处理的聚苯硫醚（PPS）和玻璃纤维（GF）的抑制水热老化的效果，并从化学角度研究水热老化的机理。通过注塑成型试样，研究了制备的 PPS 和 PPS/GF 复合材料在水热处理前后的拉伸性能。基于微拉曼光谱表征的 GF 长度和取向、界面剪切强度以及界面处 PPS 的晶体结构，解释了水热处理前 PPS 和 GF 复合材料的拉伸性能。研究表明，氨基硅烷和环氧树脂作为硅烷和成膜剂结合使用，能够提高 PPS/GFs 的拉伸强度。水热处理后，在环氧树脂处理的 PPS/GF 表面观察到界面处的吸湿和水解程度；然而，在氨基硅烷处理的 PPS/GF 中，这两种现象均受到抑制。 通过电子自旋共振光谱表征界面结构的研究表明，在水热处理过程中，不仅 PPS-环氧界面，环氧组分也发生了水解。相比之下，在 PPS 与经过氨基硅烷处理的 GF 表面之间，水解现象被抑制，这表明 GF 表面需要氨基硅烷才能与 PPS 结合。本研究不仅为适合 PPS 的 GF 表面处理提供了指导，还提供了一种表征界面/相结构的光谱方法。

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提升 GFRTP 疲劳寿命预测：数据增强与机器学习

摘要

复合材料疲劳寿命预测对其在实际应用中的可靠性和安全性至关重要。本研究提出了一种长短期记忆（LSTM）神经网络模型，称为 TA-LSTM，该模型集成了迁移学习和自注意力机制。旨在预测玻璃纤维增强热塑性聚合物（GFRTP）在恒定拉伸-拉伸疲劳载荷下的疲劳寿命。此外，基于实验数据，采用结合物理约束规则（PCR）的蒙特卡洛模拟（MCS）来扩展极有限的 GFRTP 数据集。PCR-MCS 的应用显著提升了模型的预测能力。后预测测试集散布带图显示结果几乎全部在 3.0 倍散布带内，大部分在 2.0 倍内，R2 = 0.988，RMSE 从 0.604 降至 0.128。此外，在三种不同材料上进行了泛化测试，结果证实了模型的鲁棒泛化能力。这有效解决了低样本 GFRTP 疲劳寿命预测准确性和稳定性的问题，并大幅缩短了实验时间和经济成本。 这同时验证了该模型在不同材料中的预测准确性和操作有效性。

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来源：复合材料前沿