復(fù)合材料科學(xué)與工程

定?峰值載荷顯著提高? Ｃｈａｎｇ 等[４－７] 對(duì) Ｚ－ｐｉｎ 增強(qiáng)

單搭接接頭的性能進(jìn)行研究?研究結(jié)果表明 Ｚ－ｐｉｎ

植入可以顯著提高單搭接接頭的靜態(tài)粘接強(qiáng)度極

限、疲勞壽命? Ｃｈａｎｇ 等[８] 研究了 Ｚ－ｐｉｎ 增強(qiáng)單搭

接接頭在高溫情況下的力學(xué)性能?試驗(yàn)研究表明?相

比于未經(jīng)增強(qiáng)的接頭?Ｚ－ｐｉｎ 增強(qiáng)單搭接接頭的高

溫連接強(qiáng)度提高了 ６０％? Ｍｏｕｒｉｔｚ

[９]研究了濕熱環(huán)境

對(duì)Ｚ－ｐｉｎ增強(qiáng)層合板和 Ｔ 形接頭的影響? 西北工業(yè)大

學(xué)馬玉娥等[１０]采用 ＡＢＡＱＵＳ 有限元軟件分別建立

了 Ｔ 形接頭與 Ｚ－ｐｉｎ 增強(qiáng) Ｔ 形接頭的三維數(shù)值計(jì)算

模型?模擬 Ｔ 形接頭的拉伸失效?結(jié)果表明?相比于

無(wú)增強(qiáng) Ｔ 形接頭?Ｚ－ｐｉｎ 增強(qiáng) Ｔ 形接頭的極限載荷

與極限位移分別提高了 ６６％和 ３０４％? 馬金瑞等[１１]

對(duì) ＲＴＭ 成型 Ｚ－ｐｉｎ 增強(qiáng)復(fù)合材料 Ｔ 形試件的拉脫

性能進(jìn)行研究?研究結(jié)果表明 Ｚ－ｐｉｎ 增強(qiáng)復(fù)合材料

Ｔ 形試件較未增強(qiáng)的 Ｔ 形試件拉脫最大破壞載荷提

高了 ６４? ８％?試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明 Ｚ－ｐｉｎ 的引入可較大地

提高 Ｔ 形試件的拉脫最大破壞載荷?

為進(jìn)一步研究加筋構(gòu)件的連接性能?ＮＡＳＡ 蘭

利研究中心[１２] 提出了一種加筋結(jié)構(gòu)件的簡(jiǎn)化試件

構(gòu)型?以蒙皮/ 緣條結(jié)構(gòu)為例?可以忽略腹板部分的

影響?由蒙皮與緣條共固化或共膠接形成的層合板

代替加筋結(jié)構(gòu)件?如圖 １ 所示? 基于該加筋結(jié)構(gòu)件

的簡(jiǎn)化試件構(gòu)型?國(guó)外研究[１３－１６] 表明對(duì)該簡(jiǎn)化試件

進(jìn)行橫向的拉伸、彎曲或混合加載等破壞試驗(yàn)?簡(jiǎn)化

試件的失效模式可以反映出大型加筋構(gòu)件在受載時(shí)

的實(shí)際破壞情況? 但國(guó)內(nèi)關(guān)于此簡(jiǎn)化試樣的研究并

不多見(jiàn)?特別是對(duì)使用 Ｚ－ｐｉｎ 技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化試件連

接增強(qiáng)的研究鮮見(jiàn)報(bào)道?

圖 １ 加筋構(gòu)件簡(jiǎn)化試件示意圖

Ｆｉｇ? １ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｏｆ

ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ

本文參考上述加筋構(gòu)件簡(jiǎn)化試件?設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

件?通過(guò)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究 Ｚ－ｐｉｎ 直徑、植入體積分?jǐn)?shù)

對(duì) Ｚ－ｐｉｎ 增強(qiáng)加筋簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)件連接性能的影響?

１ 試驗(yàn)與試件的制備

１? １ 試驗(yàn)規(guī)劃

本次試驗(yàn)中所使用的試驗(yàn)件均為自制?試驗(yàn)件

的規(guī)格尺寸設(shè)計(jì)綜合參考美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)(ＡＳＴＭ)、中國(guó)

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(ＧＢ)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(ＨＢ)等? 簡(jiǎn)化試件的蒙

皮及緣條層合板均采用典型的準(zhǔn)各向同性鋪層[０ /

４５ / ９０ / －４５]２Ｓ ?單層層合板厚度為 ０? １２５ ｍｍ?蒙皮

及緣條厚度均為 ２ ｍｍ?三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)試件的尺寸如

圖 ２ 所示?

圖 ２ 三點(diǎn)彎曲試件

Ｆｉｇ? ２ Ｔｈｒｅｅ－ｐｏｉｎｔ ｂｅｎｄｉｎｇ ｓｐｅｃｉｍｅｎ

本次試驗(yàn)通過(guò)改變植入 Ｚ－ｐｉｎ 的直徑以及 Ｚ－

ｐｉｎ 植入的體積分?jǐn)?shù)探究 Ｚ－ｐｉｎ 植入對(duì)加筋類(lèi)簡(jiǎn)化

構(gòu)件連接性能的影響?試驗(yàn)規(guī)劃如表 １ 所示?

表 １ 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)規(guī)劃

Ｔａｂｌｅ １ Ｔｈｒｅｅ－ｐｏｉｎｔ ｂｅｎｄｉｎｇ ｔｅｓｔ ｐｌａｎｎｉｎｇ

試件

編號(hào)

Ｚ－ｐｉｎ 直徑

/ ｍｍ

Ｚ－ｐｉｎ 間距

/ ｍｍ

Ｚ－ｐｉｎ 體積

分?jǐn)?shù)/ ％

試件數(shù)量

/ 個(gè)

ＷＱ－０－０ － － － ３

ＷＱ－３－２ ０.３０ ２×２ １.８０ ３

ＷＱ－３－３ ０.３０ ３×３ ０.８０ ３

ＷＱ－３－４ ０.３０ ４×４ ０.４０ ３

ＷＱ－３－５ ０.３０ ５×５ ０.２８ ３

ＷＱ－５－７ ０.５０ ７×７ ０.４０ ３

注:試件編號(hào) ＷＱ－ａ－ｂ 中?ＷＱ 表示橫向三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)?ａ 表示

Ｚ－ｐｉｎ直徑為 ａ / １０ ｍｍ?ｂ 表示 Ｚ－ｐｉｎ 行/ 列間距為 ｂ×ｂ ｍｍ?

１? ２ 試件制備

試件的制備主要包括加筋類(lèi)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)件的制

備、Ｚ－ｐｉｎ 的植入和熱壓罐固化?

加筋類(lèi)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)件層合板的鋪層順序是先鋪設(shè)

蒙皮層合板再進(jìn)行緣條部分的層合板鋪設(shè)?最后利

用自動(dòng)裁剪機(jī)進(jìn)行裁剪?

鋪層材料選用山東威海光威復(fù)合材料股份有限

２０２３ 年第 ９ 期 ９９

???????????????????????????????????????????????

Ｚ－ｐｉｎ 增強(qiáng)復(fù)合材料加筋構(gòu)件連接性能研究

公司的碳纖維 Ｔ７００ / 環(huán)氧樹(shù)脂 ＵＳ１２５００ 預(yù)浸料?其

纖維體積含量為 ６７％?

Ｚ－ｐｉｎ 由聚酰亞胺纖維 ＰＩ－Ｓ３５/ 環(huán)氧樹(shù)脂 ＵＳ１２５００

復(fù)合材料制成?纖維體積含量為 ６０％?供應(yīng)商為上海

利洛實(shí)業(yè)有限公司?Ｚ －ｐｉｎ 直徑有 ０? ３ ｍｍ 與 ０? ５

ｍｍ 兩種?均為自制?

Ｚ－ｐｉｎ 在制備的過(guò)程中需要進(jìn)行加捻處理?加

捻過(guò)程中可以排除纖維束內(nèi)的氣體?減少初始損傷?

加捻后的 Ｚ－ｐｉｎ 表面形成順著纖維方向的螺旋形溝

壑?可以增大與復(fù)合材料的接觸面積?從而提升增韌

效果? 加捻后的 Ｚ－ｐｉｎ 內(nèi)各纖維之間的粘接效果更

好?減少了分叉現(xiàn)象的發(fā)生?

Ｚ－ｐｉｎ 的植入采用低損傷的 Ｚ－ｐｉｎ 預(yù)制孔植入

工藝?其操作包括以下兩步:

(１)在加熱模具上放置未固化的層合板?進(jìn)行

均勻加熱?直到試件溫度達(dá)到(３０±４) ℃ 后?恒溫加

熱?然后使用制孔針沿層合板法線方向制孔?

(２)將裁剪好的 Ｐｉｎ 利用送 Ｐｉｎ 機(jī)構(gòu)自動(dòng)送入

預(yù)制孔中?

最后?將結(jié)構(gòu)件放入熱壓罐內(nèi)進(jìn)行共固化?得到

成型的試驗(yàn)件?

１? ３ 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)備為長(zhǎng)春機(jī)械科學(xué)研究

院有限公司的 ＤＮＳ ３００ 型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)?試驗(yàn)環(huán)

境溫度為 ２５ ℃ ?相對(duì)濕度為 ５５％?試件已按照標(biāo)準(zhǔn)

要求完成了試驗(yàn)狀態(tài)調(diào)節(jié)?以 ０? ５ ｍｍ / ｍｉｎ 的速度

進(jìn)行單向加載?

２ 試驗(yàn)結(jié)果與分析

２? １ Ｚ－ｐｉｎ 植入缺陷分析

Ｚ－ｐｉｎ 的植入會(huì)將試件各層合板的纖維撥開(kāi)或

者折斷?使試件產(chǎn)生如下缺陷:在 Ｚ－ｐｉｎ 周?chē)睦w維

被撥開(kāi)出現(xiàn)空隙?固化過(guò)程中樹(shù)脂流入空隙形成類(lèi)

似眼狀的富樹(shù)脂區(qū)?為容納 Ｚ－ｐｉｎ 而產(chǎn)生的增厚現(xiàn)

象會(huì)使面內(nèi)纖維稀釋?在制孔時(shí)會(huì)導(dǎo)致厚度方向上

纖維屈曲以及纖維斷裂等損傷?Ｚ－ｐｉｎ 在植入過(guò)程

中也可能出現(xiàn)傾斜、劈裂等缺陷?

Ｚ－ｐｉｎ 作為異物植入到試件中?會(huì)以 Ｚ－ｐｉｎ 為中

心形成富樹(shù)脂眼狀區(qū)?眼狀區(qū)內(nèi)存在纖維稀釋、纖維

斷裂、微裂紋等初始缺陷?纖維稀釋、纖維斷裂很難

定量去描述? 有研究提出通過(guò)放大鏡觀察計(jì)算眼狀

區(qū)的面積 Ａ 及區(qū)域內(nèi)纖維擾流偏轉(zhuǎn)角度 ２θ?并用指

標(biāo)對(duì)眼狀區(qū)初始損傷進(jìn)行定性描述[１７]

? 也有學(xué)者

將富樹(shù)脂區(qū)近似為橢圓形?利用公式 Ｓ ＝Ωａｂ 計(jì)算富

樹(shù)脂區(qū)面積(包括 Ｚ－ｐｉｎ 截面積)來(lái)表征眼狀區(qū)的損

傷情況[１８]

?其中 ａ 為半長(zhǎng)軸長(zhǎng)度即富樹(shù)脂區(qū)半長(zhǎng)度?

ｂ 為半短軸長(zhǎng)度即 Ｚ－ｐｉｎ 半徑? 圖 ３ 為眼狀富樹(shù)脂

區(qū)示意圖?

圖 ３ 眼狀富樹(shù)脂區(qū)示意圖

Ｆｉｇ? ３ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｏｃｕｌａｒ ｒｅｓｉｎ－ｒｉｃｈ ａｒｅａ

本文試驗(yàn)所采用的 Ｚ－ｐｉｎ 直徑分別為 ０? ３ ｍｍ、

０? ５ ｍｍ?通過(guò)電子顯微鏡觀察可知?相比于 ０? ３ ｍｍ

直徑的 Ｚ－ｐｉｎ 植入?０? ５ ｍｍ 直徑的 Ｚ－ｐｉｎ 植入會(huì)使

富樹(shù)脂眼狀區(qū)的短軸長(zhǎng)度和長(zhǎng)軸長(zhǎng)度均有所增大?

進(jìn)而使富樹(shù)脂眼狀區(qū)的面積增大?就單根 Ｚ－ｐｉｎ 的

植入面積討論?大直徑組會(huì)造成更大面積的富樹(shù)脂

眼狀區(qū)? 但在體積分?jǐn)?shù)相同的情況下?小直徑組植

入根數(shù)更多?會(huì)造成富樹(shù)脂區(qū)數(shù)量的增加?導(dǎo)致總體

富樹(shù)脂區(qū)面積增大?并且由于植入密度大?還可能造

成富樹(shù)脂眼狀區(qū)端部連接情況?即兩個(gè)橢圓形的長(zhǎng)

軸連接在一起?進(jìn)而造成更大面積的富樹(shù)脂眼狀區(qū)?

如圖 ４ 所示?

圖 ４ 連接的富樹(shù)脂區(qū)

Ｆｉｇ? ４ Ａ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｒｅｓｉｎ－ｒｉｃｈ ｚｏｎｅ

纖維在厚度方向的屈曲是 Ｚ－ｐｉｎ 植入后所帶來(lái)

的一種初始損傷? 植入過(guò)程中?由于 Ｚ－ｐｉｎ 端部的

不尖銳結(jié)構(gòu)?在 Ｚ－ｐｉｎ 下壓過(guò)程中?導(dǎo)致纖維沿著植

入方向發(fā)生斷裂?形成纖維屈曲現(xiàn)象?如圖 ５ 所示?

并且?Ｚ－ｐｉｎ 的歪斜會(huì)使纖維受到壓緊力?導(dǎo)致纖維

卷曲更加嚴(yán)重?纖維屈曲會(huì)造成試件面內(nèi)壓縮等力

學(xué)性能顯著降低[１９－２０]

?

１００ ２０２３ 年 ９ 月

???????????????????????????????????????????????

復(fù)合材料科學(xué)與工程

圖 ５ 纖維屈曲[２１]

Ｆｉｇ? ５ Ｆｉｂｅｒ－ｆｌｅｘｉｏｎ

[２１]

纖維屈曲是 Ｚ－ｐｉｎ 的植入帶來(lái)的纖維內(nèi)部微觀

損傷?觀測(cè)難度較大?但是可以通過(guò)面內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)進(jìn)

行檢測(cè)? 本次試驗(yàn)所采用的 Ｚ－ｐｉｎ 植入方式為預(yù)制

孔植入?即先用制孔針制孔?再將 ｐｉｎ 絲放入其中?

相比于超聲輔助植入工藝?預(yù)制孔植入工藝所造成

的纖維屈曲現(xiàn)象更少?這是因?yàn)橹瓶揍樇怃J的針頭

結(jié)構(gòu)可以將面內(nèi)纖維撥開(kāi)?減少纖維折斷的現(xiàn)象?進(jìn)

而減少纖維屈曲? 本次試驗(yàn)所用 Ｚ－ｐｉｎ 直徑分別為

０? ３ ｍｍ、０? ５ ｍｍ?由于大直徑 Ｚ－ｐｉｎ 的圓柱表面積

更大?與周?chē)w維的接觸面積更大?故大直徑 Ｚ－ｐｉｎ

的植入更容易造成更多的纖維屈曲現(xiàn)象?

在 Ｚ－ｐｉｎ 植入的過(guò)程中會(huì)發(fā)生 Ｚ－ｐｉｎ 的歪斜現(xiàn)

象?如圖 ６(ａ)所示?這是由于在 Ｚ－ｐｉｎ 植入過(guò)程中

很難保證 Ｚ－ｐｉｎ 的垂直度?進(jìn)而引起 Ｚ－ｐｉｎ 的歪斜?

在固化過(guò)程中由于富樹(shù)脂眼狀區(qū)內(nèi)的樹(shù)脂流動(dòng)?也

會(huì)造成 Ｚ－ｐｉｎ 的歪斜現(xiàn)象? 當(dāng)層合板發(fā)生單分層破

壞時(shí)?歪斜的 Ｚ－ｐｉｎ 除受到 Ｚ 向的拉力外?還會(huì)受到

沿著分層面的剪切力?使 Ｚ－ｐｉｎ 所受的載荷情況發(fā)

生改變? 在受到面內(nèi)拉伸載荷時(shí)?歪斜的 Ｚ－ｐｉｎ 會(huì)

對(duì) Ｚ－ｐｉｎ 周?chē)粯?shù)脂眼狀區(qū)產(chǎn)生沖壓效果?即 Ｚ－ｐｉｎ

會(huì)有沿著歪斜方向轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)?在這種趨勢(shì)下?Ｚ－

ｐｉｎ 會(huì)對(duì)兩側(cè)纖維造成損傷?并且會(huì)使富樹(shù)脂眼狀區(qū)

的面積擴(kuò)大?Ｚ－ｐｉｎ 歪斜角度越大?這種趨勢(shì)越為明

顯?如圖 ６(ｂ)所示?

圖 ６ Ｚ－ｐｉｎ 歪斜

Ｆｉｇ? ６ Ｚ－ｐｉｎ ｓｋｅｗ

采用超聲輔助 Ｚ－ｐｉｎ 植入會(huì)造成較大角度的 Ｚ－

ｐｉｎ 歪斜?主要是因?yàn)?①泡沫預(yù)制體中的 Ｚ－ｐｉｎ 本身

存在歪斜?植入后 Ｚ－ｐｉｎ 仍然存在歪斜現(xiàn)象?②泡沫

預(yù)制體植入后需要進(jìn)行表面多余 Ｚ－ｐｉｎ 的剪切?剪切

過(guò)程中會(huì)造成 Ｚ－ｐｉｎ 的歪斜?③固化時(shí)?復(fù)材構(gòu)件上

下表面存在溫度差?使上下表面的固化程度不一致?

導(dǎo)致內(nèi)部 Ｚ－ｐｉｎ 受力不均勻?使 Ｚ－ｐｉｎ 發(fā)生歪斜?

本次試驗(yàn)采用的 Ｚ－ｐｉｎ 植入工藝為預(yù)制孔植入

工藝?并對(duì)固化工藝進(jìn)行了優(yōu)化?大幅度減少了 Ｚ－ｐｉｎ

的歪斜現(xiàn)象? 在進(jìn)行預(yù)制孔植入工藝時(shí)?先用制孔針

在試驗(yàn)件表面垂直制孔?可以很大程度上改善 Ｚ－ｐｉｎ

植入的角度精度?固化過(guò)程中采用優(yōu)化后的模具?降

低了上下表面存在的溫度差?盡可能使其受力均勻?

從而減小了 Ｚ－ｐｉｎ 的歪斜角度?

２? ２ 失效模式分析

各組試樣的失效情況如圖 ７ 所示?從宏觀角度

觀察可知?圖 ７(ａ)所示未增強(qiáng)對(duì)照組 ＷＱ－０－０ 和圖

７(ｂ)至圖 ７(ｅ)所示較低密度 Ｚ－ｐｉｎ 植入的試驗(yàn)組

ＷＱ－５－７、ＷＱ－３－５、ＷＱ－３－４、ＷＱ－３－３ 的蒙皮/ 緣

條粘接面均出現(xiàn)了嚴(yán)重的分層現(xiàn)象? 對(duì)照組 ＷＱ－０－

０ 蒙皮/ 緣條粘接面分層裂紋已擴(kuò)展至試件中間受

力位置?即粘接面已經(jīng)完全失效?蒙皮內(nèi)層合板發(fā)生

劈裂現(xiàn)象?低密度 Ｚ－ｐｉｎ 植入的試驗(yàn)組的邊緣 Ｚ－ｐｉｎ

被拔出?并且與壓緊頭接觸的一側(cè)蒙皮發(fā)生部分?jǐn)?/p>

裂?蒙皮/ 緣條粘接面分層裂紋未擴(kuò)展到試件中間受

力位置?即粘接面未完全失效?圖 ７( ｆ) 所示較高密

度 Ｚ－ｐｉｎ 植入的試驗(yàn)組 ＷＱ－３－２ 的蒙皮/ 緣條粘接

面未出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象?緣條/ 蒙皮連接處右側(cè)僅

發(fā)生小部分脫黏?左側(cè)蒙皮出現(xiàn)嚴(yán)重?cái)嗔熏F(xiàn)象?

圖 ７ 宏觀失效模式分析圖

Ｆｉｇ? ７ Ｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｏｄｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｄｉａｇｒａｍｓ

２０２３ 年第 ９ 期 １０１

???????????????????????????????????????????????

Ｚ－ｐｉｎ 增強(qiáng)復(fù)合材料加筋構(gòu)件連接性能研究

從微觀角度觀察可知?空白試驗(yàn)組 ＷＱ－０－０ 的

蒙皮/ 緣條發(fā)生分層的過(guò)程中造成了粘接面部分層

合板纖維的劈裂現(xiàn)象?緣條層合板內(nèi)側(cè)發(fā)生部分纖

維折斷?各層合板之間纖維發(fā)生分層破壞現(xiàn)象?如圖

８ 所示? Ｚ－ｐｉｎ 增強(qiáng)試驗(yàn)組的損傷相對(duì)劇烈?低密度

Ｚ－ｐｉｎ 植入的試驗(yàn)組蒙皮層合板內(nèi)纖維發(fā)生嚴(yán)重劈

裂?緣條/ 蒙皮層合板中與 Ｚ－ｐｉｎ 接觸的部分損傷情

況更為復(fù)雜?Ｚ－ｐｉｎ 的拔出導(dǎo)致 Ｚ－ｐｉｎ 周?chē)w維發(fā)生

剝離斷裂?蒙皮/ 緣條粘接面纖維發(fā)生劈裂?各層合板

之間纖維發(fā)生分層破壞?如圖 ８ 所示?高密度 Ｚ－ｐｉｎ

植入的試驗(yàn)組只發(fā)生了蒙皮/ 緣條粘接面邊緣處纖

維部分劈裂?蒙皮層合板纖維發(fā)生嚴(yán)重?cái)嗔?

圖 ８ 纖維破壞模式

Ｆｉｇ? ８ Ｆｉｂｅｒ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｏｄｅｓ

Ｚ－ｐｉｎ 在此過(guò)程中發(fā)生混合失效?即剪切破壞

與拔脫破壞? 這是因?yàn)槊善雍习迮c壓緊頭接觸?

而緣條處于類(lèi)懸空狀態(tài)?在向下壓的過(guò)程中會(huì)使粘

接面分層?使 Ｚ－ｐｉｎ 產(chǎn)生拔脫破壞?在分層過(guò)程中由

于蒙皮層合板受力產(chǎn)生彎曲?而緣條層合板處于類(lèi)

懸空狀態(tài)?彎曲較少?造成緣條/ 蒙皮之間產(chǎn)生位移

差?進(jìn)而使 Ｚ－ｐｉｎ 產(chǎn)生剪切破壞? 剪切力的作用使

單側(cè) Ｚ－ｐｉｎ 沿著受剪切力的方向傾斜?由于 Ｚ－ｐｉｎ

的植入為撥開(kāi)纖維植入?所以傾斜會(huì)使 Ｚ－ｐｉｎ 兩側(cè)

的纖維發(fā)生擠壓變形?造成纖維間脫黏劈裂或發(fā)生

剪切破壞?如圖 ９ 所示? 在 Ｚ－ｐｉｎ 被拔脫的過(guò)程中?

基體與 Ｚ－ｐｉｎ 的接觸面發(fā)生了嚴(yán)重的破壞? 觀察單

層層合板可見(jiàn)?Ｚ－ｐｉｎ 周?chē)睦w維發(fā)生了嚴(yán)重的劈

裂和扭曲?觀察多層層合板可見(jiàn)?Ｚ－ｐｉｎ 的拔脫使相

鄰層合板發(fā)生分層破壞?進(jìn)而引起基體開(kāi)裂?如圖 ８

所示?

圖 ９ Ｚ－ｐｉｎ 兩側(cè)纖維破壞形式

Ｆｉｇ? ９ Ｚ－ｐｉｎ ｂｏｔｈ ｓｉｄｅｓ ｆｉｂｅｒ ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｆｏｒｍ

２? ３ 載荷－位移曲線分析

三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的載荷－位移曲線如圖 １０ 所示?

由圖可見(jiàn)空白試驗(yàn)組 ＷＱ－０－０ 曲線表現(xiàn)為線彈性

行為? 該組試件裂紋從蒙皮/ 緣條粘接面邊緣處一

直延伸到試樣中心?當(dāng)裂紋擴(kuò)展到試樣中心后?單側(cè)

受力結(jié)構(gòu)由原來(lái)的蒙皮/ 緣條粘接結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閱蚊?/p>

皮結(jié)構(gòu)?試樣承載能力下降?原有蒙皮/ 緣條粘接結(jié)

構(gòu)完全失效?載荷開(kāi)始驟降?隨后單蒙皮層合板受載?

載荷繼續(xù)上升? 由圖 １０ 對(duì)比發(fā)現(xiàn)?載荷驟降前后?

載荷－位移曲線斜率不同?說(shuō)明受力結(jié)構(gòu)已經(jīng)改變?

即在載荷驟降前?粘接面已經(jīng)完全分層?結(jié)構(gòu)失效?

這也與上面的試驗(yàn)結(jié)果相符合?

圖 １０ 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)載荷－位移曲線

Ｆｉｇ? １０ Ｔｈｒｅｅ－ｐｏｉｎｔ ｂｅｎｄｉｎｇ ｔｅｓｔ ｌｏａｄ－ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｃｕｒｖｅ ｄｉａｇｒａｍ

Ｚ－ｐｉｎ 加強(qiáng)試樣并未明顯影響試件線彈性段的

力學(xué)響應(yīng)?在受載過(guò)程中?載荷并未大幅度驟降?而

是發(fā)生小幅度下降后恢復(fù)上升?直至達(dá)到一定載荷

再次發(fā)生震動(dòng)后載荷驟降? ＷＱ－ ３ － ２ / ＷＱ－ ３ － ３ /

ＷＱ－５－７ / ＷＱ－３－４ / ＷＱ－３－５ 載荷－位移曲線在第

一次波動(dòng)后?斜率均發(fā)生改變?并且沿上述試件順序?

載荷－位移曲線第一次波動(dòng)后斜率變化逐漸增大?但

是這些曲線在第一次波動(dòng)中均未發(fā)生載荷驟降?其

試樣粘接面并未完全分層?粘接面還沒(méi)有失效?

空白試驗(yàn)組蒙皮/ 緣條粘接面在第一次載荷驟

降時(shí)就已經(jīng)完全脫黏?故其有效載荷為第一次載荷

１０２ ２０２３ 年 ９ 月

???????????????????????????????????????????????

復(fù)合材料科學(xué)與工程

驟降前的峰值載荷? Ｚ－ｐｉｎ 增強(qiáng)試驗(yàn)組粘接面的分

層以及蒙皮的劈裂是在最后的載荷驟降之前組合發(fā)

生的?故取 Ｚ－ｐｉｎ 增強(qiáng)試驗(yàn)組載荷－位移曲線的峰值

載荷為其有效載荷?

試樣 ＷＱ－３－２ 的載荷－位移曲線在上升過(guò)程中

發(fā)生極小載荷波動(dòng)?直至達(dá)到峰值載荷后產(chǎn)生震動(dòng)?

隨后發(fā)生載荷驟降? 極小載荷波動(dòng)是由于試驗(yàn)過(guò)程

中蒙皮/ 緣條粘接面右側(cè)邊緣發(fā)生小部分脫黏引起

的? 試樣 ＷＱ－３－２ 的試驗(yàn)結(jié)果如圖 ７( ｆ) 所示?蒙

皮/ 加筋粘接面左側(cè)邊緣處蒙皮發(fā)生斷裂?整個(gè)過(guò)程

中 Ｚ－ｐｉｎ 均未發(fā)生失效?由此判斷試樣 ＷＱ－３－２ 的

載荷－位移曲線在峰值后發(fā)生震動(dòng)的原因?yàn)楦鲗雍?/p>

板在受載過(guò)程中發(fā)生間斷性劈裂?進(jìn)而引起載荷

震動(dòng)?

其他 Ｚ－ｐｉｎ 增強(qiáng)試樣的載荷－位移曲線走向相

似?在上升過(guò)程中均在產(chǎn)生小范圍震動(dòng)后恢復(fù)上升?

達(dá)到一定載荷后再次產(chǎn)生震動(dòng)?隨后發(fā)生載荷驟降?

以 ＷＱ－３－４ 試驗(yàn)組為例進(jìn)行分析?如圖 ７(ｄ)所示?

