为了研究水雾对激光加工碳纤维复合材料(CFRP)的影响，采用水雾辅助激光加工CFRP的方法，通过正交实验、多元线性回归分析和光学仪器进行了理论分析和实验验证，得到了水雾对激光加工CFRP的影响规律并优化了工艺参数。结果表明，随着喷嘴高度、喷嘴角度增加和气体压力减小，激光光斑直径逐渐减小; 随着喷嘴角度增加和气体压力减小，激光损失率逐渐减小,喷嘴高度对激光功率影响小; 当喷嘴角度50°、气体压力0.2 MPa和喷嘴高度为30 mm时，可以获得最大5.303的深宽比，此时激光损失率为1.473%; 建立的水雾参数与加工质量之间的经验公式可以预测切缝内部特征; 与气体辅助激光加工CFRP相比，水雾辅助激光加工CFRP可以获得更小的截面热影响区和更大的槽深。该研究可为激光低损伤加工CFRP提供参考。

为了探索激光切割工艺参数对碳纤维复合材料温度场的影响, 采用有限元模拟分析和试验验证的方法, 综合考虑辅助气体冷却和热辐射作用, 定性模拟分析了激光功率、扫描速度和激光光斑半径对碳纤维复合材料厚度方向和垂直于激光扫描方向的温度场影响规律。结果表明：激光切割工艺参数对试件厚度和垂直切割方向的热影响具有一致性；吸收能量较多时造成基体气化区域比烧蚀区域大, 当激光能量降低时, 烧蚀区域逐渐大于气化区域；获得的激光切割工艺参数与温度之间的关系, 能够指导实际加工, 提前预测激光切割碳纤维复合材料热影响区, 为激光热量传播和控制热影响区提供依据。

Carbon fiber reinforced plastic (CFRP) has been applied in aeronautics, aerospace, automotive and medical industries due to its superior mechanical properties. However, due to its difficult-to-cut characteristic, various damages in twist drilling and chip removal clog in core drilling could happen, inevitably reducing hole quality and hole-manufacturing efficiency. This paper proposes the wave-motion milling (WMM) method for CFRP hole-manufacturing to improve hole quality. This paper presents a motion path model based on the kinematics of the WMM method. The wave-motion cutting mode in WMM was analyzed first. Then, comparison experiments on WMM and conventional helical milling (CHM) of CFRP were carried out under dry conditions. The results showed that the hole surface quality of the CFRP significantly improved with a decrease of 18.1%–36% of Ra value in WMM compared to CHM. WMM exerted a significantly weaker thrust force than that of CHM with a reduction of 12.0%–24.9% and 3%–7.7% for different axial feed per tooth and tangential feed per tooth, respectively. Meanwhile, the hole exit damages significantly decreased in WMM. The average tear length at the hole exit in WMM was reduced by 3.5%–29.5% and 35.5%–44.7% at different axial feed per tooth and tangential feed per tooth, respectively. Moreover, WMM significantly alleviated tool wear. The experimental results suggest that WMM is an effective and promising strategy for CFRP hole-manufacturing.

碳纤维复合材料(CFRP)疲劳损伤的形成是一个复杂的过程,且疲劳损伤会随载荷和时间的增加不断扩展。针对现有损伤概率成像方法对损伤位置误判率高、损伤成像清晰度低、可视化效果差的问题,提出了一种基于飞行时间(ToF)损伤因子的CFRP疲劳损伤概率成像方法。该方法用一种新的损伤因子改进现有的损伤概率成像方法,并研究了不同疲劳载荷循环次数下的CFRP板疲劳损伤。实验结果表明,相比现有方法,本方法的损伤定位误差至少降低了49.85%,为CFRP疲劳损伤的准确量化分析提供了新方法。

采用不同波长皮秒激光器在碳纤维复合材料板材上进行制孔加工, 研究了不同波长(532, 355 nm)、扫描速度(3 000、3 500、4 000、4 500、5 000 mm/s)、加工缝宽(0.4、0.5、0.6 mm)对加工孔表面热影响区、孔锥度、加工时长等加工质量的影响。结果表明: 激光波长越短, 加工孔的表面质量越好, 热影响区越小。在5 mm厚的碳纤维板材上加工直径为3 mm的孔, 当激光波长为532 nm时, 加工孔边缘热影响区大小为200 μm; 当激光波长为355 nm时, 加工孔边缘热影响区大小为70 μm。在不影响加工效率的前提下, 一定范围内, 加工速度越大越好, 缝宽越小越好。当扫描速度为5 000 mm/s、加工缝宽为0.4 mm时, 表面孔边缘热影响区大小仅为33.8 μm, 其孔径上下表面差为184.1 μm, 均为以上所有参数条件下最好效果。