在載荷－位移曲線第一次小范圍震動(dòng)時(shí)?蒙皮/ 緣條

粘接面邊緣處發(fā)生分層?宏觀上并未觀察到層合板

的劈裂現(xiàn)象?分析產(chǎn)生第一次小范圍震動(dòng)的原因可

能為內(nèi)部層合板發(fā)生不可見(jiàn)間斷性劈裂或者邊緣

Ｚ－ｐｉｎ發(fā)生與裂紋擴(kuò)展方向垂直的成排失效?之后由

于中間部分 Ｚ－ｐｉｎ 并未發(fā)生失效?載荷恢復(fù)上升?達(dá)

到一定載荷后再次發(fā)生震動(dòng)的原因是層合板的間斷

性劈裂以及 Ｚ－ｐｉｎ 的間斷性失效?

２? ４ 不同植入體積分?jǐn)?shù)的影響分析

整理記錄空白對(duì)照組及相同直徑組試樣加載至

有效載荷處對(duì)應(yīng)的位移與載荷均值?如圖 １１( ａ)所

示?整理記錄結(jié)構(gòu)失效總能量耗散及對(duì)應(yīng)位移均值?

如圖 １１(ｂ)所示? 總能量耗散定義為載荷－位移曲線

包絡(luò)的總面積?Ｚ－ｐｉｎ 直徑相同的情況下?體積分?jǐn)?shù)

越大植入間距越小?

(ａ)試件失效載荷和對(duì)應(yīng)位移

(ａ)Ｓｐｅｃｉｍｅｎ ｆａｉｌｕｒｅ ｌｏａｄｓ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓ

(ｂ)試件總能量消耗及對(duì)應(yīng)位移

(ｂ)Ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ａｎｄ

ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓ

圖 １１ 不同 Ｚ－ｐｉｎ 植入密度彎曲試件結(jié)果分析

Ｆｉｇ? １１ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｂｅｎｄｉｎｇ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ

Ｚ－ｐｉｎ ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ

由圖 １１( ａ)統(tǒng)計(jì)得出?不同體積分?jǐn)?shù) Ｚ－ｐｉｎ 的

植入對(duì)試件的有效載荷均有很大程度的提升?相比

于空白對(duì)照組?載荷提升 ４８? ４１％ ~ ９６? ９７％?載荷對(duì)

應(yīng)位移提升 １７１? ８５％ ~２２８? ０２％? 這意味著 Ｚ－ｐｉｎ 增

強(qiáng)試件擁有更大的載荷承載能力?試件發(fā)生最終失

效前允許更大的撓度變化? 隨著 Ｚ－ｐｉｎ 植入體積分

數(shù)的增加?試樣所能承受的有效載荷不斷增加?對(duì)應(yīng)

的載荷位移不斷減小? ＷＱ－３－２ 試樣的載荷為 Ｚ－

ｐｉｎ 增強(qiáng)組中最大值?對(duì)應(yīng)位移為 Ｚ－ｐｉｎ 增強(qiáng)組中最

小值?就本次試驗(yàn)組而言?ＷＱ－３－２ 試驗(yàn)組的承載能

力最優(yōu)?

由圖 １１( ｂ)統(tǒng)計(jì)得出?不同體積分?jǐn)?shù) Ｚ－ｐｉｎ 的

植入對(duì)試件的總能量耗散均有很大程度的提升?相比

于空白對(duì)照組?總能量耗散提升 ６６１? ８８％ ~７４８? ７２％?

對(duì)應(yīng)的位移提升 ２１７? ４１％ ~２６６? ８８％?說(shuō)明 Ｚ－ｐｉｎ 的

植入使試驗(yàn)件的韌性大幅增強(qiáng)? 試樣的總能量耗散

隨著 Ｚ－ｐｉｎ 植入體積密度的增加先增大后減小?

通過(guò)分析載荷－位移曲線及觀察試驗(yàn)視頻可知?

各試驗(yàn)組載荷－位移曲線最后的載荷驟降均是因?yàn)?/p>

蒙皮層合板發(fā)生斷裂? Ｚ－ｐｉｎ 增強(qiáng)試樣的峰值載荷

要比空白試驗(yàn)組的峰值載荷大?這是因?yàn)槊善雍?/p>

板斷裂位置不同?根據(jù)杠桿原理分析三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

可知?試驗(yàn)件在中心處發(fā)生斷裂時(shí)所需載荷最小?斷

裂位置越偏離中心?所需載荷越大? 由于 Ｚ－ｐｉｎ 增

強(qiáng)的作用?粘接面的連接性能得到了大幅度的提升?

這使受載過(guò)程中粘接面的分層破壞愈發(fā)困難?進(jìn)而

２０２３ 年第 ９ 期 １０３

???????????????????????????????????????????????

Ｚ－ｐｉｎ 增強(qiáng)復(fù)合材料加筋構(gòu)件連接性能研究

導(dǎo)致蒙皮層合板在粘接面未完全分層前便發(fā)生劈裂?

觀察圖 ７( ａ)可知?在第一次載荷驟降前?空白

對(duì)照組 ＷＱ－０－０ 粘接面的分層就已經(jīng)擴(kuò)展到了試

樣的中心位置?即在蒙皮層合板斷裂之前粘接面就

已經(jīng)失效? 故空白對(duì)照組 ＷＱ－０－０ 的失效情況僅

受蒙皮/ 緣條粘接面連接強(qiáng)度的限制? 觀察圖 ７(ｆ)

可知?ＷＱ－３－２ 試驗(yàn)組失效后?其蒙皮加緊粘接面右

側(cè)出現(xiàn)小部分脫黏?左側(cè)的蒙皮層合板發(fā)生嚴(yán)重?cái)?/p>

裂?其粘接面在邊緣蒙皮層合板斷裂后仍未出現(xiàn)明

顯分層現(xiàn)象?說(shuō)明蒙皮/ 緣條的連接性能得到充分發(fā)

揮?蒙皮/ 緣條的連接強(qiáng)度大于蒙皮層合板本身的彎

曲強(qiáng)度? ＷＱ－３－２ 試驗(yàn)組蒙皮/ 緣條的連接段未發(fā)

生失效?是因?yàn)?Ｚ－ｐｉｎ 的植入使蒙皮/ 緣條的連接段

彎曲強(qiáng)度得到增強(qiáng)?增強(qiáng)后試樣粘接面發(fā)生分層所

需要的載荷大于蒙皮/ 緣條連接段邊緣處蒙皮層合

板斷裂所需載荷?因此左側(cè)蒙皮/ 緣條連接段的邊緣

處蒙皮層合板發(fā)生斷裂?試樣失效情況受到粘接面

連接性能和蒙皮層合板彎曲性能的共同作用? 觀察

圖 ７(ｃ)至圖 ７(ｅ)可知?ＷＱ－３－５ 試驗(yàn)組、ＷＱ－３－４

試驗(yàn)組和 ＷＱ－３－３ 試驗(yàn)組失效后?其粘接面發(fā)生了

明顯的分層?蒙皮層合板嚴(yán)重?cái)嗔?但是這些試驗(yàn)組

的粘接面分層并未擴(kuò)展到試樣中心?即 Ｚ－ｐｉｎ 的植

入雖使蒙皮/ 緣條的連接段彎曲強(qiáng)度得到增強(qiáng)?但增

強(qiáng)后試樣粘接面發(fā)生分層所需要的載荷仍然小于蒙

皮/ 緣條連接段邊緣處蒙皮層合板斷裂所需載荷?故

這些試驗(yàn)組依舊發(fā)生了分層?試樣失效情況受到粘

接面連接性能和蒙皮層合板彎曲性能的共同作用?

２? ５ 不同 Ｚ－ｐｉｎ 直徑的影響分析

在 Ｚ－ｐｉｎ 植入體積分?jǐn)?shù)相同的情況下?對(duì) ＷＱ－

３－４ 與 ＷＱ－５－７ 兩組試件進(jìn)行對(duì)比分析?試驗(yàn)選擇

工程應(yīng)用中較為常見(jiàn)的 ０? ４％Ｚ－ｐｉｎ 體積分?jǐn)?shù)?在該

體積分?jǐn)?shù)下?試驗(yàn)件植入間距相差較大?試驗(yàn)效果較

為明顯? 兩組試件的載荷－位移曲線如圖 １２ 所示?

由圖可知大直徑組的峰值載荷和總能量耗散略高于

小直徑組的峰值載荷和總能量耗散?但在第一次載

荷震動(dòng)過(guò)程中(黑色框標(biāo)記處)?小直徑 Ｚ－ｐｉｎ 組的

載荷降幅相對(duì)較小?且相鄰載荷之間位移間距小?大

直徑 Ｚ－ｐｉｎ 組的載荷降幅相對(duì)較大?且相鄰載荷之

間位移間距大?

圖 １２ ＷＱ－３－４ / ＷＱ－５－７ 載荷－位移曲線圖

Ｆｉｇ? １２ Ｔｈｅ ｌｏａｄ－ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ＷＱ－３－４ / ＷＱ－５－７

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是 Ｚ－ｐｉｎ 的橋聯(lián)作用? Ｚ－

ｐｉｎ 的失效過(guò)程中存在橋聯(lián)現(xiàn)象?即 Ｚ－ｐｉｎ 沿著裂紋

擴(kuò)展的方向成排失效?處于 Ｚ－ｐｉｎ 失效過(guò)程中的區(qū)

域稱(chēng)為橋聯(lián)區(qū)?如圖 １３ 所示? 在橋聯(lián)區(qū)內(nèi)?左側(cè) Ｚ－

ｐｉｎ 完全失效的同時(shí)?右側(cè)會(huì)有新的 Ｚ－ｐｉｎ 進(jìn)入失效?

整個(gè)過(guò)程處于動(dòng)態(tài)平衡之中? 在這個(gè)過(guò)程中?失效

Ｚ－ｐｉｎ 間交替的不連續(xù)性導(dǎo)致載荷出現(xiàn)震動(dòng)現(xiàn)象?

如果同一平衡過(guò)程中處在橋聯(lián)區(qū)內(nèi)的 Ｚ－ｐｉｎ 數(shù)量較

多?就會(huì)導(dǎo)致失效 Ｚ－ｐｉｎ 間交替的不連續(xù)性降低?使

載荷震動(dòng)得到緩和?即 Ｚ－ｐｉｎ 密度越大?載荷震動(dòng)越

平緩?

圖 １３ Ｚ－ｐｉｎ 橋聯(lián)區(qū)示意圖[２２]

(單位:ＭＰａ)

Ｆｉｇ? １３ Ｚ－ｐｉｎ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｂｒｉｄｇｅ

ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ａｒｅａ

[２２]

(ｕｎｉｔ: ＭＰａ)

在相同的 Ｚ－ｐｉｎ 體積分?jǐn)?shù)情況下進(jìn)行 Ｚ－ｐｉｎ 植

入?會(huì)出現(xiàn)大直徑 Ｚ－ｐｉｎ 組植入密度小、小直徑 Ｚ－

ｐｉｎ 組植入密度大的現(xiàn)象? 小直徑 Ｚ－ｐｉｎ 組由于植

入密度大?所以橋聯(lián)作用更為明顯?載荷震動(dòng)更加平

緩?相鄰震動(dòng)間的位移更小? 且由于小直徑 Ｚ－ｐｉｎ

本身的承載能力較大直徑 Ｚ－ｐｉｎ 差?在受到較小載

荷時(shí)小直徑 Ｚ－ｐｉｎ 便會(huì)失效?故在橋聯(lián)區(qū)域動(dòng)態(tài)平

衡的過(guò)程中?相鄰 Ｚ－ｐｉｎ 傳遞的載荷要比大直徑 Ｚ－

ｐｉｎ 組小?故載荷升降幅度相對(duì)較小?

綜上所述?在 Ｚ－ｐｉｎ 體積分?jǐn)?shù)同為 ０? ４％的情況

下?直徑為 ０? ５ ｍｍ 的 Ｚ－ｐｉｎ 組的承載能力略高于直

徑為 ０? ３ ｍｍ 的 Ｚ－ｐｉｎ 組的承載能力?但直徑為 ０? ３

ｍｍ 的 Ｚ－ｐｉｎ 組具有更好的穩(wěn)定性?

１０４ ２０２３ 年 ９ 月

???????????????????????????????????????????????

復(fù)合材料科學(xué)與工程

３ 結(jié) 論

(１)在試驗(yàn)過(guò)程中?Ｚ－ｐｉｎ 發(fā)生了剪切破壞與拔

脫破壞的混合失效模式? 高密度的 Ｚ－ｐｉｎ 植入能夠

更好地阻止粘接面的分層破壞?提高試驗(yàn)件的連接

性能?

(２)在第一次載荷驟降前?空白試驗(yàn)組粘接面分

層已擴(kuò)展到試樣中心?故其失效情況僅受到粘接面

連接性能的限制? 而 Ｚ－ｐｉｎ 增強(qiáng)試驗(yàn)組由于粘接面

受到 Ｚ－ｐｉｎ 的增強(qiáng)?其失效情況受到粘接面連接強(qiáng)度

和蒙皮層合板彎曲性能的聯(lián)合限制?且 Ｚ－ｐｉｎ 增強(qiáng)

效果越好?試件越能發(fā)揮出蒙皮本身的力學(xué)性能?

(３)直徑為 ０? ３ ｍｍ?體積分?jǐn)?shù)為 ０? ２８％ ~ １? ８％

的 Ｚ－ｐｉｎ 增強(qiáng)試驗(yàn)組相比于空白對(duì)照組?有效載荷提

升 ４８? ４１％ ~９６? ９７％?且隨著 Ｚ－ｐｉｎ 植入體積分?jǐn)?shù)的

增加?試樣所能承受的峰值載荷不斷增加?總能量耗

散提升 ６６１? ８８％ ~ ７４８? ７２％?試樣的總能量耗散隨著

Ｚ－ｐｉｎ植入體積密度的增加先增大后減小?

(４)在 Ｚ－ｐｉｎ 體積分?jǐn)?shù)同為 ０? ４％的情況下?直

徑為 ０? ５ ｍｍ 的 Ｚ－ｐｉｎ 組的承載能力略高于直徑為

０? ３ ｍｍ 的 Ｚ－ｐｉｎ 組的承載能力?但直徑為 ０? ３ ｍｍ

的 Ｚ－ｐｉｎ 組具有更好的穩(wěn)定性?

(５)Ｚ－ｐｉｎ 的植入能夠提高復(fù)合材料加筋類(lèi)簡(jiǎn)

化構(gòu)件的失效載荷?增加分層過(guò)程中的能量耗散?

Ｚ－ｐｉｎ的橋聯(lián)作用能夠有效阻止裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展?

試驗(yàn)結(jié)果表明 Ｚ－ｐｉｎ 的植入能夠有效提高加筋試件

的連接性能?

參考文獻(xiàn)

[１] 潘文林. 會(huì)當(dāng)凌絕頂一覽眾山小———全面解析殲 ２０[Ｊ]. 創(chuàng)新科

技? ２０１１(２): ３０－３７.

[２] 紀(jì)海濱. 航空航天領(lǐng)域先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用探討[ Ｊ]. 技術(shù)與市

場(chǎng)? ２０１８? ２５(６): １３２? １３４.

[３] ＧＲＥＥＮＨＡＬＧＨ Ｅ? ＬＥＷＩＳ Ａ? ＢＯＷＥＮ Ｒ. Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｏｕｇｈｅｎｉｎｇ

ｃｏｎｃｅｐｔｓ ａｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｉｎ ＣＦＲＰ －Ｐａｒｔ Ⅰ: Ｓｔｉｆｆｅｎｅｒ ｐｕｌｌ－ｏｆｆ

[Ｊ]. Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｐａｒｔ Ａ: Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ? ２００６?

３７(１０): １５２１－１５３５.

[ ４] ＣＨＡＮＧ Ｐ? ＭＯＵＲＩＴＺ Ａ Ｐ? ＣＯＸ Ｂ Ｎ. Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｅｃｈ￣

ａｎｉｓｍｓ ｏｆ ｐｉｎｎｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｌａｐ ｊｏｉｎｔｓ ｉｎ ｍｏｎｏｔｏｎｉｃ ａｎｄ ｃｙｃｌｉｃ ｔｅｎｓｉｏｎ

[Ｊ]. Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ? ２００６? ６６(１３): ２１６３－２１７６.

[５] ＣＨＯＩ Ｉ? ＪＥＯＮＧ Ｊ? ＣＨＥＯＮＧ Ｓ. Ｊｏｉｎｔ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｃｏ－ｃｕｒｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｕｓｉｎｇ Ｚ－ｐｉｎｎｉｎｇ ｐａｔｃｈ[Ｃ] / / Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ

Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ. ２０１３.

[６] ＫＯＨ Ｔ Ｍ? ＩＳＡ Ｍ Ｄ? ＣＨＡＮＧ Ｐ? ｅｔ ａｌ. Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ

ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｄａｍａｇｅ ｔｏｌｅｒａｎｃｅ ｏｆ ｂｏｎｄｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｊｏｉｎｔｓ ｕｓｉｎｇ Ｚ－

ｐｉｎｓ[Ｊ]. Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ? ２０１２? ４６(２６): ３２５５－３２６５.

[７] 董曉陽(yáng)? 李勇? 張向陽(yáng)? 等. Ｚ－ｐｉｎ 增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料單搭接

連接性能[Ｊ]. 航空學(xué)報(bào)? ２０１４? ３５(５): １３０２－１３１０.

[８] ＣＨＡＮＧ Ｐ? ＭＯＵＲＩＴＺ Ａ Ｐ? ＣＯＸ Ｂ Ｎ. Ｅｌｅｖａｔｅｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｐｒｏｐ￣

ｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｐｉｎｎｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｌａｐ ｊｏｉｎｔｓ[Ｊ]. Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅ￣

ｒｉａｌｓ? ２００８? ４２(８): ７４１－７６９.

[９] ＭＯＵＲＩＴＺ Ａ Ｐ. Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｚ－ｐｉｎｎｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｒｅ－

ｅｐｏｘｙ ｌａｍｉｎａｔｅ ｅｘｐｏｓｅｄ ｔｏ ｗａｔｅｒ[ Ｊ]. Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈ￣

ｎｏｌｏｇｙ? ２０１２? ７２(１３): １５６８－１５７４.

[１０] 馬玉娥? 杜永華? 許盼福. 基于黏聚區(qū)模型的 Ｚ－ｐｉｎ 增強(qiáng)復(fù)合材

料 Ｔ 型接頭分層損傷研究[ Ｊ]. 西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)? ２０１５(３):

３７５－３８１.

[１１] 馬金瑞? 黃峰? 趙龍? 等. ＲＴＭ 成型 Ｚ－Ｐｉｎ 增強(qiáng)復(fù)合材料 Ｔ 型

元件拉脫性能研究[Ｊ]. 航空制造技術(shù)? ２０１５(ｚ１): ５８－６０.

[１２] ＫＲＵＥＧＥＲ Ｒ? ＣＶＩＴＫＯＶＩＣＨ Ｍ Ｋ? ＯＢＲＩＥＮ Ｔ Ｋ? ｅｔ ａｌ. Ｔｅｓｔｉｎｇ

ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｋｉｎ / ｓｔｒｉｎｇｅｒ ｄｅｂｏｎｄｉｎｇ ｕｎｄｅｒ ｍｕｌｔｉ－ａｘｉａｌ

ｌｏａｄｉｎｇ[Ｒ]. ＵＳＡ: ＮＡＳＡ Ｌａｎｇｌｅｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ? １９９９: ３４.

[１３] ＫＲＵＥＧＥＲ Ｒ? ＰＡＲＩＳ Ｉ Ｌ? Ｏ’ ＢＲＩＥＮ Ｔ Ｋ? ｅｔ ａｌ. Ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ

ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｂｏｎｄｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｋｉｎ / ｓｔｒｉｎｇｅｒ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ[Ｊ].

Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＆ Ｒｅｓｅａｒｃｈ? ２００２? ２４(２): ５６－７９.

[１４] ＭＩＮＧＵＥＴ Ｐ Ｊ? Ｏ’ＢＲＩＥＮ Ｔ Ｋ. Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｃｈａｒａ￣

ｔｅｒｉｚｉｎｇ ｓｋｉｎ / ｓｔｒｉｎｇｅｒ ｄｅｂｏｎｄｉｎｇ ｆａｉｌｕｒｅｓ ｉｎ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ

ｐａｎｅｌｓ[Ｍ]. ＡＳＴＭ Ｓｐｅｃｉａｌ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ? １９９６: １０５－１２４.

[１５] ＢＥＲＴＯＬＩＮＩ Ｊ? ＣＡＳＴＡＮＩＥ Ｂ? ＢＡＲＲＡＵ Ｊ Ｊ? ｅｔ ａｌ. Ｍｕｌｔｉ－ｌｅｖｅｌ ｅｘ￣

ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｔｉｆｆｅｎｅｒ ｄｅｂｏｎｄｉｎｇ.

Ｐａｒｔ １: Ｎｏｎ － ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ｌｅｖｅｌ [ Ｊ]. Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ?

２００９? ９０(４): ４１８－４２７.

[１６] ＲＩＣＣＩＯ Ａ? ＬＩＮＤＥ Ｐ? ＲＡＩＭＯＮＤＯ Ａ? ｅｔ ａｌ. Ｏｎ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｓｅｌｅｃ￣

ｔｉｖｅ ｓｔｉｔｃｈｉｎｇ ｉｎ ｓｔｉｆｆｅｎｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｐａｎｅｌｓ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｓｋｉｎ－ｓｔｒｉｎｇｅｒ

ｄｅｂｏｎｄｉｎｇ[Ｊ]. Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｐａｒｔ Ｂ: Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ? ２０１７? １２４: ６４－７５.

[１７] ＣＨＡＮＧ Ｐ. Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ

Ｚ－ｐｉｎｎｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ[Ｄ]. Ｍｅｌｂｏｕｒｎｅ? Ａｕｓｔｒａｌｉａ: Ｒｏｙａｌ Ｍｅｌｂｏｕｒｎｅ

Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ? ２００６.

[１８] ＬＩ Ｍ Ｊ? ＣＨＥＮ Ｐ Ｈ. Ａ ｎｅｗ ＦＥ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｉｎｇ

ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ ａ Ｚ － ｐｉｎ [ Ｊ]. Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ? ２０１９?

２２３: １－１２.

[１９] 張向陽(yáng)? 李勇? 褚奇奕? 等. Ｚ－ｐｉｎ 點(diǎn)陣分布對(duì)層合板面內(nèi)壓縮

性能的影響[Ｊ]. 航空學(xué)報(bào)? ２０１４? ３５(１): １９５－２０２.

[２０] ＢＯＷＥＮ Ｇ? ＷＥＮＴＩＮＧ Ｏ? ＭＡＲＴＩＮＳＯＮ Ｎ? ｅｔ ａｌ. Ｍｉｎｉｍｉｚｉｎｇ ｔｈｅ

ｉｎ－ｐｌａｎｅ ｄａｍａｇｅ ｏｆ Ｚ－ｐｉｎｎｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｌａｍｉｎａｔｅｓ ｖｉａ ａ ｐｒｅ－ｈｏｌｅ

ｐｉｎ ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ[Ｊ]. Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ? ２０２０?

２００(２): １－８.

[２１] ＳＷＥＥＴＩＮＧ Ｒ Ｄ? ＴＨＯＭＳＯＮ Ｒ Ｓ. Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｍｉｓｍａｔｃｈ

ｏｎ Ｚ－ｐｉｎｎｅｄ ｌａｍｉｎａｔｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ[ Ｊ]. Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｓｔｒｕｃ￣

ｔｕｒｅｓ? ２００４(６６): １８９－１９５.

[２２] ＲＡＮＡＴＵＮＧＡ Ｖ? ＣＬＡＹ Ｓ Ｂ. Ｃｏｈｅｓｉｖｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ｄａｍａｇｅ ｇｒｏｗｔｈ

ｉｎ ｚ－ｐｉｎｎｅｄ ｌａｍｉｎａｔｅｓ ｕｎｄｅｒ ｍｏｄｅ－Ⅰ ｌｏａｄｉｎｇ[Ｊ]. Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｍ￣

ｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ? ２０１３? ４７(２６): ３２６９－３２８３.

２０２３ 年第 ９ 期 １０５

???????????????????????????????????????????????

新型 ＢＦＲＰ 布加固混凝土方柱軸壓性能試驗(yàn)研究

ＤＯＩ:１０? １９９３６ / ｊ? ｃｎｋｉ? ２０９６－８０００? ２０２３０９２８? ０１６

新型 ＢＦＲＰ 布加固混凝土方柱軸壓性能試驗(yàn)研究

沈惠軍１?２

? 鄭和暉１?２?３?

? 張 峰１?２

? 李自強(qiáng)１

(１? 中交第二航務(wù)工程局有限公司? 武漢 ４３００４０? ２? 交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心? 武漢 ４３００４０?

３? 中交公路長(zhǎng)大橋建設(shè)國(guó)家工程研究中心有限公司? 武漢 ４３００４０)

摘要: 針對(duì)提出的以環(huán)氧硅酸脂樹(shù)脂為基體的新型 ＢＦＲＰ?通過(guò)模型試驗(yàn)及理論分析?研究了新型 ＢＦＲＰ 對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的

加固效果?分析了包裹形式及層數(shù)對(duì)混凝土方形柱力學(xué)性能的影響? 結(jié)果表明?新型 ＢＦＲＰ 布與 ＣＦＲＰ 布加固試件的加載曲線

發(fā)展趨勢(shì)基本一致?但 ＢＦＲＰ 加固效果相對(duì)較弱?全覆蓋包裹 ２ 層時(shí)?兩者軸壓承載力提升幅值分別為 ２８? ４５％和 ６４? ７３％? 現(xiàn)

有規(guī)范對(duì) ＣＦＲＰ 加固試件適用性良好?而對(duì) ＢＦＲＰ 適用性很差?本文提出的計(jì)算模型可精確預(yù)測(cè)新型 ＢＦＲＰ 布加固柱軸壓承

載力?

關(guān)鍵詞: 新型 ＢＦＲＰ? 加固? 軸壓試驗(yàn)? 約束機(jī)理? 承載力模型? 復(fù)合材料

中圖分類(lèi)號(hào): ＴＢ３３２ 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: Ａ 文章編號(hào): ２０９６－８０００(２０２３)０９－０１０６－０６

Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ

ｎｅｗ－ｔｙｐｅ ＢＦＲＰ－ｃｏｎｆｉｎｅｄ ｓｑｕａｒｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｃｏｌｕｍｎｓ

ＳＨＥＮ Ｈｕｉｊｕｎ

１?２

? ＺＨＥＮＧ Ｈｅｈｕｉ

１?２?３?

? ＺＨＡＮＧ Ｆｅｎｇ

１?２

? ＬＩ Ｚｉｑｉａｎｇ

１

(１? ＣＣＣＣ Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｂｏｕｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ.? Ｌｔｄ.? Ｗｕｈａｎ ４３００４０? Ｃｈｉｎａ?

２? Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｌａｒｇｅ－ｓｐａｎ Ｂｒｉｄｇｅ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ? Ｗｕｈａｎ ４３００４０? Ｃｈｉｎａ?

３? ＣＣＣＣ Ｈｉｇｈｗａｙ Ｂｒｉｄｇｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｒｅ Ｃｏ.? Ｌｔｄ.? Ｗｕｈａｎ ４３００４０? Ｃｈｉｎａ)

Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｎｅｗ－ｔｙｐｅ ＢＦＲＰ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｐｏｘｙ ｓｉｌｉｃａｔｅ ｒｅｓｉｎ? ｔｈｅ ｃｏｎｆｉｎｅｄ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｍｏｄｅｌ ｔｅｓｔ ａｎｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ. Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗｒａｐｐｉｎｇ ｆｏｒｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ

ｌａｙｅｒｓ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｑｕａｒｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｃｏｌｕｍｎ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ. Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐ￣

ｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏａｄｉｎｇ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｃｏｎｆｉｎｅｄ ｂｙ ＢＦＲＰ ａｎｄ ＣＦＲＰ ｉｓ ｂａｓｉｃａｌｌｙ ｔｈｅ ｓａｍｅ? ｂｕｔ ｔｈｅ ｃｏｎｆｉｎｅｄ

ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ＢＦＲＰ ｉｓ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｐｏｏｒ. Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｔｗｏ ｌａｙｅｒｓ ｏｆ ｆｕｌｌ ｃｏｖｅｒａｇｅ? ｔｈｅ ａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ

ＢＦＲＰ－ｃｏｎｆｉｎｅｄ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ａｎｄ ｔｈｅ ＣＦＲＰ－ｃｏｎｆｉｎｅｄ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｉｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ ２８? ４５％ ａｎｄ ６４? ７３％? ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ.

Ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ ｈａｖｅ ｇｏｏｄ ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ ｔｏ ＣＦＲＰ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ? ｂｕｔ ｐｏｏｒ ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ ｔｏ ＢＦＲＰ.

Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｃａｎ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｐｒｅｄｉｃｔ ｔｈｅ ａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｎｅｗ－

ｔｙｐｅ ＢＦＲＰ－ｃｏｎｆｉｎｅｄ ｓｑｕａｒｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｃｏｌｕｍｎｓ.

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ:ｎｅｗ－ｔｙｐｅ ＢＦＲＰ? ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ? ａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｔｅｓｔ? ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ? ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ

ｍｏｄｅｌ? ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ

收稿日期: ２０２２－０９－０２

作者簡(jiǎn)介: 沈惠軍 (１９９４—)? 男? 碩士? 工程師? 主要從事復(fù)合材料加固方面的研究?

通訊作者: 鄭和暉 (１９８３—)? 男? 博士研究生? 高級(jí)工程師? 主要從事橋梁智能建造及復(fù)合材料加固方面的研究? １５７０６５３８３２＠ｑｑ? ｃｏｍ?

近十年來(lái)?纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(ＦＲＰ)因其輕質(zhì)

高強(qiáng)、耐腐蝕、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于混凝

土結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域[１]

?相關(guān)研究及應(yīng)用已較為成熟?包

括我國(guó)在內(nèi)的多個(gè)國(guó)家已相繼頒布相關(guān)加固設(shè)計(jì)規(guī)

范[２－４]

? 目前?用于混凝土結(jié)構(gòu)加固的常用 ＦＲＰ 材料

主要有 ＣＦＲＰ、ＧＦＲＰ、ＡＦＲＰ、ＢＦＲＰ 等? 其中?成本低、

綜合性能優(yōu)的 ＢＦＲＰ 近年來(lái)在國(guó)家政策的大力扶持

下發(fā)展迅速[５－６]

?

既有 ＢＦＲＰ 材料成型的基體材料大多采用環(huán)氧

樹(shù)脂?但環(huán)氧制品因存在內(nèi)應(yīng)力較大、易發(fā)脆、高溫

１０６ ２０２３ 年 ９ 月

???????????????????????????????????????????????

復(fù)合材料科學(xué)與工程

易降解且性能易受潮濕影響、耐化學(xué)腐蝕及耐紫外

較差等不足?在高溫、高腐蝕等極端惡劣環(huán)境中應(yīng)用

受限[７]

? 環(huán)氧硅酸脂樹(shù)脂通過(guò)將有機(jī)硅結(jié)構(gòu)引入普

通環(huán)氧樹(shù)脂的主鏈結(jié)構(gòu)中?改善普通環(huán)氧樹(shù)脂的耐

酸堿腐蝕、耐紫外輻照、耐高低溫、韌性等性能? 以

環(huán)氧硅酸脂樹(shù)脂為基體的 ＢＦＲＰ 的力學(xué)性能表現(xiàn)為

低彈模、高延性?

為研究該新型 ＢＦＲＰ 對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的加固效

果?基于模型試驗(yàn)及理論分析?重點(diǎn)研究新型 ＢＦＲＰ

布包裹形式及層數(shù)對(duì)混凝土方形柱加固效果的影

響? 通過(guò)與現(xiàn)有規(guī)范及相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行對(duì)比?最終提

出適應(yīng)性良好的承載力計(jì)算模型? 旨在為今后相關(guān)

規(guī)范編制、修訂奠定研究基礎(chǔ)?為新型 ＢＦＲＰ 布在混

凝土結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用提供理論支撐?

１ 試驗(yàn)概況

１? １ 試件設(shè)計(jì)

以加固材料、加固方式及加固層數(shù)為試驗(yàn)參數(shù)?

設(shè)計(jì)制作了 ９ 組共 ２７ 個(gè)軸心受壓素混凝土方形柱

試件?其高度 ｈ ＝ ３０ ｃｍ?邊長(zhǎng) ｂ ＝ １５ ｃｍ? 為避免環(huán)向

包裹的纖維布在柱角處因局部應(yīng)力過(guò)大而破壞?將

試件的 ４ 個(gè)棱角設(shè)置成半徑為 ２ ｃｍ 的圓角?試件詳

細(xì)信息如表 １ 及圖 １ 所示?

表 １ 試件信息

Ｔａｂｌｅ １ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ

試件編號(hào)

試件尺寸

(ｂ×ｈ) / ｃｍ

加固材料 加固方式

加固

層數(shù)

試件

數(shù)量

ＣＳ０－１ / ２ / ３ １５×３０ ＢＦＲＰ 布 不加固 － ３

ＣＳ１－１ / ２ / ３ １５×３０ ＢＦＲＰ 布 全覆蓋包裹 １ ３

ＣＳ２－１ / ２ / ３ １５×３０ ＢＦＲＰ 布 全覆蓋包裹 ２ ３

ＣＳ３－１ / ２ / ３ １５×３０ ＢＦＲＰ 布 全覆蓋包裹 ３ ３

ＣＳ４－１ / ２ / ３ １５×３０ ＢＦＲＰ 布 全覆蓋包裹 ４ ３

ＣＳ５－１ / ２ / ３ １５×３０ ＢＦＲＰ 布 全覆蓋包裹 ５ ３

ＣＳ６－１ / ２ / ３ １５×３０ ＢＦＲＰ 布 ３條帶間斷包裹 ２ ３

ＣＳ７－１ / ２ / ３ １５×３０ ＢＦＲＰ 布 ２條帶間斷包裹 ２ ３

ＣＳ８－１ / ２ / ３ １５×３０ ＣＦＲＰ 布 全覆蓋包裹 ２ ３

圖 １ 不同加固方式示意圖(單位:ｃｍ)

Ｆｉｇ? １ Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ (ｕｎｉｔ: ｃｍ)

１? ２ 材料性能

試驗(yàn)用混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為 Ｃ３０?同條件下

養(yǎng)護(hù) ３ 個(gè) １５０ ｍｍ 立方體試塊?實(shí)測(cè) ２８ ｄ 平均抗壓

強(qiáng)度為 ２８? ３１ ＭＰａ? 采用北京卡本工程技術(shù)研究所

有限公司生產(chǎn)的 ＣＦＳ－Ⅰ－３００ ｇ 型 ＣＦＲＰ 布? ＢＦＲＰ

布及環(huán)氧硅酸脂樹(shù)脂等材料由四川大學(xué)提供? 各類(lèi)

材料關(guān)鍵參數(shù)如表 ２ 所示?

表 ２ 試驗(yàn)用材料關(guān)鍵參數(shù)

Ｔａｂｌｅ ２ Ｋｅｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｅｓｔ ｍａｔｅｒｉａｌｓ

參數(shù)

厚度

/ ｍｍ

抗拉

強(qiáng)度

/ ＭＰａ

抗壓

強(qiáng)度

/ ＭＰａ

彈性

模量

/ ＧＰａ

伸長(zhǎng)

率

/ ％

重量

/ (ｇ?ｍ

－２

)

Ｃ３０ 混凝土 － － ２８.３１ ３０.１９ － －

ＢＦＲＰ 布 ０.１１７ ７４６.４ － ２４ ３.１１ ２５０

ＣＦＲＰ 布 ０.１６７ ３ ５４１.６ － ２３３ １.５２ ３００

環(huán)氧硅酸脂樹(shù)脂 － ７０.１ － ３.０２ － －

１? ３ 加載及量測(cè)方案

試驗(yàn)在微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)(ＹＡＷ－

３０００)上進(jìn)行?見(jiàn)圖 ２? 所有試件均為軸心受壓?參

照規(guī)范規(guī)定進(jìn)行加載[８]

? 在正式試驗(yàn)開(kāi)始前?采用

石英砂進(jìn)行接觸面找平?以確保試件加載過(guò)程中全

截面受壓?隨后以 １５％的預(yù)估承載力進(jìn)行預(yù)加載?

在確定各儀器設(shè)備運(yùn)行正常之后開(kāi)始正式試驗(yàn)?采

用力控制方式分級(jí)加載?每級(jí)載荷為預(yù)估承載力的

５％?加載速率為 １５ ｋＮ/ ｍｉｎ?直至試件破壞?

在試件中間截面混凝土表面布置 ２ 個(gè)軸向應(yīng)變

片和 ２ 個(gè)側(cè)向應(yīng)變片?ＦＲＰ 布表面布置 ２ 個(gè)側(cè)向應(yīng)

變片? 此外?為避免試件上、下端面與試驗(yàn)機(jī)加載面

之間的摩擦力對(duì)軸向位移的影響[９]

?采用環(huán)形抱箍

測(cè)量試件中間 １０ ｃｍ 區(qū)段內(nèi)的軸向位移?具體布置

如圖 ２ 所示?

２０２３ 年第 ９ 期 １０７

???????????????????????????????????????????????

新型 ＢＦＲＰ 布加固混凝土方柱軸壓性能試驗(yàn)研究

圖 ２ 加載裝置及測(cè)點(diǎn)布置圖(單位:ｃｍ)

Ｆｉｇ? ２ Ｌｏａｄｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ｌａｙｏｕｔ (ｕｎｉｔ: ｃｍ)

２ 試驗(yàn)結(jié)果及分析

２? １ 試件破壞過(guò)程及特征

各試件最終破壞形態(tài)如圖 ３ 所示? ＣＳ０ 組試件

為未加固的對(duì)比試件?加載初期處于彈性受力狀態(tài)?

外觀并沒(méi)有明顯改變?隨著載荷進(jìn)一步增加?首先在

試件端部靠近倒角位置處出現(xiàn)細(xì)微的豎向裂縫?隨

后裂縫開(kāi)始緩慢向下發(fā)展并逐漸形成貫通裂縫?部

分應(yīng)變片斷裂或者脫落?接近峰值載荷時(shí)?試件端部

開(kāi)始發(fā)生混凝土壓潰剝離?軸向變形迅速增大?隨著

一聲沉悶的響聲?試件完全喪失承載能力?混凝土柱

被壓碎? 試件極限破壞形態(tài)如圖 ３(ａ)所示?

ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３、ＣＳ４、ＣＳ５、ＣＳ８ 組試件為全覆蓋

包裹加固試件? 其中?ＣＳ８ 組試件包裹材料為 ＣＦＲＰ

布?其他 ５ 組為 ＢＦＲＰ 布? 試件宏觀破壞過(guò)程大致

相近:加載初期無(wú)明顯變化?此時(shí)試件處于彈性受力

狀態(tài)?隨著載荷進(jìn)一步增加?試件開(kāi)始發(fā)生橫向膨脹

變形?并伴有輕微的 ＦＲＰ 絲斷裂聲及混凝土沉悶的

碎裂聲出現(xiàn)?接近峰值載荷時(shí)?試件出現(xiàn)局部鼓起?

并頻繁發(fā)出清脆的“噼啪”聲?最后隨著巨大的爆裂

聲出現(xiàn)?ＦＲＰ 布從端部靠近倒角位置開(kāi)始撕裂?并迅

速向中間擴(kuò)展貫通?混凝土已經(jīng)被壓碎?試件完全喪

失承載能力而破壞? 試件極限破壞形態(tài)如圖 ３( ｂ)

至圖 ３(ｉ)所示?

ＣＳ６、ＣＳ７ 組試件為間斷包裹加固試件?其宏觀

破壞過(guò)程大致相近:加載初期處于彈性受力狀態(tài)?外

觀并沒(méi)有明顯改變?隨著載荷進(jìn)一步增加?試件開(kāi)始

發(fā)生橫向膨脹變形?混凝土表面出現(xiàn)細(xì)微豎向裂縫

并緩慢向下發(fā)展貫通?同時(shí)伴有輕微的 ＦＲＰ 絲斷裂

聲及混凝土沉悶的碎裂聲出現(xiàn)?接近峰值載荷時(shí)?混

凝土表面豎向裂縫發(fā)展變寬并形成多條斜向主裂縫?

最后隨著巨大的爆裂聲出現(xiàn)?主裂縫附近 ＦＲＰ 布斷

裂?混凝土壓碎?試件完全喪失承載能力而破壞? 試

件極限破壞形態(tài)如圖 ３(ｇ)、圖 ３(ｈ)所示?

圖 ３ 試件最終破壞形態(tài)

Ｆｉｇ? ３ Ｆｉｎａｌ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｏｄｅｓ ｏｆ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ

２? ２ 應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線

表 ３ 為各試件的加載結(jié)果匯總表? 其中?Ｐｕ為極

限承載力?Ｐｕ?ｍ為同組 ３ 個(gè)平行試件極限承載力平

均值?ｆ ′ｃ?ｍ為 ＣＳ０ 組 ３ 個(gè)平行試件峰值應(yīng)力平均值?

ｆ ′ｃｃ?ｍ為加固后同組 ３ 個(gè)平行試件峰值應(yīng)力平均值?ψ

為承載能力提升幅值?ψ ＝ ( ｆ ′ｃｃ?ｍ

－ｆ ′ｃ?ｍ ) / ｆ ′ｃ?ｍ

×１００％?

圖 ４ 為試件的軸向應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線?曲線由各組

３ 個(gè)平行試件的平均值所得?

圖 ４ 軸向應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線

Ｆｉｇ? ４ Ａｘｉａｌ ｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎ ｃｕｒｖｅｓ

１０８ ２０２３ 年 ９ 月

???????????????????????????????????????????????

復(fù)合材料科學(xué)與工程

表 ３ 試驗(yàn)結(jié)果匯總表

Ｔａｂｌｅ ３ Ｓｕｍｍａｒｙ ｏｆ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ

試件

編號(hào)

Ｐｕ

/ ｋＮ

Ｐｕ?ｍ

/ ｋＮ

ｆ ′ｃ?ｍ

/ ＭＰａ

ｆ ′ｃｃ?ｍ

/ ＭＰａ

ψ

/ ％

ＣＳ０－１ ６１１

ＣＳ０－２ ５６９

ＣＳ０－３ ５８４

５８８ ２６.５４ ２６.５４ －

ＣＳ１－１ ７２９

ＣＳ１－２ ７５４

ＣＳ１－３ ７２０

７３４.３３ ２６.５４ ３３.１４ ２４.８８

ＣＳ２－１ ７５５

ＣＳ２－２ ７４０

ＣＳ２－３ ７７１

７５５.３３ ２６.５４ ３４.０９ ２８.４５

ＣＳ３－１ ７６５

ＣＳ３－２ ７７０

ＣＳ３－３ ７９０

７７５ ２６.５４ ３４.９８ ３１.７９

ＣＳ４－１ ７８８

ＣＳ４－２ ７９２

ＣＳ４－３ ８１３

７９７.６７ ２６.５４ ３６.０１ ３５.６６

ＣＳ５－１ ８２９

ＣＳ５－２ ８２５

ＣＳ５－３ ８０９

８２１ ２６.５４ ３７.０６ ３９.６３

ＣＳ６－１ ６４５

ＣＳ６－２ ６６０

ＣＳ６－３ ６６５

６５６.６７ ２６.５４ ２９.５２ １０.９４

ＣＳ７－１ ７３９

ＣＳ７－２ ７３２

ＣＳ７－３ ７４９

７４０ ２６.５４ ３３.５１ ２５.９３

ＣＳ８－１ ９６０

ＣＳ８－２ ９１２

ＣＳ８－３ １０３２

９６８ ２６.５４ ４３.８１ ６４.７３

通過(guò)分析得到如下結(jié)論:

(１)所有加固組試件的承載能力相較于未加固

組試件都有不同程度的提升? 在本次試驗(yàn)條件下?

各試件峰值應(yīng)力提升幅度為 １０? ９４％ ~ ６４? ７３％? 這

是由于包裹 ＦＲＰ 布后?混凝土處于三向受壓狀態(tài)?

限制了混凝土的橫向變形?從而提高了素混凝土柱

的極限抗壓強(qiáng)度?

(２)在其他試驗(yàn)條件相同的情況下?試件承載

能力會(huì)隨著 ＢＦＲＰ 布包裹層數(shù)的增加而增大?當(dāng)包

裹層數(shù)分別為 １ 層(ＣＳ１)、２ 層(ＣＳ２)、３ 層(ＣＳ３)、４

層(ＣＳ４)和 ５ 層(ＣＳ５)時(shí)?試件峰值應(yīng)力提升幅度分

別為 ２４? ８８％、２８? ４５％、３１? ７９％、３５? ６６％和 ３９? ６３％?

這是由于包裹層數(shù)的增加導(dǎo)致混凝土三向約束作用

增強(qiáng)?

(３)在其他試驗(yàn)條件相同的情況下?ＣＦＲＰ 布

(ＣＳ８)對(duì)混凝土柱的加固效果優(yōu)于 ＢＦＲＰ 布(ＣＳ２)

的加固效果?包裹層數(shù)為 ２ 層時(shí)加固柱的峰值應(yīng)力

提升幅度分別為 ６４? ７３％和 ２８? ４５％?這是由于 ＣＦＲＰ

布的彈性模量更大?對(duì)混凝土柱的約束效果更強(qiáng)?

(４)全覆蓋包裹試件(ＣＳ２)承載能力優(yōu)于間斷

包裹試件(ＣＳ６、ＣＳ７)承載能力?這是由于 ＦＲＰ 條帶

間存在未約束混凝土區(qū)域?這個(gè)區(qū)域混凝土更容易

出現(xiàn)薄弱面? 值得注意的是?盡管間斷包裹試件中

的 ２ 條帶間斷包裹試件和 ３ 條帶間斷包裹試件的覆

蓋面積基本一致?但前者加固效果明顯更優(yōu)?其峰值

應(yīng)力提升幅度分別為 ２５? ９３％和 １０? ９４％?這是因?yàn)?/p>

本試驗(yàn)條件下?試件破壞均從端部開(kāi)始向中間傳遞?

而 ３ 條帶間斷包裹試件的兩端并未覆蓋?從而導(dǎo)致

加固效果不太理想?

(５)從圖 ４ 中試件的軸向應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線

可知?加載曲線可分為 ３ 個(gè)階段:第一階段為彈性階

段(０≤εａ<５ ０００ με)?此時(shí)試件變形較小?ＦＲＰ 布還

未發(fā)揮約束作用?加固組試件與未加固組試件的加

載曲線基本一致?第二階段為發(fā)展階段(５ ０００ με≤

εａ<１０ ０００ με)?此時(shí)試件變形有所增大但仍較小?

ＦＲＰ 布開(kāi)始發(fā)揮約束作用?未加固組試件的加載曲

線逐漸偏離?而各類(lèi)加固組試件的加載曲線基本一

致?第三階段為強(qiáng)化階段( εａ≥１０ ０００ με)?此時(shí)隨

著載荷逐步增加?ＦＲＰ 布的約束作用發(fā)揮更加充分?

各類(lèi)加固組試件的加載曲線逐漸偏離?加固效果差

異逐步體現(xiàn)?

２? ３ 側(cè)向應(yīng)變－軸向應(yīng)變關(guān)系曲線

圖 ５ 為各組試件加載過(guò)程中的側(cè)向應(yīng)變－軸向

應(yīng)變關(guān)系曲線?其中泊松比 η ＝ εｌ

/ εａ ? 由圖 ５

可知:①各類(lèi)試件在加載前期的泊松比基本一致?其

值約為 ０? １７?加載后期逐漸偏離?②由于 ＦＲＰ 布的

約束作用?核心區(qū)混凝土出現(xiàn)裂縫后依然能夠繼續(xù)

承載?各類(lèi)加固組試件破壞時(shí)的側(cè)向應(yīng)變均大于未

加固組試件側(cè)向應(yīng)變?③同一軸向應(yīng)變下?與 ＢＦＲＰ

布加固試件相比?強(qiáng)化階段 ＣＦＲＰ 布加固試件的側(cè)向

２０２３ 年第 ９ 期 １０９

???????????????????????????????????????????????

新型 ＢＦＲＰ 布加固混凝土方柱軸壓性能試驗(yàn)研究

應(yīng)變及其發(fā)展速率要小?這是由于與 ＢＦＲＰ 布相比?

ＣＦＲＰ 布的彈性模量較大?

圖 ５ 側(cè)向應(yīng)變－軸向應(yīng)變關(guān)系曲線

Ｆｉｇ? ５ Ｌａｔｅｒａｌ ｓｔｒａｉｎ－ａｘｉａｌ ｓｔｒａｉｎ ｃｕｒｖｅｓ

３ 承載力分析

３? １ 約束機(jī)理分析

ＦＲＰ 通過(guò)限制混凝土橫向變形來(lái)提高其承載力?

具體表現(xiàn)為在壓力作用下?混凝土膨脹變形使 ＦＲＰ

布發(fā)生拉伸變形?ＦＲＰ 布所產(chǎn)生的拉應(yīng)力 ｆ

ｆｒｐ會(huì)反作

用于混凝土柱?并提供約束應(yīng)力 ｆ

ｌ?限制混凝土柱的

橫向變形[１０]

?具體如圖 ６ 所示?

圖 ６ 約束應(yīng)力分析圖

Ｆｉｇ? ６ Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｓｔｒｅｓｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｄｉａｇｒａｍ

根據(jù)平衡條件有:

ｆ

ｌ(ｓ ＋ ｓ′)Ｄ＝２ｆ

ｆｒｐ

ｔ

ｆｒｐ

ｓ (１)

ｆ

ｆｒｐ

＝Ｅｆｒｐεｆｒｐ (２)

Ｄ＝ ２ ｂ － ２( ２ － １)ｒ (３)

式中:ｆ

ｆｒｐ為 ＦＲＰ 抗拉強(qiáng)度?Ｅｆｒｐ為 ＦＲＰ 彈性模量?εｆｒｐ

為 ＦＲＰ 斷裂應(yīng)變?ｔ

ｆｒｐ為 ＦＲＰ 總厚度?Ｄ 為等效圓柱

直徑[４]

?ｒ 為試件倒角半徑?ｓ 為 ＦＲＰ 條帶寬度?ｓ′為

ＦＲＰ 條帶間距? 當(dāng)試件為全覆蓋包裹時(shí)?ｓ ＝ｈ?ｓ′＝ ０?

對(duì)于方形柱而言?由于拱作用的存在?最大約束

作用力只能施加在部分核心混凝土上?即核心混凝

土中存在有效約束區(qū)和非有效約束區(qū)?實(shí)際約束應(yīng)

力 ｆ ′ｌ 應(yīng)在原來(lái)基礎(chǔ)上考慮截面影響系數(shù) ｋｅ

[１１]

? 此

外?由于方形柱倒角處應(yīng)力集中的存在?ＦＲＰ 布破壞

時(shí)的應(yīng)變 εｒｕｐ達(dá)不到其斷裂應(yīng)變 εｆｒｐ ?需引入有效拉應(yīng)

變系數(shù) ｋε來(lái)反映實(shí)際破壞應(yīng)變的降低幅度[１２]

?即:

ｆ ′ｌ

＝ ｋｅ

ｋε

ｆ

ｌ (４)

ｋｅ

＝１ －

Ａ０

Ａｔ

(５)

ｋε

＝

εｒｕｐ

εｆｒｐ

(６)

Ａ０

＝

２

３

(ｂ － ２ｒ － ０.５ｓ′)

２ ＋ ｂｓ′ － ０.２５ｓ′

２

(７)

Ａｔ

＝ｂ

２ － (４ －π)ｒ

２

(８)

式中:Ａ０為非有效約束區(qū)面積?Ａｔ為截面總面積?

３? ２ 承載力計(jì)算

ＦＲＰ 加固混凝土柱的軸心受壓承載力 Ｎｕ由有

效約束區(qū)混凝土及非有效約束區(qū)混凝土共同承擔(dān):

Ｎｕ

＝ｆ ′ｃ Ａ０

＋ ｆ ′ｃｃ(Ａｔ

－ Ａ０ ) (９)

式中: ｆ ′ｃ 為非有效約束區(qū)混凝土抗壓強(qiáng)度?ｆ ′ｃｃ為有

效約束區(qū)混凝土抗壓強(qiáng)度?

由式(９) 可知?計(jì)算加固試件軸心受壓承載力

的關(guān)鍵在于確定有效約束區(qū)混凝土抗壓強(qiáng)度 ｆ ′ｃｃ? 中

國(guó)規(guī)范[２]

、美國(guó)規(guī)范[３]和歐洲規(guī)范[４]中都提出了 ｆ ′ｃｃ

與有效約束應(yīng)力 ｆ ′ｌ 的關(guān)系模型?為驗(yàn)證模型對(duì)本文

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的適應(yīng)性?將本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入規(guī)范所提

出的計(jì)算模型中? 通過(guò)圖 ７ 中的試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)

比分析可知?各國(guó)規(guī)范中計(jì)算模型所得到的 ｆ ′ｃｃ相較

于試驗(yàn)值均偏小?其中歐洲規(guī)范偏差最為明顯? 值

得注意的是?各國(guó)規(guī)范對(duì) ＣＦＲＰ 布加固試件(ＣＳ８)

的ｆ ′ｃｃ計(jì)算精度很高?而對(duì) ＢＦＲＰ 布加固試件(ＣＳ１－

ＣＳ７)的 ｆ ′ｃｃ計(jì)算精度很差? 因此?為提高新型 ＢＦＲＰ

布加固混凝土試件的軸壓承載力計(jì)算精度?有必要

對(duì)現(xiàn)有模型進(jìn)行修正?結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者研究[１３－１６]

?

提出以下計(jì)算模型:

ｆ ′ｃｃ

ｆ ′ｃ

＝ Ａ ＋Ｂ

ｆ ′ｌ

ｆ ′ｃ

?

è

?

?

?

÷

Ｃ

(１０)

式中:Ａ、Ｂ、Ｃ 為待定參數(shù)? 采用本式對(duì)全覆蓋包裹試

件試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合(見(jiàn)圖 ８)?得到如下擬合公式:

ｆ ′ｃｃ

ｆ ′ｃ

＝ １.２２ ＋ ２.２１

ｆ ′ｌ

ｆ ′ｃ

?

è

?

?

?

÷

１.１３

(１１)

１１０ ２０２３ 年 ９ 月

???????????????????????????????????????????????

復(fù)合材料科學(xué)與工程

圖 ７ 有效約束區(qū)混凝土抗壓強(qiáng)度

Ｆｉｇ? ７ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｉｎ

ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｒｅｓｔｒａｉｎｔ ｚｏｎｅ

圖 ８ 擬合曲線

Ｆｉｇ? ８ Ｆｉｔｔｉｎｇ ｃｕｒｖｅ

４ 結(jié) 論

本文通過(guò)模型試驗(yàn)和理論分析對(duì)新型 ＢＦＲＰ 布

加固混凝土方形柱的軸壓性能進(jìn)行研究?得出主要

結(jié)論如下:

(１)新型 ＢＦＲＰ 布與 ＣＦＲＰ 布加固試件加載曲線

的發(fā)展趨勢(shì)基本一致?但 ＢＦＲＰ 加固效果相對(duì)較弱?

全覆蓋包裹 ２ 層時(shí)?兩者軸壓承載力提升幅值分別為

２８? ４５％和 ６４? ７３％?

(２)與 ＣＦＲＰ 布相比?ＢＦＲＰ 布的彈性模量較小?

強(qiáng)化階段 ＢＦＲＰ 布加固試件在同一軸向應(yīng)變下的側(cè)

向應(yīng)變及其發(fā)展速率相對(duì)較大?

(３)各國(guó)規(guī)范所提出的有效約束區(qū)混凝土抗壓

強(qiáng)度計(jì)算模型對(duì) ＣＦＲＰ 加固試件適用性良好?而對(duì)

ＢＦＲＰ 適用性很差? 本文所得有效約束區(qū)混凝土抗

壓強(qiáng)度計(jì)算模型可精確預(yù)測(cè)新型 ＢＦＲＰ 布加固試件

軸壓承載力?

參考文獻(xiàn)

[１] ＨＯＬＬＡＷＡＹ Ｌ Ｃ. Ａ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ａｎｄ ｆｕｔｕｒｅ ｕｔｉｌｉｓａｔｉｏｎ ｏｆ

ＦＲＰ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｃｉｖｉｌ ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｔｏ ｔｈｅｉｒ ｉｍ￣

ｐｏｒｔａｎｔ ｉｎ－ｓｅｒｖｉｃｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ[Ｊ]. Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ?

２０１０? ２４(１２): ２４１９－２４４５.

[２] 混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范: ＧＢ ５０３６７—２０１３[Ｓ]. 北京: 中國(guó)建

筑工業(yè)出版社? ２０１３.

[３] ＡＣＩ Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ ４４０. Ｇｕｉｄｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｅｘｔｅｒ￣

ｎａｌｌｙ ｂｏｎｄｅｄ ＦＲＰ ｓｙｓｔｅｍｓｆｏｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ: ２Ｒ－

１７[Ｓ]. Ｄｅｔｒｏｉｔ: Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ? ２０１７.

[４] ＴＲＩＡＮＴＡＦＩＬＬＯＵ Ｔ? ＭＡＴＴＨＹＳ Ｓ? ＡＵＤＥＮＡＥＲＴ Ｋ? ｅｔ ａｌ. Ｅｘｔｅｒ￣

ｎａｌｌｙ ｂｏｎｄｅｄ ＦＲＰ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ＲＣ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ[Ｍ]. Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ

Ｆｅｄｅｒａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ(ｆｉｂ)? ２００１.

[５] ＺＨＯＵ Ｄ Ｙ? ＬＥＩ Ｚ? ＷＡＮＧ Ｊ Ｂ. Ｉｎ－ｐｌａｎｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｓｅｉｓｍｉｃａｌｌｙ

ｄａｍａｇｅｄ ｍａｓｏｎｒｙ ｗａｌｌｓ ｒｅｐａｉｒｅｄ ｗｉｔｈ ｅｘｔｅｒｎａｌ ＢＦＲＰ[ Ｊ]. Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ

Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ? ２０１３? １０２: ９－１９.