碳纤维复合材料(CFRP)是由碳纤维和基体组成的二相或多相结构, 具有非均质和各向异性, 且碳纤维的硬度很高, 采用传统的机械加工方式易出现如刀具磨损、复合材料分层、纤维破碎及加工后性能变差等问题。使用激光加工可以克服其技术方面所面临的各种困难, 但由于CFRP中碳纤维增强体在热膨胀系数、气化温度等热力学性能方面与基体存在相当大差异, 激光加工过程中易出现热影响区、纤维拔出、复合材料分层、纤维末端膨胀等热损伤缺陷, 严重影响CFRP的静态强度, 导致激光加工CFRP面临巨大挑战。综述了国内外降低激光加工碳纤维复合材料的研究现状, 通过采用短脉冲、短波长、重复频率高的激光光源, 以及提高加工速度、改进加工路径、一定压力的吹气等多种方法降低激光与材料的作用时间, 从而减少热效应。

针对孔隙率接近0的小孔隙率碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Composite, CFRP)的富树脂检测需求, 提出富树脂超声检测技术。对超声检测信号中的噪声消除方法、衰减抑制方法和富树脂检测的多视图成像技术进行研究, 并开发小孔隙率CFRP富树脂超声检测软件。首先提出共振频率估计方法, 通过低通滤波抑制高频随机噪声。其次根据频率差异, 应用变分模态分解算法分离并消除共振结构噪声, 提取低频成分。该低频成分包括表面回波、底面回波、富树脂反射信号和由层间反射信号、材料散射噪声等构成的相干噪声。再次, 引入瞬时幅值比修正低频成分的幅值衰减并描述被检测小孔隙率CFRP的局部反射能力。最后, 应用Otsu多阈值方法自适应获得富树脂识别的阈值, 消除相干噪声的影响, 完成富树脂识别。进一步对小孔隙率CFRP的超声检测结果进行多视图成像, 在三维视图、C扫描视图和B扫描视图内识别富树脂。结果表明: 变分模态分解的分量数为2, Otsu多阈值的类别数为3时, 能够准确识别小孔隙率CFRP超声检测信号中的富树脂反射信号; 采用0.15作为多视图成像的阈值, 可简洁有效地描述富树脂在小孔隙率CFRP中的分布。

利用太赫兹时域光谱成像技术检测了内含缺陷的玻璃纤维与碳纤维增强复合材料，获得了材料内部缺陷的太赫兹透射图像，从而实现对复合材料样本的无损检测。实验结果表明，太赫兹透射成像技术可检测出多层玻璃纤维复合材料的层间缺陷。但该技术对于碳纤维复合材料中缺陷的检测能力有限，主要是因为碳纤维具有导电特性，导致太赫兹信号对其穿透能力有限。通过对成像模式的调节，太赫兹无损检测技术可对碳纤维材料内部深度约为0.2 mm、宽度为10 mm的缺陷进行成像检测。这为发展准确、灵敏、高效的纤维增强复合材料太赫兹无损检测技术提供了基础实验数据。

Optical fiber sensors have attracted considerable attention in health monitoring of aerospace composite structures. This paper briefly reviews our recent advancement mainly in Brillouin-based distributed sensing. Damage detection, life cycle monitoring and shape reconstruction systems applicable to large-scale composite structures are presented, and new technical concepts, “smart crack arrester” and “hierarchical sensing system”, are described as well, highlighting the great potential of optical fiber sensors for the structural health monitoring (SHM) field.

提出了复合材料和金属预埋件互嵌整体成型的设计方法。根据同轴三反光学系统中光学元件的空间布局和碳纤维复合材料的工艺特点和材料属性, 设计了一种碳纤维基体与钛合金预埋件互为镶嵌的相机主承力板。首先, 以碳纤维复合材料基体为核心, 优化设计了基体的筋格形式和厚度, 并对金属预埋件进行了布局和轻量化设计; 然后, 分析了碳纤维主承力板的模态和变形; 最后, 进行了振动环境试验, 验证了设计及分析的准确性。检测和试验表明, 纤维主承力板的最大外接圆直径为Φ870 mm, 厚度为130 mm, 质量为15.6 kg, 平均体密度仅为0.313 g/cm3, 主承力板一阶频率达到479.2 Hz, 满足了空间相机的高动态刚度、轻质量、高安装精度要求。