[６] 秦子鵬? 田艷? 李剛? 等. ＢＦＲＰ 布加固鋼筋混凝土梁抗彎性能

的分形特征研究[Ｊ]. 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)? ２０１８? ２６(５):

９７３－９８５.

[７] 王海良? 李博. 紫外線、疲勞荷載及兩者耦合作用下 ＢＦＲＰ 布的

耐久性試驗(yàn)[Ｊ]. 建筑材料學(xué)報(bào)? ２０２０? ２３(５): １１５３－１１５９.

[８] 混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn): ＧＢ/ Ｔ ５０１５２—２０１２[Ｓ]. 北京: 中國(guó)

建筑工業(yè)出版社? ２０１４.

[９] ＷＡＮＧ Ｄ Ｙ? ＷＡＮＧ Ｚ Ｙ? ＳＭＩＴＨ Ｓ Ｔ? ｅｔ ａｌ. Ｓｉｚｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ａｘｉａｌ ｓｔｒｅｓｓ－

ｓｔｒａｉｎ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ＣＦＲＰ－ｃｏｎｆｉｎｅｄ ｓｑｕａｒｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｃｏｌｕｍｎｓ[Ｊ]. Ｃｏｎ￣

ｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ? ２０１６? １１８: １１６－１２６.

[１０] 謝劍? 楊麗? 徐福泉. 預(yù)應(yīng)力鋼箍加固混凝土圓形短柱軸壓性

能研究[Ｊ]. 工程力學(xué)? ２０２０? ３７(１１): １９５－２０８.

[１１] 相澤輝? 周杰? 牛建剛? 等. 混凝土帆布與 ＣＦＲＰ 條帶聯(lián)合加

固方形截面混凝土短柱軸心受壓力學(xué)性能[ Ｊ]. 復(fù)合材料學(xué)

報(bào)? ２０２２? ３９(１０): ４８２４－４８３８.

[１２] ＯＺＢＡＫＫＡＬＯＧＬＵ Ｔ? ＬＩＭ Ｊ Ｃ. Ａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ＦＲＰ－

ｃｏｎｆｉｎｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ: Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｔｅｓｔ ｄａｔａｂａｓｅ ａｎｄ ａ ｎｅｗ ｄｅｓｉｇｎ －

ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｍｏｄｅｌ[Ｊ]. Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｐａｒｔ Ｂ: Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ? ２０１３? ５５: ６０７－

６３４.

[１３] 袁婉瑩? 韓強(qiáng)? 白玉磊? 等. ＦＲＰ 包裹混凝土圓柱統(tǒng)一約束模

型[Ｊ]. 中國(guó)公路學(xué)報(bào)? ２０２２? ３５(２): １４６－１５８.

[ １４] ＦＡＨＭＹ Ｍ Ｆ? ＷＵ Ｚ Ｓ. Ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ ａｎｄ ｐｒｏｐｏｓｉｎｇ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ｃｉｒｃｕｌａｒ

ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｃｏｌｕｍｎｓ ｃｏｎｆｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ＦＲＰ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ[Ｊ]. Ｃｏｍ￣

ｐｏｓｉｔｅｓ Ｐａｒｔ Ｂ: Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ? ２００９? ４１(３): １９９－２１３.

[１５] ＰＡＮ Ｙ? ＧＵＯ Ｒ? ＬＩＨ Ｙ? ｅｔ ａｌ. Ａｎａｌｙｓｉｓ－ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎ

ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ＦＲＰ－ｃｏｎｆｉｎｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｗｉｔｈ ｐｒｅｌｏａｄ[Ｊ]. Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｓｔｒｕｃ￣

ｔｕｒｅｓ? ２０１７? １６６: ５７－６７.

[１６] ＮＩＳＴＩＣＯ Ｎ? ＰＡＬＬＩＮＩ Ｆ? ＲＯＵＳＡＫＩＳ Ｔ? ｅｔ ａｌ. Ｐｅａｋ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ

ｕｌｔｉｍａｔｅ ｓｔｒａｉｎ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ＦＲＰ ｃｏｎｆｉｎｅｄ ｓｑｕａｒｅ ａｎｄ ｃｉｒｃｕｌａｒ ｃｏｎ￣

ｃｒｅｔｅ ｓｅｃｔｉｏｎｓ[Ｊ]. Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｐａｒｔ Ｂ? ２０１４? ６７: ５４３－５５４.

２０２３ 年第 ９ 期 １１１

???????????????????????????????????????????????

連續(xù)碳纖維 ３Ｄ 打印的路徑規(guī)劃研究進(jìn)展

ＤＯＩ:１０? １９９３６ / ｊ? ｃｎｋｉ? ２０９６－８０００? ２０２３０９２８? ０１７

連續(xù)碳纖維 ３Ｄ 打印的路徑規(guī)劃研究進(jìn)展

張榮耀? 錢(qián) 波?

? 劉 鋼

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院? 上海 ２０１６００)

摘要: 近年來(lái)?隨著 ３Ｄ 打印技術(shù)的發(fā)展?一些復(fù)雜幾何形狀復(fù)合材料結(jié)構(gòu)能夠有效制造出來(lái)?從而拓展了復(fù)合材料的應(yīng)

用范圍? 路徑規(guī)劃是 ３Ｄ 打印制造過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)之一?由于連續(xù)碳纖維各向異性的特點(diǎn)?不同的打印路徑對(duì)成型件力學(xué)性

能和成型效率有很大的影響? 本文主要講述了適用于連續(xù)碳纖維 ３Ｄ 打印中面內(nèi)非交錯(cuò)打印和基于載荷的路徑規(guī)劃? 最后指

出了 ３Ｄ 打印路徑規(guī)劃的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向?

關(guān)鍵詞: 連續(xù)碳纖維? 路徑規(guī)劃? ３Ｄ 打印? 復(fù)合材料

中圖分類(lèi)號(hào): ＴＢ３３２ 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: Ａ 文章編號(hào): ２０９６－８０００(２０２３)０９－０１１２－０９

Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｆｏｒ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ３Ｄ ｐｒｉｎｔｉｎｇ

ＺＨＡＮＧ Ｒｏｎｇｙａｏ? ＱＩＡＮ Ｂｏ

?

? ＬＩＵ Ｇａｎｇ

(Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ? Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ?

Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１６００? Ｃｈｉｎａ)

Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ? ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ３Ｄ ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ? ｓｏｍｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｃａｎ ｂｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄ? ｔｈｕｓ ｅｘｐａｎｄｉｎｇ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｃｏｐｅ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ. Ｐａｔｈ ｐｌａｎ￣

ｎｉｎｇ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｉｎ ３Ｄ ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ. Ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ

ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ? ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｐａｔｈｓ ｈａｖｅ ａ ｇｒｅａｔ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｆｏｒｍｉｎｇ ｅｆｆｉ￣

ｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｌｄｉｎｇ ｐａｒｔｓ. Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｍａｉｎｌｙ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｉｎ－ｐｌａｎｅ ｎｏｎ－ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ ｐｒｉｎｔｉｎｇ ａｎｄ ｌｏａｄ－ｂａｓｅｄ ｐａｔｈ

ｐｌａｎｎｉｎｇ ｆｏｒ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ３Ｄ ｐｒｉｎｔｉｎｇ. Ｆｉｎａｌｌｙ? ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｅｍｐｈａｓｉｓ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ３Ｄ

ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ ａｒｅ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ.

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ:ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ? ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ? ３Ｄ ｐｒｉｎｔ? ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ

收稿日期: ２０２２－０８－３０

基金項(xiàng)目: 上海特種數(shù)控裝備及工藝工程技術(shù)研究中心 (１７ＤＺ２２８３２００)

作者簡(jiǎn)介: 張榮耀 (１９９５—)? 男? 碩士研究生? 主要研究方向?yàn)樘祭w維增材制造?

通訊作者: 錢(qián)波 (１９７９—)? 男? 副教授? 研究方向?yàn)橹悄苤圃臁?增材制造技術(shù)、 激光加工? ｑｉａｎｂｏ＠ｓｕｅｓ? ｅｄｕ? ｃｎ?

３Ｄ 打印技術(shù)因具備可成型復(fù)雜幾何形狀結(jié)構(gòu)

的特點(diǎn)?在航天航空、醫(yī)療和汽車(chē)等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣

泛? 增材制造有多種方法?目前使用較多的有熔融

沉積成型(ＦＤＭ)、立體光固化成型(ＳＬＡ)、選擇性激

光燒結(jié)(ＳＬＳ) 等?圖 １ 至圖 ３ 為三種制造方法的工

作原理圖? 其中 ＦＤＭ 因其技術(shù)成本低、易于使用、

材料浪費(fèi)少而備受關(guān)注[１－２]

?

圖 １ 熔融沉積成型圖

Ｆｉｇ? １ ＦＤＭ

圖 ２ 立體光固化成型圖

Ｆｉｇ? ２ ＳＬＡ

圖 ３ 選擇性激光燒結(jié)

Ｆｉｇ? ３ ＳＬＳ

１１２ ２０２３ 年 ９ 月

???????????????????????????????????????????????

復(fù)合材料科學(xué)與工程

傳統(tǒng) ＦＤＭ 使用的材料主要有 ＰＬＡ、ＡＢＳ、Ｎｙｌｏｎ

等熱塑性聚合物以及環(huán)氧樹(shù)脂等[３－７]

? 聚合物的 ３Ｄ

打印已經(jīng)在航空航天工業(yè)中用于制造復(fù)雜的輕質(zhì)結(jié)

構(gòu)?在建筑工業(yè)中用于結(jié)構(gòu)模型?在藝術(shù)領(lǐng)域中用于

人工制品復(fù)制或教育?以及在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中用于打印

組織和器官[８－１１]

? 雖然 ＦＤＭ 零件已經(jīng)在各種行業(yè)引

起了關(guān)注?但大多數(shù) ３Ｄ 打印產(chǎn)品現(xiàn)在仍被用作概念

模型來(lái)展示?而不是最終的功能性產(chǎn)品?因?yàn)橥ㄟ^(guò) ３Ｄ

打印制造的純聚合物產(chǎn)品缺乏有效的機(jī)械性能?限

制了其功能性應(yīng)用[１２－１４]

?

復(fù)合材料的 ３Ｄ 打印通過(guò)基質(zhì)和增強(qiáng)材料的結(jié)

合來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)?該系統(tǒng)具有任何單獨(dú)的成分都

無(wú)法獲得的更有用的結(jié)構(gòu)或功能屬性? 例如?Ｗａｎｇ

等[１５]研究了顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料、短纖維增強(qiáng)復(fù)合材

料和納米復(fù)合材料的不同技術(shù)?通過(guò)這種工藝生產(chǎn)的

零件顯示出與鋁相當(dāng)?shù)男阅?這提高了它們?cè)诠こ?/p>

應(yīng)用中的潛在用途[１６－１７]

? 最常見(jiàn)的兩種方式是在基

質(zhì)中填充短纖維或連續(xù)纖維? 當(dāng)使用短纖維填充時(shí)?

纖維之間不連續(xù)的特性會(huì)導(dǎo)致壓力通過(guò)基體材料傳

遞?因此機(jī)械強(qiáng)度的相應(yīng)提升并不明顯? 當(dāng)使用連續(xù)

纖維進(jìn)行填充時(shí)?拉伸和彎曲載荷會(huì)施加到長(zhǎng)纖維

束上?作用在基體材料上的力將降到最低?從而帶來(lái)

機(jī)械強(qiáng)度的大幅提升?

連續(xù)碳纖維復(fù)合物通過(guò)噴嘴的熱端擠出?并沉

積在打印平臺(tái)上?逐層構(gòu)建幾何形狀[１８]

? 根據(jù)碳纖

維與基體混合過(guò)程中時(shí)間和位置的不同?有如圖 ４

所示三種混合方法? 碳纖維復(fù)合絲束在打印過(guò)程中

被浸漬?采用噴嘴外浸漬方法時(shí)?使用兩個(gè)進(jìn)料器在

打印平臺(tái)上同時(shí)打印熱塑性長(zhǎng)絲和連續(xù)碳纖維?連

續(xù)碳纖維和熱塑料基質(zhì)的熔合在噴嘴外部完成?如

圖 ４(ａ)所示? 采用噴嘴內(nèi)浸漬方法時(shí)?連續(xù)碳纖維

和熱塑性長(zhǎng)絲在噴嘴內(nèi)混合在一起[１９]

?如圖 ４( ｂ)

所示? 在圖 ４(ｃ)中?半成品碳纖維絲束已作為預(yù)浸

材料制成?直接由傳統(tǒng)的打印噴頭擠出[２０]

?

(ａ)噴嘴外浸漬

(ａ)Ｏｕｔｓｉｄｅ ｎｏｚｚｌｅ ｉｍｐｒｅｇｎａｔｉｏｎ

(ｂ)噴嘴內(nèi)浸漬

(ｂ)Ｉｎ－ｎｏｚｚｌｅ ｉｍｐｒｅｇｎａｔｉｏｎ

(ｃ)成品碳纖維絲束

(ｃ)Ｆｉｎｉｓｈｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｔｏｗ

圖 ４ 連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的不同 ３Ｄ 打印方法

Ｆｉｇ? ４ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ３Ｄ ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ

ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ

對(duì)目標(biāo)物體模型進(jìn)行切片處理后?打印噴頭在每

一層上的運(yùn)動(dòng)軌跡是 ３Ｄ 打印的重要步驟? 在打印

過(guò)程中選擇合適的路徑能夠很大程度上減少打印噴

頭空程以及拐彎次數(shù)?從而提高打印的效率和質(zhì)量?

為了提高打印的質(zhì)量和效率?３Ｄ 打印路徑規(guī)劃問(wèn)題

越來(lái)越引起相關(guān)學(xué)者的重視? 連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合

材料由于缺乏有效的路徑規(guī)劃方法?只能在簡(jiǎn)單的

幾何形狀和有限的區(qū)域內(nèi)使用碳纖維[２１]

? 作為關(guān)

鍵參數(shù)之一?打印路徑不僅影響幾何形狀?還決定了

不同碳纖維取向的打印零件機(jī)械性能[２２－２３]

? 許多

研究人員探究了不同路徑對(duì)成型件的精度、力學(xué)性

能和打印效率的影響?提出了不同的路徑規(guī)劃方法?

文中將對(duì)路徑規(guī)劃研究的現(xiàn)狀進(jìn)行分析與討論?

因?yàn)榇蛴÷窂經(jīng)Q定了打印試件的強(qiáng)度、幾何形

狀和表面粗糙度? 如表 １ 所示?對(duì)用于制造碳纖維

增強(qiáng)復(fù)合材料部件的四種不同類(lèi)型的打印方法進(jìn)行

了區(qū)分和描述?包括直線打印、面內(nèi)非交錯(cuò)打印、面

內(nèi)交錯(cuò)打印和基于載荷方向打印? 直線打印具有穿

過(guò)整個(gè)零件的直纖維路徑?其余體積填充純樹(shù)脂? 這

種加固方法易于實(shí)施?但是單向纖維路徑限制了多

向承載的可能性? 因此?有學(xué)者提出了面內(nèi)非交錯(cuò)打

２０２３ 年第 ９ 期 １１３

???????????????????????????????????????????????

連續(xù)碳纖維 ３Ｄ 打印的路徑規(guī)劃研究進(jìn)展

印方法?在二維方向上改變纖維沉積方向?包括 Ｚ 字

形、輪廓和螺旋打印路徑?它們都具有平行的相鄰路

徑?并且各個(gè)曲線不相交? 與直線打印相比?面內(nèi)非

交錯(cuò)打印成型件的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和模量有了

很大的提高? 面內(nèi)交錯(cuò)打印主要填充復(fù)合部件的內(nèi)

部體積?可以實(shí)現(xiàn)更好的抗壓強(qiáng)度? 因?yàn)槔w維增強(qiáng)

長(zhǎng)絲提供了優(yōu)異的自支撐性能?所以可以很容易地

建立三維結(jié)構(gòu)? 基于載荷方面打印是基于載荷方向

的路徑規(guī)劃?根據(jù)零件受載時(shí)應(yīng)力場(chǎng)的方向來(lái)布置

打印路徑?充分發(fā)揮了連續(xù)碳纖維各向異性的特點(diǎn)?

表 １ 連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料零件的四種不同打印方法

Ｔａｂｌｅ １ Ｆｏｕｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｐａｒｔｓ

打印類(lèi)型 材料 作者 打印路徑

直線打印 連續(xù)碳纖維增強(qiáng) ＰＬＡ

連續(xù)碳纖維增強(qiáng) ＡＢＳ

Ｈｅｉｄａｒｉ 等?２０１９

[２４]

Ｂａｕｍａｎｎ 等?２０１７

[１６]

直線

面內(nèi)非交錯(cuò)打印

連續(xù)碳纖維增強(qiáng) Ｎｙｌｏｎ

連續(xù)碳纖維增強(qiáng) ＴＰＩ

連續(xù)碳纖維增強(qiáng) Ｎｙｌｏｎ

連續(xù)碳纖維增強(qiáng) Ｎｙｌｏｎ

連續(xù)碳纖維增強(qiáng) Ｎｙｌｏｎ

Ｄｕｔｒａ 等?２０１９

[２５]

Ｙｅ 等?２０１９

[２６]

Ｔｏｄｏｒｏｋｉ 等?２０２０

[２７]

Ｊｕａｎ 等?２０１９

[２８]

Ｊｕａｎ 等?２０１９

Ｚ 字形

輪廓

Ｚ 字形輪廓混合

面內(nèi)交錯(cuò)打印

連續(xù)碳纖維增強(qiáng) Ｎｙｌｏｎ

連續(xù)碳纖維增強(qiáng) ＡＢＳ

連續(xù)碳纖維增強(qiáng) Ｎｙｌｏｎ

Ｌｉ 等?２０２０

Ｍｉｎｇ 等?２０１９

[２９]

Ｄｅ Ｂａｃｋｅｒ 等?２０２０

[３０]

蜂窩狀

網(wǎng)格

沿載荷方向打印

連續(xù)碳纖維增強(qiáng) Ｎｙｌｏｎ

連續(xù)碳纖維增強(qiáng) Ｎｙｌｏｎ

Ｓｕｇｉｙａｍａ 等?２０２０

[３１]

Ｌｉ 等?２０２０

[３２]

沿載荷傳遞路徑

接下來(lái)本文主要從 Ｚ 字形路徑規(guī)劃、偏置輪廓

路徑規(guī)劃、螺旋路徑規(guī)劃和基于載荷方向的路徑規(guī)

劃對(duì)研究的現(xiàn)狀進(jìn)行分析與討論?

１ Ｚ 字形路徑規(guī)劃

這種掃描方式生成的路徑軌跡類(lèi)似于英文字母

“Ｚ”?被稱(chēng)為“Ｚ”字形路徑? 由于 Ｚ 字形路徑適用性

強(qiáng)?目前已經(jīng)成為當(dāng)今商用打印機(jī)最主流的路徑規(guī)

劃方式? 它是按照一定的角度平行往復(fù)對(duì)切片層輪

廓進(jìn)行等距分割?如圖 ５ 所示?相對(duì)于平行直線路徑

(圖 ６)?它的空行程有所減少?但在輪廓邊緣尖銳的

地方毛刺較多?成型質(zhì)量較差[３３]

?

圖 ５ Ｚ 字形路徑規(guī)劃

Ｆｉｇ? ５ Ｚ－ｓｈａｐｅｄ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ

圖 ６ 平行直線路徑規(guī)劃

Ｆｉｇ? ６ Ｐａｒａｌｌｅｌ ｌｉｎｅａｒ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ

傳統(tǒng)的 Ｚ 字形路徑在打印過(guò)程中噴頭的轉(zhuǎn)折點(diǎn)

過(guò)多?不能滿足長(zhǎng)纖維 ３Ｄ 打印連續(xù)性條件? 譚瑞

詩(shī)等[３４]提出了填充角度可調(diào)的 Ｚ 字形路徑?采用動(dòng)

態(tài)可調(diào)的填充角度并將相關(guān)聯(lián)交線按照奇偶原則進(jìn)

行連接?從而減少跳轉(zhuǎn)點(diǎn)數(shù)量?實(shí)現(xiàn)路徑連續(xù)最大

化?同時(shí)又可以根據(jù)不同特征的零件自動(dòng)生成不同

的填充角度? 通過(guò)對(duì)不同形狀三維模型切片處理進(jìn)

行試驗(yàn)驗(yàn)證可知?新算法可以減少 ６０％以上的 ３Ｄ 打

印路徑跳轉(zhuǎn)率?滿足連續(xù)碳纖維 ３Ｄ 打印連續(xù)性的

１１４ ２０２３ 年 ９ 月

???????????????????????????????????????????????

復(fù)合材料科學(xué)與工程

要求?

Ｚ 字形填充路徑在打印過(guò)程中噴頭多次啟動(dòng)、

停止?這種頻繁的加減速不僅會(huì)降低打印效率?而且

會(huì)由于速度不均勻以及方向變化影響打印質(zhì)量?Ｚ 字

形路徑拐點(diǎn)示意圖如圖 ７ 所示? 為解決該問(wèn)題?任

東改[３５]提出了以 Ｂａｙａｚｉｔ 算法為基礎(chǔ)對(duì)打印件進(jìn)行

分割?通過(guò)遺傳算法和分區(qū)算法對(duì) ３Ｄ 打印路徑規(guī)

劃算法進(jìn)行改進(jìn)?并設(shè)置拐點(diǎn)數(shù)量及拐角角度為優(yōu)

化參數(shù)?

圖 ７ Ｚ 字形路徑拐點(diǎn)示意圖[３５]

Ｆｉｇ? ７ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｚｉｇｚａｇ ｐａｔｈ ｉｎｆｌｅｃｔｉｏｎ ｐｏｉｎｔ

楊德成[３６]研究了 Ｚ 字形不同的拐點(diǎn)數(shù)量和角

度對(duì)成型質(zhì)量的影響? 通過(guò)圖 ８ 打印路徑邊界的沉

積示意圖可以看出拐角處會(huì)有過(guò)填充及未填充的現(xiàn)

象? 為解決這一問(wèn)題?他提出了一種智能路徑規(guī)劃

算法? 該算法采用凹多邊形凸分解方法對(duì)輪廓進(jìn)行

分區(qū)?通過(guò)沿較長(zhǎng)軸的方向進(jìn)行填充?能有效減少打

印噴頭啟停的次數(shù)和拐點(diǎn)數(shù)量?能夠得到較好的成

型效果? 但這種方式分區(qū)數(shù)量過(guò)多?對(duì)成型件的強(qiáng)

度有很大的影響?

圖 ８ 邊界沉積示意圖

Ｆｉｇ? ８ Ｂｏｕｎｄａｒｙ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｄｉａｇｒａｍ

Ｄｉｎｇ 等[３３]將二維輪廓分解成一組凸多邊形?然

后分別對(duì)每個(gè)凸多邊形確定一個(gè)最佳掃描角度?并

使用輪廓和 Ｚ 字形混合成一個(gè)連續(xù)的打印路徑?最

后?將所有單獨(dú)的子路徑連接起來(lái)形成一條封閉的

路徑?從而減少打印路徑的數(shù)量? Ｄｕｔｒａ 等[２５] 通過(guò)

對(duì) Ｚ 字形不同的打印角度進(jìn)行對(duì)比分析?確定了連

續(xù)碳纖維增強(qiáng)層板的縱向(Ｅｃｆ１ )、橫向(Ｅｃｆ２ )和面內(nèi)

剪切(Ｇｃｆ１２ )模量?

２ 偏置輪廓路徑規(guī)劃

偏置輪廓路徑規(guī)劃是由一組平行于給定切片的

閉合輪廓組成的?按一定掃描方向進(jìn)行掃描成型?如

圖 ９ 所示? 由于切片后生成的輪廓含有多個(gè)子區(qū)

域?在實(shí)際打印過(guò)程中會(huì)有較多的跳轉(zhuǎn)?并且在每個(gè)

子區(qū)域末端會(huì)出現(xiàn)“拔絲”現(xiàn)象?即產(chǎn)生了多余的固

化毛刺[３７]

? 偏置輪廓生成的路徑減少了路徑斷點(diǎn)

和打印噴頭空走?并且減少了路徑的尖角? 相比于

平行直線填充方式?偏置輪廓填充路徑少了層內(nèi)臺(tái)

階效應(yīng)的影響?因此與平行線掃描填充路徑相比?偏

置輪廓填充路徑打印出來(lái)的零件在表面質(zhì)量和精度

上更優(yōu)[３８]

?

圖 ９ 偏置輪廓路徑規(guī)劃

Ｆｉｇ? ９ Ｂｉａｓ ｐｒｏｆｉｌｅ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ

２０００ 年?Ｐａｒｋ 首先提出了偏置輪廓算法?通過(guò)最

外層輪廓線不斷地向內(nèi)偏移來(lái)生成打印路徑? 目前

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都對(duì)偏置輪廓填充算法進(jìn)行了研究?

Ｘｕ 等[３９] 將切片輪廓環(huán)的輪廓線進(jìn)行直接偏置?得

到層面內(nèi)的等距偏置路徑? 熊文駿[４０] 設(shè)計(jì)出變距

偏置填充算法?使輪廓環(huán)向填充區(qū)域內(nèi)收縮?避免了

在打印過(guò)程中輪廓曲線發(fā)生自相交或互相交的情形?

羅恒等[４１]通過(guò)多邊形單調(diào)鏈分解使支骨架偏置填充

算法的計(jì)算速度得到了提升? 尚雯[４２]將切片層內(nèi)所

有子區(qū)域等距偏置生成的曲線進(jìn)行螺旋化?得到子

區(qū)域的螺旋偏置填充路徑?從而減少了層面跳轉(zhuǎn)點(diǎn)

２０２３ 年第 ９ 期 １１５

???????????????????????????????????????????????

連續(xù)碳纖維 ３Ｄ 打印的路徑規(guī)劃研究進(jìn)展

的數(shù)量? Ｊｉｎ 等[４３]提出了基于形心收縮的輪廓線生

成算法?通過(guò)引入非均勻有理 Ｂａｙａｚｉｔ 樣條曲線來(lái)表

示 ＲＰ / Ｍ 中切片層的邊界輪廓?進(jìn)而保持原始模型

特征的幾何精度?然后開(kāi)發(fā)了一種混合路徑生成算

法?沿每個(gè)切片層的邊界和偏移曲線生成輪廓路徑?

以保持幾何精度?并設(shè)計(jì)了自適應(yīng)算法?為輪廓打印

路徑生成 ＲＰ / Ｍ 噴嘴/ 打印頭的自適應(yīng)速度?以解決

每層的幾何特征?

３ 螺旋路徑規(guī)劃

螺旋打印路徑是以中心點(diǎn)向外擴(kuò)散的螺旋線?

這種掃描方式有效地避免了 Ｚ 字形路徑的缺點(diǎn)?打

印路徑如圖 １０ 所示? 螺旋掃描方式能夠保證碳纖

維長(zhǎng)纖三維成型路徑的連續(xù)性?減少噴頭的跳轉(zhuǎn)?

圖 １０ 螺旋路徑規(guī)劃

Ｆｉｇ? １０ Ｓｐｉｒａｌ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ

傳統(tǒng)螺旋偏置路徑存在凹多邊形輪廓環(huán)產(chǎn)生大

量自交環(huán)現(xiàn)象以及螺旋處理計(jì)算量大等問(wèn)題?影響

切片和成型效率? 為解決這一問(wèn)題?周祖德等[４４] 提

出了凹多邊形分解算法?通過(guò)將凹多邊形凹點(diǎn)分解

處理為多個(gè)凸多邊形?減少自交環(huán)的產(chǎn)生? 通過(guò)采用

新的螺旋算法?可以將上一個(gè)輪廓環(huán)的終點(diǎn)作為下

一個(gè)輪廓環(huán)的起點(diǎn)進(jìn)行相互連接? 驗(yàn)證表明新的螺

旋偏置填充算法切片效率提升了 ３９％?打印時(shí)間減

少了 ２１％? Ｊｉｈｅｅ

[４５]提出了等距螺旋偏置填充算法?

該算法在實(shí)際應(yīng)用中并不能較好地對(duì)有孔特征的打

印模型進(jìn)行路徑規(guī)劃? 易雪濤[４６] 針對(duì)等距螺旋偏

置填充算法存在的一些問(wèn)題進(jìn)行了改進(jìn)?提出了適

用于碳纖維增強(qiáng)層的改進(jìn)等距螺旋偏置填充算法?

費(fèi)馬螺旋曲線是根據(jù)螺旋填充路徑演化出來(lái)的

一種路徑?它可以對(duì) ２Ｄ 區(qū)域內(nèi)的每個(gè)子區(qū)域進(jìn)行

連續(xù)填充?如圖 １１ 所示? 費(fèi)馬螺旋是由兩條螺旋方

向不同的子螺旋交錯(cuò)形成的?與輪廓平行填充方式

類(lèi)似?費(fèi)馬螺旋曲線只在中心點(diǎn)有一個(gè)急轉(zhuǎn)彎?并且

切片層內(nèi)的幾條費(fèi)馬螺旋曲線可以連接成閉合曲

線? 與傳統(tǒng)的單向螺旋曲線不同?費(fèi)馬螺旋曲線可

以進(jìn)入再轉(zhuǎn)出來(lái)?并且不同的費(fèi)馬螺旋允許在它們

的邊界處進(jìn)行連接? 費(fèi)馬螺旋的起點(diǎn)和終點(diǎn)可以在

其邊界上自由選擇?這使切片層內(nèi)多個(gè)費(fèi)馬螺旋曲

線之間可以連接?

圖 １１ 費(fèi)馬螺旋路徑規(guī)劃

Ｆｉｇ? １１ Ｆｅｒｍａｔ ｓｐｉｒａｌ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ

Ｚｈａｏ 等[４７]開(kāi)發(fā)了一種基于連通費(fèi)馬螺旋或 ＣＦＳ

的路徑規(guī)劃算法?可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)填充連通的切片層

區(qū)域?如圖 １２ 所示?并開(kāi)發(fā)了一種算法來(lái)構(gòu)造 ＣＦＳ

曲線以填充單連通的 ２Ｄ 區(qū)域? 該算法首先將輸入

區(qū)域分解成一組子區(qū)域?每個(gè)子區(qū)域允許單個(gè)費(fèi)馬

螺旋的連續(xù)填充? 相鄰子區(qū)域的費(fèi)馬螺旋線的起點(diǎn)

和終點(diǎn)也相鄰?從而得到一個(gè)連續(xù)的遍歷可螺旋的

子區(qū)域?并通過(guò)起點(diǎn)/ 終點(diǎn)連接它們各自的費(fèi)馬螺旋?

以形成全局連續(xù)的曲線? 與曲折填充相比?ＣＦＳ 算

法生成的路徑具有較少的急轉(zhuǎn)彎?并且主要由連續(xù)

的低曲率曲線組成?

圖 １２ 連通費(fèi)馬螺旋[４７]

Ｆｉｇ? １２ Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ Ｆｅｒｍａｔ ｓｐｉｒａｌ

４ 基于載荷的路徑規(guī)劃

零件在受載情況下?內(nèi)部會(huì)形成類(lèi)似于磁場(chǎng)線

的應(yīng)力流曲線?它往往是從載荷點(diǎn)指向約束點(diǎn)?從而

描述出應(yīng)力場(chǎng)中力的傳遞路徑? 基于主應(yīng)力軌跡線

１１６ ２０２３ 年 ９ 月

???????????????????????????????????????????????

復(fù)合材料科學(xué)與工程

的 ３Ｄ 打印填充路徑優(yōu)化是在分析零件設(shè)計(jì)域內(nèi)主

應(yīng)力軌跡線分布特征的基礎(chǔ)上?自定義規(guī)劃 ３Ｄ 打

印層內(nèi)填充路徑?實(shí)現(xiàn)連續(xù)碳纖維方向與主應(yīng)力方

向相同?從而使力盡可能沿著碳纖維絲束的軸向傳

遞?以最大限度減小連續(xù)碳纖維各向異性對(duì)零件力

學(xué)性能的負(fù)面影響? 圖 １３ 所示為基于有限元分析的

主應(yīng)力軌跡線生成方法?

圖 １３ 基于有限元分析的主應(yīng)力軌跡線生成方法

Ｆｉｇ? １３ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｔｒａｃｅ

ｌｉｎｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ

由于連續(xù)碳纖維的各向異性機(jī)械性能?碳纖維

的鋪設(shè)方向決定了打印碳纖維增強(qiáng)塑料的機(jī)械強(qiáng)

度?一種典型的方法是將碳纖維角度與主應(yīng)力方向

對(duì)齊?以減少剪切應(yīng)力并最大化碳纖維內(nèi)的法向應(yīng)

力?從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的最佳剛度特性[４８－４９]

?

基于載荷規(guī)劃出來(lái)的路徑?當(dāng)碳纖維絲束與主應(yīng)力

方向一致時(shí)?碳纖維的優(yōu)勢(shì)才能被充分發(fā)揮出來(lái)?該

方法的流程圖如圖 １４ 所示? 首先?獲得零件的原始

模型?根據(jù)使用條件施加載荷和約束? 然后?利用拓

撲優(yōu)化分析各向同性材料中的載荷傳遞路徑? 利用

主應(yīng)力(拉伸應(yīng)力和壓縮應(yīng)力)的方向和強(qiáng)度、碳纖

維復(fù)合絲束直徑和碳纖維的最小扭轉(zhuǎn)角等條件作為

打印路徑的邊界條件? 最后?生成 Ｇ－ｃｏｄｅ 代碼文件

并用于控制打印系統(tǒng)?

圖 １４ 基于載荷生成打印路徑流程圖

Ｆｉｇ? １４ Ｇｅｎｅｒａｔｅ ｐｒｉｎｔ ｐａｔｈ ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｌｏａｄ

研究表明?碳纖維取向優(yōu)化可以顯著提高各種

結(jié)構(gòu)性能?例如增加剛度、屈曲穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、局

部失效載荷和固有頻率等[５０－５３]

? Ｋｅｎｔａｒｏ 等[５４] 對(duì)通

過(guò)應(yīng)力分布優(yōu)化的路徑打印進(jìn)行了研究?初步研究

工作表明?沿著載荷傳遞路徑打印連續(xù)碳纖維對(duì)零

件的性能有很大的提升? Ｗａｎｇ 等[５５] 提出一種基于

載荷的路徑規(guī)劃(ＬＰＰ)方法來(lái)生成連續(xù)碳纖維的打

印路徑?解決了不同載荷條件下無(wú)序和間斷的拉應(yīng)

力和壓應(yīng)力不能遵循連續(xù)路徑的難點(diǎn)? 該路徑精確

遵循零件的載荷傳遞路徑?并能提供更高的機(jī)械性

能? 根據(jù)打印路徑的直線(或曲線)的曲率、角度和

長(zhǎng)度來(lái)確定不同的打印速度參數(shù)?如表 ２ 所示? 基

于該方法打印了帶孔拉伸試樣和帶半圓的三點(diǎn)彎曲

試樣? 通過(guò)比較帶孔和帶半圓的打印樣品?發(fā)現(xiàn)與

帶孔試樣相比?拉伸和彎曲試樣的強(qiáng)度重量比分別

提高了 ５５? １％和 ３５? ２％?與帶半圓試樣相比?拉伸和

彎曲試樣的強(qiáng)度分別提高了 ６７? ５％和 ６２? ４％?

表 ２ 打印速度取決于曲率、曲線長(zhǎng)度和角度

Ｔａｂｌｅ ２ Ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｄｅｐｅｎｄｓ ｏｎ ｃｕｒｖａｔｕｒｅ?

ｃｕｒｖｅ ｌｅｎｇｔｈ ａｎｄ ａｎｇｌｅ

打印速度 ７ ｍｍ/ ｓ １５ ｍｍ/ ｓ ３５ ｍｍ/ ｓ

曲率 ρ / ｍｍ

－１

ρ>０.２ ０.０５≤ρ≤０.２ ρ<０.０５

長(zhǎng)度/ ｍｍ Ｌ<１５ １５≤Ｌ≤２５ Ｌ>２５

角度 Ａ / ° Ａ<９０ ９０≤Ａ≤１３５ Ａ>１３５

Ｂｒｏｏｋｓ 等[５６]使用“力線法”沿載荷路徑放置碳

纖維增強(qiáng)絲束來(lái)設(shè)計(jì)零件?根據(jù)他們提出的設(shè)計(jì)方

法成功測(cè)試出一個(gè)滑輪、一個(gè)吊鉤和一個(gè)萬(wàn)向接頭?

Ｊｉａｎｇ 等[５７] 使用 ＳＯＭＰ 和連續(xù)纖維角度優(yōu)化來(lái)執(zhí)行

受體積約束的 ＡＭ 復(fù)合材料的拓?fù)浜屠w維路徑優(yōu)

化? 在本研究中?碳纖維平行于零件的周邊并沿著

主應(yīng)力方向打印? 研究表明:與固定單向角度優(yōu)化

的部件相比?拓?fù)浜屠w維路徑優(yōu)化的部件的剛度得

到了增強(qiáng)?這說(shuō)明纖維取向?qū)λ芯坎考臋C(jī)械性

能有一定的影響?當(dāng)打印平面平行于施加的載荷時(shí)?

可以獲得比其他打印方向低 ６３％的柔度?

Ｔａｍｉｊａｎｉ 等[５８]開(kāi)發(fā)了一種識(shí)別載荷路徑的方法?

并在拓?fù)鋬?yōu)化中實(shí)現(xiàn)了這一概念? 通過(guò)該方法可以

了解載荷如何從載荷作用點(diǎn)轉(zhuǎn)移到結(jié)構(gòu)的約束點(diǎn)?

揭示了材料的有效利用?從而增加結(jié)構(gòu)功能? Ｇｈａｒｉｂｉ

等[５９]開(kāi)發(fā)出一種各向同性材料的經(jīng)驗(yàn)仿生拓?fù)鋬?yōu)

化方法? 在這種方法中?纖維與主應(yīng)力軌跡對(duì)齊?薄

２０２３ 年第 ９ 期 １１７

???????????????????????????????????????????????

連續(xù)碳纖維 ３Ｄ 打印的路徑規(guī)劃研究進(jìn)展

弱的結(jié)構(gòu)被加強(qiáng)? 使用這種方法?可以在優(yōu)化之前

預(yù)先確定許多變量?并且可以實(shí)現(xiàn)非常快速的收斂?

Ｃｈｕ 等[６０]提出一種有效的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

結(jié)構(gòu)在載荷不確定性下的 ＲＴＯ 方法?并優(yōu)化了纖維

角度和材料分布? 為了優(yōu)化光纖角度?提出了一種新

的 ＰＳ－ＶＲＡＦ?它可以保證纖維角度的連續(xù)空間變化?

同時(shí)考慮了載荷大小和方向的不確定性?并通過(guò)概

率分布來(lái)描述? 在體積分?jǐn)?shù)約束下?以最小柔度的

均值和標(biāo)準(zhǔn)差的加權(quán)和為響應(yīng)目標(biāo)? 加載不確定性

通過(guò)蒙特卡羅模擬(ＭＣＳ)方法處理?

Ｌｉ 等[６１]提出一種全尺寸碳纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)拓?fù)?/p>

優(yōu)化方法?該方法能夠同時(shí)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)拓?fù)?、連續(xù)碳纖

維路徑及其形態(tài)(即碳纖維體積、間距和厚度)? 連

續(xù)碳纖維自然分布在實(shí)體區(qū)域的各個(gè)部位?分布基

本遵循主應(yīng)力方向? 在局部區(qū)域中?子區(qū)域中的高

應(yīng)力位置主要由纖維材料加強(qiáng)?而基體材料布置在

它們周?chē)?起輔助作用? 顯然?纖維增強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的剛

度大于單一材料設(shè)計(jì)的剛度?

Ｙａｎ

[６２]提出了一種雙尺度拓?fù)鋬?yōu)化方法?該方

法基于雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化(ＢＥＳＯ)方法?同時(shí)優(yōu)化結(jié)

構(gòu)的總體拓?fù)浜屠w維取向?采用主應(yīng)力法和基于應(yīng)

力的方法相結(jié)合的分析方法來(lái)確定最佳纖維取向?

５ 結(jié) 論

連續(xù)碳纖維 ３Ｄ 打印的掃描方式對(duì)成型件的加

工效率、質(zhì)量和力學(xué)性能有很大的影響? 其中面內(nèi)

非交錯(cuò)打印方法包括 Ｚ 字形、輪廓和螺旋打印路徑?

與直線掃描方式相比?不僅提高了拉伸強(qiáng)度?還提高

了彎曲強(qiáng)度和模量? Ｚ 字形路徑填充方式在打印過(guò)

程中噴頭多次啟動(dòng)、停止?這種頻繁的加減速不僅會(huì)

降低打印效率?而且會(huì)由于速度不均勻以及方向變化

影響打印質(zhì)量?并且在輪廓邊緣尖銳的地方毛刺較

多?成型質(zhì)量較差? 偏置輪廓填充方式在切片后會(huì)

產(chǎn)生多個(gè)子區(qū)域?加工過(guò)程中噴頭會(huì)有較多的跳轉(zhuǎn)?

在子區(qū)域末端會(huì)出現(xiàn)“拔絲” 現(xiàn)象? 但偏置輪廓生

成的路徑減少了路徑斷點(diǎn)和噴頭空程?并且減少了

路徑的尖角? 相比于 Ｚ 字形路徑填充方式?偏置輪

廓填充路徑少了層內(nèi)臺(tái)階效應(yīng)的影響?因此偏置輪

廓填充路徑打印出來(lái)的零件在表面質(zhì)量和精度上要

更優(yōu)? 螺旋路徑填充方式有效地避免了 Ｚ 字形路徑

的缺點(diǎn)?能夠保證路徑的連續(xù)性并減少噴頭的跳轉(zhuǎn)?

但因其缺乏方向偏移性?用于相鄰切片的螺旋路徑

相互交叉且不能連接?對(duì)成型件質(zhì)量和加工效率有

一定的影響? 基于載荷的路徑填充方式可以使連續(xù)

碳纖維方向與主應(yīng)力方向相同?使力盡可能沿著碳

纖維絲束的軸向傳遞?從而減少剪切應(yīng)力并最大化

碳纖維內(nèi)的法向應(yīng)力?最大限度減小連續(xù)碳纖維各

向異性對(duì)零件力學(xué)性能的負(fù)面影響? 與其他路徑相

比?此種打印方法在承載件的制造中優(yōu)勢(shì)比較突出?

但相應(yīng)的連續(xù)纖維鋪設(shè)路徑比較煩瑣?

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)傳統(tǒng)的 ３Ｄ 打印路徑掃描算

法進(jìn)行改進(jìn)?加工效率和質(zhì)量都得到了很大程度的

提升?但由于連續(xù)碳纖維各向異性的特點(diǎn)?打印件的

力學(xué)性能提升并不明顯? 基于載荷主應(yīng)力生成的路

徑規(guī)避連續(xù)纖維這一缺點(diǎn)?是接下來(lái)研究的重點(diǎn)? 將

工藝參數(shù)優(yōu)化與路徑填充方式相結(jié)合?采用數(shù)值模

擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)成型件的質(zhì)量進(jìn)行提升?

目前研究人員已經(jīng)建立了有效的傳統(tǒng)工藝加纖維增

強(qiáng)合材料的預(yù)測(cè)模型?并且實(shí)現(xiàn)了不同工況下?lián)p傷

破壞規(guī)律的預(yù)測(cè)和模擬? 對(duì)于今后碳纖維 ３Ｄ 打印

的研究?應(yīng)在已有方法和模型基礎(chǔ)上進(jìn)行打印試驗(yàn)?

最終建立起適用于碳纖維 ３Ｄ 打印的理論預(yù)測(cè)模型

和數(shù)值模擬方法?實(shí)現(xiàn)對(duì)打印復(fù)合材料力學(xué)性能、損

傷演化過(guò)程的有效模擬和預(yù)測(cè)?進(jìn)一步揭示打印復(fù)

合材料的損傷破壞機(jī)理?為有效提升打印復(fù)合材料

的力學(xué)性能提供參考?

參考文獻(xiàn)

[１] ＤＩＺＯＮ Ｊ? ＥＳＰＥＲＡ Ａ Ｈ? ＣＨＥＮ Ｑ? ｅｔ ａｌ. Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａ￣

ｔｉｏｎ ｏｆ ３Ｄ－ｐｒｉｎｔｅｄ ｐｏｌｙｍｅｒｓ[Ｊ]. Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ? ２０１８? ２０:

４４－６７.

[２] ＭＥＬＥＮＫＡ Ｇ Ｗ? ＣＨＥＵＮＧ Ｂ? ＳＣＨＯＦＩＥＬＤ Ｊ Ｓ? ｅｔ ａｌ. Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ

ａｎｄ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｆｉｂｅｒ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ

３Ｄ ｐｒｉｎｔｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ[ Ｊ]. Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ? ２０１６? １５３ ( ８):

８６６－８７５.

[３] ＴＹＭＲＡＫ Ｂ? ＫＲＥＩＧＥＲ Ｍ? ＰＥＡＲＣＥ Ｊ? ｅｔ ａｌ. Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ

ｏｆ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｏｐｅｎ－ｓｏｕｒｃｅ ３Ｄ ｐｒｉｎｔｅｒｓ ｕｎｄｅｒ ｒｅａｌｉｓｔｉｃ

ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ[Ｊ]. Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＆ Ｄｅｓｉｇｎ? ２０１４? ５８: ２４２－

２４６.

[４] ＳＵＮ Ｑ? ＲＩＺＶＩ Ｇ Ｍ? ＢＥＬＬＥＨＵＭＥＵＲ Ｃ Ｔ? ｅｔ ａｌ. Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｐｒｏｃｅｓｓ￣

ｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｎ ｔｈｅ ｂｏｎｄｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ＦＤＭ ｐｏｌｙｍｅｒ ｆｉｌａｍｅｎｔｓ[Ｊ].

Ｒａｐｉｄ Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ Ｊｏｕｒｎａｌ? ２００８? １４(２): ７２－８０.

[５] ＴＲＡＮ Ｐ? ＮＧＯ Ｔ Ｄ? ＧＨＡＺＬＡＮ Ａ? ｅｔ ａｌ. Ｂｉｍａｔｅｒｉａｌ ３Ｄ ｐｒｉｎｔｉｎｇ

ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｂｉｏ－ｉｎｓｐｉｒｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｕｎｄｅｒ ｉｎ－

ｐｌａｎｅ ａｎｄ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｌｏａｄｉｎｇｓ[Ｊ]. Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｐａｒｔ Ｂ: Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ?

２０１７? １０８: ２１０－２２３.

[６] ＭＥＬＮＩＫＯＶＡ Ｒ? ＥＨＲＭＡＮＮ Ａ? ＦＩＮＳＴＥＲＢＵＳＣＨ Ｋ. ３Ｄ ｐｒｉｎｔｉｎｇ

ｏｆ ｔｅｘｔｉｌｅ－ｂａｓｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｂｙ ｆｕｓｅｄ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ (ＦＤＭ) ｗｉｔｈ

１１８ ２０２３ 年 ９ 月

???????????????????????????????????????????????

復(fù)合材料科學(xué)與工程

ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｏｌｙｍｅｒ ｍａｔｅｒｉａｌｓ [ Ｊ]. ＩＯＰ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｅｒｉｅｓ: Ｍａｔｅｒｉａｌｓ

Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ? ２０１４? ６２: １－８.

[７] ＣＡＵＬＦＩＬＥＤ Ｂ? ＭＣＨＵＧＨ Ｐ Ｅ? ＬＯＨＦＥＬＤ Ｓ. Ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｍｅ￣

ｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｐｏｌｙａｍｉｄｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｎ ｂｕｉｌｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎ

ｔｈｅ ＳＬＳ ｐｒｏｃｅｓｓ[Ｊ]. Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ? ２００７?

１８２(１－３): ４７７－４８８.

[８] ＫＲＯＬＬ Ｅ? ＡＲＴＺＩ Ｄ. Ｅｎｈａｎｃｉｎｇ ａｅｒｏｓｐａｃｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｓｔｕｄｅｎｔｓ’

ｌｅａｒｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ３Ｄ ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｗｉｎｄ－ｔｕｎｎｅｌ ｍｏｄｅｌｓ[Ｊ]. Ｒａｐｉｄ Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ

Ｊｏｕｒｎａｌ? ２０１１? １７(５): ３９３－４０２.

[９] ＷＯＮＧ Ｋ Ｖ? ＨＥＲＮＡＮＤＥＺ Ａ. Ａ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ

[Ｊ]. Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｃｈｏｌａｒｌｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｎｏｔｉｃｅｓ? ２０１２? ３０－３８.

[１０] ＳＨＯＲＴ Ｄ Ｂ. Ｕｓｅ ｏｆ ３Ｄ ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｂｙ ｍｕｓｅｕｍｓ: Ｅｄｕｃａｔｉｏｎａｌ ｅｘｈｉｂｉｔｓ?

ａｒｔｉｆａｃｔ ｅｄｕｃａｔｉｏｎ? ａｎｄ ａｒｔｉｆａｃｔ ｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ[Ｊ]. ３Ｄ Ｐｒｉｎｔｉｎｇ ａｎｄ Ａｄ￣

ｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ? ２０１５? ２(４): ２０９－２１５.

[１１] ＭＵＲＰＨＹ Ｓ? ＡＴＡＬＡ Ａ. ３Ｄ ｂｉｏｐｒｉｎｔｉｎｇ ｏｆ ｔｉｓｓｕｅｓ ａｎｄ ｏｒｇａｎｓ[ Ｊ].

Ｎａｔｕｒｅ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ? ２０１４? ３２(８): ７７３－７８５.

[１２] ＤＩＣＫＳＯＮ Ａ Ｎ? ＢＡＲＲＹ Ｊ Ｎ?ＭＣＤＯＮＮＥＬＬ Ｋ Ａ? ｅｔ ａｌ. Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ

ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ? ｇｌａｓｓ ａｎｄ ｋｅｖｌａｒ ｆｉｂｒｅ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｏｌｙｍｅｒ ｃｏｍ￣

ｐｏｓｉｔｅｓ ｕｓｉｎｇ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ[ Ｊ]. Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ?

２０１７? １６: １４６－１５２.

[１３] ＪＵＳＴＯ Ｊ? ＴＡＶＡＲＡ Ｌ? ＧＡＲＣＩＡ Ｌ?ｅｔ ａｌ. Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ３Ｄ

ｐｒｉｎｔｅｄ ｌｏｎｇ ｆｉｂｒｅ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ[ Ｊ]. Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ?

２０１８? １８５: ５３７－５４８.

[１４] ＮＡＫＡＧＡＷＡ Ｙ Ｋ? ＭＯＲＩ Ｋ? ＭＡＥＮＯ Ｔ. ３Ｄ ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｆｉ￣

ｂｒｅ－ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃ ｐａｒｔｓ [ Ｊ ]. Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ Ａｄｄｉｔｉｖｅ

Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ? ２０１７? ９１(５－８): ２８１１－２８１７.

[１５] ＷＡＮＧ Ｘ? ＪＩＡＮＧ Ｍ? ＺＨＯＵ Ｚ? ｅｔ ａｌ. ３Ｄ ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｏｆ ｐｏｌｙｍｅｒ ｍａ￣

ｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ: Ａ ｒｅｖｉｅｗ ａｎｄ ｐｒｏｓｐｅｃｔｉｖｅ[Ｊ]. Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｐａｒｔ Ｂ:

Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ? ２０１７? １１０Ｂ: ４４２－４５８.

[１６] ＢＡＵＭＡＮＮ Ｆ? ＳＣＨＯＬＺ Ｊ? ＦＬＥＩＳＣＨＥＲ Ｊ. Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｎｅｗ

ａｐｐｒｏａｃｈ ｆｏｒ ａｄｄｉｔｉｖｅｌｙ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｆｉｂｅｒ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｏｌｙ￣

ｍｅｒｓ[Ｊ]. Ｐｒｏｃｅｄｉａ ＣＩＲＰ? ２０１７? ６６: ３２３－３２８.

[１７] ＤＩＣＫＳＯＮ Ａ Ｎ? ＢＡＲＲＹ Ｊ Ｎ? ＭＣＤＯＮＮＥＬＬ Ｋ Ａ? ｅｔ ａｌ. Ｆａｂｒｉｃａ￣

ｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ? ｇｌａｓｓ ａｎｄ ｋｅｖｌａｒ ｆｉｂｒｅ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｏｌｙｍｅｒ

ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｕｓｉｎｇ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ[ Ｊ]. Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒ￣

ｉｎｇ? ２０１７? １６: １４６－１５２.

[１８] ＢＲＥＮＫＥＮ Ｂ? ＢＡＲＯＣＩＯ Ｅ? ＦＡＶＡＬＯＲＯ Ａ? ｅｔ ａｌ. Ｆｕｓｅｄ ｆｉｌａｍｅｎｔ

ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｉｂｅｒ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｏｌｙｍｅｒｓ: Ａ ｒｅｖｉｅｗ[Ｊ]. Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕ￣

ｆａｃｔｕｒｉｎｇ? ２０１８? ２１: １－１６.

[１９] ＬＩ Ｎ? ＬＩ Ｙ? ＬＩＵ Ｓ. Ｒａｐｉｄ ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ ｏｆ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ

ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｏｌｙｌａｃｔｉｃ ａｃｉｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｂｙ ３Ｄ ｐｒｉｎｔｉｎｇ－ｓｃｉｅｎｃｅ ｄｉｒｅｃｔ

[Ｊ]. Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ? ２０１６? ２３８: ２１８－２２５.

[２０] ＬＩ Ｎ? ＬＩＮＫ Ｇ? ＪＥＬＯＮＮＥＫ Ｊ. Ｒａｐｉｄ ３Ｄ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｏｆ

ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃｓ[Ｊ]. ＣＩＲＰ Ａｎｎａｌｓ? ２０２０?

６９(１): ２２１－２２４.

[２１] ＴＥＫＩＮＡＬＰ Ｈ Ｌ? ＫＵＮＣ Ｖ? ＶＥＬＥＺ－ＧＡＲＣＩＡ Ｇ Ｍ? ｅｔ ａｌ. Ｈｉｇｈｌｙ

ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ－ｐｏｌｙｍｅｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｖｉａ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ

[Ｊ]. Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ? ２０１４? １０５: １４４－１５０.

[２２] ＡＫＨＯＵＮＤＩ Ｂ? ＢＥＨＲＡＶＥＳＨ Ａ. Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｆｉｌｌｉｎｇ ｐａｔｔｅｒｎ ｏｎ ｔｈｅ

ｔｅｎｓｉｌｅ ａｎｄ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＦＤＭ ３Ｄ ｐｒｉｎｔｅｄ ｐｒｏｄｕｃｔｓ

[Ｊ]. Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ? ２０１９? ５９(６): ８８３－８９７.

[２３] ＦＩＤＡＮ Ｉ? ＩＭＥＲＩ Ａ? ＧＵＰＴＡ Ａ? ｅｔ ａｌ. Ｔｈｅ ｔｒｅｎｄｓ ａｎｄ ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ

ｏｆ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ[Ｊ]. Ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒ￣

ｎａｌ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ? ２０１９? １０２ ( ５ － ８ ):

１８０１－１８１８.

[ ２４] ＨＥＩＤＡＲＩ Ｍ? ＲＡＦＩＥＥ Ｍ? ＺＡＨＥＤＩ Ａ Ｍ. Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａ￣

ｔｉｏｎ ｏｆ ＦＤＭ ３Ｄ ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｏｆ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ＰＬＡ

ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ[Ｊ]. Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ? ２０１９? １７５: １－８.

[２５] ＤＵＴＲＡ Ｔ Ａ? ＦＥＲＲＥＩＲＡ Ｒ Ｔ? ＲＥＳＥＮＤＥ Ｈ Ｂ? ｅｔ ａｌ. Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ

ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｓｙｍｐｔｏｔｉｃ ｈｏｍｏｇｅｎｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ３Ｄ－ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｏｎ￣

ｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ － ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃ [ Ｊ]. Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ

Ｂｒａｚｉｌｉａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ? ２０１９?

４１(３): １－１５.

[２６] ＹＥ Ｗ? ＬＩＮ Ｇ? ＷＵ Ｗ? ｅｔ ａｌ. Ｓｅｐａｒａｔｅｄ ３Ｄ ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｏｆ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ

ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃ ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ[Ｊ]. Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｐａｒｔ

Ａ: Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ? ２０１９? １２１: ４５７－４６４.

[２７] ＴＯＤＯＲＯＫＩ Ａ? ＯＡＳＡＤＡ Ｔ? ＭＩＺＵＴＡＮＩ Ｙ? ｅｔ ａｌ. Ｔｅｎｓｉｌｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ

ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ ３Ｄ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｔｈｅｒｍｏ￣

ｐｌａｓｔｉｃ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ[Ｊ]. Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ? ２０２０? ２９(２):

１４７－１６２.

[２８] ＪＵＡＮ Ｎ Ｌ? ＨＯＲＡＣＩＯ Ａ Ｇ? ＰＲＤＲＯ Ｏ Ｃ? ｅｔ ａｌ. Ｔｅｎｓｉｌｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ

ａｎｄ ｆａｉｌｕｒｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｃｈｏｐｐｅｄ ａｎｄ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｃｏｍ￣

ｐｏｓｉｔｅｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ － Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｄｉｒｅｃｔ [ Ｊ].

Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ? ２０１９? ２６: ２２７－２４１.

[２９] ＭＩＮＧ Ｙ Ｋ? ＤＵＡＮ Ｙ Ｇ. Ａ Ｎｏｖｅｌ ｒｏｕｔｅ ｔｏ ｆａｂｒｉｃａｔｅ ｈｉｇｈ－ｐｅｒｆｏｒｍ￣

ａｎｃｅ ３Ｄ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｆｉｂｅｒ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｔｈｅｒｍｏｓｅｔｔｉｎｇ ｐｏｌｙｍｅｒ

ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ[Ｊ]. Ｍａｔｅｒｉａｌｓ? ２０１９? １２(９): １３６９－１３８２.

[３０] ＤＥ ＢＡＣＫＥＲ Ｗ? ＳＩＮＫＥＺ Ｐ? ＣＨＨＡＢＲＡ Ｉ? ｅｔ ａｌ. Ｉｎ－ｐｒｏｃｅｓｓ ｍｏ￣

ｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｆｉｂｅｒ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｔｈｒｏｕｇｈ ｆｏｒｃｅ /

ｔｏｒｑｕｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｎｏｚｚｌｅ[Ｃ] / / ＡＩＡＡ Ｓｃｉ Ｔｅｃｈ Ｆｏｒｕｍ ａｎｄ Ｅｘ￣

ｐｏｓｉｔｉｏｎ. ２０２０: ４６１－４６８.

[３１] ＳＵＧＩＹＡＭＡ Ｋ? ＭＡＴＳＵＺＡＫＩ Ｒ? ＭＡＬＡＫＨＯＶ ＡＶ? ｅｔ ａｌ. ３Ｄ ｐｒｉｎｔ￣

ｉｎｇ ｏｆ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｗｉｔｈ ｖａｒｉａｂｌｅ ｆｉｂｅｒ ｖｏｌｕｍｅ ｆｒａｃｔｉｏｎ ａｎｄ

ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｕｓｉｎｇ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｆｉｂｅｒ[ Ｊ].Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈ￣

ｎｏｌｏｇｙ? ２０２０? １８６: １－７.

[３２] ＬＩ Ｎ? ＬＩＮ Ｇ? ＷＡＮＧ Ｔ? ｅｔ ａｌ. Ｐａｔｈ－ｄｅｓｉｇｎｅｄ ３Ｄ ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｆｏｒ ｔｏ￣

ｐｏｌｏｇｉｃａｌ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｒｅ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ[Ｊ]. Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｐａｒｔ Ｂ: Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ? ２０２０? １８２: １－９.

[ ３３] ＤＩＮＧ Ｄ Ｈ? ＰＡＮ Ｚ Ｓ? ＣＵＩＵＲＩ Ｄ? ｅｔ ａｌ. Ａ ｔｏｏｌ－ｐａｔｈ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｔｒａｔｅ￣

ｇｙ ｆｏｒ ｗｉｒｅ ａｎｄ ａｒｃ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ [ Ｊ]. Ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ

Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ? ２０１４? ７３(１): １７３－

１８３.

[３４] 譚瑞詩(shī)? 劉明堯? 張帆? 等. 碳纖維長(zhǎng)纖 ３Ｄ 打印的連續(xù)性路徑

規(guī)劃算法[Ｊ]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造? ２０１９(６): １－４.

[３５] 任東改. 基于 Ｂａｙａｚｉｔ 算法的 ３Ｄ 打印路徑規(guī)劃研究[Ｊ]. 數(shù)字印

刷? ２０１９(６): ５０－５７.

[３６] 楊德成. 智能 ３Ｄ 打印路徑規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[Ｄ]. 大連: 大

連理工大學(xué)? ２０１９.

[３７] ＲＥＮ Ｆ? ＳＵＮ Ｙ? ＧＵＯ Ｄ Ｍ? ｅｔ ａｌ. Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｒｅｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ－

ｂａｓｅｄ ｓｐｉｒａｌ ｔｏｏｌｐａｔｈ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｆｉｖｅ－ａｘｉｓ ｓｃｕｌｐｔｕｒｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｍａ￣

２０２３ 年第 ９ 期 １１９

???????????????????????????????????????????????

連續(xù)碳纖維 ３Ｄ 打印的路徑規(guī)劃研究進(jìn)展

ｃｈｉｎｉｎｇ[ Ｊ]. Ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ

Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ? ２００９? ４０(７８): ７６０－７６８.

[３８] ＴＩＺＩＡＮＯ Ｓ? ＭＯＮＩＣＡ Ｏ? ＥＬＩＳＡＢＥＴＨ Ｅ? ｅｔ ａｌ. Ｒｅｌｅｖａｎｃｅ ｏｆ ＰＥＧ

ｉｎ ＰＬＡ－ｂａｓｅｄ ｂｌｅｎｄｓ ｆｏｒ ｔｉｓｓｕｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ３Ｄ－ｐｒｉｎｔｅｄ ｓｃａｆｆｏｌｄｓ

[Ｊ]. Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ? ２０１４? ３８: ５５－６２.

[３９] ＸＵ Ｊ? ＳＵＮ Ｙ? ＷＡＮＧ Ｓ. Ｔｏｏｌ ｐａｔｈ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｂｙ ｏｆｆｓｅｔｔｉｎｇ ｃｕｒｖｅｓ

ｏｎ ｐｏｌｙｈｅｄｒａｌ ｓｕｒｆａｃｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｅｓｈ ｆｌａｔｔｅｎｉｎｇ[ Ｊ]. Ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａ￣

ｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ? ２０１３? ６４(９－

１２): １２０１－１２１２.

[４０] 熊文駿. 向形心收縮的變距偏置填充算法[Ｄ]. 武漢: 華中科技

大學(xué)? ２００７.

[４１] 羅恒? 李滌塵? 解瑞東? 等. 快速成型中基于直骨架原理的輪廓

偏置算法[Ｊ]. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)? ２０１１? ２３(１１):

１９０８－１９１４.

[４２] 尚雯. 碳纖維長(zhǎng)纖 ３Ｄ 打印切片處理研究及在服務(wù)平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)

[Ｄ]. 武漢: 武漢理工大學(xué)? ２０１７.

[４３] ＪＩＮ Ｇ Ｑ? ＬＩ Ｗ Ｄ? ＧＡＯ Ｌ. Ａｎ ａｄａｐｔｉｖｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｐｌａｎｎｉｎｇ ａｐｐｒｏａｃｈ

ｏｆ ｒａｐｉｄ ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ ａｎｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ[ Ｊ]. Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ＆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ

Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ? ２０１３? ２９(１): ２３－３８.

[４４] 周祖德? 陳飛? 張帆? 等. 連續(xù)碳纖維 ３Ｄ 打印的高效螺旋偏置

填充算法[Ｊ]. 武漢理工大學(xué)? ２０１７? ３９(１２): ８１－８７.

[４５] ＪＩＨＥＥ Ｈ. Ａｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ３Ｄ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ[ Ｊ]. Ｉｎｆｏｒｍａ￣

ｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ? ２０１９? ４７８(４): ３１８－３３０.

[４６] 易雪濤. 連續(xù)碳纖維復(fù)合材料選擇性增強(qiáng)處理的 ３Ｄ 打印切片

方法研究[Ｄ]. 武漢: 武漢理工大學(xué)? ２０１９.

[４７] ＺＨＡＯ Ｈ? ＧＵ Ｆ? ＨＵＡＮＧ Ｑ Ｘ? ｅｔ ａｌ. Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｆｅｒｍａｔ ｓｐｉｒａｌｓ ｆｏｒ

ｌａｙｅｒｅｄ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ[Ｊ]. ＡＣＭ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｇｒａｐｈｉｃｓ? ２０１６? ３５

(４): １－１０.

[４８] ＦＥＲＮＡＮＤＥＺ Ｍ? ＣＡＬＬＥ Ｗ? ＦＥＲＲＡＮＤＩＺ Ｓ? ｅｔ ａｌ. Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｉｎｆｉｌｌ

ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｎ ｔｅｎｓｉｌｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｉｎ ｄｅｓｋｔｏｐ ３Ｄ ｐｒｉｎｔｉｎｇ[Ｊ].

３Ｄ Ｐｒｉｎｔｉｎｇ ａｎｄ Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ? ２０１６? ３(３): １８３－１９２.

[４９] ＳＨＡＲＭＡ Ｍ? ＲＡＯ Ｉ Ｍ? ＢＩＪＷＥ Ｊ. Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｆｉｂｅｒ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｎ

ａｂｒａｓｉｖｅ ｗｅａｒ ｏｆ ｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｌｙ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ－ｐｏｌｙｅｔｈｅｒ￣

ｉｍｉｄｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ[Ｊ]. Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ? ２０１０? ４３(５－６): ９５９－

９６４.

[５０] ＧＲＣＩＡ Ｃ Ｒ? ＣＯＲＲＥＡ Ｊ? ＥＳＰＡＬＩＮ Ｄ? ｅｔ ａｌ. ３Ｄ ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｏｆ ａｎｉｓｏ￣

ｔｒｏｐｉｃ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ[Ｊ]. Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｌｅｔ￣

ｔｅｒｓ? ２０１２? ３４: ７５－８２.

[５１] ＧＵ Ｈ Ｂ? ＭＡ Ｃ? ＧＵ Ｊ Ｗ? ｅｔ ａｌ. Ａｎ ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｅｐ￣

ｏｘｙ ｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ[Ｊ]. Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｃ? ２０１６? ４

(２５): ５８９.

[５２] ＧＵ Ｊ? ＹＡＮＧ Ｘ? ＬＶ Ｚ? ｅｔ ａｌ. Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚｅｄ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｎａｎｏｐｌａｔｅ￣

ｌｅｔｓ/ ｅｐｏｘｙ ｒｅｓｉｎ ｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ[Ｊ].

Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅａｔ ＆ Ｍａｓｓ Ｔｒａｎｓｆｅｒ? ２０１６? ９２: １５－２２.

[５３] ＤＯＵ Ｊ Ｂ? ＺＨＡＮＧ Ｑ Ｙ? ＭＡ Ｍ Ｌ? ｅｔ ａｌ. Ｆａｓｔ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｐｏｘｙ－

ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚｅｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｐｏｌｙｍｅｒ ｃｏｒｅ－ｓｈｅｌｌ ｍｉｃｒｏｓｐｈｅｒｅｓ ｕｓｉｎｇ ｇｌｙ￣

ｃｉｄｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ ａｓ ｍｏｎｏｍｅｒ ｖｉａ ｐｈｏｔｏ－ｉｎｉｔｉａｔｅｄ ｍｉｎｉｅｍｕｌｓｉｏｎ ｐｏｌ￣

ｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ[Ｊ]. Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ ａｎｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ? ２０１２?

３２４(１９): ３０７８－３０８２.

[５４] ＫＥＮＴＡＲＯ Ｓ? ＲＹＯＳＵＫＥ Ｍ? ＡＮＤＥＲＩ Ｖ Ｍ? ｅｔ ａｌ. ３Ｄ ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｏｆ

ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｗｉｔｈ ｖａｒｉａｂｌｅ ｆｉｂｅｒ ｖｏｌｕｍｅ ｆｒａｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ

ｕｓｉｎｇ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｆｉｂｅｒ [ Ｊ ]. Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ?

２０２０? １８６: １－７.

[５５] ＷＡＮＧ Ｔ? ＬＩ Ｎ. Ｌｏａｄ － ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ３Ｄ

ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｏｆ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃｓ[Ｊ]. Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｐａｒｔ

Ａ: Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ? ２０２０? １４０: １－２６.

[ ５６] ＢＲＯＯＫＳ Ｈ? ＳＡＭＵＥＬ Ｍ. Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ａｄｄｉｔｉｖｅｌｙ ｍａｎ￣

ｕｆａｃｔｕｒｅｄ ｐａｒｔｓ ｗｉｔｈ ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｆｉｂｒｅ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ

[Ｊ]. Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＆ ｄｅｓｉｇｎ? ２０１６? ９０: ２７６－２８３.

[５７] ＪＩＡＮＧ Ｄ? ＨＯＧＬＵＮＤ Ｒ? ＳＭＩＴＨ Ｄ Ｅ. Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｆｉｂｅｒ ａｎｇｌｅ ｔｏ￣

ｐｏｌｏｇｙ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｐｏｌｙｍｅｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕ￣

ｆａｃｔｕｒｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ[Ｊ]. Ｆｉｂｅｒｓ? ２０１９? ７(２): １４.

[５８] ＴＡＭＩＪＡＮＩ Ａ Ｙ? ＧＨＡＲＩＢＩ Ｋ? ＫＯＢＡＹＡＳＨＩ Ｍ Ｈ? ｅｔ ａｌ. Ｌｏａｄ

ｐａｔｈｓ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ ｐｌａｎｅ ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ ｕｓｉｎｇ ｌｏａｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ

[ Ｊ]. Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌｉｄｓ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ? ２０１７? ９９－１０９.

[５９] ＧＨＡＲＩＢＩ Ｋ? ＴＡＮＩＪＡＮＩ Ａ Ｙ. Ｌｏａｄ－ｐａｔｈ－ｂａｓｅｄ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｏｐｔｉｍｉｚａ￣

ｔｉｏｎ ｏｆ ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ[ Ｊ]. ＡＩＡＡ Ｊｏｕｒｎａｌ?

２０２１? ５９(９): １－１０.

[６０] ＣＨＵ Ｓ? ＸＩＡＯ Ｍ? ＧＡＯ Ｌ? ｅｔ ａｌ. Ｒｏｂｕｓｔ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ

ｆｉｂｅｒ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｕｎｄｅｒ ｌｏａｄｉｎｇ ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ[Ｊ].

Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ? ２０２１?

３８４: １－１８.

[６１] ＬＩ Ｈ? ＧＡＯ Ｌ? ＬＩ Ｈ? ｅｔ ａｌ. Ｆｕｌｌ－ｓｃａｌｅ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｆｉ￣

ｂｅｒ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｗｉｔｈ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｆｉｂｅｒ ｐａｔｈｓ[Ｊ]. Ｃｏｍｐｕｔｅｒ

Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ? ２０２１? ３７７: １－２０.

[６２] ＹＡＮ Ｘ Ｌ. Ｃｏｎｃｕｒｒｅｎｔ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ

ｗｉｔｈ ｏｐｔｉｍａｌ ｍａｔｅｒｉａｌ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ[ Ｊ]. Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ? ２０１９?

２２０: ４７３－４８０.

１２０ ２０２３ 年 ９ 月

???????????????????????????????????????????????

復(fù)合材料科學(xué)與工程

ＤＯＩ:１０? １９９３６ / ｊ? ｃｎｋｉ? ２０９６－８０００? ２０２３０９２８? ０１８

中低溫固化苯并噁嗪樹(shù)脂的研究進(jìn)展

康龍昭１

? 范春燕２

? 俞海文２

? 姚亞琳１?

(１? 北京玻鋼院復(fù)合材料有限公司? 北京 １０２１０１? ２? 北玻院 (滕州) 復(fù)合材料有限公司? 滕州 ２７７５２７)

摘要: 在實(shí)際生產(chǎn)中?苯并噁嗪樹(shù)脂 ２００ ℃以上的固化溫度限制了其在先進(jìn)復(fù)合材料領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用?研究苯并噁嗪

樹(shù)脂開(kāi)環(huán)聚合機(jī)理?優(yōu)化苯并噁嗪樹(shù)脂固化特性?從而獲取降低苯并噁嗪樹(shù)脂固化溫度的方法具有重要意義? 因此?對(duì)國(guó)內(nèi)外

近些年關(guān)于降低苯并噁嗪樹(shù)脂固化溫度的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述?并對(duì)通過(guò)向苯并噁嗪?jiǎn)误w中引入活性官能團(tuán)以及添加固化催

化劑來(lái)實(shí)現(xiàn)苯并噁嗪樹(shù)脂中低溫固化的方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹?分析了其反應(yīng)機(jī)理?明確了其固化反應(yīng)影響因素?并對(duì)比分析了

這兩類(lèi)方法的特點(diǎn)? 從分子角度出發(fā)?向單體中引入活性基團(tuán)具有更高的靈活性?但改性工藝相對(duì)復(fù)雜?大批量工程化生產(chǎn)存

在難度?相比較而言?添加合適的催化劑可顯著降低苯并噁嗪樹(shù)脂的固化溫度?操作工藝較易實(shí)現(xiàn)?是目前最簡(jiǎn)單有效的方法

之一? 綜述涵蓋了多種催化劑的研究?對(duì)于優(yōu)化苯并噁嗪樹(shù)脂的固化條件?制備高性能苯并噁嗪樹(shù)脂具有借鑒意義?

關(guān)鍵詞: 苯并噁嗪樹(shù)脂? 中低溫固化? 單體改性? 催化劑

中圖分類(lèi)號(hào): ＴＢ３３２ 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: Ａ 文章編號(hào): ２０９６－８０００(２０２３)０９－０１２１－０８

Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｍｅｄｉｕｍ ａｎｄ ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｕｒｉｎｇ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ ｒｅｓｉｎｓ

ＫＡＮＧ Ｌｏｎｇｚｈａｏ

１

? ＦＡＮ Ｃｈｕｎｙａｎ

２

? ＹＵ Ｈａｉｗｅｎ

２

? ＹＡＯ Ｙａｌｉｎ

１?

(１? Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｃｏ.? Ｌｔｄ.? Ｂｅｉｊｉｎｇ １０２１０１? Ｃｈｉｎａ?

２? Ｂｅｉｊｉｎｇ ＦＲＰ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｔｅｎｇｚｈｏｕ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｃｏ.? Ｌｔｄ.? Ｔｅｎｇｚｈｏｕ ２７７５２７? Ｃｈｉｎａ)

Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ? ｔｈｅ ｃｕｒｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ ｒｅｓｉｎ ａｂｏｖｅ ２００ ℃ ｌｉｍｉｔｓ ｉｔｓ ｌａｒｇｅ－

ｓｃａｌｅ ｕｓｅ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ａｄｖａｎｃｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ? ｓｏ ｉｔ ｉｓ ｏｆ ｇｒｅａｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｒｉｎｇ－ｏｐｅｎｉｎｇ ｐｏｌｙ￣

ｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ ｒｅｓｉｎ? ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｃｕｒｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ ｒｅｓｉｎ? ａｎｄ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ

ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｃｕｒｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ ｒｅｓｉｎ. Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｒｅｖｉｅｗｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｎ ｒｅｄｕｃｉｎｇ

ｔｈｅ ｃｕｒｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ ｒｅｓｉｎ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ. Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇ ａｃｔｉｖｅ

ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｇｒｏｕｐｓ ｉｎｔｏ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ ｍｏｎｏｍｅｒ ａｎｄ ａｄｄｉｎｇ ｃｕｒｉｎｇ ｃａｔａｌｙｓｔ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｍｅｄｉｕｍ－ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｕｒｉｎｇ ｏｆ

ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ ｒｅｓｉｎ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ. Ｔｈｅ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ? ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｃｕｒｉｎｇ

ｒｅａｃｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｃｌａｒｉｆｉｅｄ? ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｍｅｔｈｏｄｓ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ. Ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｐｏｉｎｔ

ｏｆ ｖｉｅｗ? ｔｈｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｃｔｉｖｅ ｇｒｏｕｐｓ ｉｎｔｏ ｍｏｎｏｍｅｒｓ ｈａｓ ｈｉｇｈｅｒ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ? ｂｕｔ ｔｈｅ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ｒｅｌａ￣

ｔｉｖｅｌｙ ｃｏｍｐｌｅｘ. Ｉｔ ｉｓ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｔｏ ｅｎｇｉｎｅｅｒ ｌａｒｇｅ ｑｕａｎｔｉｔｉｅｓ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ. Ｉｎ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ? ｔｈｅ ｃｕｒｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ

ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ ｒｅｓｉｎ ｃａｎ ｂｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｒｅｄｕｃｅｄ ｂｙ ａｄｄｉｎｇ ａ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｃｕｒｉｎｇ ｃａｔａｌｙｓｔ? ａｎｄ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ｅａｓｙ

ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ? ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｍｐｌｅｓｔ ａｎｄ ｍｏｓｔ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｔ ｐｒｅｓｅｎｔ. Ｔｈｉｓ ｒｅｖｉｅｗ ｃｏｖｅｒｓ ｖａｒｉｏｕｓ ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｎ

ｃｕｒｉｎｇ ｃａｔａｌｙｓｔｓ? ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ ｉｎｓｉｇｈｔｓ ｆｏｒ ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｃｕｒｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ ｒｅｓｉｎ ａｎｄ ｐｒｅｐａｒｉｎｇ ｈｉｇｈ－ｐｅｒ￣

ｆｏｒｍａｎｃｅ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ ｒｅｓｉｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ.

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ:ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ ｒｅｓｉｎ? ｍｅｄｉｕｍ ａｎｄ ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｕｒｉｎｇ? ｍｏｎｏｍｅｒ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ? ｃａｔａｌｙｓｔ

收稿日期: ２０２３－０６－３０

基金項(xiàng)目: 中國(guó)建材集團(tuán)攻關(guān)專(zhuān)項(xiàng)資助 (２０２１ＹＣＪＳ０２)

作者簡(jiǎn)介: 康龍昭 (１９９２—)? 男? 碩士研究生? 主要研究方向?yàn)闊崛蹣?shù)脂基體改性及預(yù)浸料制備標(biāo)準(zhǔn)?

通訊作者: 姚亞琳 (１９８５—)? 男? 碩士研究生? 高級(jí)工程師? 主要研究方向?yàn)楦咝阅軜?shù)脂合成與質(zhì)量評(píng)價(jià)? ｙａｏｙａｌｉｎ７７７＠１２６? ｃｏｍ?

苯并噁嗪化合物由酚類(lèi)、胺類(lèi)與多聚甲醛等原

料通過(guò)縮合反應(yīng)制備?最早在 １９４４ 年由 Ｈｏｌｌｙ 和

Ｃｏｐｅ 意外發(fā)現(xiàn)[１]

?經(jīng)國(guó)內(nèi)外學(xué)者們的推動(dòng)得到了不

斷發(fā)展?目前已在無(wú)鹵阻燃印制電路基板和耐高溫

電絕緣層壓板等領(lǐng)域批量生產(chǎn)應(yīng)用? 苯并噁嗪可在

高溫和/ 或催化劑的作用下發(fā)生開(kāi)環(huán)聚合反應(yīng)形成

２０２３ 年第 ９ 期 １２１

???????????????????????????????????????????????

中低溫固化苯并噁嗪樹(shù)脂的研究進(jìn)展

聚苯并噁嗪(苯并噁嗪樹(shù)脂)?且在開(kāi)環(huán)聚合中不產(chǎn)

生小分子[２]

? 聚苯并噁嗪具有高熱穩(wěn)定性、高玻璃

化轉(zhuǎn)變溫度、高阻燃性、低吸水率以及接近零收縮率

和尺寸穩(wěn)定性等特性[１－３]

?可應(yīng)用于航空航天復(fù)合

材料基體[３]

、電子封裝[４]

、涂料[５]

、黏合劑[５－７] 等領(lǐng)

域? 然而?相較于環(huán)氧樹(shù)脂?苯并噁嗪樹(shù)脂較高的固

化溫度(大于 ２００ ℃ ) 和較長(zhǎng)的固化時(shí)間極大地限

制了它的應(yīng)用范圍和規(guī)模[８－１０]

? 因此?降低苯并噁

嗪樹(shù)脂的固化溫度和縮短其固化時(shí)間具有重要的現(xiàn)

實(shí)意義?

許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究?目前?實(shí)現(xiàn)苯并

噁嗪樹(shù)脂中低溫快速固化的方法主要分為兩類(lèi):一

種方法是從分子設(shè)計(jì)角度出發(fā)?通過(guò)在特定位置引

入自催化劑基團(tuán)?合成高反應(yīng)活性的苯并噁嗪?jiǎn)?/p>

體[１１－１３]

?另一種方法是添加有效的催化劑[１４－２０]

?如酸、

堿、有機(jī)酚、酚醛樹(shù)脂等? 本文從這兩個(gè)角度對(duì)比分

析了近些年的研究現(xiàn)狀并進(jìn)行歸納整理?旨在為苯

并噁嗪樹(shù)脂的應(yīng)用及未來(lái)研究方向提供參考?

１ 單體中引入自催化基團(tuán)

苯并噁嗪?jiǎn)误w具有靈活的分子設(shè)計(jì)性?其單體

的合成路線如圖 １ 所示? 研究者們發(fā)現(xiàn)?在單體中

引入自催化基團(tuán)能夠有效地降低苯并噁嗪樹(shù)脂的固

化溫度[１１]

? 這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于功能性基團(tuán)的引

入不僅可以降低固化反應(yīng)溫度提高固化速率?還可

以在分子水平上進(jìn)行結(jié)構(gòu)控制?從而賦予苯并噁嗪

樹(shù)脂更多的交聯(lián)點(diǎn)或其他優(yōu)異的性能? 功能性基團(tuán)

的種類(lèi)、位置及電子效應(yīng)的不同對(duì)固化反應(yīng)產(chǎn)生的

影響各不相同[２]

?

圖 １ 苯并噁嗪?jiǎn)误w的合成路線圖

Ｆｉｇ? １ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｒｏｕｔｅ ｏｆ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ ｒｅｓｉｎ

１? １ 引入羧酸基團(tuán)

羧基的引入不論占據(jù)什么取代位置都能夠降低

苯并噁嗪?jiǎn)误w固化的溫度?這是由于酸性的羧基可

以加速噁嗪環(huán)的開(kāi)環(huán)?從而使苯并噁嗪?jiǎn)误w的固化

溫度降低?

Ａｎｄｒｅｕ 等[２１]合成了三種含羧酸官能團(tuán)的苯并

噁嗪?jiǎn)误w?合成路線如圖 ２ 所示? 使用 ＤＳＣ 對(duì)其自

催化熱聚合行為進(jìn)行研究表明?含羧基的單體 ｍ２ 、

ｍ３和 ｍ４比不含羧基的單體 ｍ１的固化峰峰值溫度低

５０~７０ ℃ ? 這些活性單體的酸性增加了氧鎓離子的

濃度?從而催化了噁嗪環(huán)開(kāi)環(huán)反應(yīng)? 李楚新等[２２] 對(duì)

含羧基苯并噁嗪固化特性進(jìn)行了研究?結(jié)果表明?含

羧基苯并噁嗪?jiǎn)误w(ＮＴＡＦ)的固化溫度遠(yuǎn)低于苯酚

型苯并噁嗪和雙酚 Ａ 型苯并噁嗪的固化溫度?

圖 ２ 四種苯并噁嗪?jiǎn)误w合成路線圖[２１]

Ｆｉｇ? ２ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｒｏａｄｍａｐｓ ｏｆ ｆｏｕｒ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ ｍｏｎｏｍｅｒｓ

詹佐民[２３]采用生物基原料分別合成了根皮酸－

糠胺型苯并噁嗪(ＰＨＧ－Ｆ－ＢＯＺ)和間苯三酚－對(duì)氨

基苯甲酸型苯并噁嗪(ＰＨＧ－Ｐ －ＢＯＺ)?兩種單體的

固化溫度較雙酚 Ａ/ 苯胺型苯并噁嗪固化溫度分別

下降了 ２４? １ ℃和 ７７? １ ℃ ? 這主要是由于羧基的活

潑氫可以進(jìn)攻噁嗪環(huán)?使噁嗪環(huán)的開(kāi)環(huán)和 Ｍａｎｎｉｃｈ

橋的形成同時(shí)完成?導(dǎo)致固化溫度大幅度降低? 此

外?加入含羧基苯并噁嗪能夠降低其他苯并噁嗪的

固化溫度? 然而?含羧酸基團(tuán)的苯并噁嗪樹(shù)脂的缺

點(diǎn)是其熱穩(wěn)定性不高?在高溫下?羧酸基團(tuán)會(huì)脫落進(jìn)

行二次聚合?其 ８００ ℃的殘?zhí)柯蕿?４０％?略低于傳統(tǒng)

苯并噁嗪樹(shù)脂?

１? ２ 引入酚羥基

研究者發(fā)現(xiàn)酚羥基與苯并噁嗪樹(shù)脂固化過(guò)程中

形成的陽(yáng)離子中間體發(fā)生相互作用?可以加速固化?

降低固化溫度[２４]

?

腰果酚是常被用于制備苯并噁嗪的生物基酚類(lèi)

化合物?國(guó)內(nèi)外已有大量報(bào)道? Ｃａｌｏ 等[２５]用 ＤＳＣ 對(duì)

腰果酚基苯并噁嗪固化過(guò)程進(jìn)行研究? 結(jié)果表明?

腰果酚苯并噁嗪樹(shù)脂的固化峰起始溫度(１５０ ℃ )非

常低? 白楊素(５?７－二羥基黃酮) 為一種類(lèi)黃酮衍

生物?是一種雙酚?可從蜂蜜、蜂膠和各種植物中提取?

白楊素分子中含有兩個(gè)酚羥基基團(tuán)?可以用于促進(jìn)

１２２ ２０２３ 年 ９ 月

???????????????????????????????????????????????

復(fù)合材料科學(xué)與工程

苯并噁嗪樹(shù)脂固化[２６]

? Ｚｈａｏ 等[２７] 以白楊素為酚

源?糠胺為胺源?和多聚甲醛制備了一種新型白楊素

基苯并噁嗪(ＣＨＲ－ｆａ)?并研究了其固化行為? ＤＳＣ

結(jié)果表明?ＣＨＲ－ｆａ 的固化峰峰值溫度僅為 １８０ ℃ ?

這主要?dú)w因于酚羥基的存在提供了活性氫?促進(jìn)了

苯并噁嗪的開(kāi)環(huán)聚合反應(yīng)?

１? ３ 引入二茂鐵基

二茂鐵基團(tuán)由于耐熱性和電化學(xué)性能突出?可

以穩(wěn)定苯并噁嗪開(kāi)環(huán)聚合過(guò)程中形成的兩性離子中

間體?從而促進(jìn)固化反應(yīng)[２８－３０]

?

Ｌｉ 等[３０]將含二茂鐵的胺源與酚類(lèi)、多聚甲醛反

應(yīng)?制備了兩種新型苯并噁嗪樹(shù)脂?分別為單官能團(tuán)

苯并噁嗪樹(shù)脂(ｐＣ－ｆｃｍａ)和雙官能團(tuán)苯并噁嗪樹(shù)脂

(ＢＡ－ｆｃｍａ)?合成路線見(jiàn)圖 ３? 對(duì)其固化行為進(jìn)行研

究?結(jié)果表明?相較于傳統(tǒng)苯并噁嗪?單官能團(tuán)的苯

并噁嗪樹(shù)脂的固化峰峰值溫度略有下降?而雙官能

團(tuán)的苯并噁嗪?jiǎn)误w的固化溫度則大大降低?其固化

峰峰值溫度為 １７９ ℃ ?與比傳統(tǒng)的苯胺型苯并噁嗪

樹(shù)脂相比降低了近 ７０ ℃ ? 原因在于?在開(kāi)環(huán)聚合過(guò)

程中?芳胺環(huán)上一個(gè)或兩個(gè)間位上的供電子烷基取

代基促進(jìn)噁嗪環(huán)在較低溫度下開(kāi)環(huán)?對(duì)開(kāi)環(huán)離子中

間體具有穩(wěn)定作用并進(jìn)一步促進(jìn)中間體與苯并噁嗪

單體的聚合反應(yīng)? 這表明二茂鐵基團(tuán)具有一定的催

化效應(yīng)?可以降低苯并噁嗪樹(shù)脂的固化溫度? 值得

注意的是?含二茂鐵基的聚合物還具有可逆的氧化

還原電化學(xué)活性?常應(yīng)用于電極修飾劑和電化學(xué)傳

感器的研究?

圖 ３ 兩種含二茂鐵基苯并噁嗪樹(shù)脂的合成路線圖[３０]

Ｆｉｇ? ３ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｔｗｏ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｆｅｒｒｏｃｅｎｙｌ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ ｒｅｓｉｎｓ

[３０]

苯并噁嗪開(kāi)環(huán)聚合反應(yīng)需要 Ｃ—Ｏ 鍵的斷裂和

中間體的進(jìn)一步交聯(lián)? 羧基、羥基或二茂鐵基都是

通過(guò)適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)機(jī)理促進(jìn) Ｃ—Ｏ 鍵的斷裂和中間體

的進(jìn)一步交聯(lián)?這些官能團(tuán)的引入均可通過(guò)反應(yīng)原

料的選擇實(shí)現(xiàn)?

此外?當(dāng)酚環(huán)或芳香胺上含有取代基?其電子效

應(yīng)和空間位阻也會(huì)直接影響開(kāi)環(huán)聚合過(guò)程? 當(dāng)酚環(huán)

的對(duì)位存在吸電子基團(tuán)時(shí)?這些基團(tuán)能通過(guò)增加嗪

環(huán)上 Ｃ—Ｏ 的鍵長(zhǎng)及降低鍵能來(lái)刺激開(kāi)環(huán)反應(yīng)的進(jìn)

行? 同時(shí)?吸電子基團(tuán)的存在會(huì)提高開(kāi)環(huán)后的酚羥

基的酸性?使自催化效應(yīng)更強(qiáng)? 然而?如果酚環(huán)的對(duì)

位或芳香胺的對(duì)位存在供電子基團(tuán)?對(duì)開(kāi)環(huán)聚合反

應(yīng)的影響將不顯著?

從分子角度出發(fā)?合成特定的苯并噁嗪?jiǎn)误w可

為苯并噁嗪改性提供更廣闊的可能性? 引入功能性

基團(tuán)?不僅能改變開(kāi)環(huán)聚合的速度和機(jī)制?也能對(duì)其

樹(shù)脂的熱穩(wěn)定性、介電性、阻燃性等特性產(chǎn)生影響?

因此?通過(guò)分子設(shè)計(jì)合成含功能性基團(tuán)的苯并噁嗪

單體具有重大意義? 但不利的是?對(duì)某些單體的合

成可能需要多個(gè)步驟?導(dǎo)致工藝路線復(fù)雜?不利于實(shí)

際應(yīng)用? 因此?有許多研究者建議在苯并噁嗪樹(shù)脂

中加入催化劑?期望以簡(jiǎn)化、有效的方式降低固化溫

度?提高固化速率?

２ 引入催化劑

苯并噁嗪中噁嗪環(huán)的扭曲椅式結(jié)構(gòu)存在一定的

張力?開(kāi)環(huán)點(diǎn)在 Ｎ—Ｃ—Ｏ 結(jié)構(gòu)中的 Ｃ—Ｏ 鍵?因此?

苯并噁嗪開(kāi)環(huán)聚合的實(shí)質(zhì)是噁嗪環(huán)上的 Ｃ—Ｏ 鍵斷

裂?所以能夠促進(jìn) Ｃ—Ｏ 鍵斷裂的化合物均是苯并

噁嗪固化反應(yīng)的催化劑? 催化劑的添加會(huì)使苯并噁

嗪樹(shù)脂熱聚合的活化能降低?噁嗪環(huán)的開(kāi)環(huán)速率加

快?從而降低固化反應(yīng)溫度?縮短固化反應(yīng)時(shí)間? 常

用的催化劑有酸、堿、有機(jī)酚、酚醛樹(shù)脂等? 此外?在

外部能源量(輻射能或電能)的作用下?產(chǎn)生引發(fā)陽(yáng)

離子或陽(yáng)離子自由基也會(huì)對(duì)苯并噁嗪的固化反應(yīng)起

到催化效果[３１]

? 值得注意的是?一些催化劑不僅可

降低固化溫度?還會(huì)影響苯并噁嗪樹(shù)脂的熱性能和

機(jī)械性能[３２]

? 因此從催化劑角度考慮?設(shè)計(jì)并制備

一種既促進(jìn)固化反應(yīng)又提高樹(shù)脂性能的催化劑具有

重要的現(xiàn)實(shí)意義?

２? １ 酸催化

常用于催化苯并噁嗪樹(shù)脂固化的酸主要有 Ｌｅｗｉｓ

酸和有機(jī)酸? 通常情況下?ＰＣｌ

５ 、ＴｉＣｌ

４ 、ＡｌＣｌ

３ 、ＦｅＣｌ

３

這些氯化金屬鹽作為 Ｌｅｗｉｓ 酸催化劑?在室溫下可

引發(fā)苯并噁嗪?jiǎn)误w的固化反應(yīng)[１１?３３－３４]

?

如圖 ４ 所示?ＭＣｌ

ｘ催化劑中的 Ｍ 質(zhì)子進(jìn)攻苯并

噁嗪中的 Ｏ 原子?導(dǎo)致 Ｃ—Ｏ 鍵長(zhǎng)增加?Ｃ—Ｏ 鍵斷

裂活化能降低?促進(jìn)了苯并噁嗪開(kāi)環(huán)形成亞胺正離

子和碳正離子共振中間體? 碳正離子進(jìn)一步進(jìn)攻苯

并噁嗪結(jié)構(gòu)中的電負(fù)性位點(diǎn)?發(fā)生鏈增長(zhǎng)的交聯(lián)反

應(yīng)?最終形成聚苯并噁嗪?

２０２３ 年第 ９ 期 １２３

???????????????????????????????????????????????

中低溫固化苯并噁嗪樹(shù)脂的研究進(jìn)展

圖 ４ ＭＣｌ

ｘ催化苯并噁嗪開(kāi)環(huán)形成

亞胺正離子和碳正離子共振中間體

Ｆｉｇ? ４ Ｔｈｅ ｒｉｎｇ－ｏｐｅｎｉｎｇ ｏｆ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ ｔｏ ｆｏｒｍ ｉｍｉｄｅ ａｎｄ

ｃａｒｂｏｃａｔｉｏｎ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅｓ ｂｙ ＭＣｌ

ｘ

ｃａｔａｌｙｓｔ

Ｉｓｈｉｄａ

[３５] 研究了 ＰＣｌ

５ 、ＰＣｌ

３ 、ＰＯＣｌ

３ 、ＴｉＣｌ

４ 、ＡｌＣｌ

３

這幾種引發(fā)劑對(duì)苯并噁嗪樹(shù)脂的固化促進(jìn)作用?發(fā)

現(xiàn)這幾種催化劑的促進(jìn)作用在中等溫度下對(duì)苯并噁

嗪樹(shù)脂的開(kāi)環(huán)聚合反應(yīng)是有效的? 以 ＰＣｌ

５為例?從

ＤＳＣ 曲線圖(圖 ５) 可以看到?固化溫度明顯降低?

盡管這些催化劑經(jīng)濟(jì)有效?但它們與純苯并噁嗪樹(shù)

脂的相溶性不好?后繼研究者發(fā)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的 Ｌｅｗｉｓ

酸會(huì)明顯提高其溶解度?

圖 ５ 加入 ＰＣｌ

５苯并噁嗪樹(shù)脂的 ＤＳＣ 曲線[３５]

Ｆｉｇ? ５ ＤＳＣ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ ｒｅｓｉｎ ａｆｔｅｒ ａｄｄｉｎｇ ＰＣｌ

５

[３５]

鋅基金屬有機(jī)框架[Ｚｎ４Ｏ(ＢＤＣ)３ ?ＭＯＦ] 中的

Ｚｎ４Ｏ(ＢＤＣ)３具有 Ｌｅｗｉｓ 酸性?可以促進(jìn)苯并噁嗪?jiǎn)?/p>

體的固化? Ｓｈａｒｍａ 等[３６] 研究了 Ｚｎ４ Ｏ ( ＢＤＣ)３ 基

ＭＯＦ 對(duì)腰果酚基苯并噁嗪樹(shù)脂固化行為的影響?結(jié)

果表明?含 Ｌｅｗｉｓ 酸性的 Ｚｎ４Ｏ(ＢＤＣ)３基 ＭＯＦ 可導(dǎo)

致苯并噁嗪的固化溫度大幅下降? Ｍｕｓｔａｆａ 等[１５] 以

Ｂ(Ｃ６Ｆ５ )３為 Ｌｅｗｉｓ 酸催化劑?研究其對(duì) １?３－苯并噁

嗪樹(shù)脂固化行為的影響?結(jié)果表明?該催化劑具有較

強(qiáng)的催化性能? 由于其結(jié)構(gòu)中 Ｎ 和 Ｂ 原子之間存在

較強(qiáng)的結(jié)合親和力?苯并噁嗪樹(shù)脂/ Ｂ(Ｃ６ Ｆ５ )３混合

物易于制備?催化劑溶解度高更易于發(fā)揮催化作用?

有機(jī)酸催化劑的作用均是提供 Ｈ

＋用以引發(fā)噁

嗪環(huán)開(kāi)環(huán)?生成碳正離子和亞胺離子共振中間體?

酸根據(jù)強(qiáng)弱程度可分為有機(jī)強(qiáng)酸(如對(duì)甲苯磺酸

等[２?１１?３７]

)和有機(jī)弱酸(如乙二酸等[３８－３９]

)?其中?有

機(jī)強(qiáng)酸形成的中間體以碳正離子為主?可快速發(fā)生

交聯(lián)聚合反應(yīng)?有機(jī)弱酸的存在使反應(yīng)存在自加速

過(guò)程?前期反應(yīng)速率較慢? 苯并噁嗪樹(shù)脂優(yōu)于酚醛

樹(shù)脂的地方在于酚醛樹(shù)脂固化過(guò)程需要強(qiáng)酸作為催

化劑?會(huì)造成設(shè)備腐蝕、環(huán)境污染等? Ｉｓｈｉｄａ 等[３９]考

察了己二酸、雙酚 Ａ 和強(qiáng)堿對(duì)苯并噁嗪?jiǎn)误w的催化

效果?研究表明?添加己二酸的苯并噁嗪的固化溫度

最低? 圖 ６ 為酸催化苯并噁嗪開(kāi)環(huán)固化的反應(yīng)式?

天然可再生酚酸包括肉桂酸[４０]

、阿魏酸[４１]

、香豆酸

和苯并噁嗪酸[４２]等?除了用作合成苯并噁嗪?jiǎn)误w的

原料外?也可用作降低固化溫度的催化劑?

圖 ６ 酸催化苯并噁嗪開(kāi)環(huán)固化的反應(yīng)式[３９]

Ｆｉｇ? ６ Ｒｅａｃｔｉｏｎ ｆｏｒｍｕｌａ ｏｆ ａｃｉｄ ｃａｔａｌｙｚｅｄ ｒｉｎｇ

ｏｐｅｎｉｎｇ ｃｕｒｉｎｇ ｏｆ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ ｒｅｓｉｎ

[３９]

２? ２ 堿催化

堿性催化劑主要通過(guò)親核反應(yīng)生成具有促進(jìn)固

化反應(yīng)的中間體? 近年來(lái)?常用于催化苯并噁嗪樹(shù)

脂開(kāi)環(huán)聚合的弱堿主要有咪唑[３８?４３]

、胺類(lèi)[４４－４５]催化

劑等? 宋霖等[４６] 研究了咪唑作為催化劑對(duì)苯并噁

嗪樹(shù)脂固化反應(yīng)的影響? ＤＳＣ 曲線(圖 ７)表明?咪

唑的加入使固化峰初始溫度降低約 ９０ ℃ ?說(shuō)明咪唑

可以促進(jìn)苯并噁嗪樹(shù)脂的開(kāi)環(huán)固化?

圖 ７ 兩種苯并噁嗪樹(shù)脂的 ＤＳＣ 曲線[４６]

Ｆｉｇ? ７ Ｔｈｅ ＤＳＣ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｔｗｏ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ ｒｅｓｉｎｓ

[４６]

咪唑分子結(jié)構(gòu)中的仲胺基上的活潑氫進(jìn)攻噁嗪

環(huán) Ｃ—Ｏ 上的 Ｏ 原子?會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)化學(xué)鍵的斷裂?

胺類(lèi)親核試劑可以與苯并噁嗪樹(shù)脂發(fā)生親核取代反

１２４ ２０２３ 年 ９ 月

???????????????????????????????????????????????

復(fù)合材料科學(xué)與工程

應(yīng)?生成具有酚類(lèi)和氨基甲胺兩種結(jié)構(gòu)的兩性離子

產(chǎn)物和穩(wěn)定的氨基甲酚結(jié)構(gòu)?從而促進(jìn)固化反應(yīng)?

孫家勤等[４４]通過(guò)紅外光譜、ＤＳＣ 探究了間苯二

胺(Ａ１)、間二甲二胺(Ａ２)、異福爾酮二胺(Ａ３)、三

甲基六乙二胺(Ａ４)和 ４?４－二氨基二苯砜(Ａ５)這五

種市售胺對(duì)苯并噁嗪樹(shù)脂固化行為的影響? ＤＳＣ 結(jié)

果表明?在 １２０ ℃或 １５０ ℃時(shí)?苯并噁嗪樹(shù)脂可以與

胺快速固化? 紅外結(jié)果顯示?１ ２３０ ｃｍ

－１處噁嗪環(huán)上

的 Ｃ—Ｏ—Ｃ 特征峰與 ９４６ ｃｍ

－１處三取代苯環(huán)特征

峰隨著固化時(shí)間延長(zhǎng)逐漸減弱?且在１ １８０ ｃｍ

－１

、

１ ４８０ ｃｍ

－１

、３ ４０７ ｃｍ

－１處觀察到三個(gè)新的峰?分別歸

屬于伯胺、四取代芳環(huán)和酚羥基的 Ｃ—Ｎ—Ｈ 鍵拉伸

振動(dòng)? 這表明胺與苯并噁嗪樹(shù)脂之間發(fā)生了親核取

代反應(yīng)(圖 ８)?有效降低了苯并噁嗪樹(shù)脂的固化反

應(yīng)溫度?

圖 ８ 胺與苯并噁嗪的反應(yīng)機(jī)理圖[４４]

Ｆｉｇ? ８ Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｂｅｔｗｅｅｎ

ａｍｉｎｅ ａｎｄ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ

[４４]

２? ３ 有機(jī)酚

各種酚類(lèi)親核試劑因其具有一定的酸性和親核

性而被用于加速苯并噁嗪樹(shù)脂的固化? 常用的親核

性有機(jī)酚有間苯二酚、對(duì)苯二酚、鄰苯三酚等[４７－４８]

?

Ｋｏｌａｎａｄｉｙｉｌ 等[４９]合成了一種三官能團(tuán)苯并噁嗪

樹(shù)脂(Ｔ－Ｂｚ)?為了降低其固化溫度?將其與酚、對(duì)甲

氧基苯酚(ＭＰＨ)、２－甲基間苯二酚(ＭＲ)、對(duì)苯二酚

(ＨＱ)、鄰苯三酚(ＰＧ)等五種酚類(lèi)親核試劑混合?使

用 ＤＳＣ 和 ＦＴＩＲ 分析了這些酚類(lèi)親核試劑對(duì) Ｔ－Ｂｚ

固化溫度的影響? ＤＳＣ 結(jié)果顯示?酚類(lèi)親核試劑

(如 ＭＲ、ＨＱ 和 ＰＧ)的加入極大地改變了 Ｔ－Ｂｚ 的固

化行為?使其達(dá)到極低的溫度? ＦＴＩＲ 結(jié)果中?噁嗪

環(huán)的吸收峰在 １４０ ℃ 下加熱 ３ ｈ 后完全消失?進(jìn)一

步表明在該溫度下發(fā)生了完全的開(kāi)環(huán)加成聚合反

應(yīng)?證實(shí)了酚類(lèi)親核試劑可以促進(jìn)苯并噁嗪樹(shù)脂的

固化反應(yīng)? Ｌｉ 等[５０] 采用無(wú)溶劑法制備全生物基苯

并噁嗪樹(shù)脂?以苯酚為對(duì)照例?考察鄰苯三酚對(duì)全生

物基苯并噁嗪樹(shù)脂固化行為的影響? ＤＳＣ 結(jié)果表

明?鄰苯三酚比苯酚更能促進(jìn)苯并噁嗪樹(shù)脂的開(kāi)環(huán)

固化?添加鄰苯三酚的固化峰峰值溫度從 ２５４ ℃ 降

到了 １６８ ℃ ? 苯并噁嗪樹(shù)脂與鄰苯三酚的開(kāi)環(huán)聚合

機(jī)理見(jiàn)圖 ９?鄰苯三酚中的羥基能使氧原子質(zhì)子化

形成亞胺離子?促進(jìn)苯并噁嗪樹(shù)脂的開(kāi)環(huán)聚合?

圖 ９ 鄰苯三酚加速苯并噁嗪樹(shù)脂開(kāi)環(huán)聚合反應(yīng)機(jī)理[５０]

Ｆｉｇ? ９ Ｒｅａｃｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｒｉｎｇ ｏｐｅｎｉｎｇ ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ

ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ ｒｅｓｉｎ ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｐｙｒｏｇａｌｌｏｌ

[５０]

２? ４ 硫醇化合物

與酚類(lèi)化合物相比?硫醇化合物由于供氫能力

較高?催化效率更高?

Ｇｏｒｏｄｉｓｈｅｒ 等[５１] 提出通過(guò)硫醇兩步催化打開(kāi)苯

并噁嗪環(huán)的方法?如圖 １０ 所示? 首先用硫醇使噁嗪

環(huán)上的氮原子質(zhì)子化?硫代酸離子再攻擊雜原子間

的 ＣＨ２基團(tuán)?使噁嗪環(huán)發(fā)生開(kāi)環(huán)反應(yīng)? 整個(gè)過(guò)程類(lèi)

似于酸催化的苯開(kāi)環(huán)聚合反應(yīng)? 由于活性物質(zhì)硫醇

和胺離子的不斷再生?僅需少量的硫醇就會(huì)降低聚

合溫度?從而提高了聚合反應(yīng)效率?

圖 １０ 硫醇催化苯并惡嗪開(kāi)環(huán)反應(yīng)路徑[５１]

Ｆｉｇ? １０ Ｔｈｅ ｒｉｎｇ－ｏｐｅｎｉｎｇ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｐａｔｈ ｏｆ ｔｈｅ

ｔｈｉｏｌ ｃａｔａｌｙｚｅｄ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ

[５１]

２０２３ 年第 ９ 期 １２５

???????????????????????????????????????????????

中低溫固化苯并噁嗪樹(shù)脂的研究進(jìn)展

除硫醇試劑外?單質(zhì)硫( Ｓ) 也可作為反應(yīng)試劑

降低苯并噁嗪?jiǎn)误w的聚合溫度? Ｓｗａｐｎｉｌ 等[５２] 證明

單質(zhì)硫可使苯并噁嗪開(kāi)環(huán)聚合的反應(yīng)溫度從 ２６３ ℃

降至 １８５ ℃ ?

２? ５ 酚醛樹(shù)脂

酚醛樹(shù)脂由于結(jié)構(gòu)中酚羥基的存在?也能起到

降低苯并噁嗪固化溫度、縮短固化時(shí)間的作用[１１?５３]

?

陳戈等[５４]以熱固性間苯二酚酚醛樹(shù)脂(ＲＰ)為改性

劑?與苯并噁嗪樹(shù)脂(ＢＡ－ａ)進(jìn)行共混?通過(guò)紅外測(cè)

試研究了 ＲＰ 對(duì)苯并噁嗪樹(shù)脂固化反應(yīng)的促進(jìn)作用?

結(jié)果表明?加入 ＲＰ 可以明顯降低苯并噁嗪樹(shù)脂的

固化溫度? 趙星宇等[５５]采用 ＲＰ 和間苯二酚環(huán)氧樹(shù)

脂(ＲＥ)為改性劑?與苯并噁嗪樹(shù)脂(ＢＡ－ａ)進(jìn)行共

混?通過(guò)紅外光譜測(cè)試研究三體系共混的固化行為?

結(jié)果表明?酚醛樹(shù)脂的添加能夠有效的降低苯并噁

嗪樹(shù)脂的固化溫度? Ｗａｎｇ 等[５６] 將過(guò)渡金屬與甲苯

磺酸鹽和線性酚醛樹(shù)脂混合作為催化劑?通過(guò) ＤＳＣ

和紅外光譜測(cè)試考察了其對(duì)苯并噁嗪樹(shù)脂固化行為

的影響?結(jié)果表明?與單一催化體系相比?共混樣品

的峰值溫度持續(xù)降低?放熱溫度范圍變寬?

酚醛樹(shù)脂對(duì)苯并噁嗪樹(shù)脂固化有一定的促進(jìn)作

用?主要是由于酚醛樹(shù)脂的酚羥基和鄰、對(duì)位活潑氫

的存在改變了噁嗪環(huán)的開(kāi)環(huán)固化機(jī)理?使其由熱開(kāi)

環(huán)變成活潑氫開(kāi)環(huán)?促進(jìn)了噁嗪環(huán)的打開(kāi)?實(shí)現(xiàn)了在

較低溫度下的反應(yīng)?同時(shí)釋放的熱量又可以促使酚

醛樹(shù)脂進(jìn)行縮合反應(yīng)?致使體系的固化反應(yīng)活化能

降低? 但酚醛樹(shù)脂往往會(huì)在固化過(guò)程中釋放大量的

小分子?增加了樹(shù)脂的孔隙率?對(duì)苯并噁嗪樹(shù)脂的力

學(xué)性能有一定影響?

３ 單體改性及催化劑添加方案對(duì)比

綜上所述?不論是單體改性還是催化劑的加入

均可有效降低苯并噁嗪開(kāi)環(huán)聚合的溫度? 為方便對(duì)

比其特性?現(xiàn)將部分典型單體改性及催化劑的加入

對(duì)苯并噁嗪樹(shù)脂的影響匯總于表 １ 中?

表 １ 單體改性及催化劑的加入對(duì)苯并噁嗪樹(shù)脂的影響

Ｔａｂｌｅ １ Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｍｏｎｏｍｅｒ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃａｔａｌｙｓｔ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｎ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ ｒｅｓｉｎ

序號(hào) 單體改性 苯并噁嗪?jiǎn)误w或催化劑 ＤＳＣ 峰值/ ℃ 固化時(shí)間/ ｈ ８００ ℃殘?zhí)柯? ％ 特點(diǎn)

１ 引入羧基

ｍ２

[２１]

１８０ ２ ４４.０

ＰＨＧ－Ｐ－ＢＯＺ

[２３] １６０ ５ ３４.７

熱穩(wěn)定性有待提升

２ 引入酚羥基 ＣＨＲ－ｆａ

[２７] １８０ ４ ４８.０ 提高熱穩(wěn)定性?增強(qiáng)樹(shù)脂模量

３ 引入二茂鐵基 ＢＡ－ｆｃｍａ

[３０] １７９ ２ ５４.０ 電化學(xué)性能優(yōu)異

４ 酸催化

對(duì)甲基苯磺酸[３７] １９２ ６ ４０.０

乙二酸[３９] １７６ ４ ４１.３

高效率?低選擇性

５ 堿催化 間苯二胺[４４] １２２ ４ ４３.２ 高效?提高熱穩(wěn)定性

６ 有化酚 鄰苯三酚[５０] １６８ ３ ３３.０ 降低熱穩(wěn)定性

７ 酚醛樹(shù)脂 甲苯二酚酚醛[５４] １５０ ８ ４０.３ 耐熱性增加?力學(xué)性能下降

注:ｍ２為含羧基的單體?ＰＨＧ－Ｐ－ＢＯＺ 為間苯三酚－對(duì)氨基苯甲酸型苯并噁嗪?jiǎn)误w?ＣＨＲ－ｆａ 為白楊素基苯并噁嗪?ＢＡ－ｆｃｍａ 為含兩個(gè)二茂

鐵基官能團(tuán)的苯并噁嗪?jiǎn)误w?

對(duì)于單體改性而言?無(wú)論是羧基還是酚羥基的

引入都能起到提供活性氫的作用?官能團(tuán)的引入勢(shì)

必會(huì)造成單體結(jié)構(gòu)的改變?從而導(dǎo)致開(kāi)環(huán)聚合后樹(shù)

脂的一些特性改變?例如羧基的引入會(huì)造成樹(shù)脂熱

穩(wěn)性的下降? 對(duì)于催化劑而言?酸性催化劑作為最

常見(jiàn)的催化劑之一?其催化效果明顯但選擇性不高?

硫基化合物在相同的添加量下效率更高?有機(jī)酚在

生物質(zhì)基苯并噁嗪中受到廣泛關(guān)注?咪唑或胺類(lèi)堿

性催化劑常作為固化劑與其他樹(shù)脂配合使用共同完

成樹(shù)脂體系的性能優(yōu)化?

隨著先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬?在要

求降低固化溫度的同時(shí)更對(duì)其性能提出了更高的要

求? 催化劑作為樹(shù)脂體系配方的一部分?需要配合

其他樹(shù)脂或填料使用?在保證不降低樹(shù)脂性能的前

提下?對(duì)催化劑的選擇性和協(xié)同催化特性提出了更

高的要求?

４ 結(jié) 論

針對(duì)苯并噁嗪樹(shù)脂的中低溫固化?已在單體結(jié)構(gòu)

改性及添加催化劑方面取得大的進(jìn)展?但也存在一些

問(wèn)題? 未來(lái)的研究工作可以圍繞以下兩個(gè)方面展開(kāi):

１２６ ２０２３ 年 ９ 月

???????????????????????????????????????????????

復(fù)合材料科學(xué)與工程

(１)通過(guò)采用不同種類(lèi)的胺源、酚源與多聚甲醛

共聚?合成含功能性官能團(tuán)的苯并噁嗪?jiǎn)误w?能夠有

效降低固化溫度? 其中新型生物基苯并噁嗪樹(shù)脂的

構(gòu)筑更是降低固化溫度的有效手段? 充分認(rèn)識(shí)苯并

噁嗪樹(shù)脂的構(gòu)－效關(guān)系?做到精準(zhǔn)合成的同時(shí)簡(jiǎn)化合

成工藝?具有重要的意義?

(２)催化劑與苯并噁嗪樹(shù)脂共混能夠有效地促

進(jìn)固化反應(yīng)?且復(fù)配產(chǎn)品具有很好的應(yīng)用前景? 通

過(guò)市場(chǎng)調(diào)研可知?單組分催化劑已不能滿足需求?后

期主要的研究重點(diǎn)在于探索新型催化劑或復(fù)合型催

化劑? 這種新型催化劑或復(fù)合型催化劑在不影響苯

并噁嗪樹(shù)脂基本性能的前提下?不僅促進(jìn)固化反應(yīng)?

同時(shí)還能提高樹(shù)脂的力學(xué)性能、阻燃性能?將是未來(lái)

主要的研究目標(biāo)?

參考文獻(xiàn)

[１] 顧宜. 苯并噁嗪樹(shù)脂———一類(lèi)新型熱固性工程塑料[ Ｊ]. 熱固性

樹(shù)脂? ２００２(２): ３１－３４? ３９.

[２] 顧宜? 冉啟超? 等. 聚苯并惡嗪—原理?性能?應(yīng)用[Ｍ]. 北京:

科學(xué)出版社? ２０１９: １３－１１１.

[３] ＺＡＣＨＡＲＩＡＨ Ｓ? ＬＩＵ Ｙ Ｌ. Ｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｏｆ ｐｏｌｙｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ －

ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚｅｄ ｍｕｌｔｉｗａｌｌｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ａｎｄ ｐｏｌｙｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ ｆｏｒ

ａｎｔｉｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ[ Ｊ]. Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ?

２０２０? １９４(７): １０８１６９－１０８１７７.

[４] ＲＩＭＤＵＳＩＴ Ｓ? ＩＳＨＩＤＡ Ｈ. Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｎｅｗ ｃｌａｓｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ

ｐａｃｋａｇｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｅｒｎａｒｙ ｓｙｓｔｅｍｓ ｏｆ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ? ｅｐｏｘｙ?

ａｎｄ ｐｈｅｎｏｌｉｃ ｒｅｓｉｎｓ[Ｊ]. Ｐｏｌｙｍｅｒ? ２０００? ４１(２２): ７９４１－７９４９.

[５] ＡＤＪＡＯＵＤ Ａ? ＰＵＣＨＯＴ Ｌ? ＦＥＤＥＲＩＣＯ Ｃ Ｅ? ｅｔ ａｌ. Ｌｉｇｎｉｎ－ｂａｓｅｄ

ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅｓ: Ａ ｔｕｎａｂｌｅ ｋｅｙ－ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ

ｃｏａｔｉｎｇｓ? ｆｉｒｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｃａｔａｌｙｓｔ－ｆｒｅｅ ｖｉｔｒｉｍｅｒｓ[Ｊ]. Ｃｈｅ￣

ｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｊｏｕｒｎａｌ? ２０２３? ４５３(２): １３９８９５－１３９９０８.

[６] ＢＥＲＡＬＤＯ Ｃ? ＭＡＵＲＯ Ｒ? ＤＡ Ｓ? ｅｔ ａｌ. Ａ ｎｅｗ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ－ｂａｓｅｄ

ｉｎｔｕｍｅｓｃｅｎｔ ｃｏａｔｉｎｇ ｆｏｒ ｐａｓｓｉｖｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｇａｉｎｓｔ ｆｉｒｅ[ Ｊ]. Ｐｒｏｇｒｅｓｓ

ｉｎ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｏａｔｉｎｇｓ: Ａｎ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｊｏｕｒｎａｌ? ２０１９? １３７:

１０５３２１－１０５３３２.

[７] ＬＯＣＨＡＢ Ｂ? ＶＡＲＭＡ Ｉ? ＢＩＪＷＥ Ｖ? ｅｔ ａｌ. Ｃａｒｄａｎｏｌ － ｂａｓｅｄ ｂｉｓ￣

ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅｓ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅｒｍａｌ ｂｅｈａｖｉｏｕｒ[ Ｊ]. Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ

Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ? ２０１２? １０７(２): ６６１－６６８.

[８] ＤＵＭＡＳ Ｌ? ＢＯＮＮＡＵＤ Ｌ? ＯＬＩＶＩＥＲ Ｍ? ｅｔ ａｌ. Ｂｉｏ－ｂａｓｅｄ ｈｉｇｈ ｐｅｒ￣

ｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｈｅｒｍｏｓｅｔｓ: Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｅｕｇｅｎｏｌ －

ｂａｓｅｄ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｗｉｔｈ ＢＭＩ ａｎｄ ＣＮＴ[Ｊ]. Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｐｏｌｙ￣

ｍｅｒ Ｊｏｕｒｎａｌ? ２０１５? ６７: ４９４－５０２.

[９] ＡＭＡＲＮＡＴＨ Ｎ? ＳＨＵＫＬＡ Ｓ? ＬＯＣＨＡＢ Ｂ? ｅｔ ａｌ. Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ ｔｈｅ

ｂｅｎｅｆｉｔｓ ｏｆ ｉｎｈｅｒｅｎｔ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｉｅｓ ｉｎ ｆｕｌｌｙ ｂｉｏｓｏｕｒｃｅｄ

ｉｓｏｍｅｒｉｃ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅｓ[ Ｊ]. ＡＣＳ Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ＆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ￣

ｉｎｇ? ２０１８? ６(１１): １５１５１－１５１６１.

[ １０] ＴＨＩＲＵＫＵＭＡＲＡＮ Ｐ? ＰＡＲＶＥＥＮ Ａ Ｓ? ＳＡＲＯＪＡＤＥＶＩ Ｍ. Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ

ａｎｄ ｃｏｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｕｌｌｙ ｂｉｏｂａｓｅｄ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅｓ ｆｒｏｍ ｒｅｎｅｗａｂｌｅ

ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ[Ｊ]. ＡＣＳ Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ＆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ? ２０１４? ２

(１２): ２７９０－２８０１.

[１１] ＬＯＣＨＡＢ Ｂ? ＭＯＮＩＳＨＡ Ｍ? ＡＭＡＲＮＡＴＨ Ｎ? ｅｔ ａｌ. Ｒｅｖｉｅｗ ｏｎ ｔｈｅ

ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ ａｎｄ ｌｏｗ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ ｒｅｓ￣

ｉｎｓ: Ａｄｄｉｔｉｏｎ ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｂｌｅ ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ ｐｏｌｙｍｅｒｓ [ Ｊ]. Ｐｏｌｙｍｅｒｓ?

２０２１?１３(８): １２６０－１３５３.

[１２] ＺＨＡＮＧ Ｋ? ＨＡＮ Ｍ Ｃ? ＨＡＮ Ｌ? ｅｔ ａｌ. Ｒｅｓｖｅｒａｔｒｏｌ－ｂａｓｅｄ ｔｒｉ－ｆｕｎｃ￣

ｔｉｏｎａｌ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅｓ: Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ? ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ? ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ?

ａｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ａｎｄ ｆｌａｍｅ ｒｅｔａｒｄａｎｔ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ[ Ｊ]. Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｐｏｌｙｍｅｒ

Ｊｏｕｒｎａｌ? ２０１９? １１６: ５２６－５３３.

[１３] 李澤宇? 王志德? 周權(quán). 含氰基和乙炔基苯并噁嗪樹(shù)脂的固化

行為及性能研究[Ｊ]. 北京化工大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版? ２０２２?

４９(３): ２２－２９.

[１４] ＡＫＫＵＳ Ｂ? ＫＩＳＫＡＮ Ｂ? ＹＡＧＣＩ Ｙ. Ｃｙａｎｕｒｉｃ ｃｈｌｏｒｉｄｅ ａｓ ｐｏｔｅｎｔ ｃａｔ￣

ａｌｙｓｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃｕｒｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅｓ [ Ｊ].

Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ? ２０１９? １１(５): １０２５－１０３２.

[１５] ＭＵＳＴＡＦＡ Ａ? ＢＡＲＩＳ Ｋ? ＹＵＳＵＦ Ｙ. Ｒｉｎｇ－ｏｐｅｎｉｎｇ ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ

ｏｆ １?３－Ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅｓ ｖｉａ ｂｏｒａｎｅ ｃａｔａｌｙｓｔ[ Ｊ]. Ｐｏｌｙｍｅｒｓ? ２０１８? １０

(３): ２３９－２５２.

[１６] ＷＡＮＧ Ｚ? ＣＡＯ Ｎ? ＭＩＡＯ Ｙ? ｅｔ ａｌ. Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｃｕｒｉｎｇ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｏｎ

ｐｈａｓｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｂｉｓｐｈｅｎｏｌ ａ－ａｎｉｌｉｎｅ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ /

Ｎ?Ｎ’ －(２?２?４－ｔｒｉｍｅｔｈｙｌｈｅｘａｎｅ－ １?６－ｄｉｙｌ) ｂｉｓ(ｍａｌｅｉｍｉｄｅ) / ｉｍ￣

ｉｄａｚｏｌｅ ｂｌｅｎｄ[Ｊ]. Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ? ２０１５? １３３

(１４): ４３２５９－４３２６７.

[１７] ＳＨＥＮ Ｄ? ＳＥＢＡＳＴＩáＮ Ｒ Ｍ? ＭＡＲＱＵＥＴ Ｊ? ｅｔ ａｌ. Ｃａｔａｌｙｓｔ ｅｆｆｅｃｔｓ

ｏｎ ｔｈｅ ｒｉｎｇ－ｏｐｅｎｉｎｇ ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ １?３－ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ ａｎｄ ｏｎ ｔｈｅ

ｐｏｌｙｍｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ[Ｊ]. Ｐｏｌｙｍｅｒ? ２０１３? ５４(１２): ２８７３－２８７８.

[１８] ＪＵＢＳＩＬＰ Ｃ? ＰＵＮＳＯＮ Ｋ? ＴＡＫＥＩＣＨＩ Ｔ? ｅｔ ａｌ. Ｃｕｒｉｎｇ ｋｉｎｅｔｉｃｓ ｏｆ

Ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ－ｅｐｏｘｙ ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｂｙ ｎｏｎ －ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ ｄｉｆ￣

ｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ[Ｊ]. Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｔａｂｉｌｉ￣

ｔｙ? ２０１０? ９５(６): ９１８－９２４.

[ １９] ＥＳＰＩＮＯＳＡ Ｍ Ａ? ＧＡＬＩà Ｍ? ＣáＤＩＺ Ｖ. Ｎｏｖｅｌ ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｌａｔｅｄ ｆｌａｍｅ

ｒｅｔａｒｄａｎｔ ｔｈｅｒｍｏｓｅｔｓ: Ｅｐｏｘｙ－ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ－ｎｏｖｏｌａｃ ｓｙｓｔｅｍｓ[Ｊ]. Ｐｏｌｙ￣

ｍｅｒ? ２００４? ４５(１８): ６１０３－６１０９.

[２０] ＸＵ Ｌ? ＳＩＴＵ Ｙ? ＨＵ Ｊ Ｆ? ｅｔ ａｌ. Ｎｏｎ－ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ ｃｕｒｉｎｇ ｋｉｎｅｔｉｃｓ ａｎｄ

ｔｈｅｒｍａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ－ｐｈｅｎｏｌｉｃ ｃｏｐｏｌｙｍｅｒｓ[Ｊ]. Ｊｏｕｒｎａｌ

ｏｆ Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ? ２００９? １６(３): ３９２－３９８.

[２１] ＡＮＤＲＥＵ Ｒ? ＲＥＩＮＡ Ｊ Ａ? ＲＯＮＤＡ Ｊ Ｃ. Ｃａｒｂｏｘｙｌｉｃ ａｃｉｄ－ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ

ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅｓ ａｓ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｃａｔａｌｙｓｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ

ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅｓ[Ｊ]. Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐａｒｔ Ａ: Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｃｈｅｍｉｓ￣

ｔｒｙ? ２０１０? ４６(１８): ６０９１－６１０１.

[２２] 李楚新? 莊一鳴? 夏新年. 含羧基苯并噁嗪?jiǎn)误w的合成及固化物

的固化溫度研究[Ｊ]. 精細(xì)化工中間體? ２０１４? ４４(２): ５５－５９.

[２３] 詹佐民. 低溫固化全生物基苯并噁嗪的構(gòu)筑及熱性能研究[Ｄ].

浙江: 浙江大學(xué)? ２０２３.

[２４] ＺＨＡＮＧ Ｄ? ＹＵＥ Ｊ? ＬＩ Ｈ? ｅｔ ａｌ. Ｃｕｒｉｎｇ ｋｉｎｅｔｉｃｓ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｂｅｎｚｏｘ￣

ａｚｉｎｅ ｕｓｉｎｇ ｄｉａｒｙｌｉｏｄｏｎｉｕｍ ｓａｌｔｓ ａｓ ｔｈｅｒｍａｌ ｉｎｉｔｉａｔｏｒｓ[ Ｊ]. Ｔｈｅｒｍｏ￣

ｃｈｉｍｉｃａ Ａｃｔａ? ２０１６? ６４３: １３－２２.

[２５] ＣＡＬＯ Ｅ? ＭＡＦＦＥＺＺＯＬＩ Ａ? ＭＥＬＥ Ｇ? ｅｔ ａｌ. Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ａ ｎｏｖｅｌ

ｃａｒｄａｎｏｌ－ｂａｓｅｄ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ ｍｏｎｏｍｅｒ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｌｙ ｓｕｓｔａｉｎ￣

ａｂｌｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｌｙｍｅｒｓ ａｎｄ ｂｉｏ－ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ[ Ｊ]. Ｇｒｅｅｎ Ｃｈｅｍ￣

ｉｓｔｒｙ? ２００７? ９(７): ７５４－７５９.

２０２３ 年第 ９ 期 １２７

???????????????????????????????????????????????

中低溫固化苯并噁嗪樹(shù)脂的研究進(jìn)展

[２６] ＺＨＵ Ｌ? ＬＵ Ｙ? ＹＵ Ｗ Ｇ? ｅｔ ａｌ. Ａｎｔｉ－ｐｈｏｔｏａｇｅｉｎｇ ａｎｄ ａｎｔｉ－ｍｅｌａ￣

ｎｏｇｅｎｅｓｉｓ ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ ｏｆ ｃｈｒｙｓｉｎ[ Ｊ]. Ｐｈａｒｍ Ｂｉｏｌ? ２０１６? ５４ ( １１):

２６９２－２７００.

[２７] ＺＨＡＯ Ｗ? ＨＡＯ Ｂ? ＬＵ Ｙ? ｅｔ ａｌ. Ｔｈｅｒｍａｌ ｌａｔｅｎｔ ａｎｄ ｌｏｗ－ｔｅｍｐｅｒａ￣

ｔｕｒｅ ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｂｉｏ－ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ ｒｅｓｉｎ ｆｒｏｍ ｎａｔｕｒａｌ ｒｅｎｅｗａｂｌｅ

ｃｈｒｙｓｉｎ ａｎｄ ｆｕｒｆｕｒｙｌａｍｉｎｅ[ Ｊ]. Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｊｏｕｒｎａｌ? ２０２２?

１６６: １１１０４１－１１１０５１.

[２８] ＴＯＲＯ Ｐ Ｍ? ＰＥＲＡＬＴＡ Ｆ? ＯＹＡＲＺＯ Ｊ? ｅｔ ａｌ. Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｒｙｐａｎｏ￣

ｃｉｄａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｆｅｒｒｏｃｅｎｙｌ ａｎｄ ｃｙｒｈｅｔｒｅｎｙｌ Ｎ－ａｃｙｌｈｙｄｒａｚｏｎｅｓ ｗｉｔｈ

ｐｅｎｄａｎｔ ５－ｎｉｔｒｏｆｕｒｙｌ ｇｒｏｕｐ[Ｊ]. Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ?

２０２１? ２１９: １１１４２８－１１１４４０.

[２９] ＭＢＡＢＡ Ｍ? ＤＩＮＧＬＥ Ｌ Ｋ? ＣＡＳＨ Ｄ? ｅｔ ａｌ. Ｒｅｐｕｒｐｏｓｉｎｇ ａ ｐｏｌｙｍｅｒ

ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ: Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ａｎｄ ｉｎ ｖｉｔｒｏ ｍｅｄｉｃｉｎａｌ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｏｆ ｆｅｒｒｏｃｅｎｙｌ

１?３ － ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ [ Ｊ]. Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｄｉｃｉｎａｌ

Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ: Ｃｈｉｍｉｅ Ｔｈｅｒａｐｅｕｔｉｑｕｅ? ２０２０? １８７: １１１９２４－１１１９３９.

[３０] ＬＩ Ｗ? ＷＥＩ Ｔ? ＧＡＯ Ｙ? ｅｔ ａｌ. Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｎｏｖｅｌ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ

ｍｏｎｏｍｅｒｓ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｆｅｒｒｏｃｅｎｅ ｍｏｉｅｔｙ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｐｏｌｙｂｅｎｚｏｘ￣

ａｚｉｎｅｓ[Ｊ]. Ｐｏｌｙｍｅｒ? ２０１２? ５３(６): １２３６－１２４４.

[３１] 龔天園? 郝彥鑫? 海藝凡? 等. 乙烯基超支化聚酯改性苯并噁嗪

紫外光固化樹(shù)脂的性能研[Ｊ]. 塑料工業(yè)? ２０２１? ４９(７): ５７－６０.

[３２] ＬＩＮ Ｌ Ｋ? ＷＵ Ｃ Ｓ? ＳＵ Ｗ Ｃ? ｅｔ ａｌ. Ｄｉｅｔｈｙｌｐｈｏｓｐｈｏｎａｔｅ－ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ

ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ａｓ ａ ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ｌａｔｅｎｔ ｃａｔａｌｙｓｔ ａｎｄ ａ ｒｅａｃｔｉｖｅ

ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｍｏｄｉｆｉｅｒ ｆｏｒ ｐｏｌｙｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ－ｂａｓｅｄ ｒｅｓｉｎｓ[ Ｊ]. Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ

Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐａｒｔ Ａ: Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ? ２０１３? ５１ ( １６):

３５２３－３５３０.

[３３] 張東霞? 冉起超? 盛兆碧? 等. 金屬鹽對(duì)聚苯并惡嗪熱穩(wěn)定性

的影響及機(jī)理[Ｊ]. 熱固性樹(shù)脂? ２０１１? ２６(５): １－７.

[３４] 顧宜? 鄭靖. 三氯化鋁引發(fā)苯并噁嗪開(kāi)環(huán)聚合反應(yīng)的研究[Ｃ] / /

１９９７ 年全國(guó)高分子學(xué)術(shù)論文報(bào)告會(huì)論文集. １９９７: ２１８－２１９.

[３５] ＩＳＨＩＤＡ Ｈ. Ｃａｔｉｏｎｉｃ ｒｉｎｇ－ｏｐｅｎｉｎｇ ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅｓ

[Ｊ]. Ｐｏｌｙｍｅｒ: Ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈ￣

ｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ? １９９９? ４０(１６): ４５６３－４５７０.

[３６] ＳＨＡＲＭＡ Ｐ? ＫＵＭＡＲ Ｄ? ＲＯＹ Ｐ Ｋ. Ｅｎｈａｎｃｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｂｉｌｉｔｙ

ｏｆ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｐｏｌｙｍｅｒｉｚｉｎｇ ｃａｒｄａｎｏｌ ｄｅｒｉｖｅｄ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅｓ ｕｓｉｎｇ

ｅｃｏ－ｆｒｉｅｎｄｌｙ ｃｕｒｉｎｇ ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒｓ[Ｊ]. Ｐｏｌｙｍｅｒ? ２０１８? １３８: ３４３－３５１.

[３７] 陶凌云? 錢(qián)勝濤. 對(duì)甲基苯磺酸甲酯催化苯并噁嗪固化反應(yīng)

[Ｊ]. 化學(xué)研究? ２００７? １８(４): ９－１２.

[３８] ＣＨＵＴＡＹＯＴＨＩＮ Ｐ? ＩＳＨＩＤＡ Ｈ. Ｃａｔｉｏｎｉｃ ｒｉｎｇ－ｏｐｅｎｉｎｇ ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａ￣

ｔｉｏｎ ｏｆ １?３－Ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅｓ: Ｍｅｃｈａｎｉｓｔｉｃ ｓｔｕｄｙ ｕｓｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ

[Ｊ]. Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ? ２０１０? ４３(１０): ４５６２－４５７２.

[３９] ＩＳＨＩＤＡ Ｈ? ＲＯＤＲＩＧＵＥＺ Ｙ Ｃ. Ｃａｔａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｃｕｒｉｎｇ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ

ｎｅｗ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ－ｂａｓｅｄ ｐｈｅｎｏｌｉｃ ｒｅｓｉｎ[Ｊ]. Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｏｌ￣

ｙｍｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ? ２０１０? ５８(１０): １７５１－１７６０.

[４０] ＲＯＤＲíＧＵＥＺ Ｒ Ｂ? ＩＧＵＣＨＩ Ｄ? ＥＲＲＡ－ＢＡＬＳＥＬＬＳ Ｒ? ｅｔ ａｌ. Ｄｅ￣

ｓｉｇｎ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｉｎｎａｍｉｃ ａｃｉｄｓ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｓ ｏｒｇａｎｏ￣

ｃａｔａｌｙｓｔ ｏｎ ｔｈｅ ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅｓ[Ｊ]. Ｐｏｌｙｍｅｒｓ? ２０２０?

１２(７): １５２７－１５４１.

[４１] ＣＯＭí Ｍ? ＬＬＩＧＡＤＡＳ Ｇ? ＲＯＮＤＡ Ｊ Ｃ? ｅｔ ａｌ. Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ｂｅｎｚｏｘ￣

ａｚｉｎｅ ｍｏｎｏｍｅｒｓ ｆｒｏｍ “ｌｉｇｎｉｎ－ｌｉｋｅ” ｎａｔｕｒａｌｌｙ ｏｃｃｕｒｒｉｎｇ ｐｈｅｎｏｌｉｃ ｄｅ￣

ｒｉｖａｔｉｖｅｓ[Ｊ]. Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐａｒｔ Ａ: Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｃｈｅｍｉｓ￣

ｔｒｙ? ２０１３? ５１(２２): ４８９４－４９０３.

[ ４２] ＴＲＥＪＯ－ＭＡＣＨＩＮ Ａ? ＶＥＲＧＥ Ｐ? ＰＵＣＨＯＴ Ｌ? ｅｔ ａｌ. Ｐｈｌｏｒｅｔｉｃ ａｃｉｄ

ａｓ ａｎ ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ ｔｏ ｔｈｅ ｐｈｅｎｏｌａｔｉｏｎ ｏｆ ａｌｉｐｈａｔｉｃ ｈｙｄｒｏｘｙｌｓ ｆｏｒ ｔｈｅ

ｅｌａｂｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｌｙｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ [ Ｊ]. Ｇｒｅｅｎ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ? ２０１７? １９:

５０６５－５０７３.

[４３] ＬＩ Ｈ Ｌ? ＨＵＡＭＩＮＧ. Ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ ｍｏｎｏｍｅｒｓ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｔｒｉｐｈｅｎｙｌｉｍ￣

ｉｄａｚｏｌｅ: Ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｎｏｍｅｒｓ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｐｏｌｙｂｅｎｚｏｘ￣

ａｚｉｎｅｓ[Ｊ]. Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｊｏｕｒｎａｌ? ２０１９? １２１: １０９３４７－１０９３５４.

[４４] ＳＵＮ Ｊ Ｑ? ＷＥＩ Ｗ? ＸＵ Ｙ Ｚ? ｅｔ ａｌ. Ａ ｃｕｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ

ｗｉｔｈ ａｍｉｎｅ: Ｒｅａｃｔｉｖｉｔｙ? ｒｅａｃｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ

[Ｊ]. ＲＳＣ Ａｄｖａｎｃｅｓ? ２０１５? ５(２５): １９０４８－１９０５７.

[４５] ＷＡＮＧ Ｊ? ＸＵ Ｙ Ｚ? ＦＵ Ｙ Ｆ? ｅｔ ａｌ. Ｌａｔｅｎｔ ｃｕｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ

ｂｙ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ ｉｎ ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ ｍｉｘｔｕｒｅｓ ｏｆ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ ａｎｄ

ａｍｉｎｅ[Ｊ]. Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｒｅｐｏｒｔｓ? ２０１６? ６: ３８５８４－３８５９１.

[４６] 宋霖? 向海? 朱蓉琪? 等. 咪唑催化苯并噁嗪樹(shù)脂固化的研究

[Ｊ]. 熱固性樹(shù)脂? ２００５? ２０(４): １７－２０.

[４７] ＳＨＩＴＯＮＧ Ｒ? ＭＩＡＯ Ｘ Ｙ? ＺＨＡＯ Ｗ Ｂ? ｅｔ ａｌ. Ａ ｆｕｌｌｙ ｂｉｏ －ｂａｓｅｄ

ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ ａｓ ｌａｔｅｎｔ ｃａｔａｌｙｓｔ ｆｏｒ ｂｉｓｐｈｅｎｏｌ Ａ/ ａｎｉｌｉｎｅ－ｂａｓｅｄ ｂｅｎｚｏｘ￣

ａｚｉｎｅ[ Ｊ] . Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｔｏｄａｙ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ? ２０１９? ２０: １００５６８－

１００５７５.

[４８] ＬＩＮ Ｒ? ＺＨＵ Ｙ? ＺＨＡＮＧ Ｙ? ｅｔ ａｌ. Ｐｙｒｏｇａｌｌｏｌ－ｂａｓｅｄ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅｓ

ｗｉｔｈ ｌａｔｅｎｔ ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ: Ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ－ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｅｆｆｅｃｔ

ｏｆ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｂｏｎｄｓ ｏｎ ｒｉｎｇ － ｏｐｅｎｉｎｇ ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ [ Ｊ]. Ｅｕｒｏｐｅａｎ

Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｊｏｕｒｎａｌ? ２０１８? １０２: １４１－１５０.

[４９] ＫＯＬＡＮＡＤＩＹＩＬ Ｓ Ｎ? ＡＺＥＣＨＩ Ｍ? ＥＮＤＯ Ｔ. Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｎｏｖｅｌ ｔｒｉ－

ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｐｈｅｎｏｌｉｃ ｎｕｃｌｅｏｐｈｉｌｅｓ ｏｎ ｉｔｓ ｒｉｎｇ－ｏｐｅｎｉｎｇ

ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ[ Ｊ]. Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐａｒｔ Ａ: Ｐｏｌｙｍｅｒ

Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ? ２０１６? ５４(１７): ２８１１－２８１９.

[５０] ＬＩ Ｘ? ＹＡＯ Ｈ Ｊ? ＬＵ Ｘ? ｅｔ ａｌ. Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｐｙｒｏｇａｌｌｏｌ ｏｎ ｔｈｅ ｒｉｎｇ－ｏｐｅｎ￣

ｉｎｇ ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｕｒｉｎｇ ｋｉｎｅｔｉｃｓ ｏｆ ａ ｆｕｌｌｙ ｂｉｏ－ｂａｓｅｄ ｂｅｎｚｏｘ￣

ａｚｉｎｅ[Ｊ]. Ｔｈｅｒｍｏｃｈｉｍｉｃａ Ａｃｔａ? ２０２０? ６９４(１): １７８７８７－１７８１９５.

[５１] ＧＯＲＯＤＩＳＨＥＲ Ｉ? ＤＥＶＯＥ Ｒ Ｊ? ＷＥＢＢ Ｒ Ｊ. Ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｏｐｅｎｉｎｇ ｏｆ

ｌａｔｅｒａｌ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ ｒｉｎｇｓ ｂｙ ｔｈｉｏｌｓ[Ｍ]. Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ: Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｂ.Ｖ.?

２０１１: ２１１－２３４.

[５２] ＳＷＡＰＮＩＬ Ｓ? ＡＲＮＡＢ Ｇ? ＰＲＡＳＵＮ Ｋ Ｒ? ｅｔ ａｌ. Ｃａｒｄａｎｏｌ ｂｅｎｚｏｘ￣

ａｚｉｎｅｓ－Ａ ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ ｌｉｎｋｅｒ ｆｏｒ ｅｌｅｍｅｎｔａｌ ｓｕｌｐｈｕｒ ｂａｓｅｄ ｃｏｐｏｌｙｍｅｒｓ

ｖｉａ ｉｎｖｅｒｓｅ ｖｕｌｃａｎｉｓａｔｉｏｎ[Ｊ]. Ｐｏｌｙｍｅｒ? ２０１６? ９９(２): ３４９－３５７.

[５３] 朱祖威. 低溫固化苯并噁嗪聚合物的制備及其開(kāi)環(huán)聚合行為研

究[Ｄ]. 廣東: 華南理工大學(xué)? ２０１５.

[５４] 陳戈? 石銳? 趙星宇? 等. 間苯二酚酚醛改性苯并噁嗪樹(shù)脂性

能的研究[Ｊ]. 塑料工業(yè)? ２０２０? ４０４(１１): ６３－６７.

[５５] 趙星宇? 陳戈? 夏益青? 等. 苯并噁嗪/ 間苯二酚酚醛/ 間苯二

酚環(huán)氧樹(shù)脂三元共混體系的結(jié)構(gòu)與性能研究[ Ｊ]. 四川輕化工

大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版? ２０２２? ３５(２): ８－１３.

[５６] ＷＡＮＧ Ｇ Ｒ? ＬＩ Ｙ? ＭＥＩ Ｚ Ｙ? ｅｔ ａｌ. Ｃｕｒｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｋｉｎｅｔｉｃｓ

ｏｆ ｂｅｎｚｏｘａｚｉｎｅ ｃｏ － ｃａｔａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｍｅｔａｌ ｓａｌｔ ａｎｄ ｐｈｅｎｏｌｉｃ

ｒｅｓｉｎ[Ｊ]. Ｔｈｅｒｍｏｃｈｉｍｉｃａ Ａｃｔａ? ２０２２? ７１０: １７９１８２－１７９１９４.

１２８ ２０２３ 年 ９ 月

???????????????????????????????????????????????

??